蘇 強(qiáng)，鄒曉鳳,*，祁 振，馬 坤，趙 偉，王建國(guó)

(1. 山東省環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司，山東濟(jì)南 250100；2. 山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司，山東濟(jì)南 250100)

制革廢水的水質(zhì)具有成分復(fù)雜、水質(zhì)波動(dòng)大[1-2]、重金屬鉻含量高[3-4]、色度深、懸浮物高、易生化等特點(diǎn)。廢水中主要污染物為蛋白質(zhì)類(lèi)和油脂類(lèi)物質(zhì)，且加工過(guò)程中投加了很多銨鹽[5]，導(dǎo)致制革廢水處理工藝普遍存在氨氮較高、污泥負(fù)荷重、耗氧量高、生化系統(tǒng)臭味較重等問(wèn)題[5-7]。目前，研究者們多采用直接投加菌制劑或酶制劑的方式提高廢水生化系統(tǒng)的處理效率[8-10]，但菌制劑本身對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力問(wèn)題限制了菌制劑的大規(guī)模使用。制革廢水污泥減量主要通過(guò)改良工藝、投加臭氧或解偶聯(lián)劑等方式[11-13]，對(duì)于一般污水廠而言，工藝改造相對(duì)困難，如何在原有工藝條件下達(dá)到污泥減量是目前污泥減量研究的熱點(diǎn)。本研究針對(duì)河北辛集某制革廢水污染物濃度高、生化處理系統(tǒng)生化能力差、產(chǎn)泥量高的問(wèn)題，根據(jù)微生物學(xué)原理，利用山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司的生物增效技術(shù)對(duì)生化系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生物增效中試試驗(yàn)。通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)好氧池出水加部分營(yíng)養(yǎng)活化COD增效去除菌種和具有產(chǎn)溶菌酶的焦瑞身氏溶桿菌(Lysobacterruishenii)污泥減量菌種，活化后分別投加至好氧系統(tǒng)和污泥消解池中，輔以投加微生物營(yíng)養(yǎng)劑，最終達(dá)到提高生化系統(tǒng)對(duì)污染物去除效率和減少制革廢水污泥產(chǎn)量的目的。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)用水與接種污泥

試驗(yàn)所用廢水取自河北辛集某制革企業(yè)調(diào)節(jié)池，所用接種活性污泥取自該廢水處理系統(tǒng)的生化段曝氣池，中試污泥質(zhì)量濃度為9 000 mg/L，SV30為75%。中試水質(zhì)如表1所示。

表1 中試進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Influent and Effluent Index for Pilot-Scale Test

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用菌制劑和營(yíng)養(yǎng)劑均由山東省環(huán)科院環(huán)境工程有限公司提供，其中，1#菌制劑為高效污染物降解菌的枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌和假單胞菌的混合固體菌種，菌株含量為5.0×109CFU/g，具有提高廢水中難降解污染物降解速率的功效；2#菌制劑為焦瑞身氏溶桿菌單一固體菌種，菌株含量為1.0×109CFU/g，該菌株經(jīng)實(shí)驗(yàn)室分離鑒定，具有產(chǎn)溶菌酶的功效，可有效消解污泥。中試所用營(yíng)養(yǎng)劑為公司自研產(chǎn)品，富含多種碳、氮、磷等有機(jī)元素和微量元素，可促進(jìn)微生物快速增殖。

1.3 試驗(yàn)工藝

中試工藝對(duì)照組與現(xiàn)場(chǎng)廢水處理工藝一致，工藝流程如圖1所示。

圖1 中試工藝路線Fig.1 Process Flow of Pilot-Scale Test

1.4 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)所投加菌種為現(xiàn)場(chǎng)活化后的菌液，活化方法為1%菌粉+98.5%好氧出水+0.5%糖蜜，曝氣活化24 h后作為菌液投加使用。

本試驗(yàn)兩個(gè)AO系統(tǒng)同步進(jìn)行，工藝流程與污水處理廠流程保持一致。試驗(yàn)為期2個(gè)月，處理量為1 m3/h。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行兩周后向試驗(yàn)組O1池投加1#菌制劑和營(yíng)養(yǎng)劑，按照進(jìn)水量,1#菌制劑每日投加量為20 mg/L，營(yíng)養(yǎng)劑每日投加量為10 mg/L。向污泥消解池投加2#菌制劑，每日投加量為50 mg/L，同種營(yíng)養(yǎng)劑每日投加量為25 mg/L，菌制劑和營(yíng)養(yǎng)劑均為一次性投加，且所投加的1#和2#菌制劑均為現(xiàn)場(chǎng)活化后投加，對(duì)照組不投加任何制劑。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定兩周后記錄清水池出水?dāng)?shù)據(jù)及污泥排放量，并對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)好氧池污泥進(jìn)行取樣，高通量測(cè)序后分析兩個(gè)系統(tǒng)的微生物菌群變化情況。整個(gè)試驗(yàn)階段對(duì)照組除不投加菌制劑，其他所有工藝參數(shù)均與試驗(yàn)組保持一致(表2)。

