李 美,王 燕,支 堯,王小飛,鄭凱凱

(1.無錫市照明和排水管理中心,江蘇無錫 214001;2.無錫普匯環(huán)保科技有限公司,江蘇無錫 214028;3.江蘇至善匯智慧科技有限公司,江蘇無錫 214121;4.無錫匯恒水務(wù)有限公司,江蘇無錫 214028)

無錫某牛奶制品有限公司的經(jīng)營范圍包括乳制品、液體乳(巴氏殺菌乳、調(diào)制乳、發(fā)酵乳)加工等,2021年年產(chǎn)消毒牛奶共4 303.9 t、酸奶共1 406 t、含乳飲料共12 t。該公司排放的廢水主要為清洗牛奶加工生產(chǎn)線的機(jī)器、管道、儲(chǔ)奶罐等產(chǎn)生的廢水(以下簡稱“牛奶清洗廢水”),水量約為60 m3/d。排污許可證中允許該廢水直接排入下水道,執(zhí)行《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015)。如表1所示,該廢水CODCr濃度較高,TN、TP等指標(biāo)相對(duì)較低,其中CODCr平均質(zhì)量濃度約為595mg/L,最小值為302mg/L,最大值為1 510mg/L,超過500mg/L的比例為27.3%。TN、氨氮、TP、SS、pH指標(biāo)均能滿足《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015),CODCr存在超標(biāo)現(xiàn)象。此外,我國城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水普遍存在低碳氮比的特征,需要投加大量的商業(yè)碳源進(jìn)行強(qiáng)化脫氮除磷[1-2]。因此,該廢水可能具備作為碳源、實(shí)現(xiàn)污水處理碳減排的潛力[3]。

表1 牛奶清洗廢水水質(zhì)檢測結(jié)果

《國家水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 945.2—2018)規(guī)定,“對(duì)于可生化性較好的農(nóng)副食品加工工業(yè)等廢水,可執(zhí)行協(xié)商限值”。為切實(shí)執(zhí)行國家相關(guān)文件的規(guī)定,發(fā)揮廢棄物的資源化利用,為污水處理節(jié)能減排添磚加瓦[4],助力社會(huì)層面“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),開展了該廢水對(duì)于下游污水處理廠的影響研究,為該廢水能否直接接管提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 耗氧呼吸速率

耗氧呼吸速率也稱為耗氧速率,是指單位時(shí)間內(nèi)單位體積混合液中的微生物所消耗的氧量,對(duì)應(yīng)的比耗氧呼吸速率則是指耗氧呼吸速率與污泥濃度的比值。當(dāng)活性污泥系統(tǒng)加入具有毒性或抑制性的廢水,微生物活性就會(huì)受抑制或中毒,表現(xiàn)為耗氧呼吸速率的降低。在活性污泥中加入不同的進(jìn)水,測定其耗氧呼吸速率就可以判斷不同進(jìn)水對(duì)活性污泥的抑制作用[5]。

本研究設(shè)置兩組對(duì)比試驗(yàn)。Ⅰ組:下游污水處理廠污泥+下游污水處理廠進(jìn)水。Ⅱ組:下游污水處理廠污泥+牛奶清洗廢水。污泥與進(jìn)水以3∶1的比例混合,曝氣至DO飽和后停止曝氣,保持?jǐn)嚢璧臓顟B(tài),每隔1 min測定DO,記錄DO逐漸下降的過程。

1.2 硝化速率

本研究分別取2組下游污水處理廠活性污泥,試驗(yàn)組中加入牛奶清洗廢水,對(duì)照組中加入下游污水處理廠的進(jìn)水,分別曝氣進(jìn)行硝化速率測定試驗(yàn)。

1.3 反硝化速率

1.4 檢測方法

本研究中涉及到的污染物檢測項(xiàng)目及方法如表2所示。

表2 檢測項(xiàng)目及方法

2 結(jié)果與討論

2.1 直排對(duì)下游污水處理廠水質(zhì)及水量的影響分析

牛奶清洗廢水直排后對(duì)下游污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)影響的核算如表3所示,CODCr平均增加質(zhì)量濃度為0.024mg/L,最大增加濃度(按照歷史最高CODCr質(zhì)量濃度為1 510mg/L核算)也僅為0.346mg/L,負(fù)荷提升率均小于0.01%;牛奶清洗廢水的TN、氨氮、TP、SS平均濃度均遠(yuǎn)低于下游污水處理廠的進(jìn)水濃度,接入后污水處理廠這些指標(biāo)均有所下降,降低質(zhì)量濃度在0.001～0.015mg/L?？芍?接入牛奶清洗廢水后對(duì)下游污水處理廠水質(zhì)的影響較小。

