胡雪筠，龍云川，，蔣 娟，朱成斌，胡 菁，周少奇▲

(1貴州科學院貴州省生物研究所，貴州 貴陽 550009；2貴州大學資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展及農(nóng)村建設(shè)進程加快，我國農(nóng)村也面臨著諸多環(huán)境問題，最突出的是農(nóng)村垃圾和農(nóng)村污水的污染。與城鎮(zhèn)完善的污水處理設(shè)施及管網(wǎng)相比，農(nóng)村污水總體納管率低、直排率高，大量未處理污水的無序排放對農(nóng)村人居環(huán)境及農(nóng)戶健康構(gòu)成嚴重威脅[1-2]。近年來對農(nóng)村污水處理的研究屢見不鮮，但添加廉價營養(yǎng)物質(zhì)強化生活污水的處理研究較少[3-5]。

另一方面，以廚余廢棄物為原料，經(jīng)微生物菌群發(fā)酵所得到的垃圾酵素(garbage enzyme)，是一種深棕色、有強烈甜酸發(fā)酵氣味的復雜溶液，具有降解、修飾和加速某些反應的多種功能，在環(huán)境修復領(lǐng)域展示了一定的潛力。2015年印度學者Arun等[6]率先評價了垃圾酶的酶活性和應用潛力，發(fā)現(xiàn)垃圾酶具有生物催化和抑制病原菌的雙重特性，并且有提高污泥穩(wěn)定性的潛力。2020年Aishwarya等[7]試圖將垃圾酵素運用于垃圾滲濾液處理，發(fā)現(xiàn)添加20%酵素修復28天后，垃圾滲濾液污染指數(shù)下降了74.75%。Sambaraju等[8]利用垃圾酵素減少乳品廢水中較高比例的懸浮物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)酵素能降低22%～26%的總懸浮物。目前，國內(nèi)關(guān)于酵素在環(huán)境污染修復中的應用研究較少。張立超[9]應用環(huán)保酵素改良濱海鹽堿性土壤，發(fā)現(xiàn)合理使用環(huán)保酵素能有效改良鹽堿性土性質(zhì)；林青雯等[10]初步探究了酵素對偶氮類染料的降解作用；荊秀艷等[11]探討了酵素處理生活廢水的可行性，提出降低酵素COD和提高pH值是酵素凈化水質(zhì)的關(guān)鍵。

我國農(nóng)村垃圾中以有機物為主要成分的廚余果蔬垃圾占比較多，若將這些垃圾資源化，通過制得環(huán)保酵素并應用于農(nóng)村生活污水處理，不僅能使農(nóng)村垃圾減量化、資源化，還可以解決農(nóng)村污水環(huán)境污染問題。本論文以廚余垃圾為原料制備環(huán)保酵素，并應用于實際生活污水的處理，以期為農(nóng)村人居環(huán)境改善及美麗鄉(xiāng)村建設(shè)奠定一定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 環(huán)保酵素制備

以丟棄的蔬菜、果皮等廚余垃圾為原料，按樂素昆博士的酵素配置方法，將1∶3∶10的紅糖、廚余垃圾、水裝入容器內(nèi)，混勻，自然發(fā)酵3個月后，保存?zhèn)溆?。本研究利用不同種類及配比的廚余垃圾，制備了3種環(huán)保酵素，各酵素的水質(zhì)指標如表1所示。將3種環(huán)保酵素混勻，以供后續(xù)研究中使用。

表1 環(huán)保酵素水質(zhì)Tab.1 The water quality of garbage enzyme

根據(jù)環(huán)保酵素水質(zhì)指標測試結(jié)果可知，其各項指標均較高，其C∶N∶P的比值遠高于污水生物法脫氮除磷的營養(yǎng)比例要求。可作為污水生化處理的外加碳源，用于調(diào)整營養(yǎng)失衡型污水的營養(yǎng)比例。

1.2 實驗設(shè)計

本研究所用的實際生活污水，取自貴陽市某村寨生活污水排水管網(wǎng)；所用的活性污泥取自貴陽市某污水處理廠好氧池。將活性污泥靜置30 min后倒掉上清液，取污泥與一定體積比例的新鮮污水混合。