表2 中試基本工藝參數(shù)Tab.2 Basic Process Parameters of Pilot-Scale Test

1.5 檢測(cè)方法

CODCr、氨氮、MLSS等水質(zhì)指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法測(cè)定，高通量測(cè)序由上海生工檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD

A池停留時(shí)間為1.25 d、O池停留時(shí)間為6.25 d時(shí)，一周后系統(tǒng)出水穩(wěn)定，連續(xù)測(cè)定清水池出水CODCr，結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩套系統(tǒng)對(duì)CODCr去除效果的對(duì)比Fig.2 Comparison of Removal Efficiency of CODCr between Two Systems

由圖2可知，在進(jìn)水COD一致的情況下，投加菌制劑和營(yíng)養(yǎng)劑后，試驗(yàn)組出水?dāng)?shù)值相對(duì)平穩(wěn)，平均CODCr為150 mg/L，明顯低于對(duì)照組的258 mg/L，試驗(yàn)組CODCr平均去除率為96.8%，高于對(duì)照組的94.6%。該廠排入園區(qū)污水處理廠CODCr的排放標(biāo)準(zhǔn)為≤300 mg/L，增效后中試出水可做到100%穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。Emine等[14]研究表明，制革廢水存在單寧、染料等相對(duì)難生物降解物質(zhì)，這部分難降解CODCr為200～300 mg/L。因此，投加菌制劑和營(yíng)養(yǎng)劑可在一定程度上提高生化系統(tǒng)對(duì)制革廢水難降解物質(zhì)的去除效果。

2.2 氨氮

O池溶解氧為2～3 mg/L、停留時(shí)間為6.25 d時(shí)，系統(tǒng)出水穩(wěn)定后連續(xù)測(cè)定清水池出水氨氮，結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩套系統(tǒng)對(duì)氨氮去除效果的對(duì)比Fig.3 Comparison of Removal Efficiency of Ammonia Nitrogen between Two Systems

由圖3可知，在進(jìn)水氨氮平均為323.7 mg/L時(shí)，試驗(yàn)組出水氨氮平均為7.7 mg/L，氨氮平均去除率高達(dá)97.6%。而對(duì)照組的出水氨氮平均為13.2 mg/L，已接近排入園區(qū)污水處理廠氨氮≤15 mg/L的排放標(biāo)準(zhǔn)。吳偉等[15]研究表明，水體中加入一定量的枯草芽孢桿菌和水生假絲酵母等菌株的復(fù)合微生態(tài)制劑后，可明顯提高水體中氨化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的數(shù)量。本研究所加菌劑含枯草芽孢桿菌，且營(yíng)養(yǎng)劑中含有酵母提取物成分，可能在一定程度上提升了生化系統(tǒng)硝化效果。

2.3 剩余污泥排放

中試期間產(chǎn)生的剩余污泥進(jìn)入污泥消解池，剩余污泥產(chǎn)生量約為14 kg/d。試驗(yàn)組污泥消解池每日投加菌制劑和營(yíng)養(yǎng)劑，對(duì)照組不投加。兩組污泥消解池流量為0.875 m3/d，污泥質(zhì)量濃度為16 g/L，停留時(shí)間為2 d，溶解氧質(zhì)量濃度為0.5～1.0 mg/L。中試運(yùn)行穩(wěn)定后每日測(cè)定消解后剩余污泥排放量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 兩套系統(tǒng)運(yùn)行期間的剩余污泥累積排放量Fig.4 Comparison of Cumulative Discharge of Residual Sludge between Two Systems

由圖4可知，投加2#菌制劑的試驗(yàn)組最終剩余污泥排放量明顯低于對(duì)照組，平均排放剩余污泥量為4 011 g/d，明顯低于對(duì)照組的7 651 g/d，在投加具有產(chǎn)溶菌酶的2#菌制劑的作用下，系統(tǒng)剩余污泥減量達(dá) 71.3%。宋勇等[9]采用直接投加水解溶菌酶的方式對(duì)SBR 系統(tǒng)中剩余污泥進(jìn)行減量，在恒溫 30 ℃、水解溶菌酶(amresco，活力為20 000 U/mg)投加量為67 mg/L的條件下，污泥減量可達(dá)到76.3%。與本試驗(yàn)相同，該方法也是基于溶菌酶使細(xì)菌細(xì)胞破裂，細(xì)菌隱性生長(zhǎng)起到污泥減量效果，但相較于直接投加溶菌酶，本試驗(yàn)投加菌制劑費(fèi)用更低。而對(duì)照組主要通過(guò)內(nèi)源呼吸作用消耗自身原生質(zhì)，最后使細(xì)菌解體，達(dá)到污泥減量，效果相對(duì)較差。

