环保酵素对生活污水的处理效果初探*

2022-01-11胡雪筠龙云川朱成斌周少奇

贵州科学 2021年6期

胡雪筠，龙云川，，蒋娟，朱成斌，胡菁，周少奇▲

(1贵州科学院贵州省生物研究所，贵州贵阳 550009；2贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

随着我国经济社会的快速发展及农村建设进程加快，我国农村也面临着诸多环境问题，最突出的是农村垃圾和农村污水的污染。与城镇完善的污水处理设施及管网相比，农村污水总体纳管率低、直排率高，大量未处理污水的无序排放对农村人居环境及农户健康构成严重威胁[1-2]。近年来对农村污水处理的研究屡见不鲜，但添加廉价营养物质强化生活污水的处理研究较少[3-5]。

另一方面，以厨余废弃物为原料，经微生物菌群发酵所得到的垃圾酵素(garbage enzyme)，是一种深棕色、有强烈甜酸发酵气味的复杂溶液，具有降解、修饰和加速某些反应的多种功能，在环境修复领域展示了一定的潜力。2015年印度学者Arun等[6]率先评价了垃圾酶的酶活性和应用潜力，发现垃圾酶具有生物催化和抑制病原菌的双重特性，并且有提高污泥稳定性的潜力。2020年Aishwarya等[7]试图将垃圾酵素运用于垃圾渗滤液处理，发现添加20%酵素修复28天后，垃圾渗滤液污染指数下降了74.75%。Sambaraju等[8]利用垃圾酵素减少乳品废水中较高比例的悬浮物，结果发现酵素能降低22%～26%的总悬浮物。目前，国内关于酵素在环境污染修复中的应用研究较少。张立超[9]应用环保酵素改良滨海盐碱性土壤，发现合理使用环保酵素能有效改良盐碱性土性质；林青雯等[10]初步探究了酵素对偶氮类染料的降解作用；荆秀艳等[11]探讨了酵素处理生活废水的可行性，提出降低酵素COD和提高pH值是酵素净化水质的关键。

我国农村垃圾中以有机物为主要成分的厨余果蔬垃圾占比较多，若将这些垃圾资源化，通过制得环保酵素并应用于农村生活污水处理，不仅能使农村垃圾减量化、资源化，还可以解决农村污水环境污染问题。本论文以厨余垃圾为原料制备环保酵素，并应用于实际生活污水的处理，以期为农村人居环境改善及美丽乡村建设奠定一定技术基础。

1 实验部分

1.1 环保酵素制备

以丢弃的蔬菜、果皮等厨余垃圾为原料，按乐素昆博士的酵素配置方法，将1∶3∶10的红糖、厨余垃圾、水装入容器内，混匀，自然发酵3个月后，保存备用。本研究利用不同种类及配比的厨余垃圾，制备了3种环保酵素，各酵素的水质指标如表1所示。将3种环保酵素混匀，以供后续研究中使用。

表1 环保酵素水质Tab.1 The water quality of garbage enzyme

根据环保酵素水质指标测试结果可知，其各项指标均较高，其C∶N∶P的比值远高于污水生物法脱氮除磷的营养比例要求。可作为污水生化处理的外加碳源，用于调整营养失衡型污水的营养比例。

1.2 实验设计

本研究所用的实际生活污水，取自贵阳市某村寨生活污水排水管网；所用的活性污泥取自贵阳市某污水处理厂好氧池。将活性污泥静置30 min后倒掉上清液，取污泥与一定体积比例的新鲜污水混合。

实验采用混合型环保酵素，设置环保酵素投加量、环保酵素预处理和污泥投加比三个变量。其中环保酵素预处理指使用0.45 μm滤膜进行抽滤处理。各处理组实验条件如下：

对照(CK)组：取1∶9的污泥-污水混合溶液1000 mL，不添加酵素；

组A：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加不过滤酵素原液50 mL；

组B：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加不过滤酵素20%稀释液50 mL；

组C：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加过滤后酵素原液50 mL；

组D：取1∶9的污泥-污水混合溶液950 mL，添加过滤后酵素20%稀释液50 mL；

组E：取1∶6的污泥-污水混合溶液950 mL，添加过滤后酵素20%稀释液50 mL；

图1 装置运行状况图Fig.1 The operating state of the device

各组实验在2000 mL烧杯里进行，使用空气增氧泵进行曝气搅拌，总曝气量为20 L/min，各处理组曝气量约为6.67 L/min，每天曝气6 h，并补充损失水分。连续运行14天检测污水里pH、COD、TP、NH3-N的含量；检测污泥的性状。

