ASND法处理食品发酵废水出水达一级A标准工艺研究张宪鑫

第33卷第5期2015年9月食品科学技术学报JournalofFoodScienceandTechnologyVol.33No.5Sep．2015doi:10．3969/j．issn．2095-6002．2015．05．011文章编号:2095-6002(2015)05-0063-06引用格式:张宪鑫，汪苹，孟维．ASND法处理食品发酵废水出水达一级A标准工艺研究［J］．食品科学技术学报，2015，33(5):63－68．ZHANGXianxin，WANGPing，MENGWei．StudyontreatmentoffoodfermentationwastewaterbyASNDandeffluentcomplyingtoGB18918—20021Adischargestandard［J］．JournalofFoodScienceandTechnology，2015，33(5):63－68．ASND法处理食品发酵废水出水达一级A标准工艺研究张宪鑫，汪苹*，孟维(北京工商大学食品学院，北京100048)摘要:将异养硝化－好氧反硝化菌株投加到SBＲ反应器中，对含有优势菌株的污泥进行培养驯化、优化运行周期的操作，使其具有良好的生化、硝化和反硝化性能。运行SBＲ反应器处理模拟食品发酵废水(CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别大于等于600，80，85mg/L)，经处理后的出水CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为56，0.65，14mg/L。后期向处理后的出水投加20mg/L的聚合氯化铝混凝沉淀进一步降低出水CODCr，至此出水CODCr和氮类化合物质量浓度已达到GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准(出水CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别小于50，5，15mg/L)。关键词:好氧同步硝化－反硝化;食品发酵工业;废水;一级A排放标准中图分类号:X505;TS208文献标志码:A收稿日期:2014-08-02基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAK17B11)。作者简介:张宪鑫，女，硕士研究生，研究方向为水污染控制工程;*汪苹，女，教授，主要从事水污染控制工程方面的研究。通信作者。食品发酵产品是以农副产物为原料发酵而得。食品发酵生产过程中会产生高浓度有机废液，其主要成分为有机质、蛋白质，悬浮物等。食品发酵废水具有良好的生化性能，无毒害作用，但若不经处理肆意排放会造成严重的环境污染［1］。食品发酵废水水质波动较大，波动范围CODCr为300～2000mg/L、总氮质量浓度为50～100mg/L。“十二五”期间，我国规定污水处理厂出水水质必须由GB18918—2002一级B(出水CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别小于60，8，20mg/L)提高到一级A标准(出水CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别小于50，5，15mg/L)，而北京市地方标准(DB11/890—2012)更为严格。随着排放标准的全面提高，传统的工艺运行模式亟待得到改善。好氧同步硝化－反硝化(aerobicsimultaneousni-trificationanddenitrification，ASND)技术采用好氧反硝化菌，在同一好氧反应器内进行同步硝化－反硝化过程，实现高效生物脱氮。相比于传统生物脱氮工艺［2－6］，ASND技术的反应过程中，硝化产物可直接成为反硝化的底物，避免硝化反应产物的积累。硝化反应过程中的酸碱波动可以用反硝化释放出的碱度来调节，维持系统中pH值的相对稳定。