應(yīng)用生物強(qiáng)化技術(shù)對(duì)含食品廢水的污水中菌群的改造研究

王丹陽， 汪 蘋,*， 方貴銀, 許 文， 錢仁清

(1.北京工商大學(xué) 食品學(xué)院， 北京 100048；2.格銳環(huán)境工程有限公司， 江蘇 張家港 215600)

近年來，隨著我國工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，環(huán)保部制定了節(jié)能減排目標(biāo)，同時(shí)將城鎮(zhèn)污水處理廠的污染物排放指標(biāo)提高，即出水排入國家和省確定的重點(diǎn)流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時(shí)，要達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)中規(guī)定的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[1](以下簡稱“一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)”)。污水處理廠出水總氮(TN)等指標(biāo)的控制越來越嚴(yán)格，許多水廠面臨穩(wěn)定達(dá)標(biāo)和降低能耗雙項(xiàng)任務(wù)。夾雜工業(yè)、城鎮(zhèn)廢水的園區(qū)污水處理廠的污染物處理問題是污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。園區(qū)廢水中的工業(yè)廢水(占比可從30%～90%)往往含有許多難以生物降解的污染物[2]，含有大量食品廢水的污水具有有機(jī)物、TN、脂肪及懸浮物含量高等特點(diǎn)[3]。我國地方城鎮(zhèn)污水處理廠大多含有屠宰、肉類加工、食品發(fā)酵等廢水，尋求更加經(jīng)濟(jì)高效的污水處理新方法勢(shì)在必行。

目前，我國對(duì)城鎮(zhèn)污水處理主體工藝的改造一般有4種方式：一是對(duì)原有的活性污泥工藝進(jìn)行調(diào)整，二是生物強(qiáng)化技術(shù)，三是增加化學(xué)處理過程，四是增加深度處理。生物強(qiáng)化技術(shù)是一種通過向廢水處理系統(tǒng)中投加從自然界中篩選的高效功能菌株，達(dá)到對(duì)某一種或某一類有害物質(zhì)的去除或某方面性能改進(jìn)目的的環(huán)境生物新技術(shù)[4]。該技術(shù)的應(yīng)用方式主要分為直接投加功能菌株和投加固定化微生物兩種，具有微生物菌劑生長繁殖快、分解效率高、作用針對(duì)性強(qiáng)、工程造價(jià)低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。目前利用微生物直投法對(duì)污水廠菌群改造的研究少見報(bào)道，大多數(shù)研究者僅限于小型試驗(yàn)，缺少將生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)工程的研究實(shí)例。本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室篩選得到的高效產(chǎn)蛋白酶、淀粉酶菌株及異養(yǎng)硝化- 好氧反硝化菌株，制備成復(fù)合微生物菌劑，對(duì)蘇州市某工業(yè)園區(qū)污水處理廠活性污泥(含有大量食品和印染工業(yè)廢水)進(jìn)行菌群改造，增加有效菌群數(shù)量，改善其出水TN、氨氮(NH3-N)、COD以及活性污泥性能，提高系統(tǒng)活性污泥耐沖擊負(fù)荷。希望在節(jié)約能源的同時(shí)，二沉池出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1 菌株來源及性能

采用本實(shí)驗(yàn)室脫氮、脫碳菌庫中篩選出的8株菌，通過模擬含食品廢水的工業(yè)園區(qū)污水進(jìn)行定向馴化，復(fù)配制得復(fù)合微生物菌劑。復(fù)合菌劑的脫氮、脫碳、除磷及產(chǎn)酶活性已在定向馴化過程中測(cè)得，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。8株菌均為兼性菌，單株菌可將NH3-N直接轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓摰緩胶喗?、速度快，可?shí)現(xiàn)同步生化/硝化/反硝化過程[5-10]。7株菌可高效產(chǎn)蛋白酶、淀粉酶，將大分子有機(jī)物水解成小分子物質(zhì)。所測(cè)結(jié)果中蛋白酶活性定義為：在一定溫度和pH值條件下，每分鐘催化酪蛋白，水解生成1 μg酪氨酸的酶量，為一個(gè)酶活力單位；淀粉酶活性定義為：在40 ℃，一定pH值條件下，5 min內(nèi)水解1 mg淀粉的酶量，為一個(gè)酶活力單位，均以U/mL表示。L1- 1、L2- 3、WXZ- 17(見表1中菌株命名上帶*者)為反硝化聚磷菌[11]，其除磷原理為，以硝基氮或亞硝基氮為電子接受體的聚磷菌(常規(guī)聚磷菌是以氧氣為電子接受體)，可實(shí)現(xiàn)在有氧條件下既脫氮又除磷。

