垃圾压缩站污水的生物强化处理

近年来垃圾产生量不断增加，为减少运输成本，不少城市设立垃圾压缩站以减小其体积。由于生活垃圾含水量很高，在压缩过程中会产生大量的污水，即为垃圾压缩站污水。垃圾压缩站污水是一种高浓度有机污水，CODcr>10000 mg/L、NH3-N>200 mg/L。如果不进行任何处理就随意排放,将会对附近的纳污水体产生严重污染。
国内关于垃圾压缩站污水处理的研究还处于起步阶段。周少奇等研究了广州某垃圾压缩站污水，由于雨水和垃圾压缩站冲洗水对其的稀释作用，水质发生较大变化，接近城市生活污水水质。天津为北方城市，年降水量和垃圾站冲洗水量比南方城市要少，因此其垃圾压缩站污水浓度高，具有高CODcr、高NH3-N的特点。
目前，生物法在污水处理中应用广泛，传统的生物处理法大多是对污泥中原有的生物体系进行驯化。垃圾压缩站污水的高CODcr和高NH3-N均会对污泥系统中的生物产生抑制作用，造成某些污染物的去除速率受到限制，应采用投加适宜的高效菌株对污泥系统进行生物强化。生物强化技术,即生物增强技术(Bioaugmentation),是指为提高处理系统的处理能力，向该活性污泥体系投加从原系统中分离出来的高效菌或外源引进菌种从而实现对目标污染物高效去除的方法。投加菌一般是通过直接生物降解作用与污染治理体系中原有的细菌共代谢作用来完成对目标污染物的去除。
实验垃圾压缩污水水质组分与生活污水有相似之处，因此将用于生活污水强化处理的菌株投加到垃圾压缩污水处理系统中。实验室保藏的这一厌氧菌株为土著菌，筛自粪便处理系统。在生活污水的处理中，HRT=3h时，与常规厌氧处理相比较，CODcr去除率可由18～20％提高到45～50％，表现出对CODcr的高去除率。高氨氮为垃圾压缩站污水处理的难点之一。很多研究表明枯草芽孢杆菌具有促硝化作用。在好氧初期，通过促硝化作用降解氨氮，再通过同化作用脱去氨氮，同时其还可以利用硝酸盐氮合成自身营养物质。本实验室保藏的这株枯草芽孢杆菌不但在生活污水处理中表现出良好的脱氮效果，同时具有良好的生物絮凝性，对出水SS的降低具有明显效果。因此投加该好氧菌株对好氧处理过程进行生物强化。
1.实验材料与方法
1.1实验用水来源、水量和水质
实验用水来自天津某垃圾压缩站，其夏季水量为60－70 T/d，其它季节无水量大减，约为15－20 T/d，试验水质如表1所示。
表1 污水的水质

