反硝化聚磷菌菌剂强化SBR处理效果研究

2022-11-15朱心雨孙慧智

沈阳建筑大学学报（自然科学版） 2022年4期

李微，朱心雨，刘宁，孙慧智

(1.沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁沈阳 110168；2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司，吉林长春 130021)

污水处理的方法主要有物理法、化学法和生物法，其中生物法是通过微生物的代谢作用，吸附、分解或吸收污染物质，达到净化水质的效果，被广泛应用于城镇污水及工业废水的处理。随着生物脱氮除磷技术的不断发展，发现生物强化技术可以有效地提高系统对污染物的处理效果，而投加微生物菌剂就是其中的一项重要技术。微生物菌剂是由单一微生物或者复合微生物菌群制备而成，能够高效降解污染物，同时功能菌种会在系统中形成优势菌群抑制其他有害菌的生长繁殖[1]。微生物菌剂中菌种的主要部分是活性污泥中的菌种，具有无需对现有设备进行改变、操作简单、对环境污染少等优点[2-3]，是一种具有可持续发展的工艺。国外最具代表性的菌剂为日本比嘉照夫教授于1983年研制的EM菌剂[3]。王杰等[4]以实际河水为对象，曝气条件下投加硝化菌菌剂,在120 h内可将河水的氨氮质量浓度降解至Ⅳ类水质，但对城镇污水处理的指导性不够。L.Guo等[5]研究的反硝化菌菌剂为微生物菌剂脱氮提供了理论基础，但硝态氮的去除率还不够高。庄志刚等[6]研究的聚磷菌菌剂最高去除率可达(81.02±2.27)%。邵啸等[7]筛选驯化出聚磷菌株假单胞菌D3和D6，除磷效率分别为83.9%和93.0%。目前，反硝化聚磷菌菌剂在SBR法中的应用情况还不完善，脱氮除磷效率还有待提高。因此，笔者以降低SBR污染物出水质量浓度为目标，研究反硝化聚磷菌菌剂强化SBR脱氮除磷及有机物的去除效果，可以在节约碳源、不改变反应器构造的同时，显著改善污水处理效果。

1 实验

1.1 实验材料

采用5个有效容积1L的SBR为反应装置，取未经驯化的辽宁省抚顺市三宝屯污水处理厂二沉池污泥为基质，分别向5个SBR装置中投加250 mL的二沉池活性污泥，使反应器中泥水体积比为1∶3，保持MLSS质量浓度在2 800～3 300 mg/L内波动。反硝化聚磷菌菌剂来源于孙慧智[8]的实验成果，制备成功的微生物菌剂呈土黄色的固体粉末状，闻起来有发酵物的味道，菌剂所含有效活菌数为108 CFU/g左右，可直接投入反应器中使用。分别向反应器中投加不同量菌剂0 g、0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g，将SBR编号为A、B、C、D、E.5个反应器的进水水质和运行参数保持相同，进水COD质量浓度为212.62 mg/L、TP质量浓度为10.24 mg/L、在缺氧阶段投加质量浓度为35 mg/L的NaNO3作为电子受体，pH为7.5，冬季水温10 ℃。SBR连续运行30 d，每天运行4个周期，每个周期反应300 min，运行方式：瞬时进水→厌氧120 min→缺氧150 min→沉淀30 min→瞬时排水。

1.2 实验水质

实验用水采用人工配制的模拟生活污水，外加碳源为CH3COONa，氮源为NH4Cl，磷源为KH2PO4，此外还添加了CaCl2、MgSO4·7H2O和微量元素，各个微量元素的配比如表1和表2所示。加入碳酸氢钠将pH调节至7.5。

表1 模拟废水成分

表2 微量元素组成

1.3 分析方法

根据《水和废水监测分析法》(第四版)[9]，常规检测项目及分析方法如表3所示。

表3 检测指标及方法

2 结果与分析

2.1 投加菌剂量对SBR反应器处理效果的影响

2.1.1 COD去除效果

5个SBR反应器对COD的去除效果如图1所示。

图1 不同菌剂投加量对COD的去除效果

2～12 d时不同菌剂投加量对COD的去除效果有明显差异，但12～30 d时投加量对COD去除效果的影响较小。2～12 d时菌剂还未适应反应器内的运行环境。未投加菌剂系统在8 d的COD质量浓度为45.27 mg/L，能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，30 d的COD出水质量浓度达到了8.44 mg/L，COD去除率为96.03%。投加量为1.5 g的系统在6 d的出水COD质量浓度为37.06 mg/L，达到一级A标准，COD去除率为97.26%。对比可知，投加微生物菌剂对COD去除率的增幅为4.1%。12 d的COD去除率为91.23%，在5个反应器中最先超过90%。系统运行的12 d，去除曲线坡度明显变缓且趋于稳定，表明反应器中的活性污泥已经适应了环境，并开始利用废水中的有机物进行新陈代谢，从而降低COD。COD的去除主要发生在厌氧段，说明COD被DPAO(反硝化聚磷菌)利用合成PHA(聚羟基脂肪酸酯)[10]。经过一段时间的富集，DPAO成为优势菌种，因而各个系统的COD去除效果好。王越兴等的实验结果表明微生物菌剂投加后，至少12 d才有可能表现出明显的处理效果[2]。代鹏飞等发现系统运行至7 d开始，COD去除率呈逐渐增长趋势[11]。