表1 異養(yǎng)硝化- 好氧反硝化菌株脫氮、脫碳、除磷性能及酶活性

“√”表示對(duì)苯胺有一定的降解性能；“*”表示反硝化聚磷菌。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1微生物菌劑的活化

嚴(yán)格配制培養(yǎng)基。將所配得培養(yǎng)基經(jīng)121 ℃高溫滅菌20 min，取出冷卻后，在無菌操作室內(nèi)從斜管中挑一環(huán)接種，再經(jīng)30 ℃、160 r/min恒溫?fù)u床培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)所得菌液經(jīng)3倍離心復(fù)配后，獲得目標(biāo)菌液。菌液質(zhì)量濃度為1.225 g/L。

活化培養(yǎng)基(g/L)：葡萄糖1，乙酸鈉0.5，酵母膏0.25，CaCl20.075，MgSO4·7H2O 0.2，(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 0.04，NH4Cl 0.062 5，NaNO30.062 5，蛋白胨0.062 5， KH2PO40.002 1，K2HPO40.002 8。

1.2.2復(fù)合微生物菌劑的現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)培

1)現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)培。將活化所得菌劑20 L裝入塑料桶內(nèi)帶至現(xiàn)場(chǎng)。為短時(shí)間內(nèi)獲得大量菌劑，不考慮嚴(yán)格滅菌條件，通過4個(gè)不同體積的擴(kuò)培罐逐級(jí)進(jìn)行培養(yǎng)，直至復(fù)合菌劑體積容量達(dá)到30 m3。

培養(yǎng)基：擴(kuò)培罐A、B、C、D所采用的培養(yǎng)基配制方法同活化培養(yǎng)基。30 m3擴(kuò)培池所采用的培養(yǎng)基配制方法為葡萄糖4 kg/m3(COD約為4 000 mg/L)，尿素0.5 kg/m3(TN約為100 mg/L)，磷肥60 g/m3(TP約為4 mg/L)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)培實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Field expansion experiment device

2)實(shí)驗(yàn)裝置。復(fù)合微生物菌劑現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)培實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。擴(kuò)培罐由圓柱形有機(jī)玻璃柱加工而成。在反應(yīng)器壁的垂直方向設(shè)置排取樣口，用以取樣和排菌；以黏砂塊作為微孔曝氣器，采用鼓風(fēng)曝氣；距反應(yīng)器底部一定高度設(shè)有排菌口；曝氣管由穿孔膠管連接而成，壓縮空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制流量后，再經(jīng)曝氣管釋放到反應(yīng)器。進(jìn)水直接由反應(yīng)器頂部加入。

本實(shí)驗(yàn)有5種規(guī)格的擴(kuò)培罐：擴(kuò)培罐A直徑24 cm，高46 cm，有效容積為18 L；擴(kuò)培罐B直徑40 cm，高80 cm，有效容積為100 L；擴(kuò)培罐C直徑79 cm，高80 cm，有效容積為390 L；擴(kuò)培罐D(zhuǎn)直徑110 cm，高107 cm，有效容積為1 000 L。30 m3擴(kuò)培池長3米，寬2米，深5米，有效容積為30 m3。

