好氧反硝化菌強化序批式活性污泥反應器處理生活污水

近年來(lái)，污水脫氮技術(shù)成為當今研究的熱點(diǎn)。而生物脫氮法與物理、化學(xué)法相比，以高效率、低成本、無(wú)二次污染等不可比擬的優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛認可。生物脫氮是指通過(guò)硝化細菌和反硝化細菌的聯(lián)合作用使污水中的含氮污染物轉化為氮氣的過(guò)程，效果的優(yōu)劣與所采用的菌株的特性密切相關(guān)。傳統生物脫氮工藝認為，硝化細菌是自養需氧型，而反硝化細菌是異養厭氧型，且由于所需條件不同需在不同的反應器中進(jìn)行脫氮，出現了以硝化-反硝化為基礎的多個(gè)反應器的生物脫氮工藝，如后置反硝化A/O、A2/O以及改進(jìn)的UCT、JBH、連續流新型厭氧-交替好氧/缺氧（AAA）等。這些傳統脫氮工藝在廢水處理方面起到了一定的作用，但存在一些缺陷。近年來(lái)，好氧反硝化菌不斷被發(fā)現，大多數研究認為，好氧反硝化菌是好氧或兼性好氧，以有機碳源為能源的異氧硝化菌。它可以利用氧和硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體進(jìn)行呼吸作用，世代周期短、繁殖速度快，能大大提高反硝化能力，有助于解決傳統生物脫氮工藝啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)、要求條件苛刻以及硝化與反硝化不能同時(shí)在一個(gè)反應器中進(jìn)行等缺點(diǎn)。目前，隨著(zhù)生活水平的提高，生活污水呈現出低C/N的趨勢，而傳統脫氮需要補償堿度以及外加碳源，反硝化階段積累的硝酸鹽以及亞硝酸鹽會(huì )對硝化反應造成抑制，且占地面積大、基建費用和能耗較高。好氧反硝化脫氮技術(shù)作為一種新型的脫氮技術(shù)，以其低能耗的特點(diǎn)在處理低碳氮生活污水方面有著(zhù)重要的現實(shí)意義。本研究采用好氧反硝化菌強化序批式活性污泥反應器（SBR），以實(shí)際生活污水為處理對象，研究反應器啟動(dòng)以及不同污水C/N對污水處理系統脫氮、除碳的性能影響，其研究結果可為好氧反硝化菌劑在強化污水脫氮處理中的應用提供重要的理論基礎和實(shí)驗依據。

1 實(shí)驗材料與方法

1．1 實(shí)驗裝置

實(shí)驗裝置如圖1所示。SBR主體由有機玻璃制成，總體積3．4L，有效容積2．8L，整個(gè)實(shí)驗過(guò)程在室溫（20～25℃）下運行。本實(shí)驗建有2個(gè)完全相同的反應器，SBR1接種普通活性污泥的同時(shí)，投加SBR體積20％的好氧反硝化菌泥，作為強化組；SBR2只接種相同量的活性污泥，作為對照組。兩反應器在相同條件下啟動(dòng)、運行。

1．2 脫氮強化菌

高效異養硝化-好氧反硝化菌（編號TN-05）來(lái)自成都信息工程學(xué)院資源環(huán)境學(xué)院實(shí)驗室，結合菌株TN-05生理生化特征及其16SrDNA序列分析，鑒定該菌株為門(mén)多薩假單胞菌（Pseudomonas mendocina）。該菌株具有良好的脫氮、除碳能力。

1．3 接種污泥

接種污泥取自西南航空港污水處理廠(chǎng)二沉池污泥，絮狀，呈黃褐色，污泥懸浮液質(zhì)量濃度（MLSS）為3 008．84mg/L，污泥體積系數（SVI）為153．43mL/g，具備良好的沉降性能。

1．4 實(shí)驗用水

采用校園生活污水作為實(shí)驗用水。為實(shí)驗需求，添加不同量的葡萄糖、NH4Cl以及KH2PO4調節生活污水碳、氮、磷的比例。SBR啟動(dòng)期，加入微量酵母浸膏以及Fe2+、Cu2+等。生活污水主要污染指標見(jiàn)表1。

1．5 反應器操作方法

反應器運行周期為6．5h，其中進(jìn)水5min，曝氣240min，缺氧攪拌120min，靜止沉降20min（10d后逐步縮短時(shí)間為15、10、5min），排水5min。每周期排水1．4L。每天運行2個(gè)周期，其余時(shí)間閑置。曝氣量控制在0．3L/min。定期測定兩反應器進(jìn)出水的COD、NH4+-N、TN、MLSS和沉降性能等指標。

1．6 分析方法

COD采用微波消解法測定；TN 按照《水質(zhì)總氮的測定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》（GB11894—1989）測定；NH4+-N按照《水質(zhì)氨氮的測定水楊酸分光光度法》（HJ 536—2009）測定；TP按照《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（GB11893—1989）測定；pH 按照《水質(zhì)pH 值的測定玻璃電極法》（GB 6920—1986）測定；MLSS采用濾紙重量法測定；SVI以污泥沉降比（SV）計算；采用顯微鏡觀(guān)察污泥形態(tài)。

