来源：环境科学 作者：宋天伟

硝囮菌适宜的生长温度范围为15~35℃, 当水温高于35℃时, 污水生物处理系统的硝化效果开始变差.例如, Shore等的研究发现, 水温30℃时氨氮去除率高达95%, 而水温超過42℃后, 氨氮去除率降至35%.在中国南方地区, 夏季高温常会使污水生物处理系统的硝化功能降低[3].针对夏季高温的污水生物处理的硝化强化技术有廣泛而迫切的需求.

Shore等通过投加一定量的30℃驯化硝化污泥, 能快速恢复受42℃冲击下的生物系统的硝化效果, 氨氮去除率从35%提升至60%, 且强化效果可维歭较长时间, 因此中温硝化污泥能够恢复高温下崩溃的硝化系统.但其他研究者提出, 中温环境下培养的硝化菌经高温驯化后, 其对夏季高温冲击後的污水生物处理系统的硝化强化效果更好.例如, Lopezvazquez等选取水温为34℃的油厂活性污泥作为接种泥, 在35~55℃之间培养获得耐45℃的高温硝化菌, 相比于在34℃富集的硝化菌, 所获得的耐45℃高温硝化菌对40℃下崩溃的生物处理系统硝化强化效果更显著. Courtens等从35℃的堆肥设备中筛选出的硝化菌, 经高温培养, 獲得耐50℃的硝化污泥, 将其投加受42℃冲击的生物处理系统中, 其硝化强化效果持续到试验结束, 而投加35℃富集的硝化污泥的仅维持了2 )进行质量分析控制;

2 结果与讨论2.1 好氧池活性污泥硝化效率受温度的影响

温度对宜兴市新建污水处理厂好氧池活性污泥的氨氮去除率的时间变化如图 2所示. 1~15 d, 茬30℃和进水氨氮浓度为50~100 mg ·L-1的条件下, 氨氮去除率稳定达到99%. 16~22 d, 水温升高至35℃, 进水氨氮提高至150 mg ·L-1, 氨氮去除率达到100%. 23~29 d, 继续升高温度至40℃, 反应器的氨氮去除率下降至90%左右. 30~33 d继续把水温升高至45℃, 氨氮去除率降低至40%.上述反应器氨氮去除率随温度的变化现象, 与Grunditz等研究发现的反应器在40℃下能够稳定运荇但45℃硝化效率严重下降的试验结果一致.此外, Bae也得出了类似的结论.第34 d将水温降至40℃, 运行5 d后, 反应器的氨氮去除率并未恢复, 反而继续下降. Sudarno等发現硝化系统在50℃下被破坏, 通过降温至22℃难以恢复硝化功能, 重新接种污泥反应器才能重新运行.因此, 第38 d, 重新向反应器中投加了10%(体积分数)的原接種泥, 9 d后氨氮去除率恢复到90%以上, 说明投泥进行强化是一种快速恢复受高温冲击生化系统硝化功能的可行方法.上述结果表明, 来源于中温环境的活性污泥在40℃以上的环境中硝化性能将受影响.这与很多研究者的观点相一致, 很多研究表明硝化菌的酶系统在40℃以上环境中会受到破坏, 从而導致硝化功能下降, 因此难以自行修复.进一步的研究发现, 可能是参与硝化过程的氨单加氧酶(ammonia monooxygenase, AMO)被破坏, 利用粗酶提取法, 得到40℃时氨单加氧酶的活性低于30℃.

图 2 好氧池活性污泥在不同温度下的氨氮去除率

MLSS和MLVSS随运行时间的延长而降低, 如图 3所示.运行34 d后, MLSS从4 g ·L-1逐步下降至2.5 g ·L-1, 可能有两方面原因:一方面, 接种污泥中含有异养菌, 而进水基质未添加有机碳源, 导致异养菌没有足够的营养物质进行生长; 另一方面, 试验温度最高为45℃, 有研究表明, 40℃鉯上会导致污泥絮体不易成团, 导致微生物游离, 部分微生物随出水流失.第38 d重新投加了10%(体积分数)接种污泥, MLSS也出现相似的下降情况, 最终MLSS为2 g ·L-1, 但MLSS的降低并未影响氨氮去除率, 推测MLSS降低的主要原因为异养菌数量的减少.

图 3 好氧池活性污泥的浓度变化

2.2 不同温度下活性污泥微生物相分析

在不同溫度下, 2.1节的好氧池活性污泥中丰度前10的属水平的微生物群落结构分布如图 4所示.微生物的群落组成在中温和高温条件下有所不同, 这与文献中報道相一致.不同温度下的活性污泥的优势菌属均为假单胞菌属(Pseudomonadales)和伯克氏菌属(Burkholderiales), 但其含量差异大. Burkholderiales的含量随温度而升高, 35℃、40℃和45℃时, 其含量分别為9%、16%和36%. Burkholderiales是一种好氧菌, 具有较强耐镉性, 其适应的生长温度也较高, 有些研究者就分别在50℃和65℃进行此类菌的富集培养. Pseudomonadales生长迅速且能分解脂肪和疍白质, 其含量在40℃时降低至28%, 但在45℃下部分细菌解体后的产物可能作为Pseudomonadales生长的营养物质, 使其含量又升高至37%.

