ASND法处理食品发酵废水出水达一级A标准工艺研究

张宪鑫, 汪 苹, 孟 维

（北京工商大学食品学院，北京 100048）

ASND法处理食品发酵废水出水达一级A标准工艺研究

张宪鑫, 汪 苹*, 孟 维

（北京工商大学食品学院，北京 100048）

将异养硝化-好氧反硝化菌株投加到SBR反应器中，对含有优势菌株的污泥进行培养驯化、优化运行周期的操作，使其具有良好的生化、硝化和反硝化性能。运行SBR反应器处理模拟食品发酵废水（CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别大于等于600，80，85 mg/L），经处理后的出水CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为56，0.65，14 mg/L。后期向处理后的出水投加20 mg/L的聚合氯化铝混凝沉淀进一步降低出水CODCr，至此出水CODCr和氮类化合物质量浓度已达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准（出水CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别小于50，5，15 mg/L）。

好氧同步硝化-反硝化；食品发酵工业；废水；一级A排放标准

食品发酵产品是以农副产物为原料发酵而得。食品发酵生产过程中会产生高浓度有机废液，其主要成分为有机质、蛋白质，悬浮物等。食品发酵废水具有良好的生化性能，无毒害作用，但若不经处理肆意排放会造成严重的环境污染［1］。食品发酵废水水质波动较大，波动范围CODCr为300～2 000 mg/L、总氮质量浓度为50～100 mg/L。“十二五”期间，我国规定污水处理厂出水水质必须由GB 18918—2002一级B（出水CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别小于60，8，20 mg/L）提高到一级A标准（出水CODCr、氨氮、总氮质量浓度分别小于50，5，15 mg/L），而北京市地方标准（DB 11/890—2012）更为严格。随着排放标准的全面提高，传统的工艺运行模式亟待得到改善。

好氧同步硝化-反硝化（aerobic simultaneous nitrification and denitrification，ASND）技术采用好氧反硝化菌，在同一好氧反应器内进行同步硝化-反硝化过程，实现高效生物脱氮。相比于传统生物脱氮工艺［2-6］，ASND技术的反应过程中，硝化产物可直接成为反硝化的底物，避免硝化反应产物的积累。硝化反应过程中的酸碱波动可以用反硝化释放出的碱度来调节，维持系统中pH值的相对稳定。主导ASND技术的异养硝化-好氧反硝化菌［7］是一种同时具有硝化和反硝化功能的好氧脱氮菌，且证实可直接将氨氮氧化为气态氮（N2），脱氮途径更简捷，单株菌能同时高效脱除有机物和氮类化合物，具有高盐耐受力。

近年来异养硝化-好氧反硝化菌已成为研究热点［8-20］，其主导的ASND技术应用于食品发酵废水的处理，可以有效缓解提标改造带来的工程费用压力，在不改变原污水处理流程的基础上，强化整体工艺的脱氮能力。本实验采用优势脱氮菌株投加到序批式反应器（SBR）中处理模拟食品发酵废水，使处理后的出水氨氮和总氮浓度满足GB 18918—2002一级A标准［21］。

1 材料与方法

1.1 实验装置与仪器

1.1.1 实验装置

模拟SBR反应器采用有机玻璃制成圆柱形装置，内径φ15.3 cm×78 cm，有效容积为6 L，采用微孔曝气、曝气量恒定的供氧方式。装置主体设有多个排水孔，加热棒保持水温在25～30℃。曝气、沉淀过程的控制由微控电脑计时器完成，采用一次性人工进水排水各2 L。SBR反应器装置如图1。

图1 SBR装置图Fig.1 Installation of sequencing batch reactor

1.1.2 实验仪器

DR2800型便携式分光光度计，美国HACH公司；DRB200型消解仪，美国HACH公司；HVE-50型高压灭菌锅，日本HIRAYAMA公司；VD-1320型洁净工作台，哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；QHZ-12B型组合式恒温振荡培养箱，太仓市实验设备厂；Sigma 3K15型低温冷冻离心机，德国Sigma公司；AY220型电子分析天平，日本岛津公司；Seven Easy pH计，瑞士梅特勒托利多公司。

1.2 模拟废水及培养基

1.2.1 模拟废水

采用人工模拟食品发酵废水，废水目标水质CODCr≥600 mg/L、氨氮质量浓度≥80 mg/L，总氮质量浓度≥85 mg/L。以玉米水作为碳源（玉米水中含有机氮，配制后进行测定并计入模拟废水总氮内），使用时依据当日实测CODCr、总氮浓度进行稀释配制，氯化铵作为氮源。为满足微生物的正常生长需要，需投加一定量的微量元素。

