好氧颗粒污泥处理模拟污水最佳脱氮工况

摘 要：探索了好氧颗粒污泥（AGS）处理碳氮比为5的模拟废水的脱氮效果。通过单因素试验探究了污泥浓度、外投碳源浓度及接种自养AGS质量占比对总无机氮（TIN）去除率的影响，确定各影响因素适宜的范围为：污泥浓度在4000～6000 mg/L，外投碳源浓度在100～200 mg/L，自养AGS接种占比为75%～25%。利用响应曲面法分析各因素对TIN去除的影响，确定最佳运行工况。显著性影响因子排序为：外投碳源浓度＞污泥浓度＞自养AGS质量占比。最佳工况为：泥量浓度4957.22 mg/L、外投碳源浓度

200 mg/L、接种自养AGS质量占比57.78%，对TIN去除率的预测值为94.06%。

关键词：好氧颗粒污泥；碳氮比；污泥浓度；碳源；接种污泥

中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1673-9655（2024）05-00-05

0 引言

生活污水及市政污水中常会含有不同浓度的氨氮，若不经妥善处理排入水体极大可能会造成水体富营养化。活性污泥法是我国污水生化处理中的主流工艺，主要工艺原理是通过好氧硝化及缺氧反硝化使氨氮转化为氮气。参照德国ATV标准（ATV-DVWKA131E），活性污泥去除1 g氮需要消耗5 g碳源（以COD计）。然而，我国市政污水常普遍呈低碳氮比特征，其碳氮比常难以达到5，导致生化脱氮过程中常存在碳源不足问题[1]。为了满足出水达标排放要求，污水处理厂常采用外投碳源方式提升反硝化效果[2，3]。该方法虽然快捷、高效，但会增大运行成本。

好氧颗粒污泥（aerobic granular sludge，AGS）是微生物自凝聚形成的颗粒状生物聚合体。与活性污泥相比，它具有沉降快、结构致密、单级脱氮除磷等优点[4]，被认为是极具发展前景的新型污水处理工艺[5，6]。目前，有关AGS应用于污水脱氮的研究层出不穷[7]，并表现出一定的节能降耗优势[8]。然而，进水碳氮比的降低亦会导致AGS的脱氮效率下降[9-11]。对此，研究者们探索了改变曝气方式[12]、外投碳源[13]等策略以提升AGS的脱氮效率。实际上，除了碳源浓度外，污泥浓度、功能菌丰度（如硝化细菌及反硝化细菌）等亦会影响AGS脱氮效果[14]，但这些因素的显著性及它们的最佳组合工况尚缺乏系统研究。因此，探索这些因素之间的相互影响并获取最佳工艺组合具有较好的技术指导意义。

通常，运行过程中外投碳源浓度及污泥浓度相对容易调控，但功能菌丰度（尤其是自养硝化细菌丰度）存在较大不确定性，使得定量分析其对AGS脱氮效果影响仍具挑战。得益于实验室已开展的自养AGS快速培养研究[15，16]，本研究可以自由调控自养AGS比例以控制自养硝化细菌丰度。在曝气方式对AGS脱氮影响研究基础上[12，13]，通过单因素试验分别探究污泥浓度、外投碳源浓度及接种自养AGS质量分数对碳氮比为5的模拟污水总无机氮（TIN）去除率的影响，研究各因素变量和TIN去除率之间的关系，从而确定最佳工艺组合，为AGS技术的应用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 接种污泥

异养AGS取自实验室内SBR（高度200 cm，内径19.8 cm，有效体积为55.42 L），处理对象为无机高氨氮废水，采用好氧反应-缺氧反应/外投碳源-好氧反应运行模式，换水率为60%；AGS呈黄褐色（图1），多为不规则球状、并夹杂着许多破碎颗粒，污泥体积指数（SVI）为39.68 mL/g，混合液挥发性悬浮固体/混合液悬浮固体（MLVSS/MLSS）为0.85，胞外聚合物（EPS）为23.92 mg/gMLSS，多糖/蛋白质（PN/PS）之比为3.58，比耗氧速率（SOUR）为28.81 mgO2/gMLVSS·h，平均粒径为1.04 mm，氨氮去除率为83.76%左右，TIN去除率为80.52%左右。

