含盐食品工业废水脱氮除磷性能研究
2024-03-14钮劲涛邓伟玲杜静雨古家宇周贤明陈鑫吉建涛金宝丹
钮劲涛,邓伟玲,杜静雨,古家宇,周贤明,陈鑫,吉建涛,金宝丹
1.河南恒安环保科技有限公司,河南 郑州 450001;
2.郑州轻工业大学 材料与化学工程学院,河南 郑州 450001;
3.郑州大学 生态与环境学院,河南 郑州 450001
0 引言
随着我国居民生活水平的提高,食品加工业迅速发展。食品加工过程中往往需要投加大量盐类物质来增加食品的口感,因此食品工业废水通常盐度较高[1],导致其处理难度较大[2]。目前,活性污泥法是食品工业废水的主要处理工艺[3],具有运行简单、成本低、效果好等特点。然而,盐度的引入会影响活性污泥性质,改变微生物菌群结构[4],影响污水处理效果。因此,考查不同盐度食品工业废水处理系统的脱氮除磷效果、微生物菌群变化和污泥性质具有重要意义。
传统城市污水处理工艺中,有机物降解菌、氨氧化菌、亚硝酸菌、硝化菌、反硝化菌和聚磷菌(PAOs)是主要的污染物去除功能菌。无机盐作为微生物新陈代谢不可缺少的元素之一,不仅能维持微生物细胞的渗透压,还为微生物提供无机盐离子,确保其正常生长。但对于传统活性污泥,盐度冲击会改变微生物细胞的渗透压,造成细胞膜内外压差过大,从而导致细胞脱水,甚至发生质膜分离,破坏细胞结构[5]。张兰河等[6]研究发现,高盐度会严重影响厌氧/缺氧/好氧(A/A/O)工艺污染物去除效率,当盐度增加至40 g/L时,微生物多样性减少,脱氮效果降低。王淑莹等[7]采用序批式活性污泥反应器(SBR)处理含盐废水,发现盐度对硝化菌的抑制作用远大于反硝化菌,且对亚硝酸菌的抑制作用大于氨氧化菌。巩有奎等[8]研究发现,盐度对亚硝酸菌的抑制作用最强,其次是有机物降解菌。可见,盐度对污水脱氮除磷系统具有显著影响,但学者研究过程中的盐度跨度较大,且多集中于脱氮性能研究,对于盐度对微生物菌群结构、活性污泥性质及除磷效果尚未进行系统研究。
1 材料与方法
1.1 主要材料、试剂与仪器
主要试剂:乙酸钠、NaCl 、NH4Cl、KH2PO4,均为化学纯,国药集团化学试剂有限公司;超纯水,英国ELGA超纯水机(包含水柱)制取。其他化学试剂均为分析纯或优级纯。
主要仪器:5B-1F型COD快速消解仪,北京连华永兴科技发展有限公司;UV2400型紫外-可见分光光度计,上海舜宇恒平科学仪器有限公司
实验装置:实验反应器为有机玻璃,总体积12 L,有效体积10 L,采用悬臂式机械搅拌器进行搅拌,反应温度为25~30 ℃。
1.2 实验水质及运行方式
运行方式:处理系统为SBR;运行条件为厌氧搅拌1 h、缺氧搅拌2 h、曝气4 h、沉淀30 min、排水10 min、静沉20 min;反应器排水比为50%。实验处理系统及运行方式见图1。
1.3 小试实验
图1 实验处理系统及运行方式Fig.1 Experimental processing system and operation mode
1.4 检测方法
污染物去除率的计算公式如下:
其中,R表示污染物的去除率/%;C进表示进水中污染物的质量浓度/(mg·L-1);C出表示出水中污染物的质量浓度/(mg·L-1)。
1.5 数据处理
2 结果与讨论
2.1 盐度对系统污染物去除的影响
不同盐度对系统污染物去除和周期表现的影响分别见图2和图3。由图2a)可知,COD去除率随盐度增大而增大,当盐度为3.0 g/L时,COD去除率增大至90.33%,此时出水COD质量浓度为39.57 mg/L,由此可知,适当盐度不仅没有抑制微生物的增长,反而增强了异养微生物的活性,提高了有机物的利用率。
图2 不同盐度对系统污染物去除的影响Fig.2 The effect of different salinity on the pollutant removal
图3 不同盐度对系统污染物周期表现的影响Fig.3 The effect of different salinities on the periodic performance of system pollutants
2.2 盐度对活性污泥性质的影响
EPS是活性污泥的重要组成部分,对活性污泥的沉降性、微生物活性、有机物降解、抵抗有毒物质冲击等具有重要作用[18],其中,PN和PS是EPS的主要成分。图4为不同盐度对污泥性质的影响。由图4可知,微生物EPS含量随着盐度的增加而增大,当盐度升高至3.0 g/L时,EPS含量从24.15 mg/g VSS增大至38.81 mg/g VSS。同时,盐度对黏液层(SB)、疏松层(LB)和紧致层(TB)中的PN和PS均具有显著影响,其中SB-PN、LB-PN和TB-PN含量均随着盐度的增加而升高,当盐度为3.0 g/L时,分别升高至2.04 mg/g VSS、5.66 mg/g VSS和30.37 mg/g VSS;SB-PS含量随着盐度的增加而增大,但LB-PS和TB-PS含量随着盐度的增加而降低,当盐度为3.0 g/L时,SB-PS含量增大至1.19 mg/g VSS,LB-PS和TB-PS含量分别降低至1.72 mg/g VSS和1.06 mg/g VSS。