黃彬++周新程++陳冬++葛秋凡++陳澤慧++董小娜++張文藝

摘要：從活性污泥中篩選出1株具有高效反硝化能力的聚磷菌B8，將其投加于無(wú)回流多級(jí)A/O生物反應(yīng)器中，進(jìn)行生物強(qiáng)化去除總氮（TN）和總磷（TP）試驗(yàn)，考察B8對(duì)多級(jí)A/O工藝的脫氮除磷效果，推測(cè)B8生物強(qiáng)化脫氮除磷機(jī)理與TN降解動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明，連續(xù)投加14 d B8菌液于無(wú)回流多級(jí)A/O反應(yīng)器后，投菌階段TP平均去除率為73.03%，而未投菌階段TP平均去除率為57.31%，同時(shí)投菌階段TN平均去除率為70.72%，未投菌階段TN平均去除率為61.17%，從而證實(shí)投加B8菌液能有效強(qiáng)化無(wú)回流多級(jí)A/O工藝脫氮除磷能力。無(wú)回流多級(jí)A/O工藝對(duì)TN的降解符合Modified Stover-Kincannon動(dòng)力學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：反硝化菌；多級(jí)A/O工藝；生活污水；脫氮除磷

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）13-2446-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.13.012

Research on Treatment of Rural Domestic Wastewater with Technical Process of Multiple Stages A/O without Reflux and Enhancement by Functional Bacteria

HUANG Bin1，ZHOU Xin-cheng1，2， CHEN Dong1， GE Qiu-fan1， CHEN Ze-hui1， DONG Xiao-na1， ZHANG Wen-yi1

（1. School of Environmental & Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， Jiangsu， China；

2. Changzhou Shuizhongtian Ecological Garden Engineering Limited Company， Changzhou 213164， Jiangsu， China）

Abstract： In this study， a high-effective denitrification bacteria was isolated from the sewage sludge and named as B8， which was used to added in the reactor of multiple stage A/O process without reflux for improving the remove of total nitrogen and phosphors. The effect and improvement mechanism of the remove of total nitrogen and phosphors by multiple stages A/O process without reflux was examined， and degradation kinetic model of total nitrogen was investigated. The results showed that， when B8 was continuously added into the reactor of multiple stage A/O process without reflux for 14 days， the average remove rates of total nitrogen and phosphors were 70.72% and 73.03%， respectively， which were higher than 61.17% and 57.31% corresponding to that without the addition of B8. This result indicated that the addition of B8 could enhance remove rate of total nitrogen and phosphors with multiple stage A/O process without reflux. The remove kinetic model of total nitrogen fitted with the model of Modified Stover-Kincannon.

Key words： denitrification bacteria； multiple stage A/O process； domestic wastewater； denitrification and dephosphorization

隨著生活水平的提高，飲食結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)與生活方式的改變，村鎮(zhèn)污水水質(zhì)發(fā)生較大的變化（尤其是南方經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)），其污水化學(xué)需氧量（COD）、總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮、硝酸鹽氮等污染物濃度較城市污水濃度高，傳統(tǒng)的城市污水處理工藝（如SBR、BAF等工藝）難達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其是TN、TP的達(dá)標(biāo)排放。研究表明，多級(jí)A/O工藝具有強(qiáng)化內(nèi)源反硝化脫氮能力，如Kornaros等[1]以污水中溶解性COD作為碳源，采用多級(jí)A/O工藝進(jìn)行反硝化，從而達(dá)到脫氮的目的。Nah等[2]認(rèn)為膜生物反應(yīng)器在低碳氮比（C/N）與高混合液懸浮固體濃度（MLSS）條件及間歇曝氣的模式下可以進(jìn)行最大化內(nèi)源反硝化。Murat等[3]認(rèn)為在間歇曝氣模式下，通過(guò)強(qiáng)化內(nèi)源呼吸的方式進(jìn)行反硝化能夠有效提高脫氮效率。