1.2.3復(fù)合微生物菌劑的投放

將復(fù)合微生物菌劑從A/O池的進(jìn)口端通過管道注入。投放時(shí)間為每日8:00，投放菌劑占全部污泥的體積比約為1∶10。自2017年4月25日起投放，7月16日停止加菌，繼續(xù)運(yùn)行兩個(gè)月，共計(jì)147 d。由于外源微生物投加到新鮮污泥中會(huì)與污泥中原有的微生物種群形成一種選擇性和競(jìng)爭性的生長繁殖，菌劑的生長需要一定的適應(yīng)期，只有外源菌通過自身繁殖增加有效菌群含量，才能實(shí)現(xiàn)脫氮、脫碳、除磷，故將實(shí)驗(yàn)期間數(shù)據(jù)分為4個(gè)階段，后續(xù)以二沉池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1)加菌前：4月20日— 4月24日，共計(jì)5 d。

2)菌群適應(yīng)期：4月25日—5月7日，共計(jì)13 d。

3)菌群穩(wěn)定期：5月8日—7月16日，共計(jì)70 d。

4)停止加菌：7月17日— 9月18日，共計(jì)64 d。

其中2)、3)、4)作為實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期。

1.2.4取樣方式

1)擴(kuò)培罐A、B、C、D菌液取樣方法：用錐形瓶從處于曝氣狀態(tài)下的擴(kuò)培罐中移取適量體積且充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮木骸?/p>

2)30 m3擴(kuò)培池菌液取樣方法：用重物將帶繩子的小桶垂入擴(kuò)培池，從處于曝氣狀態(tài)下的擴(kuò)培池中移取適量體積且攪拌均勻后的菌液，倒入錐形瓶。

3)調(diào)節(jié)池、生化池及二沉池取樣方法：用重物將帶繩子的小桶垂入池中，每日早8點(diǎn)從處于曝氣狀態(tài)下的池中移取適量體積且充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮奈勰?，倒入錐形瓶。

1.3 分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法

CODCr測(cè)定采用重鉻酸鉀法測(cè)定，NH3-N測(cè)定采用水楊酸法，TN測(cè)定采用過硫酸鹽氧化法，均使用美國哈希水質(zhì)測(cè)定儀測(cè)定；pH值、DO采用WTW便攜式測(cè)定儀測(cè)定；菌體量采用光密度法，測(cè)量含菌培養(yǎng)液在600 nm波長處的吸光值。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合微生物菌劑對(duì)生化池TN去除效果的影響

圖2為微生物菌劑添加前后進(jìn)出水TN去除情況。由于進(jìn)水夾雜高氮食品工業(yè)廢水，排放無規(guī)律，導(dǎo)致TN頻繁波動(dòng)。加菌前，調(diào)節(jié)池進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為10～74 mg/L，二沉池出水TN質(zhì)量濃度為7～25 mg/L，說明TN的偶有升高現(xiàn)象直接抑制或影響生化池微生物的代謝作用，導(dǎo)致出水TN超標(biāo)。投加菌劑9 d后，調(diào)節(jié)池進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為9～78 mg/L，二沉池出水TN質(zhì)量濃度降至0.4～5.2 mg/L。菌群穩(wěn)定期二沉池出水TN去除率是93.48%；加菌前背景值，二沉池出水TN去除率是55.10%。加菌后TN去除有了很明顯改善，在原有基礎(chǔ)上提高近70%，接下來的2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平，說明菌劑對(duì)污泥的適應(yīng)性強(qiáng)，活性好；進(jìn)入菌群穩(wěn)定期后，TN基本穩(wěn)定，呈小范圍波動(dòng)，原因是系統(tǒng)內(nèi)有效菌群含量增加，對(duì)含氮化合物降解能力加強(qiáng)；菌群穩(wěn)定期后期，TN濃度漸趨平緩，表明所構(gòu)建的菌群穩(wěn)定有效，脫氮效果好。進(jìn)水隱藏的TN偶然變化是難以控制的，實(shí)驗(yàn)后可以達(dá)到穩(wěn)定的TN出水水質(zhì)，均達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，復(fù)配菌劑對(duì)TN去除已經(jīng)開始發(fā)揮明顯功效，因而生化池中的活性污泥抗沖擊負(fù)荷能力顯著提升。