由上表可以看出污水的CODcr值超标约150倍，NH3-N值超标约30倍，污染强度极大。目前场内没有处理设施，每天产生的污水需运输至污水厂进行处理。
1.2实验方法
垃圾压缩站污水为高浓度有机污水。在高浓度有机污水的处理过程中，与单一的厌氧法、水解法和好氧法相比,厌氧－好氧组合工艺具有以下主要优势:厌氧工艺能去除废水中大量的有机物和悬浮物,使与之组合的好氧工艺有机负荷减小,好氧污泥产量也相应降低,整个工艺的反应容积小;厌氧(水解)工艺作为前处理工艺能起到均衡作用,减少后续好氧工艺负荷的波动,使好氧工艺的需氧量大为减少且较为稳定,既节约能源又方便工业上的实际操作。
1.2.1活性污泥的生物强化
厌氧污泥的生物强化：向250 ml具塞锥形瓶中加入由生活污水稀释三倍的垃圾压缩站污水200 ml，按40％接种厌氧污泥和5％接种厌氧菌株，对厌氧污泥进行生物强化。同时以未接种厌氧菌株的厌氧污泥作为空白进行对比实验。
好氧活性污泥的生物强化：向250ml锥形瓶中加入厌氧出水200 ml，按30％接种好氧活性污泥和5％接种好氧菌株，对好氧活性污泥进行生物强化；同时以未接种好氧菌株的好氧活性污泥作为空白进行对比实验。
将以上四个锥形瓶放入恒温摇床培养，转速：150 r/min，温度30℃，每24 h换水一次。经过15 d，好氧活性污泥呈黄褐色，沉降性能良好，好氧出水CODcr去除率大于70%，表明污泥系统已正常工作，可开始处理污水的试验。
1.2.2停留时间 
厌氧停留时间的确定：以投加厌氧菌株的厌氧污泥系统为研究对象，将锥形瓶放入恒温摇床进行实验，每隔4 h测定一次上清液的CODcr和NH3-N浓度。，厌氧过程中，水体中的有机氮通过厌氧菌的作用转化为氨氮, 会使氨氮含量上升，不能实现氨氮的脱除。因此只根据厌氧出水CODcr去除率来确定厌氧停留时间。
好氧停留时间的确定：以投加好氧菌株的好氧活性污泥系统为研究对象，将锥形瓶放入恒温摇床进行实验，每隔2 h测定一次上清液CODcr和NH3-N浓度，直至出水的CODcr和NH3-N浓度达到GB8978-96二级排放标准。
1.3分析方法
pH：采用电极法测定；COD：采用重铬酸钾法；NH3-N：采用钠氏试剂法（GB/T 16031-1995）；NO2-N: N-（1-萘基）-乙二胺光度法（CJ/T 76-1999）

2.实验结果与讨论
2.1适宜停留时间的确定
2.1.1厌氧停留时间的确定
图1为厌氧过程CODcr去除率和NH3-N浓度与停留时间的关系。

图1 CODcr的去除率和NH3-N的去除效果
目前将厌氧消化技术用于污水处理主要有两条途径：其中一条是采用厌氧酸化水解-好氧处理技术。厌氧水解酸化利用非严格厌氧的兼性微生物对有机物进行初级分解,兼性水解菌的胞外酶将废水中不溶性的固体物质转化为溶解性物质,使大分子物质降解为小分子物质，从而有利于后续的好氧处理。但在厌氧条件下，水体中的有机氮通过厌氧菌的作用转化为氨氮, 会使氨氮含量上升; 而氨氮在无氧或缺氧条件下无法向NO2-、NO3- 转化, 因而难以去除.由上图可以看出，HRT＝8 h，厌氧出水CODcr＝1158.656 mg/L，NH3-N＝268.35 mg/L。在8 h内CODcr去除率基本上呈直线增长，HRT＝8 h，CODcr去除率达到70％，8 h以后去除率增大的趋势变缓而NH3-N浓度随停留时间的延长逐渐增大，而高氨氮又会对活性污泥系统中的微生物产生抑制作用，因此厌氧停留时间确定为8 h。
2.1.2好氧停留时间的确定
图2为好氧过程CODcr和NH3-N浓度与停留时间的关系。

图2 CODcr和NH3-N的去除效果
由上图可以看出，NH3-N浓度和CODcr都随停留时间的延长而降低。HRT=6 h，NH3-N浓度为23 mg/L，CODcr为105 mg/L均达到GB8978-96二级排放标准。继续延长停留时间，污水的CODcr和 NH3-N浓度仍在降低，但降解趋势变缓。考虑到实际工程中，停留时间的延长，会增加能耗，加大处理成本，因此确定好氧停留时间为6 h。
2.2污泥的生物强化效果
2.2.1厌氧菌株对厌氧污泥的生物强化效果
向两个厌氧具塞锥形瓶各加入200 ml用生活污水稀释三倍的垃圾压缩站污水，放入恒温摇床进行实验，8 h后取出，静置30 min，测上清液的CODcr。图3为投菌与空白在多次重复试验中CODcr去除效果的对比。