實驗采用混合型環(huán)保酵素，設(shè)置環(huán)保酵素投加量、環(huán)保酵素預處理和污泥投加比三個變量。其中環(huán)保酵素預處理指使用0.45 μm濾膜進行抽濾處理。各處理組實驗條件如下：

對照(CK)組：取1∶9的污泥-污水混合溶液1000 mL，不添加酵素；

組A：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加不過濾酵素原液50 mL；

組B：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加不過濾酵素20%稀釋液50 mL；

組C：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加過濾后酵素原液50 mL；

組D：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加過濾后酵素20%稀釋液50 mL；

組E：取1∶6的污泥-污水混合溶液950 mL，添加過濾后酵素20%稀釋液50 mL；

圖1 裝置運行狀況圖Fig.1 The operating state of the device

各組實驗在2000 mL燒杯里進行，使用空氣增氧泵進行曝氣攪拌，總曝氣量為20 L/min，各處理組曝氣量約為6.67 L/min，每天曝氣6 h，并補充損失水分。連續(xù)運行14天檢測污水里pH、COD、TP、NH3-N的含量；檢測污泥的性狀。

1.3 指標分析

污水pH值利用酸度計(雷磁PHS-25)檢測；污水COD采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989)；TP采用過硫酸鉀-鉬銻抗分光光度法GB 11893—1989；NH3-N采用納氏試劑比色法(GB 7479—1987)。污泥SV采用100 mL量筒靜置30 min測量。

2 結(jié)果和分析

2.1 對系統(tǒng)pH值的影響

添加酵素后，分別于當天(0 d)、1天后(1 d)和6天后(6 d)對各處理組的pH值進行測量，得到的結(jié)果如表2所示。環(huán)保酵素投加量越大，系統(tǒng)pH值下降越大，其中A、C組呈酸性，B、D、E組呈弱酸性；1天后，B、D、E組恢復中性條件，而A、C組pH值上升為弱酸性，隨后，至6天后所有處理組均恢復中性條件。因此，污水處理系統(tǒng)加入環(huán)保酵素后，會對系統(tǒng)的pH值產(chǎn)生一定時間沖擊，投加量越大，恢復時間越長；投加20%酵素，1天后即可恢復系統(tǒng)pH值。

表2 添加酵素對系統(tǒng)pH值的影響Tab.2 The effect of garbage enzyme on pH value of thewater treatment system

2.2 對生活污水COD處理效果

各實驗組生活污水初始COD濃度及生活污水處理7天、14天后的COD濃度及COD去除率如表3所示。添加酵素明顯提升了生活污水COD去除率；值得注意的是，20%酵素對生活污水的最高去除率可高達95.27%，最低出水濃度為33.81 mg/L，去除效果為各組最優(yōu)；但添加20%酵素后水質(zhì)初始濃度高達714.38～769.95 mg/L，遠高于污水處理工藝正常進水濃度，因此后續(xù)研究與應用中應降低酵素的使用量或酵素濃度。對比A/C組與B/D組，酵素經(jīng)再次過濾后COD初始濃度有小幅下降，7天及14天后的出水濃度也比酵素未過濾組低，但去除率與酵素未過濾組沒有明顯區(qū)別。污水處理體系中活性污泥增多(E組)，并沒有提高污水COD的去除效率?？偟膩碚f，添加酵素明顯提升了生活污水COD去除率；添加20%酵素對污水COD去除效果最好。

表3 生活污水中COD濃度及去除率Tab.3 The concentration and removal rate of CODin domestic sewage