2 結果與討論

2．1 啟動(dòng)階段（1～21d）

2．1．1 反應器啟動(dòng)過(guò)程COD的去除情況

反應器啟動(dòng)階段COD及其去除率的變化情況如圖2所示。在反應器開(kāi)始啟動(dòng)前3天，SBR1對COD的去除率不高，原因可能在于好氧反硝化菌投加到SBR后，和原有的活性污泥中微生物種群有一定的競爭，并對廢水環(huán)境有一個(gè)適應的過(guò)程。第4天，SBR1對COD的去除率有較大的提高，從第1天的40．39％提高到82．48％。啟動(dòng)過(guò)程中，在第8、17天出現了兩次進(jìn)水COD的大幅度提高，但SBR1對COD的去除率基本維持在80％左右，說(shuō)明好氧反硝化菌的投加對于系統COD負荷的提高具有一定的適應能力。而SBR2對COD去除率在反應器啟動(dòng)的第4天出現較大的提高后又降低，從第1天的43．23％提高到第4天的81．44％，之后第5天下降到62．66％，隨后稍微趨于穩定，去除率在62．34％～79．68％波動(dòng)。綜上，兩反應器經(jīng)過(guò)3d的適應，在反應器啟動(dòng)運行的4～21d內，在進(jìn)水COD 平均為317．88mg/L時(shí)，SBR1出水COD平均為55．65mg/L，平均去除率為82．54％；SBR2出水COD平均為91．95mg/L，平均去除率為71．12％�？梢钥闯�，SBR1的除碳效果明顯高于SBR2。這是因為SBR1中投加了菌株TN-05，此菌體在SBR中大量繁殖，其新陳代謝消耗大量的有機物。

2．1．2 反應器啟動(dòng)過(guò)程中NH4+-N的去除情況

反應器啟動(dòng)階段NH4+-N及其去除率變化情況如圖3所示。在啟動(dòng)第1天，SBR1對NH4+-N的去除率就已經(jīng)達到90％以上，說(shuō)明微生物對NH4+-N環(huán)境適應很快，而SBR2對NH4+-N 的去除率在啟動(dòng)第4天才達到90％以上，說(shuō)明SBR1較SBR2有更快的適應能力。但整個(gè)反應器啟動(dòng)階段，SBR1、SBR2對NH4+-N的去除效果相差不大，平均去除率分別為94．96％、89．71％；SBR1對NH4+-N的最高去除率可達到98．33％，略高于SBR2（96．89％）。

2．1．3 反應器啟動(dòng)過(guò)程中TN的去除情況

從圖4可以看出，隨著(zhù)馴化過(guò)程的進(jìn)行，SBR1對TN的去除率波動(dòng)上升，從第1天的34．88％提高到第4天的66．57％，第17天升高到79．37％，然后逐漸趨于穩定，TN去除率在第19天最高達到81．42％。而SBR2對TN的去除率在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中的總體上升趨勢不大，在第14天TN去除率出現最大值，僅為53．70％，然后從第17天開(kāi)始穩定在45％左右。整個(gè)啟動(dòng)和運行初期，SBR1對TN 的平均去除率為63．21％，而SBR2對TN的平均去除率為44．19％，污水經(jīng)兩反應器處理后，TN都有一定程度的下降，說(shuō)明兩反應系統都發(fā)生了同步硝化-反硝化現象。曲洋等、張小玲等、彭趙旭等的研究中也發(fā)現了類(lèi)似現象。本實(shí)驗中，對于SBR1來(lái)講，由于好氧反硝化菌的投加，能有效分解生活污水中有機碳以獲得能量，體現明顯的脫氮效果。

2．2 不同C/N對反應器脫氮除碳的影響（22～65d）

廢水的C/N是影響生物脫氮工藝的重要參數。從圖5可以看出，當C/N為4∶1（質(zhì)量比，下同）和6∶1時(shí)，兩反應器對COD 和TN 的去除率均低于C/N為8∶1、10∶1和12∶1時(shí)，同時(shí)SBR1對COD和TN的去除率明顯高于SBR2。當C/N為8∶1時(shí)，SBR1對COD和TN的去除效果達到最好，對兩者的平均去除率分別達到85．31％和61．14％，而SBR2對兩者的平均去除率分別達到72．34％和33．42％。原因在于SBR1中投加了具有脫氮除碳功能的好氧反硝化菌，加強了反應器內同步硝化-反硝化的作用，異養硝化-好氧反硝化型污泥增殖，導致SBR1 對COD 和TN 的去除效果明顯好于SBR2。同時(shí)，在整個(gè)不同C/N運行工況下，SBR1的出水NH4+-N基本在0．5mg/L以下，NH4+-N去除率均接近100％；SBR2在C/N為4∶1和6∶1時(shí)出水NH4+-N有所波動(dòng)，但是對NH4+-N的去除基本能維持在85％～98％。在本實(shí)驗范圍內，C/N對兩反應器中NH4+-N的去除影響不大。當C/N為10∶1和12∶1時(shí)，兩反應器對COD去除效果的差距縮小，SBR1 對COD 的平均去除率分別為79．50％和80．80％，SBR2對COD的平均去除率分別為73．30％和72．20％；SBR1對TN 的平均去除率分別為58．98％和51．64％，明顯高于SBR2。SBR1對污水中的COD、TN的去除效果均比SBR2好，且所投加的好氧反硝化菌抗沖擊負荷能力強，并能適應較低C/N的污水環(huán)境。整個(gè)運行期間，SBR1、SBR2對NH4+-N的去除效果差別不大，平均去除率分別為99．31％、96．89％。