自养AGS取自实验室序内另一SBR（高度200 cm，内径14 cm，有效体积为27.69 L），换水率为60%，处理对象为模拟无机高氨氮废水（无外投碳源）。自养AGS呈暗黄色，形状多为椭球状，污泥体积指数（SVI）为35.52 mL/g，混合液挥发性悬浮固体/混合液悬浮固体（MLVSS/MLSS）为0.87，胞外聚合物（EPS）为45.59 mg/gMLSS，多糖/蛋白质（PN/PS）之比为1.99，比耗氧速率（SOUR）为38.75 mgO2/gMLVSS·h，平均粒径为1.12 mm，氨氮去除率为95.44%左右，TIN去除率为55.61%左右。利用高通量测序测定接种AGS菌群组成。异养AGS中硝化细菌优势菌属为Nitrosomonas（丰度为0.2%），反硝化细菌优势菌属为Thauera（丰度为10.4%）、unclassified_Comamonadaceae（丰度为8.8%）、unclassified_Chitinophagaceae（丰度为7.9%）、unclassified_Burkholderiales（丰度为7.8%）、Aeromonas（丰度为7%）等。自养AGS中主要硝化细菌优势菌属为Nitrosomonas（丰度为39.37%），反硝化细菌优势菌属为unclassified_Xanthomonadaceae（丰度为7.91%）。可见，两种接种AGS可分别提供大量反硝化及硝化功能菌。

1.2 试验装置

试验在500 mL锥形瓶内进行，各取接种反应器内400 mL完全混合泥水混合液，待混合液完全沉降后去除上清液后利用去离子水冲洗3次，随后按所需比例转移至500 mL三角锥形瓶内，加模拟废水至300 mL。由六联加热磁力搅拌器（巩义予华，HJ-6）提供加热与搅拌，反应温度保持在30℃左右。反应时间360 min，包括3次循环“60 min曝气+60 min搅拌”（表1）。好氧反应通过电磁式空气泵（日生，ACO-008B）为锥形瓶提供曝气，曝气量由玻璃转子流量计（LZB-3WB）控制在2.8 L/min左右，缺氧反应通过磁力搅拌子提供搅拌，曝气和搅拌时间由时控开关（品益，AL-06）进行精确控制，具体试验参数见表2。

1.3 模拟水质

模拟废水化学需氧量（COD）、氨氮及总磷（TP）分别为300 mg/L、60 mg/L及3 mg/L，具体水质组成见龙焙等[17]推荐的配方。有机碳源由乙酸钠提供（以COD计，1 g CH3COONa提供的COD为0.68 g，配置成1000 mg/L的COD使用液），氨氮及TP由氯化铵及磷酸二氢钾提供。在每个批次试验第二段曝气完成后（即180 min时）外投液体碳源，分别投加0、50、100、150及200 mg/L液体碳源（投加量分别为0、15、30、45及60 mL）。

1.4 分析测试方法

SVI、MLSS、MLVSS、COD、氨氮、亚硝态氮均采用国家标准分析方法测定[18]，硝态氮采用麝香草酚分光光度法。TIN为氨氮、硝态氮及亚硝态氮三者之和。污泥形态变化用数码相机拍照记录。高通量制样及测序参考Chen等[19]推荐的方法。

2 单因素及响应曲面优化分析

2.1 单因素试验

2.1.1 污泥浓度对TIN去除率的影响

控制接种异养AGS和自养AGS所占比例各为50%、无外投碳源，不同污泥浓度下脱氮效果见图2。随着污泥浓度的增大，出水氨氮与出水亚硝态氮均先减小后趋于稳定，出水硝态氮在20～25 mg/L，出水TIN先减小、随后趋于稳定，TIN去除率先增大、随后稳定在65%左右。结果表明当污泥浓度＞3000 mg/L时，污泥浓度对脱氮效果影响不大。

2.1.2 外投碳源浓度对TIN去除率的影响

控制接种异养AGS和自养AGS所占比例为50%、污泥浓度5000 mg/L，不同外投碳源浓度下脱氮效果见图3。随着外投碳源浓度的增大，出水氨氮先减小、随后几乎接近零，出水亚硝态氮变化不大（保持在5 mg/L以下），出水硝态氮及TIN均不断减小，TIN去除率先呈直线上升、随后缓慢增大。结果表明外投碳源对提升脱氮效率有立竿见影效果，但当外投碳源浓度在100 mg/L以上时对脱氮效果的改善作用不再明显。

2.1.3 接种自养AGS占比对TIN去除率的影响

控制污泥浓度5000 mg/L、无外投碳源，不同异养AGS/自养AGS接种比例下脱氮效果见图4。随着自养AGS比例的减小，出水氨氮变化不大、基本保持在5～10 mg/L，出水亚硝态氮先接近零、但最后突然增大至15 mg/L左右，出水硝态氮呈减小趋势，出水TIN先减小后增大，TIN去除率先增大后减小。结果表明接种自养AGS占比对氨氧化影响不大，因为异养AGS亦能提供氨氧化细菌。接种自养AGS占比的减小及异养AGS的增大意味着反应器内反硝化细菌丰度的上升，更有利于反硝化脱氮，因而出水硝态氮呈减小趋势。但自养AGS接种比例的减小会导致硝化细菌丰度持续减小，推测是缺少亚硝酸盐氧化细菌导致亚硝态氮的积累，进而导致TIN去除率的减小。