圖2 實(shí)驗(yàn)期間TN去除情況Fig.2 TN removal during experiment

2.2 復(fù)合微生物菌劑對(duì)生化池NH3-N去除效果的影響

二沉池NH3-N去除情況如圖3。自2017年4月25日開始投加微生物菌劑，第10天表現(xiàn)出脫氮效果，NH3-N達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，充分說明實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)很成功。菌群穩(wěn)定期二沉池出水NH3-N去除率是83.15%，對(duì)比加菌前背景值，二沉池出水NH3-N去除率是50.6%；加菌后NH3-N去除效果有了很明顯改善，在原有基礎(chǔ)上提高60%以上，接下來的 2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平。

圖3 實(shí)驗(yàn)期間二沉池NH3-N質(zhì)量濃度變化情況Fig.3 Changes in concentration of NH3-N in secondary settling tank during experiment

圖4 實(shí)驗(yàn)期間二沉池COD變化情況 Fig.4 Changes of COD in secondary settling tank during experiment

2.3 復(fù)合微生物菌劑對(duì)生化池COD的影響

二沉池COD變化情況如圖4。自投加微生物菌劑第5天起，COD逐天降低，可能由于菌劑能分泌出大量胞外水解酶，促進(jìn)污水中大分子有機(jī)物分解成小分子物質(zhì)，再被其他微生物進(jìn)一步分解利用。菌群適應(yīng)期，系統(tǒng)內(nèi)污泥COD雖略有波動(dòng)，但后期基本穩(wěn)定在35 mg/L左右，實(shí)驗(yàn)期間COD變化范圍為27～48 mg/L，平均值為34.82 mg/L。菌群穩(wěn)定期二沉池出水COD去除率91.40%；加菌前背景值二沉池出水COD去除率85.32%，加菌后有極其穩(wěn)定的COD出水水質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，利用菌劑進(jìn)行脫碳過程中，不但不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成影響，反而能夠提高系統(tǒng)對(duì)COD的去除率，該結(jié)果與已有研究一致[12-13]。

2.4 復(fù)合微生物菌劑對(duì)生化池污泥濃度的影響

實(shí)驗(yàn)前為了保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，不得不加大回流污泥量，生化池中的污泥濃度(MLSS)基本維持在8 000 mg/L左右，甚至有時(shí)達(dá)到10 000 mg/L。隨之而來的問題就是需要更大的曝氣量，而實(shí)驗(yàn)開始前生化池風(fēng)機(jī)的充氧能力已經(jīng)達(dá)到最高限。生物強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的另一重要目的就是提高活性污泥的降解性能，在保證出水水質(zhì)提高的前提下，減少污泥濃度，起到節(jié)能作用。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)過多，故選取生化池東線每10天污泥濃度數(shù)據(jù)為一組，計(jì)算均值，并繪制污泥濃度變化折線圖，見圖5。

圖5 實(shí)驗(yàn)期間生化池污泥濃度變化趨勢(shì)Fig.5 Trend of sludge concentration in biochemical pool during experiment

