目前，基于序批式活性污泥法(SBR)工藝的一體化污水處理設備是農村污水處理的研究熱點，該設備運行費用低、可操作性強、常溫下處理效果好，且占地面積小，比較適合農村人口密度小、污水排放不連續(xù)等情況。但我國北方地區(qū)冬季溫度較低，活性污泥作為多種微生物共生的一個群體，會隨著溫度的降低活性逐漸下降，對有機物的降解速度也隨之下降，導致冬季污水處理效率低。因此，寒冷地區(qū)的城市污水廠通常會采用加熱保溫、增大污泥回流量和污水停留時間等措施來保證出水達標，這樣不僅增加了工藝難度與能耗，而且增加了工程投資和運行費用。
為此，相關領域研究人員利用生物強化技術馴化活性污泥，從而提高污泥的耐低溫特性。例如，王長生等人采用流態(tài)連續(xù)形方法，在水溫為11~13℃的反應器中對污泥進行馴化，馴化后污泥對初始COD(化學需氧量)為450mg/L-1的污水去除率最高為86.3%；伍海全等人對污泥進行階段性耐低溫馴化，10d在5℃條件下對初始COD為610mg/L-1左右的污水去除率可達95%以上；也有研究表明，通過外加磁場的方法也能對污泥進行馴化，增強污泥活性和耐寒性，ChuanNiu等人在低溫條件下對污泥給予適當靜磁場，馴化階段對初始COD為400mg/L-1的污水去除率可達91.65%。因此，對污泥進行耐低溫馴化，為解決北方地區(qū)冬季農村生活污水難處理問題提供了解決辦法。
擬將生物強化技術應用到農村污水處理當中，運用逐級降溫的方法馴化活性污泥，使污泥在低溫條件下仍能降解水中有機物，并考察污泥對人工污水及實際農村生活污水的處理情況，以及在污水處理過程中的最適接種量，出水COD達到農田灌溉水質標準(GB5084￣2005)中水作物的標準值，實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。這不但為寒冷地區(qū)污水處理提供了解決辦法，也將為新農村環(huán)境治理與建設做出貢獻。
一、實驗部分
1.1材料來源
污泥：吉林市某污水廠污泥。
培養(yǎng)基：LB培養(yǎng)基。
生活污水：吉林市周邊農村三戶化糞池污水，標記為生活污水A、B、C。
人工污水：葡萄糖，0.170g；可溶性淀粉，0.160g；乙酸鈉，0.233g；氯化銨，0.025g;蛋白胨，0.158g；牛肉膏，0.040g；硫酸銨，0.028g；磷酸二氫鉀，0.070g；碳酸鈉，0.060g；自來水，1L。將上述成分滅菌后備用。以上試劑均為分析純，天津市大茂化學試劑廠生產。
1.2實驗主要設備
生化培養(yǎng)箱(上海一恒LRH-800F)、全恒溫振蕩培養(yǎng)箱(上海一恒HZQ-X300C)、多參數(shù)消解儀(北京連華LH-25A)、多參數(shù)水質測定儀(北京連華5B-3B)、潔凈工作臺(上海昕儀SW-CJ-2FD)等，均在室溫下使用和測定。
1.3實驗方法
1.3.1污泥的耐低溫馴化
將采集的污泥用LB液體培養(yǎng)基于25℃生化培養(yǎng)箱內活化3d，然后取活化的濕污泥5g(含水量為83%)，加入到裝有200mL人工污水的三角瓶內，20℃條件下恒溫培養(yǎng)7d，定時搖勻，靜置澄清后檢測上層液COD。用蒸餾水沖洗沉降污泥，再依次進行15、12、10、8℃的馴化實驗，每個溫度重復馴化3次。
1.3.2不同馴化污泥量對人工污水的處理效果
取8℃馴化后的活性污泥，反復用蒸餾水沖洗、沉降數(shù)次，抽濾棄去水份，分別稱取濕重為1、2、3、4、5g的污泥加至200mL滅菌的人工污水中，放置生化培養(yǎng)箱內8℃培養(yǎng)7d，定時搖勻，靜置澄清后檢測上層液COD。以不加污泥的人工污水作為對照。
1.3.3馴化污泥對生活污水處理能力的測定
取最適接種量的已馴化污泥，分別加至裝有200mL實際生活污水A、B、C的三角瓶內，8℃條件下恒溫培養(yǎng)，定時搖勻，靜置澄清后檢測上層液COD，直至COD降至150mg/L-1以下或無明顯變化，計算COD去除率。
1.3.4污泥馴化與非馴化對生活污水處理能力的比較
取最適接種量非馴化污泥，加入裝有200mL實際生活污水C的三角瓶內，8℃條件下恒溫培養(yǎng)，定時搖勻，靜置澄清后檢測上層液COD，處理時間與馴化污泥對實際生活污水C的處理時間相同，比較兩種污泥在低溫條件下對污水的處理能力是否有顯著差異。
1.4測定與分析方法
COD使用消解儀和多參數(shù)水質分析儀測定，檢測方法依據(jù)國家法規(guī)《快速消解分光光度法(HJ/T399￣2007)》。
