李喬 歐陽彤 柏林 侯君霞 張文藝

摘要：針對冬春季分散式農(nóng)村生活污水處理設施脫氮除磷效果差、普遍超標的難題，構(gòu)建生物填料型多級A/O試驗裝置和48 t/d的示范工程處理設備，形成生物膜/活性污泥混合凈化系統(tǒng)，以投加反硝化聚磷菌（B8）為強化手段，考察B8菌對多級A/O系統(tǒng)去除氨氮、總氮和總磷的強化效果，同時跟蹤監(jiān)測示范工程的應用效果。結(jié)果表明，投加B8菌劑可以一定程度上強化低溫條件下（9～13 ℃）多級A/O工藝的脫氮除磷效果，與未投菌裝置的氨氮、總氮和總磷的出水濃度4.13、16.29、和0.67 mg/L相比，投菌裝置的出水濃度分別為2.31、10.11和0.48 mg/L，達到一級A排放標準。更低溫度條件下（3～7 ℃）時，投菌、未投菌裝置對氨氮、總氮、總磷的去除效果未見明顯差異，分別維持在35%、30%和43%左右。經(jīng)過B8菌劑強化后的農(nóng)村污水處理設施（48 t/d）出水水質(zhì)有所改善，氨氮平均去除率由86.4%增至92.6%，總氮平均去除率由45.9%增至57.3%，總磷平均去除率由67.8%增至76.1%，但CODcr的平均去除率為72.8%，較未投菌的74.5%相差不大。氨氮出水達到一級A排放標準，CODcr、總氮、總磷出水達到一級B排放標準。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村污水;多級A/O;低溫條件;脫氮除磷;反硝化菌

中圖分類號：X703? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）20-0063-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.013? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Enhancing nitrogen and phosphorus removal efficiency of multi-stage A/O

process with bacteria for low temperature rural sewage treatment

LI Qiao，OUYANG Tong，BO Lin，HOU Jun-xia，ZHANG Wen-yi

（School of Environmental & Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China）

Abstract： Aimed at the problem of poor nitrogen and phosphorus removal in winter and spring for rural domestic sewage treatment facilities which was decentralized， and even exceeding the standard widespreadly， a bio-filled multi-stage A/O device and demonstration engineering treatment equipment（48 t/d） were constructed to treat sewage， where it would form a biofilm/activated sludge mixture， and added the denitrification bacteria（B8） into the facilities. The enhancement effect of the removal of NH4+-N， TN and TP in multi-stage A/O system with the B8 bacteria was investigated，and track the application effect in the demonstration equipment. The results showed that the effect of nitrogen and phosphorus removal by multi-stage A/O process under low temperature conditions（9～13 ℃） can be strengthened to a certain extent by adding bacteria（B8）. Compared with the effluent of NH4+-N， TN and TP 4.13，16.29，0.67 mg/L， respectively， for the device without B8， the effluent of the device with B8 was 2.31，10.11 and 0.48 mg/L，respectively， reaching the first-class A emission standard. At lower temperature（3～7 ℃）， compared with the removal effect of NH4+-N， TN and TP for the device without B8， there was no significant difference in the device with B8， and the removal effect was generally maintained at 35%， 30% and 43%，respectively. The effluent quality of the rural sewage treatment facilities（48 t/d） was improved due to adding the B8 microbial agent. The average removal rate of NH4+-N increased from 86.4% to 92.6%， the average removal rate of TN increased from 45.9% to 57.3%， and the average removal rate of TP increased from 67.8% to 76.1%， but the average removal rate of CODcr was 72.8%， which was not significantly different from the 74.5% of the device without B8. The effluent of NH4+-N reached the first-class A emission standard， and the effluent of CODcr，TN and TP reached the first-class B emission standard.