從圖5可以看出，污泥總的變化趨勢(shì)從初期8 000～10 000 mg/L，到加菌結(jié)束后穩(wěn)定在5 500～7 000 mg/L。4月20日— 6月1日期間，數(shù)據(jù)的升高可能是由于實(shí)驗(yàn)初期，剛加入系統(tǒng)的菌劑與系統(tǒng)內(nèi)的土著微生物存在競(jìng)爭關(guān)系，菌群結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，再加上進(jìn)水濃度較高，系統(tǒng)內(nèi)的微生物處理能力有限，導(dǎo)致菌株對(duì)有機(jī)物降解不徹底，進(jìn)而系統(tǒng)中的微生物以底泥的形式存留下來，表現(xiàn)為污泥濃度升高。在復(fù)配菌劑生長成熟和反應(yīng)池內(nèi)土著微生物形成菌群后(約6月1日前后)，出水TN、NH3-N、COD穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，污泥濃度基本上呈現(xiàn)緩慢、持續(xù)式下降，回流污泥量回歸正常水平，直至9月初污泥濃度保持在6 000 mg/L左右，有效降低了氧的消耗。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因，一方面是由于添加外源菌使系統(tǒng)內(nèi)的菌群結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，生物強(qiáng)化作用增加，土著微生物對(duì)污染物的利用更加充分，加快了對(duì)死泥的分解利用；另一方面菌劑的添加使系統(tǒng)內(nèi)活性污泥活性更好，生命周期延長，死泥的產(chǎn)生量較少。復(fù)配菌劑使系統(tǒng)中活性污泥的抗負(fù)荷能力增強(qiáng)，進(jìn)而出水水質(zhì)變好。新形成的菌群同時(shí)還具有顯著提高進(jìn)水對(duì)系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力，提高出水水質(zhì)的作用。投加的微生物菌劑成為優(yōu)勢(shì)菌種，在高效脫氮、脫碳情況下減少溶解氧的消耗，故可適當(dāng)降低回流量，進(jìn)而降低污泥濃度。生化池中不再需要更多的曝氣量擬合系統(tǒng)，解決了能耗過大的問題。

3 結(jié) 論

1)復(fù)合菌劑注入生化池后, 菌種在生化池中能夠很好地存活, 在短期內(nèi)迅速繁殖成為優(yōu)勢(shì)菌群。對(duì)摻雜食品廢水的工業(yè)污水中的高TN、NH3-N、COD均有較好的去除作用。

2)面對(duì)排放無規(guī)律、成分復(fù)雜的工業(yè)廢水，投加菌劑9 d后，二沉池出水TN質(zhì)量濃度為0.4～5.2 mg/L，TN去除率是93.48%；加菌前，背景值二沉池出水TN去除率55.10%，在原有基礎(chǔ)上提高近70%。進(jìn)水隱藏的TN偶然變化是難以控制的，實(shí)驗(yàn)后可以達(dá)到穩(wěn)定的TN出水水質(zhì)，即達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說明，復(fù)配菌劑已經(jīng)開始發(fā)揮明顯功效，因而生化池中的活性污泥抗沖擊負(fù)荷能力顯著提升。

3)于生化池投加菌劑第10天起，NH3-N含量逐日降低；第15天時(shí)，NH3-N基本穩(wěn)定，呈小范圍波動(dòng)。加菌后NH3-N去除有了很明顯改善，在原有基礎(chǔ)上提高60%以上，且停止加菌后的 2個(gè)月基本維持在這個(gè)水平，說明菌劑可有效脫氮。

4)于生化池投加菌劑第5天起，COD逐日降低。15 d后，系統(tǒng)內(nèi)污泥COD含量雖略有波動(dòng)，但后期基本穩(wěn)定在35 mg/L左右。加菌后二沉池出水COD去除率是91.40%，對(duì)比加菌前有極其穩(wěn)定的COD出水水質(zhì)， 這是由于菌劑能分泌出大量的胞外水解酶，促進(jìn)污水中的大分子有機(jī)物分解成小分子物質(zhì)，再被其他微生物進(jìn)一步分解利用。

5)復(fù)配菌劑生長成熟并和曝氣池內(nèi)土著微生物形成共生菌群后，停止加菌2個(gè)月，并在此期間控制回流污泥，從而將生化池中污泥濃度持續(xù)降低(從9 000 mg/L降低到6 000 mg/L左右)。復(fù)合菌劑在高效脫氮、脫碳情況下，能夠減少溶解氧的消耗，降低污泥濃度，解決了污水廠廢水處理中能耗過大的問題。