1.3 指标分析

污水pH值利用酸度计(雷磁PHS-25)检测；污水COD采用重铬酸钾法(GB 11914—1989)；TP采用过硫酸钾-钼锑抗分光光度法GB 11893—1989；NH3-N采用纳氏试剂比色法(GB 7479—1987)。污泥SV采用100 mL量筒静置30 min测量。

2 结果和分析

2.1 对系统pH值的影响

添加酵素后，分别于当天(0 d)、1天后(1 d)和6天后(6 d)对各处理组的pH值进行测量，得到的结果如表2所示。环保酵素投加量越大，系统pH值下降越大，其中A、C组呈酸性，B、D、E组呈弱酸性；1天后，B、D、E组恢复中性条件，而A、C组pH值上升为弱酸性，随后，至6天后所有处理组均恢复中性条件。因此，污水处理系统加入环保酵素后，会对系统的pH值产生一定时间冲击，投加量越大，恢复时间越长；投加20%酵素，1天后即可恢复系统pH值。

表2 添加酵素对系统pH值的影响Tab.2 The effect of garbage enzyme on pH value of thewater treatment system

2.2 对生活污水COD处理效果

各实验组生活污水初始COD浓度及生活污水处理7天、14天后的COD浓度及COD去除率如表3所示。添加酵素明显提升了生活污水COD去除率；值得注意的是，20%酵素对生活污水的最高去除率可高达95.27%，最低出水浓度为33.81 mg/L，去除效果为各组最优；但添加20%酵素后水质初始浓度高达714.38～769.95 mg/L，远高于污水处理工艺正常进水浓度，因此后续研究与应用中应降低酵素的使用量或酵素浓度。对比A/C组与B/D组，酵素经再次过滤后COD初始浓度有小幅下降，7天及14天后的出水浓度也比酵素未过滤组低，但去除率与酵素未过滤组没有明显区别。污水处理体系中活性污泥增多(E组)，并没有提高污水COD的去除效率。总的来说，添加酵素明显提升了生活污水COD去除率；添加20%酵素对污水COD去除效果最好。

表3 生活污水中COD浓度及去除率Tab.3 The concentration and removal rate of CODin domestic sewage

2.3 对生活污水TP处理效果

如表4所示，添加酵素原液(组A和组C)后生活污水水质TP初始浓度是CK组的5.21～5.61倍；添加20%酵素后TP初始浓度为1.80～1.89倍，因此添加较低浓度酵素有利于控制溶液TP初始浓度。对比酵素过滤与不过滤，发现其对TP去除率没有显著差异；酵素经再次过滤有利于降低酵素相关水质指标浓度，但同时也增加了操作步骤，因此，实际的酵素应用可不经过复杂过滤，以节省人、物成本。酵素对TP具有明显的去除效果，去除率为84.10%～96.02%，比不添加酵素组提高了33.95%～45.87%。其中酵素原液有利于提升TP去除率，20%酵素有利于降低TP出水浓度。污水处理体系中活性污泥增多(E组)，能将污水TP去除率由84.10%提高至96.02%。

表4 生活污水中TP含量及去除率Tab.4 The concentration and removal rate of TPin domestic sewage

2.4 对生活污水NH3-N处理效果

由表5可知，由氨氮去除率来看，对照组处理7天后氨氮去除率能高达94.92%，而添加酵素生活污水的氨氮去除率为80.82%～93.14%；但由氨氮去除量来看，添加酵素的处理组对氨氮的去除量均大于对照组，即说明添加酵素提高污水氨氮的去除量。

表5 生活污水中NH3-N含量及去除率Tab.5 The concentration and removal rate of NH3-Nin domestic sewage

由处理终点的氨氮浓度(C14)来看，各组处理效果的优劣顺序为CK>B、D、E>A、C。当系统运行至第7天时，酵素低投加量各组(B、D、E组)氨氮去除率均达到90%以上，接近终点去除率(R14)，并与CK组去除率相近；而酵素高投加量各组(A、C组)的氨氮去除率仅有80%左右，增加运行至第14天时才达到90%以上。因此，推测原因在于：尽管生活污水基本满足营养比例C∶N∶P=100∶5∶1的要求，但添加酵素后引起各组有机负荷增加，污泥系统中异养菌大量繁殖，对化能自养型硝化菌的生长繁殖产生了影响，导致处理系统的运行效果下降。

