李 微，朱心雨，劉 寧，孫慧智

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

污水處理的方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法，其中生物法是通過微生物的代謝作用，吸附、分解或吸收污染物質(zhì)，達到凈化水質(zhì)的效果，被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水及工業(yè)廢水的處理。隨著生物脫氮除磷技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)現(xiàn)生物強化技術(shù)可以有效地提高系統(tǒng)對污染物的處理效果，而投加微生物菌劑就是其中的一項重要技術(shù)。微生物菌劑是由單一微生物或者復(fù)合微生物菌群制備而成，能夠高效降解污染物，同時功能菌種會在系統(tǒng)中形成優(yōu)勢菌群抑制其他有害菌的生長繁殖[1]。微生物菌劑中菌種的主要部分是活性污泥中的菌種，具有無需對現(xiàn)有設(shè)備進行改變、操作簡單、對環(huán)境污染少等優(yōu)點[2-3]，是一種具有可持續(xù)發(fā)展的工藝。國外最具代表性的菌劑為日本比嘉照夫教授于1983年研制的EM菌劑[3]。王杰等[4]以實際河水為對象，曝氣條件下投加硝化菌菌劑,在120 h內(nèi)可將河水的氨氮質(zhì)量濃度降解至Ⅳ類水質(zhì)，但對城鎮(zhèn)污水處理的指導(dǎo)性不夠。L.Guo等[5]研究的反硝化菌菌劑為微生物菌劑脫氮提供了理論基礎(chǔ)，但硝態(tài)氮的去除率還不夠高。莊志剛等[6]研究的聚磷菌菌劑最高去除率可達(81.02±2.27)%。邵嘯等[7]篩選馴化出聚磷菌株假單胞菌D3和D6，除磷效率分別為83.9%和93.0%。目前，反硝化聚磷菌菌劑在SBR法中的應(yīng)用情況還不完善，脫氮除磷效率還有待提高。因此，筆者以降低SBR污染物出水質(zhì)量濃度為目標，研究反硝化聚磷菌菌劑強化SBR脫氮除磷及有機物的去除效果，可以在節(jié)約碳源、不改變反應(yīng)器構(gòu)造的同時，顯著改善污水處理效果。

1 實 驗

1.1 實驗材料

采用5個有效容積1L的SBR為反應(yīng)裝置，取未經(jīng)馴化的遼寧省撫順市三寶屯污水處理廠二沉池污泥為基質(zhì)，分別向5個SBR裝置中投加250 mL的二沉池活性污泥，使反應(yīng)器中泥水體積比為1∶3，保持MLSS質(zhì)量濃度在2 800～3 300 mg/L內(nèi)波動。反硝化聚磷菌菌劑來源于孫慧智[8]的實驗成果，制備成功的微生物菌劑呈土黃色的固體粉末狀，聞起來有發(fā)酵物的味道，菌劑所含有效活菌數(shù)為108 CFU/g左右，可直接投入反應(yīng)器中使用。分別向反應(yīng)器中投加不同量菌劑0 g、0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g，將SBR編號為A、B、C、D、E.5個反應(yīng)器的進水水質(zhì)和運行參數(shù)保持相同，進水COD質(zhì)量濃度為212.62 mg/L、TP質(zhì)量濃度為10.24 mg/L、在缺氧階段投加質(zhì)量濃度為35 mg/L的NaNO3作為電子受體，pH為7.5，冬季水溫10 ℃。SBR連續(xù)運行30 d，每天運行4個周期，每個周期反應(yīng)300 min，運行方式：瞬時進水→厭氧120 min→缺氧150 min→沉淀30 min→瞬時排水。

1.2 實驗水質(zhì)

實驗用水采用人工配制的模擬生活污水，外加碳源為CH3COONa，氮源為NH4Cl，磷源為KH2PO4，此外還添加了CaCl2、MgSO4·7H2O和微量元素，各個微量元素的配比如表1和表2所示。加入碳酸氫鈉將pH調(diào)節(jié)至7.5。