主导ASND技术的异养硝化－好氧反硝化菌［7］是一种同时具有硝化和反硝化功能的好氧脱氮菌，且证实可直接将氨氮氧化为气态氮(N2)，脱氮途径更简捷，单株菌能同时高效脱除有机物和氮类化合物，具有高盐耐受力。近年来异养硝化－好氧反硝化菌已成为研究热点［8－20］，其主导的ASND技术应用于食品发酵废水的处理，可以有效缓解提标改造带来的工程费用压力，在不改变原污水处理流程的基础上，强化整体工艺的脱氮能力。本实验采用优势脱氮菌株投加到序36批式反应器(SBＲ)中处理模拟食品发酵废水，使处理后的出水氨氮和总氮浓度满足GB18918—2002一级A标准［21］。1材料与方法1.1实验装置与仪器1.1.1实验装置模拟SBＲ反应器采用有机玻璃制成圆柱形装置，内径15.3cm×78cm，有效容积为6L，采用微孔曝气、曝气量恒定的供氧方式。装置主体设有多个排水孔，加热棒保持水温在25～30℃。曝气、沉淀过程的控制由微控电脑计时器完成，采用一次性人工进水排水各2L。SBＲ反应器装置如图1。1—反应器主体2—加热棒3—微控电脑计时器4—搅拌器5—气泵6—微孔曝气板7—出水口8—排泥口图1SBＲ装置图Fig．1Installationofsequencingbatchreactor1.1.2实验仪器DＲ2800型便携式分光光度计，美国HACH公司;DＲB200型消解仪，美国HACH公司;HVE－50型高压灭菌锅，日本HIＲAYAMA公司;VD－1320型洁净工作台，哈尔滨市东联电子技术开发有限公司;QHZ－12B型组合式恒温振荡培养箱，太仓市实验设备厂;Sigma3K15型低温冷冻离心机，德国Sigma公司;AY220型电子分析天平，日本岛津公司;SevenEasypH计，瑞士梅特勒托利多公司。1.2模拟废水及培养基1.2.1模拟废水采用人工模拟食品发酵废水，废水目标水质CODCr≥600mg/L、氨氮质量浓度≥80mg/L，总氮质量浓度≥85mg/L。以玉米水作为碳源(玉米水中含有机氮，配制后进行测定并计入模拟废水总氮内)，使用时依据当日实测CODCr、总氮浓度进行稀释配制，氯化铵作为氮源。为满足微生物的正常生长需要，需投加一定量的微量元素。1.2.2培养基保存菌株活化和富集所需培养基为:(NH4)2SO40.47g/L，柠檬酸三钠5.1g/L，KH2PO41.0g/L，CaCl2·7H2O0.20g/L，FeCl2·6H2O1.25g/L，MgSO4·7H2O1.0g/L，定容至1000mL，调pH值至7.0，121℃灭菌20min。斜面培养基:33g营养琼脂，溶于1000mL蒸馏水中，调pH值至7.0，加热熔化后，分装入试管，每支2～3mL，于121℃灭菌20min。1.3实验菌株采用本实验室［15－17，22－25］筛选、分离、鉴别出的8株异养硝化－好氧反硝化菌作为实验菌株，8株菌对硫氮均具有较高的去除率。其脱氮性能见表1。表18株典型异养硝化－好氧反硝化菌株的脱氮性能Tab．1Performanceofheterotrophicnitrification-aerobicdenitrificationofeightstrains%序号菌株编号所属菌属NH+4-N总去除率TN总去除率CODCr去除率1WXZ－2戴尔福特菌9394882WXZ－8蜡状芽孢杆菌9694703WXZ－17丛毛单胞菌9696804WYLW1－2蜡状芽孢杆菌9792895WYLW1－6蜡状芽孢杆菌9595926WYLW2－4芽孢杆菌9697947L1－1芽孢杆菌9999778L2－3巨大芽孢杆菌9998901.4实验方法1.4.1菌株投加方法1)菌株的活化。挑取菌株接种到150mL富集培养基(灭菌后)的锥形瓶中。采用组合式恒温振荡培养箱于30℃、180r·min－1下培养48h，获得菌悬液。按培养基总体积的10%接种到发酵罐中扩大培养。2)菌株的投加。当菌株处于对数生长期时，将菌液在4℃、8000r·min－1条件下离心5min，得到湿菌体，用无菌水洗两次，于4℃冰箱待用。投菌时，每次以总污泥干重的10%投加(菌体的干湿重约为1∶10)。投加菌株后，运行3个周期不排水，照常补充碳氮源和微量元素，以利于菌体存活。1.4.2分析方法水质测定方法。