将第7天、第14天所得的出水水质数据根据三个变量对比分析可知，对系统处理效果影响最大的因素为环保酵素的投加量，酵素投加量的增加，会使系统内水质COD浓度显著上升；而环保酵素预处理(A组-C组或B组-D组)和污泥投加比(D组-E组)这两项变量在实验中对处理效果的影响并不明显，其变化效果在于，经过滤后的环保酵素可使污染物浓度略微下降，污泥投加比的上升可使污染物去除率轻微上升。

对比第7天时各处理组的COD、TP和氨氮的去除量及污染物浓度可知，添加酵素后，系统对氨氮的去除效果最为明显，出水浓度已满足《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类水质标准要求；其次为TP，第7天出水浓度可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准要求；最后为COD，直至系统运行至第14天时，出水浓度才满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准要求。因为，在将环保酵素应用为污水处理外加碳源时，需要根据系统的进水水质和氨氮、TP去除要求对酵素投加量进行实际调整。

2.5 对污水表观影响

根据图2所示，污水透明度较高，呈现淡黄色，但加入酵素后污水中透明度明显降低，呈黄色浑浊。其中加入酵素原液的A、C组上层液体最浑浊，呈明显的黄色。各实验组中上层液体出现的色度及浊度与环保酵素投加量呈正相关关系。污水处理7天后，添加20%酵素的污水，其色度及浊度与对照组相比，没有明显差异。这说明添加低浓度的酵素对污水的色度及浊度影响较小。

图2 污水表观性状变化Fig.2 The changes in the apparent properties of the sewage

另外，在污水曝气处理过程中，发现刚开始曝气时A-E组表面出现绵密的气泡，与过氧化氢分解所产生气泡相似。其中，加入酵素原液的A、C组气泡量相近，且气泡量各组最大。此外，A、C组在气泡表层还出现了少量浮泥，推测出现的浮泥可能与环保酵素投加后引起的pH值变化或环保酵素中含有的强氧化性/强还原性物质有关，具体成分待进一步分析。各实验组产生的气泡在第二天减少，三天后消失。总的来说，气泡的产生量与环保酵素的投加量有关，投加量越大，起泡量越大。

观察过滤与未过滤酵素加入后污水的色度、浊度及气泡量等表观性状发现，加入的环保酵素是否经过过滤，对表观性状的影响并不显著。

2.6 对污泥性状影响

污泥沉降比(SV)检测简便快捷，能大致反映污水处理体系中的污泥量与污泥沉降性能，是衡量活性污泥性能最重要的指标之一。活性污泥沉降比如图3所示，加入酵素原液、污水处理体系运行2天后活性污泥的沉降比由CK组的10%下降至7%～8%，说明酵素能提高活性污泥的沉降性能。

混合液悬浮固体浓度(MLSS)可以相对计量活性污泥微生物量。系统运行至第七天时，所示加入酵素各组的MLSS均高于对照组(图3)，其中加入酵素原液的A、C组的MLSS值最大。说明酵素能增加活性污泥中微生物生物量，其原因可能是厨余垃圾发酵制备酵素过程中大量的微生物菌群富集在酵素里，同时酵素制作过程使大量大分子有机物转化成可供污水处理微生物直接利用的小分子有机物，有利于污泥系统中微生物的生长与繁殖。

图3 酵素对活性污泥沉降比、悬浮固体浓度影响Fig.3 Effects of garbage enzyme on the settling ratio andsuspended solids concentration of the activated sludge

活性污泥絮体是由微生物菌群、悬浮颗粒等组成的褐色聚集体。与对照组(图4)对比，加入环保酵素运行24 h后，污泥絮体减小，其中A、C组污泥絮体最小，B、D、E组污泥絮体略小于对照组。猜测是由于加入环保酵素曝气搅拌时产生的大量气泡对污泥絮体产生破坏作用。

图4 酵素对活性污泥絮体影响Fig.4 Effect of garbage enzyme on activated sludge floc

总结来看，酵素本身含有极高浓度的COD、色度等，对污水营养负荷及污泥性状产生一定的不利影响。本研究将酵素稀释至20%，加入污水后水质COD值也远高于污水处理工艺正常进水浓度，因此后续研究与应用中建议加大酵素的稀释倍数，可稀释100～10000倍使用。本研究中酵素对污水水质指标的处理效果有促进作用，这可能与酵素和污水的营养物质浓度及比例有关，因此可将酵素用于营养失衡性污水的外加碳源。后续研究与应用时，建议根据碳氮磷元素比例调节酵素与污水的比例，以平衡营养物质，提高微生物的生化反应活性。