2.4 好氧系統(tǒng)菌群豐度及Alpha多樣性

為了解生物增效后好氧生化系統(tǒng)菌群(operational taxonomic units,OTU)變化情況，取試驗(yàn)組和對(duì)照組好氧池活性污泥進(jìn)行高通量分析，觀察試驗(yàn)組(PGEG樣本)和對(duì)照組(PGCK樣本)的好氧池活性污泥中微生物OTU的豐度信息和Alpha多樣性情況(表3)，OTU的豐度和Alpha多樣性的Chao指數(shù)均可評(píng)估物種豐富程度(圖5)。

表3 樣品OTU統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of OTU of Samples

圖5 Chao1指數(shù)稀釋曲線Fig.5 Curve of Chao1 Index Dilution

2個(gè)樣品共產(chǎn)生535個(gè)OTU。將多條序列按其序列間的距離對(duì)它們進(jìn)行聚類(lèi)后，對(duì)照組PGCK樣本共有480個(gè)OTU，而試驗(yàn)組PGEG樣本共有499個(gè)OTU，說(shuō)明生物增效后菌膠團(tuán)內(nèi)的細(xì)菌種類(lèi)有所增多。圖5中PGCK樣本的Chao指數(shù)明顯低于PGEG樣本，表明試驗(yàn)組PGEG樣本的物種豐富程度明顯高于對(duì)照組。

2.5 屬水平分布

通過(guò)檢測(cè)對(duì)照組和試驗(yàn)組兩個(gè)樣本屬水平菌群組成及豐度，判斷生物增效后菌群遷移情況。

由圖6可知，制革廢水活性污泥細(xì)菌主要由叢毛單胞菌屬(Comamonas)、未分類(lèi)菌屬(uncla-ssified)、脫氮噬脂環(huán)物菌(Alicycliphilus)、萊茵海默氏菌(Rheinheimera)、變形桿菌(Proteus)、不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)等幾個(gè)主要菌屬構(gòu)成。生物增效后PGEG樣本叢毛單胞菌屬、脫氮噬脂環(huán)物菌和萊茵海默氏菌的豐度明顯高于PGCK樣本，而變形桿菌和不動(dòng)桿菌相對(duì)豐度有所降低。其中，脫氮噬脂環(huán)物菌被報(bào)道有降解疏水性有機(jī)污染物的特性[16]，而萊茵海默氏菌被報(bào)道有產(chǎn)脂肪酶的特性[17]，生物增效提升了制革廢水生化系統(tǒng)部分有效功能菌的數(shù)量。

圖6 Genus水平各樣本菌群分布Fig.6 Relative Abundance of the Aerobic Sludge Bacterial Flora on Genus Level

3 結(jié)論

在制革廢水運(yùn)行過(guò)程中，廢水成分復(fù)雜、SS高導(dǎo)致出水CODCr和氨氮不穩(wěn)定、污泥產(chǎn)量高。通過(guò)采用生物增效技術(shù)，在不改變?cè)到y(tǒng)工藝流程和設(shè)施的前提下，不僅提高了制革廢水生化系統(tǒng)的生物活性，使出水CODCr和氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，還明顯減少了污泥排放量。

(1)采用好氧出水預(yù)活化菌制劑+投加營(yíng)養(yǎng)劑模式的生物增效能有效提高制革廢水生化系統(tǒng)對(duì)CODCr和氨氮的去除率：試驗(yàn)組每日向好氧池投加經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初級(jí)發(fā)酵的1#菌制劑20 mg/L、營(yíng)養(yǎng)劑10 mg/L后，生化系統(tǒng)的CODCr平均去除率為96.8%，高于對(duì)照組的94.6%；氨氮平均去除率高達(dá)97.6%，比對(duì)照組高1.7%，且試驗(yàn)組出水相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到下游園區(qū)污水處理廠接收標(biāo)準(zhǔn)。

(2)本試驗(yàn)通過(guò)向污泥消解池中投加制革廢水預(yù)活化后產(chǎn)溶菌酶的焦瑞身氏溶桿菌(Lysobacterruishenii)單一菌種，配合使用營(yíng)養(yǎng)劑，使菌種在系統(tǒng)中能夠快速適應(yīng)并繁殖，針對(duì)性的對(duì)污泥進(jìn)行減量。在試驗(yàn)組投加2#菌制劑50 mg/L、營(yíng)養(yǎng)劑25 mg/L的條件下，試驗(yàn)組系統(tǒng)剩余污泥減量可達(dá)71.3%。

(3)生物增效后好氧池提高生化系統(tǒng)菌種數(shù)量明顯增多，菌群豐度較對(duì)照組有所提升。脫氮噬脂環(huán)物菌和萊茵海默氏菌等已有報(bào)道具有降解難降解污染物功能的細(xì)菌的相對(duì)豐度明顯提升，說(shuō)明生物增效提升了制革廢水生化系統(tǒng)部分有效功能菌的數(shù)量。