污泥低温驯化及其对农村生活污水处理效果的研究

黄秋婷，薛天福**，杨 梅*，金朝辉

(1.吉林化工学院 生物与食品工程学院，吉林 吉林 132022；2.吉林化工学院 研究生学院，吉林 吉林 132022)

随着我国社会经济的发展，农村生活条件的不断改善，农村用水量也在逐年上升.但是，在我国农村，污水处理体系并未普及，随意排放的生活污水使江河湖泊水质严重下降[1]，对农村的水环境产生了严重影响，给农村居民的用水安全和身体健康带来威胁[2-3]，农村生活污水治理迫在眉睫.

目前，基于序批式活性污泥法(SBR)工艺的一体化污水处理设备是农村污水处理的研究热点，该设备运行费用低、可操作性强、常温下处理效果好，且占地面积小，比较适合农村人口密度小、污水排放不连续等情况[4-5].但我国北方地区冬季温度较低，活性污泥作为多种微生物共生的一个群体，会随着温度的降低活性逐渐下降，对有机物的降解速度也随之下降，导致冬季污水处理效率低[6-8].因此，寒冷地区的城市污水厂通常会采用加热保温、增大污泥回流量和污水停留时间等措施来保证出水达标，这样不仅增加了工艺难度与能耗，而且增加了工程投资和运行费用[9].

为此，相关领域研究人员利用生物强化技术[10]驯化活性污泥，从而提高污泥的耐低温特性.例如，王长生等人[11]采用流态连续形方法，在水温为11～13 ℃的反应器中对污泥进行驯化，驯化后污泥对初始COD(化学需氧量)为450 mg·L-1的污水去除率最高为86.3%；伍海全等人[12]对污泥进行阶段性耐低温驯化，10 d在5 ℃条件下对初始COD为610 mg·L-1左右的污水去除率可达95%以上；也有研究表明，通过外加磁场的方法也能对污泥进行驯化，增强污泥活性和耐寒性，Chuan Niu等人[13]在低温条件下对污泥给予适当静磁场，驯化阶段对初始COD为400 mg·L-1的污水去除率可达91.65%.因此，对污泥进行耐低温驯化，为解决北方地区冬季农村生活污水难处理问题提供了解决办法.

拟将生物强化技术应用到农村污水处理当中，运用逐级降温的方法驯化活性污泥，使污泥在低温条件下仍能降解水中有机物，并考察污泥对人工污水及实际农村生活污水的处理情况，以及在污水处理过程中的最适接种量，出水COD达到农田灌溉水质标准(GB 5084-2005)中水作物的标准值[14]，实现水资源的循环利用.这不但为寒冷地区污水处理提供了解决办法，也将为新农村环境治理与建设做出贡献.

1 实验部分

1.1 材料来源

污泥：吉林市某污水厂污泥.

培养基：LB培养基.

生活污水：吉林市周边农村三户化粪池污水，标记为生活污水A、B、C.

人工污水[12]：葡萄糖，0.170 g；可溶性淀粉，0.160 g；乙酸钠，0.233 g；氯化铵，0.025 g；蛋白胨，0.158 g；牛肉膏，0.040 g；硫酸铵，0.028 g；磷酸二氢钾，0.070 g；碳酸钠，0.060 g；自来水，1 L.将上述成分灭菌后备用.以上试剂均为分析纯，天津市大茂化学试剂厂生产.

1.2 实验主要设备

生化培养箱(上海一恒LRH-800F)、全恒温振荡培养箱(上海一恒HZQ-X300C)、多参数消解仪(北京连华LH-25A)、多参数水质测定仪(北京连华5B-3B)、洁净工作台(上海昕仪SW-CJ-2FD)等，均在室温下使用和测定.

1.3 实验方法

1.3.1 污泥的耐低温驯化

将采集的污泥用LB液体培养基于25 ℃生化培养箱内活化3 d，然后取活化的湿污泥5 g(含水量为83%)，加入到装有200 mL人工污水的三角瓶内，20 ℃条件下恒温培养7 d，定时摇匀，静置澄清后检测上层液COD.用蒸馏水冲洗沉降污泥，再依次进行15、12、10、8 ℃的驯化实验，每个温度重复驯化3次.

1.3.2 不同驯化污泥量对人工污水的处理效果

取8 ℃驯化后的活性污泥，反复用蒸馏水冲洗、沉降数次，抽滤弃去水份，分别称取湿重为1、2、3、4、5 g的污泥加至200 mL灭菌的人工污水中，放置生化培养箱内8 ℃培养7 d，定时摇匀，静置澄清后检测上层液COD.以不加污泥的人工污水作为对照.

1.3.3 驯化污泥对生活污水处理能力的测定

取最适接种量的已驯化污泥，分别加至装有200 mL实际生活污水A、B、C的三角瓶内，8 ℃条件下恒温培养，定时摇匀，静置澄清后检测上层液COD，直至COD降至150 mg·L-1以下或无明显变化，计算COD去除率.