表3 牛奶清洗廢水接入對(duì)污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)的影響

下游污水處理廠設(shè)計(jì)水量為250 000 m3/d,目前水量負(fù)荷在67.4%左右。牛奶清洗廢水水量為60 m3/d,只有下游污水處理廠設(shè)計(jì)值的0.024%,對(duì)污水處理廠水量負(fù)荷的影響較小。

下游污水處理廠設(shè)計(jì)有機(jī)負(fù)荷為0.062 kg BOD5/(kg MLSS·d),根據(jù)2021年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)核算,2021年實(shí)際有機(jī)負(fù)荷為0.046 kg BOD5/(kg MLSS·d),負(fù)荷率為74.2%。即使按照歷史數(shù)據(jù)中牛奶清洗廢水的最高CODCr質(zhì)量濃度(1 510mg/L)核算,所增加的負(fù)荷率也小于0.001 kg BOD5/(kg MLSS·d),因此,下游污水處理廠有充足有機(jī)負(fù)荷余量來接納和處理該廢水。

綜上,無論是從水質(zhì)水量角度,還是從有機(jī)負(fù)荷方面分析,即使按照目前已測的最高牛奶清洗廢水CODCr質(zhì)量濃度(1 510mg/L)核算,其污染物總量對(duì)下游污水處理廠的影響也較小,下游污水處理廠完全有能力處理這部分廢水。

2.2 耗氧呼吸速率

為分析牛奶清洗廢水對(duì)污水處理廠出水水質(zhì)的影響,通過設(shè)計(jì)針對(duì)性小試模擬試驗(yàn),判斷牛奶清洗廢水對(duì)污泥的活性是否存在抑制現(xiàn)象。不同進(jìn)水與下游污水處理廠活性污泥混合后的耗氧速率變化情況如圖1和表4所示。Ⅰ組的耗氧呼吸速率為10.59 mg DO/(h·g VSS),曝氣飽和后DO質(zhì)量濃度下降到0.06mg/L耗時(shí)30 min;Ⅱ組耗氧呼吸速率為10.76 mg DO/(h·g VSS),曝氣飽和后DO下降到0耗時(shí)28 min。兩組試驗(yàn)結(jié)果較為接近,且加入牛奶清洗廢水的試驗(yàn)組的耗氧呼吸速率略高于加入下游污水處理廠進(jìn)水的對(duì)照組,說明牛奶清洗廢水不但沒有對(duì)活性污泥產(chǎn)生抑制作用,反而更易被微生物吸附降解[8]。

圖1 耗氧呼吸速率曲線

表4 耗氧呼吸速率結(jié)果

2.3 硝化速率

圖2 硝化曲線

表5 硝化速率試驗(yàn)結(jié)果

2.4 反硝化速率

圖3 反硝化曲線

表6 反硝化試驗(yàn)結(jié)果

綜上,牛奶清洗廢水高碳、低氮的特征,可以作為碳源使用,具有很好的脫氮效果,排入下游污水處理廠后能夠在一定程度上減少商用碳源的投加,在降低運(yùn)行費(fèi)用的同時(shí),還可以起到減少碳排放的作用[10],符合“雙碳”背景下的污水處理發(fā)展方向(充分利用可生化性好的食品廢水作為碳源,減少商用碳源的投加)。按照2021年全國乳制品產(chǎn)量為3 032萬t相應(yīng)的廢水產(chǎn)生量核算,如果所有企業(yè)的廢水均不處理、以碳源的形式排入污水處理廠,可節(jié)省下游污水處理廠262.5 t乙酸鈉的投加量,CO2減排量達(dá)到280.9 t[11],具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