本研究利用微生物強(qiáng)化廢水生物處理技術(shù)，采用具有脫氮除磷效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定、能耗成本低等特點(diǎn)的無(wú)回流多級(jí)A/O工藝[4]，通過(guò)向生物反應(yīng)器中投加反硝化聚磷菌B8，提高多級(jí)A/O工藝處理村鎮(zhèn)生活污水的能力，與未投菌階段總磷、總氮、銨氮（NH4+-N）等去除效果進(jìn)行對(duì)比，探討在無(wú)回流多級(jí)A/O工藝中投加B8菌劑強(qiáng)化村鎮(zhèn)生活污水處理的可行性，以期為投菌技術(shù)應(yīng)用于多級(jí)A/O工藝提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 多級(jí)AO工藝 本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多級(jí)A/O裝置如圖1所示，處理生活污水分為A、B兩個(gè)階段，A階段為不加菌組（CK），B階段為加菌劑組。此反應(yīng)裝置采用間歇曝氣方式實(shí)現(xiàn)多級(jí)硝化/反硝化的串聯(lián)，采取無(wú)回流的形式，降低了前端水解酸化池的溶解氧（DO），同時(shí)降低反硝化菌對(duì)外源碳源的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)聚磷菌有更充足的碳源進(jìn)行厭氧釋磷[5，6]，以及節(jié)省了碳源以及回流所消耗的能量。反應(yīng)器有效容積依次為2.4、3.7、2.4、3.7、2.4 L，采用下端進(jìn)水，上端出水，高低落差自流式的處理方式，通過(guò)活性污泥處于好氧-厭氧不斷交替狀態(tài)，即“飽-饑”狀態(tài)[7]，發(fā)揮自身潛能，在好氧條件下提高其對(duì)污染物降解能力，從而達(dá)到脫氮除磷的目的[7]。

1.1.2 反硝化聚磷菌的來(lái)源、制備及發(fā)育樹 采用課題組獲取的1株命名為B8的反硝化聚磷菌，經(jīng)16S rDNA測(cè)序及同源性鑒定，為惡臭假單胞菌（Pseudomonas putida sp.），已被中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心保存[8]。將B8接種于pH 6.5的液體PAM培養(yǎng)基，在培養(yǎng)溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為120 r/min條件下培育20～24 h，即制得高Poly-P含量的反硝化細(xì)菌B8菌液（活菌數(shù)為6.25×107～8.55×107 CFU/mL）[9]。

1.2 試驗(yàn)水體來(lái)源

試驗(yàn)用水進(jìn)水水質(zhì)CODCr濃度為251.31～573.33 mg/L，TP濃度為1.83～3.54 mg/L，TN濃度為12.54～18.69 mg/L，NH4+-N濃度為6.84～11.06 mg/L，NO3--N濃度為3.69～5.94 mg/L。

1.3 多級(jí)AO工藝的運(yùn)行及菌劑的投加

當(dāng)在好氧、厭氧反應(yīng)器中都投加絲狀彈性填料后，立即向進(jìn)水箱中注入生活污水運(yùn)行。此裝置每天運(yùn)行參數(shù)見表1。

反應(yīng)器進(jìn)水、出水曝氣均由計(jì)時(shí)器自動(dòng)控制，曝氣采用微孔曝氣器。連續(xù)運(yùn)行30 d后進(jìn)行投菌試驗(yàn)，即向一級(jí)反應(yīng)器中投加100 mL反硝化細(xì)菌菌液使之與進(jìn)水充分混合，具體投加方式如表2所示，投菌試驗(yàn)進(jìn)行14 d后停止投菌，水質(zhì)取樣測(cè)定在6 h內(nèi)完成。

1.4 分析方法

水質(zhì)測(cè)定方法參見《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌劑強(qiáng)化對(duì)COD的去除效果

生物膜培養(yǎng)成熟后，44 d連續(xù)運(yùn)行的無(wú)回流多級(jí)A/O反應(yīng)器對(duì)CODcr去除效果如圖2所示。試驗(yàn)A階段平均進(jìn)水CODcr濃度為345.74 mg/L，出水為73.91 mg/L，平均去除率79.25%；B階段平均進(jìn)水CODcr濃度為393.97 mg/L，出水為72.78 mg/L，平均去除率81.05%。研究發(fā)現(xiàn)，投加B8菌液對(duì)CODcr去除未產(chǎn)生明顯影響。此A/O系統(tǒng)對(duì)CODcr去除率基本穩(wěn)定在75%～85%，平均去除率為80.04%，CODcr出水濃度穩(wěn)定在50～100 mg/L，基本達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 菌劑強(qiáng)化對(duì)TP的去除效果