2.3 對生活污水TP處理效果

如表4所示，添加酵素原液(組A和組C)后生活污水水質(zhì)TP初始濃度是CK組的5.21～5.61倍；添加20%酵素后TP初始濃度為1.80～1.89倍，因此添加較低濃度酵素有利于控制溶液TP初始濃度。對比酵素過濾與不過濾，發(fā)現(xiàn)其對TP去除率沒有顯著差異；酵素經(jīng)再次過濾有利于降低酵素相關(guān)水質(zhì)指標濃度，但同時也增加了操作步驟，因此，實際的酵素應用可不經(jīng)過復雜過濾，以節(jié)省人、物成本。酵素對TP具有明顯的去除效果，去除率為84.10%～96.02%，比不添加酵素組提高了33.95%～45.87%。其中酵素原液有利于提升TP去除率，20%酵素有利于降低TP出水濃度。污水處理體系中活性污泥增多(E組)，能將污水TP去除率由84.10%提高至96.02%。

表4 生活污水中TP含量及去除率Tab.4 The concentration and removal rate of TPin domestic sewage

2.4 對生活污水NH3-N處理效果

由表5可知，由氨氮去除率來看，對照組處理7天后氨氮去除率能高達94.92%，而添加酵素生活污水的氨氮去除率為80.82%～93.14%；但由氨氮去除量來看，添加酵素的處理組對氨氮的去除量均大于對照組，即說明添加酵素提高污水氨氮的去除量。

表5 生活污水中NH3-N含量及去除率Tab.5 The concentration and removal rate of NH3-Nin domestic sewage

由處理終點的氨氮濃度(C14)來看，各組處理效果的優(yōu)劣順序為CK>B、D、E>A、C。當系統(tǒng)運行至第7天時，酵素低投加量各組(B、D、E組)氨氮去除率均達到90%以上，接近終點去除率(R14)，并與CK組去除率相近；而酵素高投加量各組(A、C組)的氨氮去除率僅有80%左右，增加運行至第14天時才達到90%以上。因此，推測原因在于：盡管生活污水基本滿足營養(yǎng)比例C∶N∶P=100∶5∶1的要求，但添加酵素后引起各組有機負荷增加，污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌大量繁殖，對化能自養(yǎng)型硝化菌的生長繁殖產(chǎn)生了影響，導致處理系統(tǒng)的運行效果下降。

將第7天、第14天所得的出水水質(zhì)數(shù)據(jù)根據(jù)三個變量對比分析可知，對系統(tǒng)處理效果影響最大的因素為環(huán)保酵素的投加量，酵素投加量的增加，會使系統(tǒng)內(nèi)水質(zhì)COD濃度顯著上升；而環(huán)保酵素預處理(A組-C組或B組-D組)和污泥投加比(D組-E組)這兩項變量在實驗中對處理效果的影響并不明顯，其變化效果在于，經(jīng)過濾后的環(huán)保酵素可使污染物濃度略微下降，污泥投加比的上升可使污染物去除率輕微上升。

對比第7天時各處理組的COD、TP和氨氮的去除量及污染物濃度可知，添加酵素后，系統(tǒng)對氨氮的去除效果最為明顯，出水濃度已滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)Ⅳ類水質(zhì)標準要求；其次為TP，第7天出水濃度可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準要求；最后為COD，直至系統(tǒng)運行至第14天時，出水濃度才滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準要求。因為，在將環(huán)保酵素應用為污水處理外加碳源時，需要根據(jù)系統(tǒng)的進水水質(zhì)和氨氮、TP去除要求對酵素投加量進行實際調(diào)整。

2.5 對污水表觀影響

根據(jù)圖2所示，污水透明度較高，呈現(xiàn)淡黃色，但加入酵素后污水中透明度明顯降低，呈黃色渾濁。其中加入酵素原液的A、C組上層液體最渾濁，呈明顯的黃色。各實驗組中上層液體出現(xiàn)的色度及濁度與環(huán)保酵素投加量呈正相關(guān)關(guān)系。污水處理7天后，添加20%酵素的污水，其色度及濁度與對照組相比，沒有明顯差異。這說明添加低濃度的酵素對污水的色度及濁度影響較小。

