水解溶菌酶污泥减量过程中的污泥特性

宋 勇,施 周,陈世洋,罗 璐 (.湖南大学土木工程学院,湖南 长沙 40082；2.长沙学院生物工程与环境科学系,湖南 长沙 40003)

剩余污泥是污水好氧生物处理的主要产物,其产生量大并含有有毒有害物质.如果不对其进行妥善的处理与处置,将会对环境造成直接或潜在的污染.相对于污水,污泥处理的费用却十分昂贵.剩余污泥处理和处置所需的投资和运行费用高达整个污水处理厂投资和运行费用的50%～60%[1].近年来利用物理与化学方法,如超声、臭氧、氯气、Fenton等在源头上减少剩余污泥的研究十分广泛[1-10],也有利用淀粉酶促进剩余污泥水解消化的报道[11-12],但是采用生物酶法在污水处理过程中减少剩余污泥的研究却鲜有报道.

水解溶菌酶是具有催化作用的蛋白质,能够有效地水解细菌细胞.本研究利用水解溶菌酶的催化水解作用使污泥中的细胞水解,以期实现在活性污泥系统运行过程中的污泥减量.在考察水解溶菌酶对污泥减量作用的同时,着重研究了水解溶菌酶对活性污泥特性的影响.

1 材料与方法

1.1 SBR池

SBR池共2座,其中1座不投加水解溶菌酶,称为对比池;另1座投加水解溶菌酶,称为酶反应池.每座的有效容积12L.每d运行3个周期,每周期8h,其中曝气5.5h,静止1.5h,排水闲置1h.

1.2 活性污泥的接种培养

接种污泥取自长沙星沙污水净化中心的回流污泥.首先利用筛网滤掉污泥中大的颗粒杂质,然后分别投加到两池内进行驯化.进水为人工配置废水,COD为449mg/L,NH3-N为17.5mg/L,TP为 4.6mg/L.曝气期间两池内的溶解氧保持在4mg/L.在驯化过程中,通过排泥逐步调控两池内污泥浓度都维持在3000mg/L.经过25d左右培养,两池出水 COD 在 35～50mg/L,NH3-N 低于6mg/L,TP在1.1～2mg/L;污泥的颜色呈现黄褐色,通过镜检发现了钩虫,纤虫等后生生物,这表明两池内的活性污泥已驯化成熟.驯化成熟后,当两池内污泥浓度保持在3000mg/L时,每池每d排放剩余污泥量大约为350mg/(L⋅d).

1.3 水解溶菌酶的投加方式

在每个反应周期停止曝气前,从酶反应池内取出1.2L混合液.静置1.5h后排走上清液,然后将沉淀污泥恒温 30℃,并投加 0.8g水解溶菌酶,磁力搅拌30min后将酶化污泥投加到已排水的酶反应池内.

1.4 主要试剂与设备

主要试剂:水解溶菌酶(Amresco 0663,20000U/mg);重铬酸钾、硫酸亚铁铵、硫酸银、过硫酸钾、磷酸二氢钾、轻质氧化镁、2,3,5-三苯基氯化四氮唑、三(羟甲基)胺基甲烷、低亚硫酸钠、三氯甲烷、丙酮、乙醇、甲醛等为分析纯.

主要设备:RISE-2002型激光粒度分析仪,生物显微镜,UV759型紫外可见分光光度计,溶解氧仪,恒温磁力搅拌器,数显鼓风干燥箱,高速冷冻离心机,生物恒温培养箱等.

1.5 分析方法

脱氢酶活性测定采用TTC—ETS法[13];ATP采用 ATP检测试剂盒;COD、NH3-N、TP、MLVSS、MLSS及SV等指标均采用标准方法测定[14].比氧气吸收速率(SOUR):取混合液 250mL置于恒温磁力搅拌器上的三角瓶内,恒温 25℃,曝气至溶解氧浓度达8mg/L左右,然后将溶氧仪探头插入三角瓶中,采用橡胶塞密封.开启磁力搅拌使污泥保持完全混合状态,每隔10s记录1次溶解氧读数,连续读数至溶解氧浓度降低至1mg/L以下,得到的耗氧速率与 MLVSS之比即SOUR.以上每个项目每次测量均设 3个平行样,结果为 3个平行样的平均值.活性污泥样品的取样时间均为当天第1个周期停止曝气前.

