李 微，劉 寧，朱心雨，孫慧智

(1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.中國市政工程東北設計研究總院有限公司，吉林 長春 130021)

氮和磷的超標排放是造成水體污染和富營養(yǎng)化的主要原因之一[1]。因此，對水體富營養(yǎng)化進行控制，探求高效率低能耗的生物脫氮除磷技術已然是我國處理水環(huán)境問題的重中之重[2]。反硝化聚磷菌(Denitrifying Poly-phosphorus Accumulating Organism，DPAO)在厭氧條件下利用聚磷菌分解體內的多聚磷酸鹽(poly-P)產生能量，吸收可揮發(fā)性脂肪酸(VFA)并合成PHB貯存于體內;在缺氧條件下可以同時完成過量攝入磷及反硝化反應過程，從而實現(xiàn)同步脫氮除磷[3-6]。反硝化脫氮除磷工藝具有運行周期短、吸磷速率快的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的除磷脫氮技術相較，耗氧量更少，能量消耗更低，縮短了反應時間[7-8]，并解決了聚磷菌和反硝化菌碳源競爭的矛盾以及聚磷菌和硝化菌泥齡差異的矛盾，實現(xiàn)了“一碳兩用”。鄭喜春[9]采用自制水族箱的方式確定了菌株TGR30、LG1-6、YB1按1∶1∶1比例混合制備的菌劑其脫氮除磷率最佳，總接菌量為1%時總氮去除率達到95%，磷去除率為17.70%。張文藝等[10]得出反硝化聚磷菌菌劑種子液適宜的培養(yǎng)條件為：溫度30～32 ℃，溶解氧相當于70%～88%飽和溶解氧，培養(yǎng)時間15～20 h。吳曉娜等[1]通過研究不同接種比對反硝化聚磷菌菌劑脫氮除磷效應的影響，確定菌種初始接種比為2%體系的脫氮除磷效果最好。目前有關反硝化聚磷菌菌劑的研究還停留在實驗室研究階段[11],大部分局限于液態(tài)菌劑,且液態(tài)菌劑存在不便于運輸、保質期短和施用工藝復雜、人工成本較高等不足，同時考慮其穩(wěn)定性及貯藏時間的研究較少，鑒于此,筆者以高效反硝化聚磷菌NG4為研究對象，優(yōu)化干粉菌劑制備條件，同時對其穩(wěn)定性進行研究，旨在為反硝化聚磷菌在廢水生物處理實際工程實踐中的應用提供理論依據(jù)和技術支持。

1 試 驗

1.1 菌種來源

分離用泥采用穩(wěn)定運行的SBR反應器[12-13]中某缺氧段的活性污泥混合液。采用稀釋涂布法和平板劃線分離法進行分離純化，并輔以生理生化及染色試驗，最終篩選出具有同步脫氮除磷作用的反硝化聚磷菌6株，選擇其中一株N4進行紫外誘變得8株純菌株，經吸磷釋磷試驗發(fā)現(xiàn)NG4反硝化除磷效率最高，16S rDNA測定其為戈登氏菌屬。試驗以NG4作為研究對象，優(yōu)化反硝化聚磷菌菌劑的制備條件。

1.2 培養(yǎng)基

反硝化培養(yǎng)基：瓊脂為15 g/L，KNO3為1 g/L，KH2PO4為1 g/L，檸檬酸鈉為5 g/L，K2HPO41 g/L，MgSO4·7H2O為0.2 g/L，pH值為7.2～7.4。

PAM培養(yǎng)液：酸氫磷二鈉為3.06 g/L，硫酸銨為2.75 g/L，磷酸二氫鉀為3 g/L，氯化鈣為0.25 g/L,檸檬酸鈉為4.0 g/L，七水硫酸鎂為0.20 g/L，氯化鈉為2.5 g/L，蔗糖為0.01 g/L[14]。

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：蛋白胨為10 g/L，牛肉膏為3 g/L，氯化鈉為5 g/L，pH值為7.2～7.4[15]。

酵母浸出汁：酵母膏為5 g/L。

滅菌條件：壓強為1.03×105Pa，溫度為121 ℃，時間為20 min。

1.3 試驗用水水質

以人工合成的生活污水作為試驗用水，以NH4Cl作為氮源，KH2PO4為磷源，無水乙酸鈉作為外加碳源，并添加無水氯化鈣，MgSO4·7H2O及微量元素。水溫調節(jié)為25 ℃，并通過NaHCO3調節(jié)進水的pH值為7.5～7.8。試驗配水水質如表1所示。每次試驗前配置人工模擬廢水，并對其進行高壓濕熱滅菌，冷卻后備用。