圖2 污水表觀性狀變化Fig.2 The changes in the apparent properties of the sewage

另外，在污水曝氣處理過程中，發(fā)現(xiàn)剛開始曝氣時A-E組表面出現(xiàn)綿密的氣泡，與過氧化氫分解所產(chǎn)生氣泡相似。其中，加入酵素原液的A、C組氣泡量相近，且氣泡量各組最大。此外，A、C組在氣泡表層還出現(xiàn)了少量浮泥，推測出現(xiàn)的浮泥可能與環(huán)保酵素投加后引起的pH值變化或環(huán)保酵素中含有的強氧化性/強還原性物質(zhì)有關(guān)，具體成分待進一步分析。各實驗組產(chǎn)生的氣泡在第二天減少，三天后消失。總的來說，氣泡的產(chǎn)生量與環(huán)保酵素的投加量有關(guān)，投加量越大，起泡量越大。

觀察過濾與未過濾酵素加入后污水的色度、濁度及氣泡量等表觀性狀發(fā)現(xiàn)，加入的環(huán)保酵素是否經(jīng)過過濾，對表觀性狀的影響并不顯著。

2.6 對污泥性狀影響

污泥沉降比(SV)檢測簡便快捷，能大致反映污水處理體系中的污泥量與污泥沉降性能，是衡量活性污泥性能最重要的指標之一?；钚晕勰喑两当热鐖D3所示，加入酵素原液、污水處理體系運行2天后活性污泥的沉降比由CK組的10%下降至7%～8%，說明酵素能提高活性污泥的沉降性能。

混合液懸浮固體濃度(MLSS)可以相對計量活性污泥微生物量。系統(tǒng)運行至第七天時，所示加入酵素各組的MLSS均高于對照組(圖3)，其中加入酵素原液的A、C組的MLSS值最大。說明酵素能增加活性污泥中微生物生物量，其原因可能是廚余垃圾發(fā)酵制備酵素過程中大量的微生物菌群富集在酵素里，同時酵素制作過程使大量大分子有機物轉(zhuǎn)化成可供污水處理微生物直接利用的小分子有機物，有利于污泥系統(tǒng)中微生物的生長與繁殖。

圖3 酵素對活性污泥沉降比、懸浮固體濃度影響Fig.3 Effects of garbage enzyme on the settling ratio andsuspended solids concentration of the activated sludge

活性污泥絮體是由微生物菌群、懸浮顆粒等組成的褐色聚集體。與對照組(圖4)對比，加入環(huán)保酵素運行24 h后，污泥絮體減小，其中A、C組污泥絮體最小，B、D、E組污泥絮體略小于對照組。猜測是由于加入環(huán)保酵素曝氣攪拌時產(chǎn)生的大量氣泡對污泥絮體產(chǎn)生破壞作用。

圖4 酵素對活性污泥絮體影響Fig.4 Effect of garbage enzyme on activated sludge floc

總結(jié)來看，酵素本身含有極高濃度的COD、色度等，對污水營養(yǎng)負荷及污泥性狀產(chǎn)生一定的不利影響。本研究將酵素稀釋至20%，加入污水后水質(zhì)COD值也遠高于污水處理工藝正常進水濃度，因此后續(xù)研究與應用中建議加大酵素的稀釋倍數(shù)，可稀釋100～10000倍使用。本研究中酵素對污水水質(zhì)指標的處理效果有促進作用，這可能與酵素和污水的營養(yǎng)物質(zhì)濃度及比例有關(guān)，因此可將酵素用于營養(yǎng)失衡性污水的外加碳源。后續(xù)研究與應用時，建議根據(jù)碳氮磷元素比例調(diào)節(jié)酵素與污水的比例，以平衡營養(yǎng)物質(zhì)，提高微生物的生化反應活性。

3 結(jié)論

1)添加酵素能明顯提升生活污水COD去除率；添加20%酵素對污水COD去除效果最好；酵素對TP具有明顯的去除效果，去除率為84.10%～96.02%，比不添加酵素組提高了33.95%～45.87%；酵素對氨氮的去除率并無顯著的改善。

2)酵素加入對污水的色度、濁度及氣泡量等表觀性狀有一定影響，添加低濃度的酵素對污水的色度及濁度影響較??；酵素能提高活性污泥的沉降性能、增加活性污泥中微生物生物量，但酵素使用量過高時會對活性污泥絮體及污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。