当投加量为2.0 g时，系统在6 d的出水COD质量浓度为36.00 mg/L，达到一级A标准，COD去除率为96.84%，30 d的去除率略低于投加量为1.5 g的系统。由于实验中SBR反应器的体积较小，水中营养物质数量一定且微生物的生存空间有限，无法满足DPAO的正常生长。过多的DPAO产生竞争，可能导致部分微生物的死亡，从而导致处理效果略微下降。文娅等[12]认为当菌剂投加量为2.0 g时，菌剂本身对水样的COD增加值可能大于其降解值而导致去除效果下降。投加量为1.5 g的系统对COD的去除效率最高。

2.2.2 TP去除效果

5个SBR反应器对TP的去除效果如图2所示。

图2 不同菌剂投加量对TP的去除效果

菌剂投加量对废水中TP的去除率具有一定影响。在运行的30 d中，未投加菌剂系统的TP处理效果总体低于投加菌剂的系统。说明投加的反硝化聚磷菌菌剂有较强的吸磷效果，且可以避免DPAO与系统内其他菌种的生存竞争，一方面抑制反硝化菌生长，另一方面加快了DPAO的繁殖使其成为优势菌种。

未投加菌剂的SBR系统经30 d运行后的出水TP质量浓度为1.69 mg/L，未达到一级A标准。前20 d的TP去除率增长速率较快，经过30 d后去除率仍较低，仅为83.52%。原因是传统聚磷菌在缺氧运行段缺少O2作为电子受体，导致无法将系统中的磷酸盐吸收并储存在体内，也就影响了下一厌氧运行段的释磷反应，导致处理效果不佳。或者是因为系统中存在一部分反硝化菌及其他菌群跟DPAO争夺碳源和电子受体，导致除磷不高效。蔡勋江等认为由于没有排泥，反应器的去除效果受运行条件的影响而使吸附的磷重新释放到反应器内[13]。而投加菌剂量为1.5 g的系统26 d的出水TP质量浓度为0.4 mg/L，达到一级A标准，30 d的出水TP质量浓度为0.36 mg/L。TP去除率在30 d高达96.47%，何秋来等的实验TP去除率也高于90%[14]。当投菌量为2.0 g时，系统在30 d的出水TP质量浓度为0.38 mg/L，TP去除率为96.26%，处理效果相较于投加量为1.5 g的系统反而下降。因此判断投加量为1.5 g的系统TP去除效果最好。

投加量为1.5 g时，系统对COD和TP的处理效果，6 d时出水COD质量浓度为37.06 mg/L，达到一级A标准，而出水TP质量浓度在26 d才达到一级A标准。原因是聚磷菌和系统中的其他异养菌产生协同作用，共同去除COD[15-16]；而TP的去除只能依赖于聚磷菌，聚磷菌有好氧吸磷和厌氧释磷的过程，即使通过竞争成为优势菌种也需要一定时间，因而导致TP去除过程较慢。

2.2.3 NO3--N去除效果

图3 不同菌剂投加量对的去除效果

2.3 典型周期内去除效果分析

图4 典型周期内系统运行效果

未投加菌剂系统运行的30 d，厌氧阶段结束时TP质量浓度为22.93 mg/L，释磷量为13.09 mg/L，单位质量浓度的污泥单位时间内的释磷速率是0.109 mg/h；缺氧阶段结束后的出水TP质量质量浓度为1.13 mg/L，吸磷量为21.8 mg/L，吸磷反应效率为0.145 mg/(L·min)。原因是DPAO长期与该系统内部长期存在的反硝化菌等异养菌争夺C、N源和电子受体，使其不能富集并成为优势菌种，进而导致对总磷的处理效果不佳[22-23]。菌剂投加量为1.5 g的系统运行的30 d，厌氧阶段结束时TP质量浓度为36.03 mg/L，释磷量为26.19 mg/L，单位质量浓度的污泥单位时间内的释磷速率是0.218 mg/h；缺氧阶段结束后出水TP质量浓度为0.4 mg/L，吸磷量为35.63 mg/L，吸磷反应效率为0.238 mg/(L·min)。投加菌剂量为1.5 g系统的释磷和吸磷反应效率相较于未投加菌剂系统分别提升了0.109 mg/(L·min)和0.093 mg/(L·min)。由于反硝化聚磷菌菌剂的投加，系统对磷的吸附和去除能力都有大幅提升。