表1 模擬廢水成分

表2 微量元素組成

1.3 分析方法

根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析法》(第四版)[9]，常規(guī)檢測項目及分析方法如表3所示。

表3 檢測指標及方法

2 結(jié)果與分析

2.1 投加菌劑量對SBR反應(yīng)器處理效果的影響

2.1.1 COD去除效果

5個SBR反應(yīng)器對COD的去除效果如圖1所示。

圖1 不同菌劑投加量對COD的去除效果

2～12 d時不同菌劑投加量對COD的去除效果有明顯差異，但12～30 d時投加量對COD去除效果的影響較小。2～12 d時菌劑還未適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的運行環(huán)境。未投加菌劑系統(tǒng)在8 d的COD質(zhì)量濃度為45.27 mg/L，能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，30 d的COD出水質(zhì)量濃度達到了8.44 mg/L，COD去除率為96.03%。投加量為1.5 g的系統(tǒng)在6 d的出水COD質(zhì)量濃度為37.06 mg/L，達到一級A標準，COD去除率為97.26%。對比可知，投加微生物菌劑對COD去除率的增幅為4.1%。12 d的COD去除率為91.23%，在5個反應(yīng)器中最先超過90%。系統(tǒng)運行的12 d，去除曲線坡度明顯變緩且趨于穩(wěn)定，表明反應(yīng)器中的活性污泥已經(jīng)適應(yīng)了環(huán)境，并開始利用廢水中的有機物進行新陳代謝，從而降低COD。COD的去除主要發(fā)生在厭氧段，說明COD被DPAO(反硝化聚磷菌)利用合成PHA(聚羥基脂肪酸酯)[10]。經(jīng)過一段時間的富集，DPAO成為優(yōu)勢菌種，因而各個系統(tǒng)的COD去除效果好。王越興等的實驗結(jié)果表明微生物菌劑投加后，至少12 d才有可能表現(xiàn)出明顯的處理效果[2]。代鵬飛等發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行至7 d開始，COD去除率呈逐漸增長趨勢[11]。

當(dāng)投加量為2.0 g時，系統(tǒng)在6 d的出水COD質(zhì)量濃度為36.00 mg/L，達到一級A標準，COD去除率為96.84%，30 d的去除率略低于投加量為1.5 g的系統(tǒng)。由于實驗中SBR反應(yīng)器的體積較小，水中營養(yǎng)物質(zhì)數(shù)量一定且微生物的生存空間有限，無法滿足DPAO的正常生長。過多的DPAO產(chǎn)生競爭，可能導(dǎo)致部分微生物的死亡，從而導(dǎo)致處理效果略微下降。文婭等[12]認為當(dāng)菌劑投加量為2.0 g時，菌劑本身對水樣的COD增加值可能大于其降解值而導(dǎo)致去除效果下降。投加量為1.5 g的系統(tǒng)對COD的去除效率最高。

2.2.2 TP去除效果

5個SBR反應(yīng)器對TP的去除效果如圖2所示。

圖2 不同菌劑投加量對TP的去除效果

菌劑投加量對廢水中TP的去除率具有一定影響。在運行的30 d中，未投加菌劑系統(tǒng)的TP處理效果總體低于投加菌劑的系統(tǒng)。說明投加的反硝化聚磷菌菌劑有較強的吸磷效果，且可以避免DPAO與系統(tǒng)內(nèi)其他菌種的生存競爭，一方面抑制反硝化菌生長，另一方面加快了DPAO的繁殖使其成為優(yōu)勢菌種。