2.2 响应曲面优化分析

（1）响应曲面设计

使用Design -Expert 8.06软件，以Box -Behnken Design （BBD）设计试验参数[20]，探究污泥浓度（A）、外投碳源浓度（B）及自养AGS占比（C）对TIN去除率的影响。各因素水平和编码见表3。根据单因素试验结果初步确定各因素的适宜范围：污泥浓度在4000～6000 mg/L，外投碳源浓度在100～200 mg/L，自养AGS占比为75%～25%。试验方案设计和TIN去除率结果如表4示。

由Design-Expert 8.06软件分析试验数据，得TIN去除率回归方程Y1为：Y1= +92.69+1.44×A+ 2.02×B+0.98×C-1.17×A×B-1.29×A×C-0.77×B×C-1.48×A2-0.68×B2-0.42×C2。

（2）方差分析

使用方差分析（ANOVA）对模型的结果进行显著性分析（表5）。模型的F值为6.55，说明该模型具有一定的回归性，表明对TIN去除率是有显著的作用[21，22]。A、B、C的F值分别为11.64、22.87及5.34，则各因素对TIN去除率的显著性影响顺序为外投碳源浓度＞污泥量＞自养AGS占比。精密度（adeq precision）为8.637＞4，说明模型对TIN去除率的分析比较准确。模型中的A、B、C、A2的p值小于显著水平0.05，说明是显著的模型因素，而＞0.1的BC、B2、C2是不显著的因素项。

残差分析见图5，从图中可知，残差与概率呈线性关系，计算得到的响应曲面法结果显著，数据分析具有可靠性。软件分析的p-value值为0.0107（＜0.05），数据分析结果显著。

（3）影响因素交互分析

通过分析试验模型的等高线图和三维响应曲面图能够直观的反应各个因素之间交互作用及各因素对响应值的影响（图6）。当两个因素相互的等高线呈现椭圆形时，表明两个因素交互作用显著，图形越扁，说明因素间的交互作用越显著；当两个因素相互的等高线呈现圆形则表明相互作用不显著。从三种因素两两相互的情况分析可知污泥浓度、外投碳源浓度及自养AGS占比之间都存在交互作用，其中外投碳源浓度和污泥量、外投碳源浓度和自养AGS占比之间交换作用影响比较显著，污泥量和自养AGS占比交换作用影响相较最小。

通过响应面数据的预测分析法，得出3种因素最优工况为：A=4957.22 mg/L，B=200 mg/L，C=57.78%，其对TIN去除率的预测值为94.06%。这一结果已优于目前大部分研究中报道的AGS的TIN去除率[7，8]，与已报道的碳氮比为7可实现完全的反硝化脱氮相符[23]。

3 结论

对TIN去除率的显著性影响顺序为外投碳源浓度＞污泥量＞自养AGS占比，且三者之间存在交互作用，最优工况为：污泥浓度=4957.22 mg/L、

外投碳源浓度=200 mg/L、自养AGS质量占比=57.78%，对TIN去除率的预测值为94.06%。

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Optimal Denitrification Parameters of Aerobic Granular Sludge for Treating Simulated Wastewater

LIU Yan-chen1， LI Zheng-hao2， LUO Yi2， KANG Jian-lin2， LI Guang-ming2， NIE Jia-le2， ZHU De-hao2， CHENG Yuan-yuan2， LONG Bei2

（1. Jiangxi Baizhong Environmental Protection Technology Co.， LTD.， Ganzhou Jiangxi 341700，China）

Abstract： This paper investigated the denitrification performances of aerobic granular sludge （AGS） for treating simulated wastewater with the ratio of carbon to nitrogen of 5. The effects of sludge concentration， exogenous carbon source dosage and mass proportion of autotrophic AGS on the removal efficiency of total inorganic nitrogen （TIN） were explored by single factor experiments， and the suitable range of each influencing factor was determined as follows： sludge concentration in the range of 4000～6000 mg/L， exogenous carbon source concentration in the range of 100～200 mg/L， and the mass proportion of seed autotrophic AGS in the range of 75%～25%. The response surface method was employed to analyze the influence of each factor on TIN removal efficiency and to determine the optimal operational parameters. The significant of influencing factors in descending order was as follows： dosage of exogenous carbon source， sludge concentration and mass proportion of autotrophic AGS. The optimal operational parameters for nitrogen removal were as follows： sludge concentration of 4957.22 mg/L， exogenous carbon source dosage of 200 mg/L"and autotrophic AGS mass proportion of 57.78%， and the predicted TIN removal efficiency was 94.06%.

Key words： aerobic granular sludge; carbon to nitrogen ratio; sludge concentration; carbon source; seed sludge

基金项目：江西省大学生创新训练计划项目（S202310407060、S202210407024）。

作者简介： 刘衍琛（1992-），男，江西赣州人，学士，助理工程师，主要从事高效废水生物处理技术研发工作。

通信作者：程媛媛（1985-），女，硕士，实验师，主要从事污泥颗粒化及应用研究工作。