NH+4-N采用HJ535—2009纳氏试剂分光光度法［26］，NO－2-N采用GB7493—87N-46食品科学技术学报2015年9月(1-萘基)-乙二胺分光光度法［27］，NO－3-N采用HJ/T346—2007紫外分光光度法［28］，CODCr采用美国HACH快速测定仪测定，pH值和DO采用德国WTW便携式测定仪测定。含氮类化合物测定时，水样需经离心(6000r·min－1、5min)后测定。2结果与分析2.1污泥的培养驯化结果本实验接种某水厂SBＲ反应池的污泥，经沉淀后去掉上清液加入SBＲ反应器中，所得驯化前污泥情况见表2。当基础污泥培养驯化基本成熟时，投加本实验复配的菌剂。根据反应器运行过程中DO、pH值的变化和出水CODCr、氨氮的去除情况，不断提高CODCr和氨氮进水负荷，并及时调整SBＲ反应器的运行状况。反应器运行过程中用1mol/L的Na2CO3溶液调节碱度，调节溶解氧量，改变曝气时间，逐步实现驯化目标。驯化后的污泥镜检结果如图2。图2(a)为显微镜放大40倍的观察结果，镜检到污泥中存在后生动物，表征生物种群良好;图2(b)为显微镜放大4倍的观察结果，污泥絮团致密、有网状结构。表2驯化前活性污泥主要指标Tab．2Mainindicatorsofactivatedsludgebeforedomesticationρ(污泥)/(g·L－1)污泥沉降率/%颜色形状镜检状况CODCr去除率/%氨氮去除率/%4.425深褐色，细碎菌胶团松散，未发现原、后生动物5751图2污泥镜检结果相图Fig．2Microscopyandphasediagramofsludge2.2同步生化硝化－反硝化污泥的驯化结果SBＲ反应器目标进水水质CODCr≥600mg/L、氨氮质量浓度≥80mg/L和总氮质量浓度≥85mg/L，实验目标达到处理后出水水质CODCr≤50mg/L、氨氮质量浓度≤5mg/L和总氮质量浓度≤15mg/L。驯化过程分为3个阶段，其驯化过程中CODCr和氮类化合物去除情况如图3、图4。图3反应器驯化过程中CODCr去除情况Fig．3CODCrremovalinprocessofdomestication图4反应器驯化过程中含氮化合物去除情况Fig．4Nitrogenremovalinprocessofdomestication第1阶段(第1～16周期)。为完成污泥生化和硝化性能的驯化，每个周期的运行方式为:瞬时进水、曝气7h、闲置4.5h、排水0.5h，每周期总时间12h。进水浓度以配制的模拟废水浓度为准，出水以排出水监测数据为准。运行时保持好氧段DO为4～5mg/L，pH值在7.0～7.8，温度保持在25～30℃。驯化初期进水水质CODCr为300mg/L，氨氮质量浓度为75mg/L。第1～5周期，CODCr去除率为73%左右，氨氮去除率为63%左右，已有明显提升。向反应器中投加离心后的湿菌体(10%污泥干重)，10个周期后，CODCr去除率70%，氨氮去除率78%，氨氮去除率有明显提升，硝化作用增强。为进一步提高CODCr、氮类化合物的去除效率，继续向反应器投加湿菌体(操作同前，10%污泥干重)。运行至第16周期后，出水平均CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为85，14，45mg/L，相应的去除率分别为71%，56第33卷第5期张宪鑫等:ASND法处理食品发酵废水出水达一级A标准工艺研究81%，43%。说明系统中主要以硝化反应为主，而反硝化程度较差。至此，第1阶段菌株硝化性能的培养工作完成。第2阶段(第17～45周期)。运行目的是要培养驯化反硝化能力，提高废水的总氮脱除效率。第2阶段运行特点是:1)提高进水CODCr浓度;2)由于长时间好氧段运行后，维持废水有氧状态已不需要大气量曝气，因此在第1阶段的好氧段之后增加搅拌段;3)每周期总运行时间适当延长，以利于反硝化能力培养。第2阶段SBＲ运行周期改为:瞬时进水、曝气8h、搅拌3.5h、闲置排水0.5h。进水CODCr提高到400mg/L，氨氮质量浓度为80mg/L，前期通过碳酸钠调节pH值。从28周期开始，出水总氮逐步下降，至45周期出水基本稳定，出水平均CODCr、氨氮和总氮质量浓度