未投加菌劑的SBR系統(tǒng)經(jīng)30 d運行后的出水TP質(zhì)量濃度為1.69 mg/L，未達到一級A標準。前20 d的TP去除率增長速率較快，經(jīng)過30 d后去除率仍較低，僅為83.52%。原因是傳統(tǒng)聚磷菌在缺氧運行段缺少O2作為電子受體，導(dǎo)致無法將系統(tǒng)中的磷酸鹽吸收并儲存在體內(nèi)，也就影響了下一厭氧運行段的釋磷反應(yīng)，導(dǎo)致處理效果不佳?；蛘呤且驗橄到y(tǒng)中存在一部分反硝化菌及其他菌群跟DPAO爭奪碳源和電子受體，導(dǎo)致除磷不高效。蔡勛江等認為由于沒有排泥，反應(yīng)器的去除效果受運行條件的影響而使吸附的磷重新釋放到反應(yīng)器內(nèi)[13]。而投加菌劑量為1.5 g的系統(tǒng)26 d的出水TP質(zhì)量濃度為0.4 mg/L，達到一級A標準，30 d的出水TP質(zhì)量濃度為0.36 mg/L。TP去除率在30 d高達96.47%，何秋來等的實驗TP去除率也高于90%[14]。當(dāng)投菌量為2.0 g時，系統(tǒng)在30 d的出水TP質(zhì)量濃度為0.38 mg/L，TP去除率為96.26%，處理效果相較于投加量為1.5 g的系統(tǒng)反而下降。因此判斷投加量為1.5 g的系統(tǒng)TP去除效果最好。

投加量為1.5 g時，系統(tǒng)對COD和TP的處理效果，6 d時出水COD質(zhì)量濃度為37.06 mg/L，達到一級A標準，而出水TP質(zhì)量濃度在26 d才達到一級A標準。原因是聚磷菌和系統(tǒng)中的其他異養(yǎng)菌產(chǎn)生協(xié)同作用，共同去除COD[15-16]；而TP的去除只能依賴于聚磷菌，聚磷菌有好氧吸磷和厭氧釋磷的過程，即使通過競爭成為優(yōu)勢菌種也需要一定時間，因而導(dǎo)致TP去除過程較慢。

2.2.3 NO3--N去除效果

圖3 不同菌劑投加量對的去除效果

2.3 典型周期內(nèi)去除效果分析

圖4 典型周期內(nèi)系統(tǒng)運行效果

未投加菌劑系統(tǒng)運行的30 d，厭氧階段結(jié)束時TP質(zhì)量濃度為22.93 mg/L，釋磷量為13.09 mg/L，單位質(zhì)量濃度的污泥單位時間內(nèi)的釋磷速率是0.109 mg/h；缺氧階段結(jié)束后的出水TP質(zhì)量質(zhì)量濃度為1.13 mg/L，吸磷量為21.8 mg/L，吸磷反應(yīng)效率為0.145 mg/(L·min)。原因是DPAO長期與該系統(tǒng)內(nèi)部長期存在的反硝化菌等異養(yǎng)菌爭奪C、N源和電子受體，使其不能富集并成為優(yōu)勢菌種，進而導(dǎo)致對總磷的處理效果不佳[22-23]。菌劑投加量為1.5 g的系統(tǒng)運行的30 d，厭氧階段結(jié)束時TP質(zhì)量濃度為36.03 mg/L，釋磷量為26.19 mg/L，單位質(zhì)量濃度的污泥單位時間內(nèi)的釋磷速率是0.218 mg/h；缺氧階段結(jié)束后出水TP質(zhì)量濃度為0.4 mg/L，吸磷量為35.63 mg/L，吸磷反應(yīng)效率為0.238 mg/(L·min)。投加菌劑量為1.5 g系統(tǒng)的釋磷和吸磷反應(yīng)效率相較于未投加菌劑系統(tǒng)分別提升了0.109 mg/(L·min)和0.093 mg/(L·min)。由于反硝化聚磷菌菌劑的投加，系統(tǒng)對磷的吸附和去除能力都有大幅提升。

3 結(jié) 論

(2)菌劑投加量為1.5 g的系統(tǒng)對SBR系統(tǒng)的強化效果最好，經(jīng)過30 d運行后相較于未投加菌劑系統(tǒng)的除磷和脫氮效率分別提高了8.38%和13.03%。

(3)微生物菌劑的投加可以有效地發(fā)揮DPAO菌群的功效，生物強化可提高系統(tǒng)對污水的反硝化脫氮除磷效果。