實驗數(shù)據(jù)采用origin8.5進行分析作圖。
最適污泥濃度公式：
二、結果與討論
2.1污泥的耐低溫馴化
我國北方農村的農民土地使用面積占比較高，以農田灌溉水質標準作為處理標準，經處理后的水用于灌溉，可以利用土壤系統(tǒng)進一步實現(xiàn)污染物的分解及N、P元素在農村生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)，降低污水處理的難度、成本及能耗.將從污水處理廠取回的活性污泥，按照20、15、12、10、8℃5個溫度梯度進行逐級降溫馴化實驗，最后一次馴化期間活性污泥對人工污水的處理結果如圖1所示。
由圖1可知，各馴化溫度下，人工污水的COD值隨時間的增長而逐漸減小.20℃馴化時，第4d可將人工污水COD降至150mg/L-1以下，達到農田灌溉水質標準中水作物的灌溉要求(≤150mg/L-1)，出水COD為131.6mg/L-1；第6d，其它馴化溫度下出水COD也都達到此標準，12℃下的出水COD最低，為86.13mg/L-1，其中10、12、15、20℃的馴化結果同時達到加工、烹飪及去皮蔬菜作物灌溉的COD標準(≤100mg/L-1);第7d，8℃下馴化的出水COD降至92.85mg/L-1，去除率為85.65%，這與王長生等人的研究結果相近，本研究馴化污泥的溫度更低，處理污水初始COD較高，比較符合我國北方地區(qū)冬季農村污水處理的實際情況。相比之下，伍海全等人馴化的污泥在低溫條件下的COD去除能力更好，但本研究的處理方式及操作方法較為簡單，無需曝氣攪拌，節(jié)約了污水處理過程當中的能源消耗。目前，通過活性污泥在8℃下對人工污水的COD去除情況來看，污泥已經具備在低溫條件下對污水的處理能力。
在馴化過程中，活性污泥對人工污水的COD去除情況都出現(xiàn)去除率快慢交替的現(xiàn)象，COD變化曲線呈階梯式下降。接種污泥后2d內，12、15、20℃下污水COD下降趨勢較快，去除率最高可達45.9%，而8℃和10℃下的污泥還處在延滯期，COD下降緩慢，去除率最高僅為35.7%;第2~3d，10、12、15℃的COD下降趨平，去除率增長緩慢，平均增長7.7%，20℃也出現(xiàn)了較小的波動，只有8℃仍維持著穩(wěn)定的下降趨勢;第3d以后，10、12、15、20℃下的COD開始持續(xù)下降，而8℃在第4~5d的COD變化較小，去除率僅增長5.0%，隨后又迅速下降，這可能與污泥內微生物的生長特性有關。相比之下，20℃馴化污泥將污水處理達標時間最短，4d即可達到處理要求，培養(yǎng)至第7d時COD已降至52.36mg/L-1，去除率為91.91%。隨著馴化溫度的降低，污泥的處理時間增長，8℃下污泥處理污水的達標時間需要7d，此時出水COD為92.85mg/L-1，去除率為85.66%，雖然8℃處理時間較20℃長，但最終的出水COD相差不多，去除率較20℃僅降低了6.26%，說明在8℃條件下，污泥仍具有良好的降解能力，因此低溫馴化污泥對寒冷地區(qū)污水處理具一定的應用價值。
2.2不同馴化污泥量對人工污水的處理效果
將不同濕重的污泥接種到人工污水中，8℃處理7d的COD降解情況如圖2所示.由圖2可知，在8℃條件下，隨著活性污泥接種量增加，污泥對污水COD的去除效果也隨之增強.1、2、3g活性污泥在第7d均將處理的污水達到農田灌溉水質標準，出水COD分別為95.63、92.16、88.75mg/L-1，COD去除率分別為85.22%、85.76%、86.29%;而接種量為4g和5g的活性污泥，對污水的處理達標周期僅為5d，出水COD分別為110.6mg/L-1和105.3mg/L-1;第7d時，4g和5g接種量處理的污水COD分別降至76.13mg/L-1和75.64mg/L-1，且在處理相同時間內COD的去除率較高，分別為88.24%和88.31%，處理效果基本相同。因此，實驗的污泥最佳接種量為4g，此時污泥的含水量約為83%，除去污泥當中多余的水分，相當于污泥濃度(MLSS)為3.4g/L-1.最適的污泥濃度可以有效保證污水處理過程中的水力負荷，在不影響污泥有機物去除能力的同時，還能節(jié)省工藝成本，為活性污泥在農村污水處理領域中的應用提供參考。
2.3馴化污泥對生活污水處理能力的測定