这可能是因为当微生物的生存环境发生改变时,其自身会进行应急保护,即通过调节EPS内各成分的含量形成保护层,减轻恶劣环境的影响。I.Vyrides等[19]研究证明,在含盐环境下,EPS可形成细胞壁与外部极端环境之间的屏障,进而对微生物起到隔离保护作用。其他学者[20-21]研究表明,EPS 在活性污泥系统中发挥着重要作用,细菌可利用EPS与Na+结合,减少盐度对其造成的毒性影响,有助于系统稳定运行。还有研究[22]发现,当盐度增加至2.0%(约20 g/L)时,胞外离子的积累会引起较大的静电力,使细菌的细胞结构发生变化,同时PN与离子之间可能发生盐析作用,导致酶活性下降[23],这也是造成除磷性能下降的原因之一。可见,即使盐度较低,微生物也会通过调节自身特性以适应外界环境的变化。
2.3 盐度对活性污泥系统功能微生物菌群的影响
2.3.1 微生物多样性为了更好地分析盐度对SBR脱氮除磷系统中微生物的影响,运行末期分别对S0和S1阶段的污泥样品进行高通量测序分析,得到菌株操作分类单元(Operational Taxonomic Unit,OUT)分别为969和1345,同时测序片段(Massively Sequencing MiSeq)分别为49 948和66 323,菌群丰度(Abundance-based Coverage Estimator metric,ACE)分别为1 623.452和1 199.453,基于OUT数目计算的Chao指数分别为1 586.788和1 216.05。可见,盐度的引入增加了微生物菌群的相对丰度,改变了微生物菌群结构。
2.3.2 功能微生物菌群结构图5为不同盐度对微生物菌群结构的影响。由图5a)可知,S0和S1阶段的污泥样品中均检测到8个门类,分别为Proteobacteria(38.37%和31.29%)、Chloroflexi(16.19%和35.36%)、Bacteroidota(24.28%和13.96%)、Actinobacteriota(5.30%和9.97%)、Patescibacteria(5.76%和2.24%)、Acidobacteriota(2.49%和2.76%)、Myxococcota(1.47%和0.35%)和Planctomycetota(0.57%和1.39%),S1阶段的污泥样品中Chloroflexi、Actinobacteriota和Planctomycetota的相对丰度明显高于S0阶段的污泥样品,但Proteobacteria和Bacteroidota的相对丰度明显低于S0阶段的污泥样品。研究[24-25]表明,Proteobacteria是污水处理厂常见的功能微生物,在高硝氮废水处理系统脱氮过程中具有重要作用。J.Zhao 等[26]研究发现,在短程硝化和内源短程反硝化除磷系统中含有丰富的Chloroflexi和Actinobacteriota菌群,因此含盐系统具有较好的脱氮效果和一定的除磷性能。正如图5b)所示,S1阶段的污泥样品中含有丰富的Anaerolineae(25.72%)、Alphaproteobacteria(13.16%)和Chloroflexia(8.73%),且有研究[27-28]表明,这3个菌群均具有反硝化功能,因此,系统引入盐度后仍具有较高的脱氮性能和较好的除磷效果。
3 结论
本文系统研究了不同盐度食品工业废水脱氮除磷系统运行性能,通过考查不同盐度对污水脱氮除磷性能的影响,分析其影响机理,得到主要结论如下:
1)适当盐度能够提高有机物的去除效果,当盐度为0.5~3.0 g/L时,对系统厌氧释磷性能影响较小,但当盐度大于1.0 g/L时,反硝化除磷和好氧吸磷性能均随着盐度的增加而降低,除磷效果减弱;同时盐度能强化系统的反硝化性能,但当盐度高于3.0 g/L时,反硝化性能有所下降。
图5 不同反应阶段微生物菌群结构的变化Fig.5 The change of microbial community structure in different reaction stages
2)微生物EPS含量随着盐度的升高而增大,当盐度为3.0 g/L时,EPS含量为38.81 mg/g VSS,且SB-EPS、LB-EPS和TB-EPS中PN含量的变化趋势与此基本相同;SB-EPS中PS含量随着盐度的升高而增大,而LB-EPS和TB-EPS中PS含量的变化趋势与此相反。
3)系统中引入盐度会增加微生物菌群的相对丰度,改变其结构,具体表现为盐度显著促进了Chloroflexi、Actinobacteriota和Planctomycetota等反硝化菌门富集,且随着盐度的升高,Caldilineaceae、Ferruginibacter、Kouleothrix等功能微生物的相对丰度增大,而Candidatus_Competibacter的相对丰度降低。因此,系统引入盐度后仍具有较高的脱氮和有机物去除性能,但高盐度条件下除磷效果较差。