圖3為運(yùn)行溫度為25～30 ℃，水力負(fù)荷為0.312 m3/（m2·h）時(shí)A階段與B階段對(duì)TP的去除效果對(duì)比。由圖3可以看出，在B反應(yīng)階段投加反硝化細(xì)菌B8菌液可以強(qiáng)化多級(jí)A/O反應(yīng)器對(duì)TP的去除能力，在A階段TP平均出水濃度為1.117 mg/L，平均去除率為57.31%；而在B階段TP平均出水濃度為0.754 mg/L，平均去除率為73.03%，比A階段TP去除率提高了27.43%。由此推斷，B8在厭氧階段利用氧氣、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮作為電子受體分解菌體細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)的聚羥基烷酸進(jìn)行吸磷[11]；B8在好氧條件下攝取環(huán)境中過(guò)量的無(wú)機(jī)磷酸鹽，并以多聚磷酸鹽形式貯存在菌體細(xì)胞內(nèi)[12]；B8菌液對(duì)于強(qiáng)化此無(wú)回流多級(jí)A/O系統(tǒng)除磷具有較大的提升效果。

2.3 菌劑強(qiáng)化對(duì)TN的去除效果

圖4為運(yùn)行溫度為25～30 ℃，水力負(fù)荷為0.312 m3/（m2·h）時(shí)A階段與B階段對(duì)TN的去除效果對(duì)比。由圖4可知，未投菌A階段平均TN進(jìn)水濃度為15.83 mg/L，出水濃度波動(dòng)幅度較大，平均出水濃度為6.12 mg/L，平均去除率為61.17%；而投菌B階段出水濃度較為穩(wěn)定，維持在3.94～5.15 mg/L，平均去除率為70.72%，比未投菌A階段提升了15.61%?？偟膩?lái)說(shuō)，系統(tǒng)對(duì)TN去除率較低，其主要原因?yàn)檫M(jìn)水TN濃度偏低，導(dǎo)致TN去除效果不明顯。但本研究菌劑強(qiáng)化多級(jí)A/O脫氮能力仍高于未投菌多級(jí)AO系統(tǒng)，說(shuō)明B8菌劑強(qiáng)化此多級(jí)A/O系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。

2.4 菌劑強(qiáng)化對(duì)NH4+-N的去除效果

圖5為運(yùn)行溫度為25～30 ℃，水力負(fù)荷為0.312 m3/（m2·h）時(shí)A階段與B階段對(duì)NH4+-N的去除效果對(duì)比。由圖5可知，未投菌A階段NH4+-N去除能力呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，前期只有51.32%，之后去除率逐步上升到95.44%；而投菌B階段出水NH4+-N濃度一直呈穩(wěn)定狀態(tài)，平均出水濃度為0.377 mg/L，平均去除率為95.38%，與未投菌相比無(wú)明顯提升。

2.5 菌劑強(qiáng)化對(duì)NO3--N的去除效果

圖6為運(yùn)行溫度為25～30 ℃，水力負(fù)荷為0.312 m3/（m2·h）時(shí)A階段與B階段對(duì)NO3--N的去除效果對(duì)比。反硝化細(xì)菌硝化過(guò)程主要是將水體中NO3-作為電子受體經(jīng)過(guò)一系列酶的催化作用還原成N2、N2O釋放到大氣中[13]。未投菌之前，裝置穩(wěn)定運(yùn)行30 d，NO3--N平均進(jìn)水濃度為4.61 mg/L，平均出水濃度為1.86 mg/L，平均去除率為59.37%；而投加菌劑后平均出水濃度為1.55 mg/L，平均去除率為71.69%，比未投菌階段提高了20.75%。試驗(yàn)初期NO3--N去除率較低，后期去除相對(duì)平穩(wěn)，可能是前期未投菌A階段反應(yīng)器中生物膜未能完全生長(zhǎng)，混合菌數(shù)量較少，后期反硝化細(xì)菌的投入及其他細(xì)菌的生長(zhǎng)，反硝化作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致NO3--N濃度快速降低。