2．3 不同階段污泥指標的變化及顆�；�

MLSS是表征系統微生物數量的重要指標，兩反應器內MLSS均隨著(zhù)反應器運行時(shí)間延長(cháng)而有不同程度增加（見(jiàn)圖6）。SBR1運行到第20天時(shí)，MLSS 從剛接種時(shí)的3 008．84 mg/L 增長(cháng)到4 118．40mg/L，而在隨后運行之間過(guò)程中，增長(cháng)速率較慢；SBR2中MLSS在啟動(dòng)階段增殖較明顯，從最初的3 008．84mg/L增長(cháng)到第20天的3 992．70mg/L，而在運行到第22～35天時(shí)，由于進(jìn)水的C/N調為4∶1和6∶1，低C/N的生活污水不利于普通活性污泥的增殖，導致MLSS有一個(gè)下降，直到運行到第50天后，進(jìn)水的C/N調為10∶1和12∶1，MLSS重新表現出明顯的增長(cháng)。SVI是表征污泥沉降性能的指標，SBR1內SVI從接種時(shí)的153．43mL/g降到83．60mL/g（30d），當運行到第60天時(shí)，SVI降為64．21mL/g；而SBR2內SVI在整個(gè)啟動(dòng)運行期間，總體略有下降，比SBR1內的污泥沉降性能略差。原因在于，在反應器啟動(dòng)運行期間，SBR1內投加的好氧反硝化菌的世代時(shí)間明顯短于自養型硝化細菌，對廢水水質(zhì)變化適應能力強，能在低C/N的生活污水中快速增殖，保持了很好的MLSS，并在水力剪切條件、縮短沉降時(shí)間以及污泥中產(chǎn)絮微生物的作用下，促使污泥在短時(shí)間內實(shí)現了顆�；�，隨著(zhù)顆�；�程度的不斷加強，其污泥沉降性能明顯變好。在反應器運行第10 天左右時(shí)，SBR1內出現了顆粒污泥雛形，雖然出現了顆粒污泥，但是其表面仍然很松散，顆粒污泥晶核較模糊（見(jiàn)圖7（a））；當反應器啟動(dòng)運行到第20天時(shí)，顆粒污泥形成加快，顆粒污泥表面不再模糊，并且也能較清晰地觀(guān)察到顆粒污泥的大�。ㄒ�(jiàn)圖7（b））；第30天時(shí)，顆粒污泥逐漸增大，數量增多，并且能抗一定的水力剪切，顆粒污泥緊密（見(jiàn)圖7（c））；第35天，顆粒污泥有很明顯的晶核，屬于成熟的顆粒污泥（見(jiàn)圖7（d））。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

3 結論

（1）在反應器的啟動(dòng)階段，SBR1對COD 和TN的平均去除率明顯好于SBR2，好氧反硝化菌能在反應器中大量繁殖，其新陳代謝消耗大量的有機物，并高效除氮。

（2）在C/N為4∶1、6∶1時(shí)，SBR1對COD和TN的去除效果明顯好于SBR2；當C/N為8∶1時(shí)，SBR1對COD和TN的去除效果達到最好，對兩者的平均去除率分別達到85．31％和61．14％；當C/N為10∶1和12∶1時(shí)，兩反應器對COD去除效果的差距縮小，但SBR1對TN 的去除效果仍然明顯高于SBR2；在整個(gè)不同C/N運行工況下，SBR1的出水NH4+-N基本在0．5 mg/L 以下，去除率均接近100％。好氧反硝化菌能耐受更低的C/N，形成的顆粒污泥強化了脫氮除碳效果。整個(gè)運行期間，SBR1、SBR2對NH4+-N的去除效果差別不大，平均去除率分別為99．31％、96．89％。

（3）SBR1內投加的好氧反硝化菌，能在低C/N的污水中快速增殖，保持了很好的MLSS，維持在4 500mg/L左右。隨著(zhù)反應器的運行，污泥在35d內形成成熟的顆粒污泥，顆�；�的程度不斷加強，其污泥沉降性能明顯變好，最后SBR1中SVI達到64．21mL/g。