用污泥對實際農村生活污水A、B、C進行處理，初始COD分別為570.9、595.6、722.4mg/L-1。實際農村生活污水主要包括廁所沖洗水、洗漱排水、廚房排水及其它排水等，處理情況如圖3所示。隨著時間的增長，A、B、C三戶污水的COD含量逐漸下降，與C相比，A、B兩戶污水的初始COD含量較低且相近，處理第8d時達標，出水COD相差不大，分別為127.2mg/L-1和129.5mg/L-1，COD去除率分別是77.72%、78.26%;第10d，C戶污水達標，出水COD為145.6mg/L-1，去除率為84.97%，此時A、B兩戶污水的COD含量仍在下降，出水COD分別降至92.36mg/L-1和89.51mg/L-1，去除率分別為83.82%和84.97%。在對三戶實際生活污水的處理過程中，由于C戶污水的初始COD含量較高，因此所需處理時間較長。從3條曲線的下降程度看，活性污泥在對實際生活污水的低溫處理過程中能保持較穩(wěn)定的狀態(tài)，各污水COD均平緩下降，且未出現(xiàn)較大波動，污泥處理時間也會隨著污水初始COD的增加而延長。
與處理人工污水相比，污泥處理實際生活污水所需時間較長。相同溫度下，活性污泥第7d對人工污水的COD去除率為85.65%，而處理實際生活污水要達到同樣的去除效果則需要10d，原因是實際生活污水的成分較人工污水復雜，日化產品對污泥內微生物的活性造成了一定影響，使得微生物對污水中有機物的降解效率降低.在對污泥進行耐低溫馴化階段，污泥對人工污水的降解呈現(xiàn)階段下降的趨勢，例如8℃馴化的第4~5d，污泥對人工污水的去除速率開始降低，第5d后開始恢復，而處理生活污水則呈現(xiàn)平穩(wěn)下降的趨勢，原因是在馴化時，為增強污泥的活性，會在人工污水中添加葡萄糖等容易被利用的物質，污泥首先快速分解這些物質，然后再利用淀粉等一些結構復雜的有機物，所以COD曲線呈階梯式下降。經過不斷的馴化與實驗，污泥開始適應低溫且復雜的污水環(huán)境，而實際農村生活污水的成分主要是淀粉、纖維素、脂肪、蛋白質等結構復雜的有機物，污泥會直接利用這些物質，因此對實際生活污水處理比較穩(wěn)定，整個處理過程也未產生較大波動，說明活性污泥對環(huán)境的適應性逐漸增強，這對寒冷地區(qū)農村生活污水處理具有重要意義.在實際應用中，可適當增加污泥接種量來縮短污水的處理周期。
2.4馴化耐冷污泥與非馴化污泥對污水處理能力的比較
如圖4為馴化耐冷污泥與非馴化污泥在8℃條件下對C戶生活污水處理的COD隨時間變化的曲線。對比發(fā)現(xiàn)，沒有經過馴化的活性污泥在8℃時COD去除率較低，僅為56.71%，出水COD為312.8mg/L-1，相同時間內出水COD含量未能達到農田灌溉水質標準，整個處理過程也存在波動。開始1~4d，去除效果雖不如馴化的活性污泥，但COD含量也在逐漸下降;第5~7d的去除率明顯減小，曲線趨于平緩，出水COD變化不大;之后去除率逐漸恢復，COD含量逐漸降低。這說明未經馴化的污泥受低溫影響較大，再加上實際農村污水處理過程中進水量和初始COD的不穩(wěn)定，更會嚴重影響污水的處理效果，導致出水水質不達標。而經過馴化的耐冷活性污泥在低溫下仍具有較高的生物活性，COD去除率可達79.85%，出水COD達農田灌溉水質標準，整個處理過程COD下降趨勢穩(wěn)定，無較大波動。馴化后的耐冷活性污泥抗干擾能力較強，對環(huán)境變化適應性強，因此比較適合北方地區(qū)農村生活污水處理。
三、結論
經過反復逐級耐低溫馴化，得到在低溫條件下仍具有活性的污泥，利用農村獨有的土地優(yōu)勢，以農田灌溉水質標準為處理指標，可以降低低溫處理難度，減少能量消耗。馴化后的污泥處理人工污水，8℃條件下的出水COD為92.85mg/L-1，去除率為85.65%；相同條件下處理實際農村生活污水，出水COD最低為89.51mg/L-1，去除率最高為84.97%，最短處理周期為8d；經人工污水驗證，污泥的最適接種濃度為3.4g/L-1。而非馴化污泥在相同條件下對實際農村生活污水的COD去除率僅為56.71%，出水COD第10d仍未達標，這說明經過馴化的活性污泥適合在低溫條件下處理生活污水，若將其應用到我國北方或高寒地區(qū)的農村污水處理之中，將會大大改善這些地區(qū)冬季污水處理效果，提高污水處理效率，為高寒地區(qū)農村生活污水處理提供有力支持。
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