Key words： rural sewage;multi-stage A/O;low temperature conditions;nitrogen and phosphorus removal;denitrification bacteria

在冬季，由于農(nóng)村分散式處理設施沒有相關(guān)的保溫措施，所以與城市污水相比，其污水溫度要遠低于城市污水水溫。并且農(nóng)村污水流量小、水質(zhì)波動大、運營維護不當，所以分散式處理設施常常處理效率低，出水氨氮、總氮難以達標[1]。多級A/O工藝是近年來農(nóng)村分散式污水處理設施常用的工藝，具有脫氮效率高，耐沖擊負荷、節(jié)省內(nèi)回流、污泥濃度高和運行成本少等特點[2，3]。但作為活性污泥法的一種，該工藝在低溫條件下也存在脫氮效果不理想的現(xiàn)象。

針對低溫條件下脫氮除磷效果不佳的現(xiàn)象，目前常采用的解決辦法包括延長水力停留時間、控制溶解氧濃度、延長污泥齡等工藝調(diào)控方式[4-6]，也可以投加生物菌劑、填料等外部措施強化去除效率[7，8]。雖然通過調(diào)節(jié)工藝可以在一定程度上提高去除效果，但出水仍然無法穩(wěn)定達標排放，這時就需采用外加措施來保證污水達標排放。通過外加具有特定功能的生物菌劑，不僅可以強化特定污染物的去除效果，還可以減少污泥產(chǎn)生量，同時增強系統(tǒng)的抗沖擊能力。宋云龍等[9]向A/O工藝中的厭氧池投加生物菌劑，不僅強化了對CODcr、氨氮、總氮的去除效果，還減少了近28%的剩余污泥的產(chǎn)生。馬放等[10]通過構(gòu)建生物強化工程菌強化了低溫條件下對石化廢水中的難降解有機物（苯系物、鹵代烴等）的去除。郭靜波等[11]通過投加微生物菌劑成功實現(xiàn)了污水處理廠在低溫條件下的啟動，系統(tǒng)對難降解有機污染物的去除效果和抵抗沖擊負荷的能力都大大增強。

本研究以提高多級A/O系統(tǒng)在冬春季低溫條件下的運行效能為目標，構(gòu)建生物填料型多級A/O試驗裝置和48 t/d的示范工程處理設備，形成生物膜/活性污泥混合凈化系統(tǒng)，并以投加反硝化聚磷菌劑（B8）為強化手段，考察B8菌對多級A/O系統(tǒng)去除氨氮、總氮和總磷的強化效果，同時跟蹤監(jiān)測示范工程的應用效果，為投菌技術(shù)應用于低溫條件下的分散式農(nóng)村生活污水處理提供應用技術(shù)參考和理論設計參數(shù)。

1? 材料與方法

1.1? 污水來源及水質(zhì)

試驗用水為常州市武進區(qū)某地生活污水，污水中漂浮物及大粒徑懸浮物經(jīng)篩網(wǎng)過濾去除。水質(zhì)指標見表1。

1.2? 水質(zhì)測定方法

水質(zhì)測定參見《水和廢水檢測分析方法》（第4版）[12]。

1.3? 反硝化聚磷菌B8的制備

反硝化聚磷菌（被命名為B8）由常州大學環(huán)境與安全工程學院張文藝老師課題組從安徽省天長市污水處理廠氧化溝外溝中的活性污泥中篩選所得，經(jīng)16S rDNA測序及同源性鑒定，為惡臭假單胞菌屬（Pseudomonas putida sp），已保存在中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心（登記入冊編號為CGMCC9168）[13]。將B8接種于pH為6.5的液體PAM培養(yǎng)基[14]中，培養(yǎng)溫度為30 ℃、轉(zhuǎn)速為120 r/min條件下培育20 h，即制得反硝化聚磷菌B8菌液（活菌數(shù)為6.25×107～8.55×107 CFU/mL）。

1.4? 多級A/O的構(gòu)建及啟動

制作了2套相同的試驗裝置流程（圖1），擬定其中裝置A不投加菌劑，裝置B投加菌劑。多級A/O反應器有效容積依次為2.6、3.9、2.6、3.9 L，缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比約為2∶3，采用下端進水，上端出水，高低落差自流式的處理方式。好氧區(qū)采用黏砂曝氣頭曝氣，曝氣量通過氣體流量計控制。試驗進水、污泥回流采用蠕動泵進行控制。接種污泥取自常州市某污水處理廠二沉池，將其接種至各個處理單元，并向處理單元加入生物填料（絲狀和球狀填料），填充率為45%。

裝置搭建完成后，將生活污水引入裝置。控制好氧區(qū)溶解氧在3 mg/L左右，缺氧區(qū)溶解氧控制在0.3～0.5 mg/L，對缺氧區(qū)定期進行攪拌，污泥回流比在65%左右，整個試驗期間不對硝化液進行內(nèi)回流。初期在低流量下運行20 d，混合液污泥濃度為2 800～3 500 mg/L，測定多級A/O裝置進出水CODcr、氨氮指標，去除率達到70%，即裝置掛膜成功;然后提高進水流量，使裝置A和裝置B在水力停留時間為9.5 h左右下穩(wěn)定運行。