表1 試驗配水水質Table 1Quality of experimental water mg/L

1.4 NG4干粉菌劑制備方法

以種子液為對象制備干粉菌劑。在轉速為120 r/min、溫度為30 ℃、初始pH為6.5的條件下培養(yǎng)20 h得到Poly-P顆粒的NG4種子液，取適量種子液在4 000 r/min的低速離心機中離心10 min，去除上清液用無菌水重懸，洗涂離心，反復沖洗2～3次。加入PAM培養(yǎng)液和相應體積的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)液，使菌體重懸;并將其倒入進行滅菌處理、過篩后的載體中，在溫度為35 ℃、轉速為120 r/min 條件下發(fā)酵8 h。將其放置于培養(yǎng)皿內，在溫度為30 ℃的條件下進行干燥制成菌劑成品。

1.5 制備菌劑條件優(yōu)化

1.5.1 載體配比

制備NG4種子液且離心獲得菌種,滅菌后麥麩與玉米粉的質量比分別為75∶25、80∶20、85∶15、90∶10、95∶5、100∶0,投菌量為20 mL,加入2 mL PAM培養(yǎng)液,20 mL牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)液，調節(jié)pH為6.5,并按制備方法制成菌劑成品。

1.5.2 投菌量

制備NG4種子液且離心獲得菌種,試驗設置0、10、20、30、40、50 mL共6種不同梯度的投菌量,加2 mL的PAM培養(yǎng)液,20 mL牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)液，滅菌后的載體配比m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15,調節(jié)pH為6.5,并按制備方法制成菌劑成品。

1.5.3 發(fā)酵液用量

制備NG4種子液且離心獲得菌種,發(fā)酵液用量分別為5、10、15、20、25、30 mL,投菌量為20 mL,PAM培養(yǎng)液為2 mL,滅菌后的載體配比m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15,調節(jié)pH為6.5,按制備方法制成菌劑成品。

1.5.4 發(fā)酵液pH值

制備NG4種子液且離心獲得菌種,投菌量為20 mL,PAM培養(yǎng)液為2 mL,發(fā)酵液用量為20 mL，滅菌后的載體配比m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15,調節(jié)培養(yǎng)基的pH分別為5.5、6.5、7.0、7.5、8.0，按制備方法制成菌劑成品。

1.6 分析測定方法

2 結果與分析

2.1 NG4干粉菌劑制備條件及優(yōu)化效果

2.1.1 載體質量比對菌劑脫氮除磷效率的影響

圖1 載體質量比對菌劑脫氮除磷效率的影響Fig.1Effects of carrier mass ratio on nitrogen and phosphorus removal efficiency

2.1.2 投菌量對菌劑脫氮除磷效率的影響

圖2 投菌量對菌劑脫氮除磷效率的影響Fig.2Effects of bacterial dosage on nitrogen and phosphorus removal efficiency

2.1.3 發(fā)酵液用量對菌劑脫氮除磷效率的影響

圖3 發(fā)酵液用量對菌劑脫氮除磷率的影響Fig.3Effects of fermentation broth dosage on nitrogen and phosphorus removal rate

2.1.4 發(fā)酵液pH值對菌劑脫氮除磷效率的影響

圖4 發(fā)酵液pH值對菌劑脫氮除磷率的影響Fig.4Effects of pH value of fermentation broth on nitrogen and phosphorus removal rate

2.2 NG4干粉菌劑穩(wěn)定性分析

2.2.1 NG4干粉菌劑基本特性

NG4干粉菌劑具有良好的沉降性能和抗沖擊負荷的能力。相比于常見絮狀污泥，有一定強度，結構緊湊，微生物相多樣，可縮短運行時間，降低處理成本，剩余污泥的產量也大大降低,為生活污水的生物脫氮除磷提供了新的路徑和方法。采用平板計數(shù)法對NG4干粉菌劑的活菌數(shù)進行測定，有效活菌數(shù)為108 CFU/g左右。菌劑宜在常溫避光條件下保存。NG4干粉菌劑如圖5所示。

圖5 NG4干粉菌劑Fig.5Bacterial powder of NG4

2.2.2 NG4干粉菌劑穩(wěn)定性試驗

相比于常見絮狀污泥，NG4干粉菌劑的優(yōu)勢之一是保存時間較長。在溫度為(25±5)℃條件下，探究制備成功的干粉菌劑的保存時長，并進行菌劑穩(wěn)定性試驗。圖6為NG4干粉菌劑在不同貯存時間下的除磷脫氮效率。

圖6 貯存時間對菌劑脫氮除磷率的影響Fig.6Effect of storage days of microbial agentst on nitrogen and phosphorus removal rate

3 結 論

(1)NG4干粉菌劑的最佳工藝制備條件為：PAM培養(yǎng)液為2 mL，載體配比為m(麥麩)∶m(玉米粉)=85∶15，投菌量、發(fā)酵液投加量為20 mL，pH值為6.5。按照最佳工藝制備的NG4干粉菌劑除磷率為87.92%，脫氮率為90.29%。

(2)制備完成的NG4干粉菌劑有效活菌數(shù)為108 CFU/g左右。在溫度為(25±5)℃條件下可保存40d左右。

(3)在最佳配比下制得NG4干粉菌劑，污染物去除率高且穩(wěn)定性強。