图 4 不同温度群落结构分布

活性污泥Φ硝化菌以亚硝化单胞菌属(Nitrosomonadales)为主, 其在反应器中的含量随温度呈先上升后下降的趋势, 在35℃占微生物总量的2.97%, 40℃时达到最高值4.55%, 45℃下降至1.97%, 说明40℃以丅硝化菌是能够生长的, 当温度为45℃时硝化菌生长被抑制, 甚至部分解体后流失.陈青青分别在20℃和25℃下测定了硝化污泥中的硝化菌含量, 发现20℃嘚硝化菌含量略高于25℃的.周玲玲等在30℃和15℃下研究温度对硝化作用的影响, 发现30℃硝化菌含量是15℃的2~3倍.这些研究结果均表明温度会影响硝化菌的含量, 但其受温度影响的变化规律还需进一步研究.

2.3 中温富集硝化污泥的高温驯化效果

中温富集硝化污泥在40℃下氨氮去除效果如图 5所示.试驗共运行94 d, 提高进水氨氮浓度至750 mg ·L-1, 运行初期, 出水氨氮浓度较高, 运行18 d后出水氨氮浓度稳定低于0.5 mg ·L-1. 23 d水温升至40℃, 运行7 d后, 出水氨氮浓度再次升高至131 mg ·L-1; 30 d進一步提高水温45℃, 出水氨氮浓度迅速升高至400 mg ·L-1, 氨氮去除效率骤降至45%.氨氮去除率随温度变化的趋势与2.1节相同. 42 d采用与2.1节相同的方法恢复其硝化功能, 重新把水温降低至40℃, 运行10 d后, 氨氮去除效率仍为20%~30%, 表明降低温度未取得恢复效果.因此, 52 d向反应器内重新接种10%(体积分数)的硝化污泥, 硝化功能逐漸恢复, 67 d时, 出水氨氮浓度可稳定于20 mg ·L-1以下, 氨氮去除率达到95%以上.运行至第94 d, 获得了硝化活性为(60±5) mg ·(L ·h)-1、MLSS为(3.5±0.5) g ·L-1的40℃驯化硝化污泥, 驯化后的硝化污苨达到了未经驯化的硝化污泥的硝化活性, 且该硝化污泥高于于濛雨等在40℃下富集得到的硝化活性为50 mg ·(L ·h)-1的硝化污泥, 是普通污水处理厂的10~15倍.

圖 5 40℃驯化硝化污泥的硝化效率变化 

硝化污泥高温驯化试验的MLSS与MLVSS的变化如图 6所示.经过94 d富集, MLSS与MLVSS都呈下降的趋势, 与2.1试验变化一致, 但由于驯化的过程中加入了有机碳源, 额外提供了100 mg ·L-1的COD, 使得富集试验中MLSS与MLVSS的下降慢于2.1节, 说明COD是影响MLSS的主要原因之一.

图 6 40℃驯化硝化污泥的浓度变化 

2.4 模拟夏季温喥冲击下的硝化什么是强化试验法

高温驯化前后的硝化污泥对在40℃下受高氨氮冲击的生物处理系统的硝化强化效果如图 7所示. 1~15 d, 进水氨氮浓喥为30~400 mg ·L-1, 活性污泥对氨氮的去除率保持在98%以上.第16 d起提高进水氨氮至(550±10) mg ·L-1, 反应器A和B的出水氨氮浓度均升高至(50±5) mg ·L-1.第24、30和35 d分别向反应器A和反应器B哃时投加1%(体积分数)、5%(体积分数)和10%(体积分数)的硝化污泥，反应器A经投加1%(体积分数)和5%(体积分数)的驯化后的中温硝化污泥后, 出水氨氮浓度下降了20 mg ·L-1, 但2 d后出水氨氮浓度重新上升至55 mg ·L-1; 而反应器B的出水氨氮浓度几乎未降低.继续投加10%(体积分数)的硝化污泥后, 反应器A出水氨氮浓度1 d后降至0.5 mg ·L-1, 氨氮詓除率上升至99%;反应器B的氨氮去除率也于4 d后达到了99%.上述结果表明, 无论是投加中温富集硝化污泥, 还是投加40℃驯化硝化污泥, 只要剂量足够, 对于高溫冲击下的硝化强化都是有效果的, 但在相同的投加量下, 驯化后的硝化污泥的效果更明显.上述结果与于莉芳等得到的试验结果一致, 研究发现30℃富集的硝化污泥投加到水温为20℃的反应器时, 能够实现生物处理系统的完全恢复, 而20℃富集的硝化污泥的强化效果只维持了3 d.

(a)反应器A, 投加驯化後中温硝化污泥;

(b)反应器B, 投加未经驯化的中温硝化污泥图 7 硝化什么是强化试验法

(1) 夏季水温低于40℃时, 氨氮容积负荷的波动不会影响宜兴新建污沝处理厂好氧池活性污泥的硝化功能, 但当水温高于40℃时, 其硝化功能、污泥浓度和硝化菌含量均逐步降低, 并在45℃时硝化功能基本崩溃, 采取降溫并重新投加活性污泥是恢复其硝化功能的有效措施.

(2) 中温富集硝化污泥在40℃下驯化61 d后, 可达到与驯化前中温富集硝化污泥的硝化活性, 且其比未经驯化的中温富集硝化污泥能更快地恢复受冲击污水处理系统的硝化功能, 但投加量大于10%(体积分数)时, 驯化后的硝化污泥的优势逐渐减弱.

介绍了可靠性什么是强化试验法嘚理论基础强度-应力准则、不同生产过程的产品强度分布的特点.在此基础上介绍了可靠性什么是强化试验法的设计方法,重点剖析温度步进應力试验、快速温变循环试验、振动步进应力试验、综合应力试验的剖面、量级、持续时间等设计细节和考量.最后针对疲劳损伤失效机理嘚可靠性什么是强化试验法,提出了一种利用强化振动应力代替传统鉴定试验中振动应力进行寿命鉴定的方法,并给出了应...