图3 投加菌株对CODcr去除效率的影响
由上图可以看出，空白试验CODcr去除率均<55%，投菌试验CODcr去除率在70%～78%之间，相比空白试验CODcr去除率了提高40%，生物强化效果显著。说明投加的菌株具有优先利用污水中难降解物质的特性，并与污泥系统中原有的生物体系形成协同关系，提高了污染物去除率。后期投菌试验CODcr去除率略有上升，应为随着实验时间的增长，菌株已完全适应了污水，去除效率有一定提高。
2.2.2好氧菌株的生物强化效果
向两个好氧锥形瓶各加入200 ml厌氧投菌出水，放入恒温摇床进行实验。每隔2 h测定一次上清液的NH3-N和NO2-N浓度。图4为投菌与空白NH3-N、NO2-N去除效果的对比。

图4 投加菌株对NH3-N去除效果的影响
一般来说，生物脱氮需要经过硝化和反硝化两步。硝化反应是指污水中的氨氮在亚硝酸菌的作用下先转化成亚硝酸盐,生成的亚硝酸盐在硝酸菌的作用下进一步被氧化成硝酸盐。由上图可以看出，投菌试验NH3-N去除效果明显优于空白。同步监测出水NO2-N浓度，投菌试验NO2-N的累积速度明显高于空白试验。投菌试验在HRT＝4 h左右达到亚硝态氮累积的最大浓度，而空白在HRT＝6 h左右才达到亚硝态氮累积的最大浓度，证明好氧菌株提高了氨氮转化为亚硝酸盐的速率，从而提高了整个硝化反应的速度。由于取样频率低，造成亚硝态氮随时间变化曲线出现折点，实际试验中应在折点附近达到累计的最大浓度。HRT＝2 h，NH3-N的去除效率达到57%，这主要是由活性污泥的吸附性能造成的。HRT＝6 h，投菌试验出水NH3-N浓度为20.68 mg/L小于25 mg/L，达到GB8978-96二级排放标准，而空白试验出水NH3-N浓度为64.23 mg/L，不能实现达标排放。
2.2.3菌株的长效性和优势性
长效性：实验从06年10月开始至今已运行四个月，仅投加菌株一次。实验初期，对出水水质采用连续监测的方式。经过一个月出水水质达到稳定后，采用抽样检测，一周测定2～3次，投菌试验出水水质主要指标稳定在pH：8.19～8.55；浊度：4～15 NTU；CODcr：99.827～195.84 mg/L; NH3-N:4.69～10.24 mg/L，满足GB8978-96二级排放标准。
优势性：在实验后期，向250 ml锥形瓶中加入100ml普通培养基，取投菌试验的污泥5g作为菌源接种到锥形瓶中，加入几粒玻璃珠，利于打散污泥絮体。在30℃、150r/min的恒温摇床上培养24h后，取上清液接种至新鲜培养基中培养。经过多次富集，显微镜观察发现培养基中微生物活性良好、数量较多，认为富集驯化完毕。通过逐级稀释法，将菌液稀释到10-7、10-8、10-9在固体培养基平皿上进行涂布，得到单个菌落。通过比较菌落的大小、形状、光泽度、颜色、硬度、透明度等方面，证明所投加的菌株形成的菌落数量在80%以上。
3.结论
（1）在垃圾压缩站污水的生物处理过程中，分别投加一株厌氧菌株和一株好氧菌株对厌氧、好氧过程进行生物强化。与空白相比，厌氧出水CODcr去除率提高了40％；好氧出水NH3-N去除率提高了30％。最终出水CODcr<120 mg/L,NH3-N<25 mg/L，达到GB8978-96二级排放标准。

（2）高效去除CODcr的厌氧菌株和高效去除NH3-N的好氧菌株均表现出良好的生物强化效果，且经过四个月的实验仍表现对污染物的高去除率。在活性污泥系统中作为强化菌株投加的微生物面临的是一个复杂的生态环境，既有微生物种群之间的竞争，也有被原生动物捕食的可能性，对其强化作用如何保持长效性的机理仍不够了解。今后应加强这方面的研究，更好的掌握菌株适宜的生长条件，提高其生物强化效率。
（3）该垃圾压缩站污水水量不大，经过处理后的污水不但可以用于冲洗垃圾压缩车，还可替代生活污水用作原水的稀释水，实现无污水外排。
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