1.3.4 污泥驯化与非驯化对生活污水处理能力的比较

取最适接种量非驯化污泥，加入装有200 mL实际生活污水C的三角瓶内，8 ℃条件下恒温培养，定时摇匀，静置澄清后检测上层液COD，处理时间与驯化污泥对实际生活污水C的处理时间相同，比较两种污泥在低温条件下对污水的处理能力是否有显著差异.

1.4 测定与分析方法

COD使用消解仪和多参数水质分析仪测定，检测方法依据国家法规《快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)》[15].

实验数据采用origin8.5进行分析作图.

COD去除率：

最适污泥浓度公式：

2 结果与讨论

2.1 污泥的耐低温驯化

我国北方农村的农民土地使用面积占比较高，以农田灌溉水质标准作为处理标准，经处理后的水用于灌溉，可以利用土壤系统进一步实现污染物的分解及N、P元素在农村生态系统的循环，降低污水处理的难度、成本及能耗.将从污水处理厂取回的活性污泥，按照20、15、12、10、8 ℃5个温度梯度进行逐级降温驯化实验，最后一次驯化期间活性污泥对人工污水的处理结果如图1所示.

t/d图1 不同温度驯化污泥出水COD随时间变化曲线

由图1可知，各驯化温度下，人工污水的COD值随时间的增长而逐渐减小.20 ℃驯化时，第4 d可将人工污水COD降至150 mg·L-1以下，达到农田灌溉水质标准中水作物的灌溉要求(≤150 mg·L-1)，出水COD为131.6 mg·L-1；第6 d，其它驯化温度下出水COD也都达到此标准，12 ℃下的出水COD最低，为86.13 mg·L-1，其中10、12、15、20 ℃的驯化结果同时达到加工、烹饪及去皮蔬菜作物灌溉的COD标准(≤100 mg·L-1)；第7 d，8 ℃下驯化的出水COD降至92.85 mg·L-1，去除率为85.65%，这与王长生等人[11]的研究结果相近，本研究驯化污泥的温度更低，处理污水初始COD较高，比较符合我国北方地区冬季农村污水处理的实际情况.相比之下，伍海全等人[12]驯化的污泥在低温条件下的COD去除能力更好，但本研究的处理方式及操作方法较为简单，无需曝气搅拌，节约了污水处理过程当中的能源消耗.目前，通过活性污泥在8 ℃下对人工污水的COD去除情况来看，污泥已经具备在低温条件下对污水的处理能力.

在驯化过程中，活性污泥对人工污水的COD去除情况都出现去除率快慢交替的现象，COD变化曲线呈阶梯式下降.接种污泥后2 d内，12、15、20 ℃下污水COD下降趋势较快，去除率最高可达45.9%，而8 ℃和10 ℃下的污泥还处在延滞期，COD下降缓慢，去除率最高仅为35.7%；第2～3 d，10、12、15 ℃的COD下降趋平，去除率增长缓慢，平均增长7.7%，20 ℃也出现了较小的波动，只有8 ℃仍维持着稳定的下降趋势；第3 d以后，10、12、15、20 ℃下的COD开始持续下降，而8 ℃在第4～5 d的COD变化较小，去除率仅增长5.0%，随后又迅速下降，这可能与污泥内微生物的生长特性有关.相比之下，20 ℃驯化污泥将污水处理达标时间最短，4 d即可达到处理要求，培养至第7 d时COD已降至52.36 mg·L-1，去除率为91.91%.随着驯化温度的降低，污泥的处理时间增长，8 ℃下污泥处理污水的达标时间需要7 d，此时出水COD为92.85 mg·L-1，去除率为85.66%，虽然8 ℃处理时间较20 ℃长，但最终的出水COD相差不多，去除率较20 ℃仅降低了6.26%，说明在8 ℃条件下，污泥仍具有良好的降解能力，因此低温驯化污泥对寒冷地区污水处理具一定的应用价值.

2.2 不同驯化污泥量对人工污水的处理效果

将不同湿重的污泥接种到人工污水中，8 ℃处理7 d的COD降解情况如图2所示.由图2可知，在8 ℃条件下，随着活性污泥接种量增加，污泥对污水COD的去除效果也随之增强.1、2、3 g活性污泥在第7 d均将处理的污水达到农田灌溉水质标准，出水COD分别为95.63、92.16、88.75 mg·L-1，COD去除率分别为85.22%、85.76%、86.29%；而接种量为4 g和5 g的活性污泥，对污水的处理达标周期仅为5 d，出水COD分别为110.6 mg·L-1和105.3 mg·L-1；第7 d时，4 g和5 g接种量处理的污水COD分别降至76.13 mg·L-1和75.64 mg·L-1，且在处理相同时间内COD的去除率较高，分别为88.24%和88.31%，处理效果基本相同.因此，实验的污泥最佳接种量为4 g，此时污泥的含水量约为83%，除去污泥当中多余的水分，相当于污泥浓度(MLSS)为3.4 g·L-1.最适的污泥浓度可以有效保证污水处理过程中的水力负荷，在不影响污泥有机物去除能力的同时，还能节省工艺成本，为活性污泥在农村污水处理领域中的应用提供参考.