2.5 活性污泥鏡檢分析

為從微觀層面分析牛奶清洗廢水對(duì)于下游污水處理廠活性污泥系統(tǒng)的影響,在開展上述曝氣試驗(yàn)和反硝化試驗(yàn)的前后,均采集了污泥樣品,進(jìn)行了鏡檢分析,如圖4～圖5所示,所有鏡檢拍照的微生物均為活動(dòng)的個(gè)體?！捌貧庠囼?yàn)開始”和“反硝化試驗(yàn)開始”的污泥樣品均為下游污水處理廠原始的活性污泥,尚未投加牛奶清洗廢水。從鏡檢結(jié)果可以看出,下游污水處理廠活性污泥的菌膠團(tuán)較為緊密,對(duì)照活性污泥的微生物圖譜[12],觀察到了輪蟲、鐘蟲、豆形蟲等原生或后生微生物。其中,輪蟲是一種典型的后生動(dòng)物,屬于輪蟲動(dòng)物(Rotifera),其長度為4～4 000 μm,多數(shù)在500 μm左右。輪蟲是活性污泥中常見的微生物,它的出現(xiàn)一般標(biāo)志著污泥系統(tǒng)培養(yǎng)成熟,出水水質(zhì)良好。此外,鐘蟲是一種原生動(dòng)物,同樣是活性污泥中常見的微生物。鐘蟲一般固著生長在菌膠團(tuán)中,屬于固著型纖毛蟲類微生物,鐘蟲的出現(xiàn)同樣標(biāo)志著活性污泥系統(tǒng)相對(duì)成熟,CODCr、氨氮等污染物去除效率高,出水水質(zhì)良好。草履蟲和豆形蟲均為游泳型原生微生物,旋轉(zhuǎn)慢速游動(dòng),活動(dòng)在菌膠團(tuán)周圍,以藻類和細(xì)菌為食。這兩種微生物也廣泛存在于活性污泥中,沒有特別明確的指示作用。

圖4 曝氣試驗(yàn)前后的鏡檢(400倍)

圖5 反硝化試驗(yàn)前后的鏡檢(400倍)

投加牛奶清洗廢水進(jìn)行曝氣試驗(yàn)后,污泥的絮體結(jié)構(gòu)同樣較為緊密,沒有出現(xiàn)分散解體的跡象。除輪蟲、鐘蟲外,還觀察到了跳側(cè)滴蟲。跳側(cè)滴蟲屬于原生動(dòng)物中的鞭毛蟲綱,其典型特征是具有一根與體長相當(dāng)或更長的鞭毛作為運(yùn)動(dòng)器官,會(huì)捕食細(xì)菌,它的出現(xiàn)也是活性污泥系統(tǒng)成熟穩(wěn)定的標(biāo)志。利用牛奶清洗廢水作為碳源進(jìn)行反硝化試驗(yàn)后,菌膠團(tuán)較為緊密,觀察到了大量鐘蟲,表明活性污泥性狀保持良好。此外,還觀察到了腎形蟲和楯纖蟲,這兩種微生物均為游泳型原生生物,可以作為水質(zhì)處理良好的指示生物。

綜上,鏡檢結(jié)果表明,無論是攪拌還是曝氣的處理方式,牛奶清洗廢水的加入均沒有改變下游污水處理廠活性污泥的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu),沒有影響鐘蟲、輪蟲等指示性原生及后生動(dòng)物的存活?；谏鲜鲧R檢結(jié)果,說明該廢水無明顯生物毒性。

3 結(jié)論

(1)牛奶清洗廢水的可生化性較好,廢水中的大部分CODCr能夠被下游污水處理廠的活性污泥降解,不含或含極少量的難生物降解CODCr,且由于水量較少,不會(huì)對(duì)污水處理廠產(chǎn)生沖擊影響?；谒|(zhì)、水量和污染物負(fù)荷核算可知,下游污水處理廠完全有余量接納并處理該廢水。

(4)本研究所建立的方法體系對(duì)于同類型廢水的評(píng)估鑒定具有一定的指導(dǎo)意義,開發(fā)可生化性好的食品類廢水作為污水處理廠的免費(fèi)碳源,符合雙碳目標(biāo)下的污水處理發(fā)展方向,具有經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的雙重效益。