2.6 Modified Stover-Kincannon總氮?jiǎng)恿W(xué)分析

選取Modified Stover-Kincannon動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析[14，15]，該模型是描述附著生長(zhǎng)型反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)行為的最常見的模型之一[16]，見式（1）和式（2）。

■=■（Si-Se） （1）

■=■ （2）

將式（1）和式（2）整理得：

■■=■=■■+■ （3）

式中，KB為飽和常數(shù)，kg/（m3·d）；Q為每天進(jìn)水量，L/d；V為反應(yīng)器有效容積，L；Si和Se為進(jìn)水和出水基質(zhì)濃度，kg/m3；ds/dt為基質(zhì)去除率，kg/m；Umax為最大基質(zhì)去除速率常數(shù)，kg/（m3·d）。

以基質(zhì)去除速率的倒數(shù)■為y軸、以基質(zhì)負(fù)荷的倒數(shù)■為x軸[17]，對(duì)圖4總氮數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果見圖7，得出無(wú)回流多級(jí)AO反應(yīng)器Modified Stover-Kincannon動(dòng)力學(xué)常數(shù)。由圖7可知，總氮Umax=0.184 kg/（m3·d），KB=0.333 kg/（m3·d），可決定系數(shù)為0.992 8。本反應(yīng)器試驗(yàn)階段取得的最大容積基質(zhì)去除率為0.139 kg/（m3·d），為Umax的75.54%。

將Umax、KB代入式（3），可得預(yù)測(cè)反應(yīng)器出水總氮濃度公式：

Se=Si-■ （4）

總氮去除率公式：

E=■ （5）

2.7 與傳統(tǒng)A/O對(duì)比分析

傳統(tǒng)A/O工藝硝化細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢，難以維持較高的生物濃度，在低溫條件下，會(huì)導(dǎo)致水力停留時(shí)間增長(zhǎng)，曝氣量增加，運(yùn)行費(fèi)用提高[4]。傳統(tǒng)生物硝化過(guò)程中會(huì)逐漸產(chǎn)生酸，需要投加堿來(lái)中和，因此有可能會(huì)產(chǎn)生二次污染[18]?；亓鞫嗉?jí)A/O采用前置反硝化，好氧段硝化液回流到缺氧段，不斷利用自身回流碳源進(jìn)行反硝化脫氮，但會(huì)增加缺氧段的DO[19]，降低反硝化效率，脫氮率也會(huì)受硝化液回流的影響，在硝化液回流比為300%，污泥回流比為100%條件下，總氮最高去除率為80%[19]。本研究采用無(wú)回流多級(jí)A/O工藝，使好氧段硝化液直接進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，確保了聚磷菌有充足的碳源進(jìn)行厭氧釋磷。由于村鎮(zhèn)污水水質(zhì)波動(dòng)大，在多級(jí)AO反應(yīng)器前端采用設(shè)置水力停留時(shí)間（HRT）為5 h的集水池，在緩沖水質(zhì)的同時(shí)，兼作水解酸化池[20]，提高了生活污水的可生化性，使得菌劑強(qiáng)化無(wú)回流多級(jí)A/O工藝有較高的同步脫氮除磷效率。本研究B階段TN最高去除率為72.33%，可見在無(wú)回流的條件下，投加菌劑仍能達(dá)到較高的TN去除效率，同時(shí)節(jié)約了回流所需要的運(yùn)行成本。

3 結(jié)論

本研究針對(duì)村鎮(zhèn)生活污水污染物濃度高、難集中處理等問(wèn)題，構(gòu)建無(wú)回流多級(jí)A/O系統(tǒng)，對(duì)生活污水進(jìn)行處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)投加14 d B8菌液于無(wú)回流多級(jí)A/O反應(yīng)器中，其投菌B階段TP、TN、NH4+-N、NO3--N去除率分別為73.03%、70.72%、95.38%、71.69%，而未投菌A階段去除率分別為57.31%、61.17%、71.34%、59.37%。

投加B8菌液可以有效增強(qiáng)無(wú)回流多級(jí)A/O工藝脫氮除磷的能力，其對(duì)村鎮(zhèn)污水的脫氮Modified Stover-Kincannon動(dòng)力學(xué)模型為Se=Si-■。

參考文獻(xiàn)：

[1] KORNAROS M，MARAZIOTI C，LYBERATOS G. A pilot scale study of asequencing batch reactor treating municipal wastewater operated via the UP-PND process[J].Water Science and Technology，2008，58（2）：435-438.