1.2.2 培养基

保存菌株活化和富集所需培养基为：（NH4）2SO40.47 g/L，柠檬酸三钠5.1 g/L，KH2PO41.0 g/L，CaCl2·7H2O 0.20 g/L，FeCl2·6H2O 1.25 g/L，MgSO4· 7H2O 1.0 g/L，定容至1 000 mL，调pH值至7.0，121℃灭菌20 min。

斜面培养基：33 g营养琼脂，溶于1 000 mL蒸馏水中，调pH值至7.0，加热熔化后，分装入试管，每支2～3 mL，于121℃灭菌20 min。

1.3 实验菌株

采用本实验室［15-17，22-25］筛选、分离、鉴别出的8株异养硝化-好氧反硝化菌作为实验菌株，8株菌对硫氮均具有较高的去除率。其脱氮性能见表1。

表1 8株典型异养硝化-好氧反硝化菌株的脱氮性能Tab.1 Performance of heterotrophic nitrification-aerobic denitrification of eight strains%

1.4 实验方法

1.4.1 菌株投加方法

1）菌株的活化。挑取菌株接种到150 mL富集培养基（灭菌后）的锥形瓶中。采用组合式恒温振荡培养箱于30℃、180 r·min-1下培养48 h，获得菌悬液。按培养基总体积的10%接种到发酵罐中扩大培养。

2）菌株的投加。当菌株处于对数生长期时，将菌液在4℃、8 000 r·min-1条件下离心5 min，得到湿菌体，用无菌水洗两次，于4℃冰箱待用。投菌时，每次以总污泥干重的10%投加（菌体的干湿重约为1∶10）。投加菌株后，运行3个周期不排水，照常补充碳氮源和微量元素，以利于菌体存活。

1.4.2 分析方法

水质测定方法。采用HJ 535—2009纳氏试剂分光光度法［26］，采用GB 7493—87N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法［27］，采用HJ/T 346—2007紫外分光光度法［28］，CODCr采用美国HACH快速测定仪测定，pH值和DO采用德国WTW便携式测定仪测定。含氮类化合物测定时，水样需经离心（6 000 r·min-1、5 min）后测定。

2 结果与分析

2.1 污泥的培养驯化结果

本实验接种某水厂SBR反应池的污泥，经沉淀后去掉上清液加入SBR反应器中，所得驯化前污泥情况见表2。当基础污泥培养驯化基本成熟时，投加本实验复配的菌剂。根据反应器运行过程中DO、pH值的变化和出水CODCr、氨氮的去除情况，不断提高CODCr和氨氮进水负荷，并及时调整SBR反应器的运行状况。反应器运行过程中用1 mol/L的Na2CO3溶液调节碱度，调节溶解氧量，改变曝气时间，逐步实现驯化目标。驯化后的污泥镜检结果如图2。图2（a）为显微镜放大40倍的观察结果，镜检到污泥中存在后生动物，表征生物种群良好；图2（b）为显微镜放大4倍的观察结果，污泥絮团致密、有网状结构。

表2 驯化前活性污泥主要指标Tab.2 Main indicators of activated sludge before domestication

图2 污泥镜检结果相图Fig.2 Microscopy and phase diagram of sludge

2.2 同步生化硝化-反硝化污泥的驯化结果

SBR反应器目标进水水质CODCr≥600 mg/L、氨氮质量浓度≥80 mg/L和总氮质量浓度≥85 mg/L，实验目标达到处理后出水水质CODCr≤50 mg/L、氨氮质量浓度≤5 mg/L和总氮质量浓度≤15 mg/L。驯化过程分为3个阶段，其驯化过程中CODCr和氮类化合物去除情况如图3、图4。

图3 反应器驯化过程中CODCr去除情况Fig.3 CODCrremoval in process of domestication

图4 反应器驯化过程中含氮化合物去除情况Fig.4 Nitrogen removal in process of domestication

第1阶段（第1～16周期）。为完成污泥生化和硝化性能的驯化，每个周期的运行方式为：瞬时进水、曝气7 h、闲置4.5 h、排水0.5 h，每周期总时间12 h。进水浓度以配制的模拟废水浓度为准，出水以排出水监测数据为准。运行时保持好氧段DO为4～5 mg/L，pH值在7.0～7.8，温度保持在25～30℃。