48 t/d的示范工程位于江蘇省常州市洛陽鎮(zhèn)東尖村，該村有120戶、居民500人，其調(diào)試及運行方式與實驗室試驗裝置基本相同，裝備長、寬、深度為7 500 mm×2 250 mm×3 000 mm，全自動PLC控制，并通過物聯(lián)網(wǎng)遠程、實時監(jiān)控運行工況。

1.5? 多級A/O系統(tǒng)的菌液投加及運行

中國蘇南地區(qū)全年農(nóng)村生活污水水溫大致分為常溫（20～32 ℃）、次低溫（9～13 ℃）和更低溫（3～7 ℃）3個溫度梯度。在常溫條件下的運行指標見表2。在進入冬季低溫期后，保持2套裝置的運行條件不變，多級A/O裝置B開始投菌，即將反硝化細菌菌液和生活污水按照2%的比例混合均勻后，使其進入裝置B，投菌12 d后停止，同時運行不投菌的裝置A作對比。為排除外界降雨干擾，水樣采集均選自無降雨條件下，且在6 h內(nèi)完成水樣測定。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 菌劑強化對NH4+-N的去除效果

由表2及圖2可知，裝置在常溫（20～32 ℃）下運行時，氨氮出水濃度在0.5～1.8 mg/L，而在投菌試驗期間（3～13 ℃），氨氮出水濃度增至3.2～18.5 mg/L，說明溫度的降低會抑制硝化細菌酶活性，削減硝化作用。向裝置B投加反硝化細菌B8能夠強化多級AO對氨氮的去除能力，在投菌后9 d時，裝置B的出水氨氮濃度同比未投加菌劑的裝置A下降了2.98 mg/L，此后氨氮的出水濃度穩(wěn)定在0.9～2.8 mg/L。這說明在低溫條件下（9～13 ℃），投加反硝化聚磷細菌可增強系統(tǒng)對多級A/O去除氨氮的效果，裝置B對氨氮去除能力的強化一方面可能是外加菌劑B8攝取氮源用于自身生長，另一方面投加的B8菌同時也具有異氧硝化功能和促進多級A/O系統(tǒng)本源菌群的硝化功能。在投菌27～31 d時，此時溫度為3～7 ℃，裝置A和裝置B的去除效果都較差，去除率僅有37%左右。有研究表明溫度低于（7±2） ℃時，大多數(shù)微生物代謝基本停止[15]，本研究投加的B8菌屬于惡臭假單胞菌屬，其在4 ℃左右可能停止代謝生長，故在此溫度階段下不能起到強化作用。

2.2? 菌劑強化對TN 的去除效果

投加B8菌劑對多級A/O工藝去除總氮的影響如圖3所示，可以看出，在運行溫度為9～13 ℃時，引入反硝化細菌的裝置B和裝置A相比，其反硝化能力得到加強。在投菌運行開始7 d時，B裝置的總氮去除率由原來的54.7%提高到69.3%，而同階段的A裝置總氮去除率僅為54.3%，此后B裝置的去除效果一直優(yōu)于A裝置，總氮出水濃度平均值達到10.11 mg/L，去除率為69.73%。當投菌27～31 d時，此時運行溫度為3～7 ℃，裝置A和裝置B的去除效果一般，去除率僅維持在30%左右。溫度從兩個方面影響脫氮效率[16，17]，一是溫度的降低會減弱硝化作用，氨氮無法有效轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，進而無法為反硝化作用提供充足的氮源，導致TN去除效果不佳。二是低溫條件也會直接抑制反硝化作用，當溫度過低時，其硝化反硝化作用明顯受到抑制。從試驗結(jié)果來看，當運行溫度為9～13 ℃時，投加的反硝化菌能同時加強硝化和反硝化作用，但菌群投加活性污泥和生物膜系統(tǒng)中后并不能馬上起作用，而是需要一定的適應期，本試驗所投加的球狀多孔結(jié)構(gòu)填料也為菌群的附著提供了條件[18]，有利于B8菌劑的生長，進而增強脫氮效果。