[2] NAH Y M，AHN K H，YEOM I T. Nitrogen removal in householdwastewater treatment using an intermittently aerated membrane bioreactor[J].Environmental Technology，2000，21（1）：107-114.

[3] MURAT HOCAOGLU S，ATASOY E，BABAN A，et al. Nitrogen removalperformance of intermittently aerated membrane bioreactor treating black water[J]. Environmental Technology，2013， 34（19）：2717-2725.

[4] 郭曉輝.分段進(jìn)水多級(jí)A/O脫氮除磷工藝研究及其工程應(yīng)用[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2014.

[5] ARTAN N，ORHON D. Mechanism and design of sequencing batch reactors for nutrient removal[M]. London：Iwa Publishing，2005.

[6] 呂 娟.厭氧、缺氧、好氧多級(jí)交替SBR脫氮除磷研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[7] 孫月鵬，王火青，孫廣垠，等.不同污泥齡條件下多級(jí)AO工藝強(qiáng)化生物脫氮性能研究[J].水處理技術(shù)，2014，40（10）：47-52.

[8] 張文藝，陳 晶，鄧 文，等.反硝化聚磷菌菌劑種子液制備條件及除磷機(jī)理[J].土木建筑與環(huán)境工程，2014，36（6）：99-105.

[9] 陳 晶，張敏特，陳 萍，等.菌劑強(qiáng)化潛流濕地總氮總磷去除及功能菌特性[J].環(huán)境化學(xué)，2015，34（12）：2268-2274.

[10] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水檢測(cè)分析方法[M].第四版.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[11] 劉 暉，孫彥富，李 軍，等.反硝化聚磷菌的代謝機(jī)理及基質(zhì)利用研究[A].全國(guó)排水委員會(huì)2010年年會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2010.233-239.

[12] LIU H，SUN Y F，JIA X S，et al. Identification and metabolic mechanism of non-fermentative short-cut denitrifying phosphorus-removing bacteria[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2013，21（3）：332-340.

[13] 余鴻婷，李 敏.反硝化聚磷菌的脫氮除磷機(jī)制及其在廢水處理中的應(yīng)用[J].微生物學(xué)報(bào)，2015，55（3）：264-272.

[14] 徐 富，繆恒鋒，任洪艷，等.低濃度廢水厭氧處理中不同動(dòng)力學(xué)模型對(duì)比研究[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2013，33（12）：2184-2190.

[15] DEBIK E，COSKUN T. Use of the Static Granular Bed Reactor（SGBR） with anaerobic sludge to treat poultry slaughterhouse wastewater and kinetic modeling[J]. Bioresource Technology，2009，100（11）：2777-2782.

[16] 陽(yáng)廣鳳，沈李東，馬 春，等.新型厭氧氨氧化反應(yīng)器脫氮性能及過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31（10）：2138-2145.

[17] 金仁村，鄭 平，唐崇儉，等.厭氧氨氧化固定床反應(yīng)器脫氦性能和過(guò)程動(dòng)力學(xué)特性[J].化工學(xué)報(bào)，2008，59（10）：2518-2525.

[18] 裴 露.分段進(jìn)水多級(jí)A/O生物濾池處理低碳源城市污水[D]. 江蘇揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2011.

[19] 王火青，管運(yùn)濤，湯 博，等.多級(jí)AO強(qiáng)化脫氮工藝中生物脫氮特性試驗(yàn)研究[A].第十一屆全國(guó)博士生學(xué)術(shù)年會(huì)專題——節(jié)能環(huán)保與污染防治技術(shù)分會(huì)場(chǎng)論壇論文集[C].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2013.382-391.

[20] 孟 輝，劉紅梅.水解酸化池在污水處理工程應(yīng)用[A].2008年全國(guó)熱工節(jié)能減排技術(shù)交流會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)石油和化工勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)，2008.259-261.