t/d图2 不同接种量污泥出水COD随时间变化曲线

2.3 驯化污泥对生活污水处理能力的测定

用污泥对实际农村生活污水A、B、C进行处理，初始COD分别为570.9、595.6、722.4 mg·L-1.实际农村生活污水主要包括厕所冲洗水、洗漱排水、厨房排水及其它排水等，处理情况如图3所示.随着时间的增长，A、B、C三户污水的COD含量逐渐下降，与C相比，A、B两户污水的初始COD含量较低且相近，处理第8 d时达标，出水COD相差不大，分别为127.2 mg·L-1和129.5 mg·L-1，COD去除率分别是77.72%、78.26%；第10 d，C户污水达标，出水COD为145.6 mg·L-1，去除率为84.97%，此时A、B两户污水的COD含量仍在下降，出水COD分别降至92.36 mg·L-1和89.51 mg·L-1，去除率分别为83.82%和84.97%.在对三户实际生活污水的处理过程中，由于C户污水的初始COD含量较高，因此所需处理时间较长.从3条曲线的下降程度看，活性污泥在对实际生活污水的低温处理过程中能保持较稳定的状态，各污水COD均平缓下降，且未出现较大波动，污泥处理时间也会随着污水初始COD的增加而延长.

t/d图3 污泥处理不同生活污水COD随时间变化曲线

与处理人工污水相比，污泥处理实际生活污水所需时间较长.相同温度下，活性污泥第7 d对人工污水的COD去除率为85.65%，而处理实际生活污水要达到同样的去除效果则需要10 d，原因是实际生活污水的成分较人工污水复杂，日化产品对污泥内微生物的活性造成了一定影响，使得微生物对污水中有机物的降解效率降低.在对污泥进行耐低温驯化阶段，污泥对人工污水的降解呈现阶段下降的趋势，例如8 ℃驯化的第4～5 d，污泥对人工污水的去除速率开始降低，第5 d后开始恢复，而处理生活污水则呈现平稳下降的趋势，原因是在驯化时，为增强污泥的活性，会在人工污水中添加葡萄糖等容易被利用的物质，污泥首先快速分解这些物质，然后再利用淀粉等一些结构复杂的有机物，所以COD曲线呈阶梯式下降.经过不断的驯化与实验，污泥开始适应低温且复杂的污水环境，而实际农村生活污水的成分主要是淀粉、纤维素、脂肪、蛋白质等结构复杂的有机物，污泥会直接利用这些物质，因此对实际生活污水处理比较稳定，整个处理过程也未产生较大波动，说明活性污泥对环境的适应性逐渐增强，这对寒冷地区农村生活污水处理具有重要意义.在实际应用中，可适当增加污泥接种量来缩短污水的处理周期.

2.4 驯化耐冷污泥与非驯化污泥对污水处理能力的比较

如图4为驯化耐冷污泥与非驯化污泥在8 ℃条件下对C户生活污水处理的COD随时间变化的曲线.对比发现，没有经过驯化的活性污泥在8 ℃时COD去除率较低，仅为56.71%，出水COD为312.8 mg·L-1，相同时间内出水COD含量未能达到农田灌溉水质标准，整个处理过程也存在波动.开始1～4 d，去除效果虽不如驯化的活性污泥，但COD含量也在逐渐下降；第5～7 d的去除率明显减小，曲线趋于平缓，出水COD变化不大；之后去除率逐渐恢复，COD含量逐渐降低.这说明未经驯化的污泥受低温影响较大，再加上实际农村污水处理过程中进水量和初始COD的不稳定，更会严重影响污水的处理效果，导致出水水质不达标.而经过驯化的耐冷活性污泥在低温下仍具有较高的生物活性，COD去除率可达79.85%，出水COD达农田灌溉水质标准，整个处理过程COD下降趋势稳定，无较大波动.驯化后的耐冷活性污泥抗干扰能力较强，对环境变化适应性强，因此比较适合北方地区农村生活污水处理.

t/d图4 驯化耐冷污泥与非驯化污泥出水COD随时间变化曲线

3 结 论

经过反复逐级耐低温驯化，得到在低温条件下仍具有活性的污泥，利用农村独有的土地优势，以农田灌溉水质标准为处理指标，可以降低低温处理难度，减少能量消耗.驯化后的污泥处理人工污水，8 ℃条件下的出水COD为92.85 mg·L-1，去除率为85.65%；相同条件下处理实际农村生活污水，出水COD最低为89.51 mg·L-1，去除率最高为84.97%，最短处理周期为8 d；经人工污水验证，污泥的最适接种浓度为3.4 g·L-1.而非驯化污泥在相同条件下对实际农村生活污水的COD去除率仅为56.71%，出水COD第10 d仍未达标，这说明经过驯化的活性污泥适合在低温条件下处理生活污水，若将其应用到我国北方或高寒地区的农村污水处理之中，将会大大改善这些地区冬季污水处理效果，提高污水处理效率，为高寒地区农村生活污水处理提供有力支持.