2.3? 菌劑強化對TP的去除效果

由表2和圖4可知，常溫條件下（20～32 ℃）與低溫條件下（9～13 ℃）系統(tǒng)對TP的去除效果未見明顯變化，出水濃度均在0.6～0.9 mg/L。隨著B8菌劑的投加，裝置B的TP出水濃度逐漸降低，在9 d時，總磷出水濃度為0.48 mg/L，達到一級A排放標準，此后基本保持穩(wěn)定，而同階段裝置A的總磷出水濃度為0.7 mg/L。在投菌27～31 d時，運行溫度降至3～7 ℃，未投菌的裝置A和投菌的裝置B出水濃度均在1.3～1.8 mg/L，投菌并無強化效果。在一定的低溫（9～13 ℃）條件下，反硝化除磷可以利用硝酸鹽替代碳源作為電子受體來進行脫氮除磷，進而可以高效的節(jié)省碳源，同時增加脫氮除磷效率[19，20]。本研究使用的B8菌株是一種反硝化聚磷微生物，從活性污泥中篩選出來，具有良好的環(huán)境適應能力[13]，而多級A/O系統(tǒng)中的生物填料又為B8菌劑生長提供有利的條件，從而能夠在缺氧-好氧的操作下強化裝置B對生活污水中磷的去除，而且增加了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2.4? 投加B8菌劑強化處理的效果

圖5為分散式設施7—11月的進出水情況以及投菌前后CODcr、氨氮、總氮、總磷的去除情況，由該圖可以看出，在7—11月（25～35 ℃）期間，氨氮出水濃度達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A的標準，CODcr、總氮的出水濃度接近一級A排放標準，TP的出水去除效果一般，在1 mg/L左右，原因可能是與農(nóng)村生活污水的排放波動較大有關(guān);在11月底至12月初，由于溫度降低（9～13 ℃），CODcr、氨氮、總氮去除效果均有所下降，氨氮仍達到一級A標準，CODcr、總氮的出水濃度在一級B排放標準左右，總磷去除效率依然保持原來水平。為使低溫條件下污水處理效果依然保持良好，根據(jù)實驗室取得的參數(shù)及經(jīng)驗，按照2%的比例投加反硝化細菌菌液。

由圖5可知，CODcr的進水在100～450 mg/L，平均出水濃度為61.48 mg/L，平均去除率為72.8%，與未投菌的74.5%并無明顯變化;氨氮平均去除率由86.4%提高到92.6%，平均出水濃度由4.2 mg/L降到2.2 mg/L;總氮平均去除率由45.9%提高到57.3%，平均出水濃度由19.6 mg/L降到15.1 mg/L;總磷平均去除率由67.8%提高到76.1%，平均出水濃度由1.00 mg/L降到0.77 mg/L。從檢測數(shù)據(jù)來看，B8菌劑投加提高了系統(tǒng)對氨氮、總氮、總磷的去除率，但強化效果一般，這與設施本身的處理效果一般和農(nóng)村地區(qū)污水排放有其特定的排放規(guī)律（集中在一天中的早、中、晚3個時段）、水質(zhì)波動大等因素有關(guān)。氨氮出水濃度達到一級A排放標準，總氮、總磷出水濃度達到一級B排放標準。

3? 小結(jié)

1）B8菌劑強化生物膜/活性污泥混合型多級A/O系統(tǒng)效果的試驗研究表明，通過投加菌劑（B8）可以在一定程度上強化低溫條件下（9～13 ℃）多級A/O工藝的脫氮除磷效果，與未投菌裝置的氨氮、總氮和總磷出水濃度4.13、16.29和0.67 mg/L相比，投菌裝置的出水濃度分別為2.31、10.11和0.48 mg/L，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A排放標準。而更低溫度（3～7 ℃）條件下，與未投菌裝置對氨氮、總氮、總磷的去除效果相比，投菌裝置并無明顯差異，分別維持在35%、30%和43%左右。

2）示范工程跟蹤監(jiān)測表明，經(jīng)過B8菌劑強化后的48 t/d分散式農(nóng)村處理設施出水水質(zhì)無明顯變化，CODcr的平均去除率為72.8%，與未投菌的去除率（74.5%）相比并無明顯變化，氨氮平均去除率由86.4%增至92.6%，總氮平均去除率由45.9%增至57.3%，總磷平均去除率由67.8%增至76.1%。氨氮出水濃度達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）一級A排放標準，總氮、總磷出水濃度達到一級B排放標準。

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