2 结果与讨论

2.1 剩余污泥减量效果以及系统处理效能分析

从图 1可知,酶反应池在投加酶化污泥后的最初3d内排放了一定量的污泥,接下来的1个月左右没有外排污泥,系统中污泥浓度维持在2700mg/L左右.从第32d起,酶反应池内的污泥浓度超过了3000mg/L,对系统进行了排泥;此后20d内,每天从酶反应池外排的剩余污泥量大致为对比池的50%,而且比较稳定.对比两系统在50d运行期内的外排污泥量可知,水解溶菌酶作用下的SBR系统中剩余污泥减量达76.29%.

图1 加酶与不加酶SBR系统剩余污泥产生量Fig.1 Excess sludge production in the SBRs with and without lysozyme addition

为考察水解溶菌酶对SBR系统处理效能的影响,分析了两系统在运行过程中出水的COD、NH3-N与 TP.结果显示:在整个运行阶段,酶反应池出水COD、NH3-N、TP的平均去除率分别为88.21%、68.72%、46.72%;对比池出水 COD、NH3-N、TP的平均去除率分别为 91.04%、69.03%、63.88%.两池COD与NH3-N的降解效率基本相同;但酶反应池 TP的去除率比对比池降低了17.2%.TP去除率降低的原因主要是由于酶反应池内剩余污泥外排量很少,污泥中聚磷菌在好氧条件下吸收的 P不能从系统中排出,反而在厌氧过程以及酶的作用下重新释放到水体中,从而导致出水TP的含量比对比池高.

2.2 水解溶菌酶对污泥特性的影响

2.2.1 污泥活性变化 从图2可知,运行前10d,两池内的活性污泥比氧气吸收速率基本相同.随后 40d内,酶反应池内活性污泥比氧气吸收速率提高显著,平均提高率达35%.酶反应池内污泥颜色在第7d左右开始发生变化,到第10d由黄褐色完全变成黑灰色.污泥颜色的蜕变与污泥比氧气吸收速率的变化具有明显的一致性.

图2 加酶与不加酶SBR系统的SOUR变化Fig.2 Variation of SOUR in the two SBRs with and without lysozyme addition

为进一步验证水解溶菌酶对污泥活性的影响,实验测定了运行期内两系统中污泥的脱氢酶活性与ATP值.从图3可知,第15d后,酶反应池内污泥脱氢酶活性明显高于对比池.整个运行时间内,酶反应池中污泥脱氢酶活性的平均值为29.89mg/(g⋅h);对比池内的为 23.92mg/(g⋅h).脱氢酶是微生物体内降解有机污染物、获得能量的必需酶,从一定程度上反映了生物体的活性状态.因此可以确定,酶反应池内的活性污泥具有较高活性,同时说明水解溶菌酶对SBR池内的微生物具有活化作用.这与叶芬霞等[15]采用四氯水杨酰苯胺(TCS)作为代谢解耦联剂用于污泥减量时TCS能够增加污泥活性的结果是一致的.

微生物对污染物的氧化降解过程,实际上是能量代谢过程,因此微生物产能能力的大小直接反映其活性的高低[9].由图4可见,在整个50d的运行期内,酶反应池和对比池ATP的平均值分别为 13.72,10.6nmol/mgMLSS.这也进一步证实了酶反应池内活性污泥的活性由于水解溶菌酶的投加得到提高.污泥活性的提高意味着污泥代谢能力的增强,这可能是水解溶菌酶能够减少剩余污泥量的原因之一.

图3 加酶与不加酶SBR系统的脱氧酶变化Fig.3 Variation of dehydrogenase in the two SBRs with and without lysozyme addition

图4 加酶与不加酶SBR系统的ATP变化Fig.4 Variation of ATP in the two SBRs with and without lysozyme addition

2.2.2 污泥 MLVSS/MLSS和颗粒粒径的变化 由图5可见,在运行的前15d内,酶反应池内的MLVSS/MLSS值从87%逐步提高到90%.15d后,稳定在 90%左右.MLVSS/MLSS可以用来表征活性污泥中有机物质的含量.这说明水解溶菌酶的投加提高了酶反应池内活性污泥中有机成分的含量.分析原因,可能是因为污泥中的无机物质由于水解溶菌酶的水解溶胞作用使之重新释放到液相中而被排放掉,从而造成污泥中无机成分含量降低.