驯化初期进水水质CODCr为300 mg/L，氨氮质量浓度为75 mg/L。第1～5周期，CODCr去除率为73%左右，氨氮去除率为63%左右，已有明显提升。向反应器中投加离心后的湿菌体（10%污泥干重），10个周期后，CODCr去除率70%，氨氮去除率78%，氨氮去除率有明显提升，硝化作用增强。为进一步提高CODCr、氮类化合物的去除效率，继续向反应器投加湿菌体（操作同前，10%污泥干重）。运行至第16周期后，出水平均CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为85，14，45 mg/L，相应的去除率分别为71%， 81%，43%。说明系统中主要以硝化反应为主，而反硝化程度较差。至此，第1阶段菌株硝化性能的培养工作完成。

第2阶段（第17～45周期）。运行目的是要培养驯化反硝化能力，提高废水的总氮脱除效率。第2阶段运行特点是：1）提高进水CODCr浓度；2）由于长时间好氧段运行后，维持废水有氧状态已不需要大气量曝气，因此在第1阶段的好氧段之后增加搅拌段；3）每周期总运行时间适当延长，以利于反硝化能力培养。第2阶段SBR运行周期改为：瞬时进水、曝气8 h、搅拌3.5 h、闲置排水0.5 h。进水CODCr提高到400 mg/L，氨氮质量浓度为80 mg/L，前期通过碳酸钠调节pH值。

从28周期开始，出水总氮逐步下降，至45周期出水基本稳定，出水平均CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为92，1.6，28 mg/L，相应的CODCr、氨氮和总氮的去除率分别为78%，98%，70%（总氮主要以为主，反硝化作用较差）。此时，出水平均氨氮质量浓度小于5 mg/L，已满足一级A标准。

第3阶段（第46～58周期）。实验目的为进一步去除，增强反硝化作用，提高总氮去除率，运行周期延长至24 h。运行方式为：瞬时进水、缺氧搅拌2 h、曝气9 h、缺氧搅拌3 h、闲置9.5 h、排水0.5 h，CODCr提高到600 mg/L，氨氮质量浓度为80 mg/L（保持不变）。

由图4可知，出水亚硝酸盐不再积累，出水总氮主要以硝基氮为主，且呈逐步下降趋势，但仍不稳定，在18～26 mg/L波动。第58周期出水基本稳定，出水平均CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为81，0.78，26 mg/L，相应CODCr、氨氮和总氮的去除率分别为87%，99%，77%。至此出水氨氮满足一级A标准，但总氮仍未达标，反应器运行周期仍需进行调节。

2.3 优化及稳定运行阶段分析

第3阶段实验之后，针对总氮不达标情况以及运行周期安排是否合理的问题，仍需有效调节和检验。因此对反应器进行全周期跟踪测试。跟踪取样时间为第0，1，2，3…23.5小时（第0小时样品为未混合的进水水质），每个样品分别测定pH值、DO、CODCr、（总氮为无机氮和有机氮之和）指标，结果如图5。

由图5可看出，由于供氧速率保持不变，好氧段前期微生物对氧的需求超过了曝气供氧速率，所以测得的DO值很低。随着氨氮和CODCr的去除，反应速率逐渐减小，微生物对氧的需求也降低，导致DO上升。前期过程由于硝化产酸导致pH值降低，为维持pH值在6.8以上，第7小时用1 mol/L的Na2CO3使pH值上升，进入反硝化阶段。

进水混合后由于污泥的吸附作用，CODCr和氨氮质量浓度迅速下降。第2小时好氧阶段开始后，CODCr和氨氮质量浓度迅速降低，综合氮指标总氮呈降低趋势。全周期跟踪测试结束后出水，CODCr、氨氮质量浓度和总氮质量浓度分别为70，0.70，19 mg/L，相应的去除率为88%，99%，78%。此时，出水氨氮浓度已达到一级A标准，但出水总氮仍未达标。分析图5发现，运行到第11小时，氨氮已降到最低值，可以忽略不计。但总氮（主要为硝基氮）质量浓度为28 mg/L，在其后运行中降低很少。此时CODCr达到111 mg/L，此后降低幅度不大，说明此时的碳源已无法满足反硝化对碳源的需求，需外加碳源进行补充。跟踪实验证实运行还在继续：1）需要补充碳源；2）反应周期太长，有缩短的可能。

图5 反应器典型周期内pH值、DO、CODCr及氮类化合物变化Fig.5 Change of pH，DO，CODCrand nitrogen compounds in typical cycle

第4阶段（第60～75周期）。优化调整及达标运行阶段。跟踪实验后发现，闲置期内CODCr、氨氮和总氮浓度并无明显变化，所以取消闲置期，将反应运行周期缩短为14.5 h，运行方式改进为：瞬时进水2 L、缺氧搅拌2 h、曝气9 h、搅拌3 h、排水0.5 h。选择在第7小时补充碳源，同时考虑到经济因素，采用分段进水模式运行。从第60周期开始，改为分段进水，分段进水按照周期开始时第0小时进总水量的75%（1.5 L），第7小时进剩余的25%（0.5 L），不再另外投加碳源。分段进水CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为600，80，87 mg/L，即模拟食品发酵废水目标值。

稳定运行阶段的CODCr及氮类化合物质量浓度变化情况如图6。由图6可知，反应器运行16个周期后出水稳定，平均出水CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为56，0.65，14 mg/L，平均去除率分别为90%，99%和83%。出水水质效果稳定，出水氨氮和总氮质量浓度已达到一级A标准。后期向处理后的出水投加20 mg/L的聚合氯化铝，经混凝沉淀后的出水CODCr小于20 mg/L，其去除率60%～70%。至此出水CODCr、氨氮和总氮质量浓度均已达到一级A标准。

图6 反应器稳定运行阶段Fig.6 Stable operation stage of reactor

3 结 论

对模拟食品发酵工业废水（CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别大于等于600，80，85 mg/L）进行ASND运行研究。向SBR反应器投加脱氮菌剂进行污泥驯化（生化活性污泥驯化-硝化能力驯化-脱氮能力驯化），调整优化操作条件，稳定达标运行。其平均出水CODCr、氨氮和总氮质量浓度分别为56，0.65，14 mg/L，相应平均去除率分别为90%，99%和83%。后期向处理后的出水投加20 mg/L的聚合氯化铝，经混凝沉淀后的出水CODCr小于20 mg/L，至此出水CODCr、氨氮和总氮质量浓度均已达到GB 18918—2002中的一级A标准。运行方式为瞬时进水、缺氧搅拌2 h、曝气9 h、搅拌3 h、排水0.5 h。选择在第7小时补充碳源，同时考虑到经济因素，采用分次进水模式运行。运行时需要保持好氧段DO为4～5 mg/L，pH值在7.0～7.8，温度保持在20℃以上。

ASND技术能够有效实现脱氮处理，轻松达到国标中的一级A排放标准。该技术的核心部分由异养硝化-好养反硝化菌组成，通过短期驯化即可适应目标废水的水质。整个方案对工程应用具有一定的参考意义，使投加降氮菌剂处理食品发酵工业废水成为可能。

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Study on Treatment of Food Fermentation Wastewater by ASND and Effluent Complying to GB 18918—2002 1A Discharge Standard

ZHANG Xianxin， WANG Ping*， MENG Wei
（School of Food and Chemical Engineering，Beijing Technology and Business University，Beijing 100048，China）

Heterotrophic nitrification-aerobic denitrification strains were added to the SBR reactor and the sludge domestication containing advantage strains was cultivated.The operation cycle was optimized，which made strains having good biochemical，nitrification and denitrification performances.The simulation food fermentation wastewater，containing about 80 mg/L CODCr，85 mg/L ammonia nitrogen，and 600 mg/L total nitrogen，was treated by the SBR reactor.After treatment，the concentrations of CODCr，ammonia nitrogen，and total nitrogen were 56，0.65，and 14 mg/L，respectively.Moreover，the concentration of CODCrwas less than 20 mg/L after the polyaluminium chloride coagulation precipitation.The concentrations of CODCr，ammonia nitrogen，and total nitrogen reached the urban sewage treatment plant pollutant discharge standard（GB 18918—2002），which is first A standard.The standard stated that the concentrations of CODCr，ammonia nitrogen，and total nitrogen in wastewater were less than 50，5，and 15 mg/L，respectively.

aerobic simultaneous nitrification and denitrification；food fermentation industry；waste water；first A class discharge standard

叶红波）

X505；TS208

A

10.3969/j.issn.2095-6002.2015.05.011

2095-6002（2015）05-0063-06

张宪鑫，汪苹，孟维.ASND法处理食品发酵废水出水达一级A标准工艺研究［J］.食品科学技术学报，2015，33（5）：63-68.

ZHANG Xianxin，WANG Ping，MENG Wei.Study on treatment of food fermentation wastewater by ASND and effluent complying to GB 18918—2002 1A discharge standard［J］.Journal of Food Science and Technology，2015，33（5）：63-68.

2014-08-02

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAK17B11）。

张宪鑫，女，硕士研究生，研究方向为水污染控制工程；*汪 苹，女，教授，主要从事水污染控制工程方面的研究。通信作者。