图5 加酶与不加酶SBR系统的MLVSS/MLSS变化Fig.5 Variation of MLVSS/MLSS in the two SBRs with and without lysozyme addition

表1 加酶与不加酶SBR系统的污泥平均粒径比较Table 1 Comparison of averaged particle size of the sludge in the two SBRs with and without lysozyme addition

由表1可知,50d后,酶反应池内颗粒平均粒径从第10d的40.78μm减小到35μm左右.而在用氯气污泥减量时,20d内污泥颗粒平均粒径由15μm 减小到 5μm[6].实验中发现,伴随着污泥颗粒粒径的减小,活性污泥越来越难过滤.分析认为,由于水解溶菌酶的投加,促使活性污泥系统中部分细胞溶解分裂,胞内空隙水和结合水被释放出来,从而使污泥颗粒尺寸变小,不利于过滤.

镜检发现,2个系统在不同运行时期内都存在大量的、种类繁多的原生动物和后生动物,如钟虫、轮虫、草履虫和线虫等.并没有因为水解溶菌酶的投加使酶反应池内的优势生物种类明显减少,具体种群结构的变化还需进一步探讨.

3 结论

3.1 在SBR系统投加水解溶菌酶能有效减少剩余污泥产生量.在50d运行期内与对比池相比,酶反应池剩余污泥减量达76.29%;COD与NH3-N降解效率基本相同,但TP去除率降低较明显.

3.2 水解溶菌酶能够明显提高SBR系统中活性污泥活性.在50d运行期间,活性污泥的比氧气吸收速率提高 35%;ATP的平均值比对比池提高3.12nmol/mgMLSS.同时,活性污泥中有机组分含量得到提高,颗粒的平均粒径有一定程度的减小.

[1]Egemen E, Corpening J, Nirmalakhandan N. Evaluation of an ozonation system for reduced waste sludge generation [J]. Water Sci. Technol., 2001,44(2/3):445-452.

[2]Zhang G, Zhang P, Yang J, et al. Ultrasonic reduction of excess sludge from the activated sludge system [J]. Journal of Hazardous Materials, 2007,145(3):515-519.

[3]Zhang G, He J, Zhang P, et al. Ultrasonic reduction of excess sludge from activated sludge system II: urban sewage treatment[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009,164(2/3):1105-1109.

[4]He J, Wan T, Zhang G, et al. Ultrasonic reduction of excess sludge from activated sludge system: energy efficiency improvement via operation optimization [J]. Ultrason. Sonochem., 2011,18(1):99-103.

[5]Yoon S H, Kim H S, Lee S. Incorporation of ultrasonic cell disintegration into a membrane bioreactor for zero sludge production[J]. Process Biochemistry, 2004,39(12):1923-1929.

[6]Saby S, Djafer M, Chen G H. Feasibility of using a chlorination step to reduce excess sludge in activated sludge process [J]. Water Res., 2002,36(3):656-666.

[7]Liu Y. Chemically reduced excess sludge production in the activated sludge process [J]. Chemosphere, 2003,50(1):1-7.

[8]Huysmans A, Weemaes M, Fonseca P, et al. Ozonation of activated sludge in the recycle stream [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2001,76(3):321-324.

[9]Yan S T, Zheng H, Li A, et al. Systematic analysis of biochemical performance and the microbial community of an activated sludge process using ozone-treated sludge for sludge reduction [J].Bioresource Technology, 2009,100(21):5002-5009.

[10]Chu L B, Yan S T, Xing X H, et al. Enhanced sludge solubilization by microbubble ozonation [J]. Chemosphere, 2008,72(2):205-212.

[11]潘 维,莫创荣,李小明,等.外加淀粉酶预处理污泥厌氧发酵产氢研究 [J]. 环境科学学报, 2011,31(4):785-790.

[12]陈小粉,李小明,杨 麒,等.淀粉酶促进剩余污泥热水解的研究[J]. 中国环境科学, 2011,31(3):396-401.

[13]高 岩,戴兴春,陈 曦,等.城市合流污水 A2/O 处理系统中TTC-ETS活性监测研究 [J]. 环境科学, 2009,30(6):1711-1715.

[14]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 [M]. 4版.北京:中国环境科学出版社, 2002.

[15]叶芬霞,陈英旭,冯孝善.化学解耦联剂对活性污泥工艺中污泥产率的影响 [J]. 环境科学, 2003,24(6):112-115.