反硝化聚磷菌菌劑強化SBR處理效果研究

李 微，朱心雨，劉 寧，孫慧智

(1.沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.中國市政工程東北設計研究總院有限公司，吉林 長春 130021)

污水處理的方法主要有物理法、化學法和生物法，其中生物法是通過微生物的代謝作用，吸附、分解或吸收污染物質，達到凈化水質的效果，被廣泛應用于城鎮(zhèn)污水及工業(yè)廢水的處理。隨著生物脫氮除磷技術的不斷發(fā)展，發(fā)現生物強化技術可以有效地提高系統對污染物的處理效果，而投加微生物菌劑就是其中的一項重要技術。微生物菌劑是由單一微生物或者復合微生物菌群制備而成，能夠高效降解污染物，同時功能菌種會在系統中形成優(yōu)勢菌群抑制其他有害菌的生長繁殖[1]。微生物菌劑中菌種的主要部分是活性污泥中的菌種，具有無需對現有設備進行改變、操作簡單、對環(huán)境污染少等優(yōu)點[2-3]，是一種具有可持續(xù)發(fā)展的工藝。國外最具代表性的菌劑為日本比嘉照夫教授于1983年研制的EM菌劑[3]。王杰等[4]以實際河水為對象，曝氣條件下投加硝化菌菌劑,在120 h內可將河水的氨氮質量濃度降解至Ⅳ類水質，但對城鎮(zhèn)污水處理的指導性不夠。L.Guo等[5]研究的反硝化菌菌劑為微生物菌劑脫氮提供了理論基礎，但硝態(tài)氮的去除率還不夠高。莊志剛等[6]研究的聚磷菌菌劑最高去除率可達(81.02±2.27)%。邵嘯等[7]篩選馴化出聚磷菌株假單胞菌D3和D6，除磷效率分別為83.9%和93.0%。目前，反硝化聚磷菌菌劑在SBR法中的應用情況還不完善，脫氮除磷效率還有待提高。因此，筆者以降低SBR污染物出水質量濃度為目標，研究反硝化聚磷菌菌劑強化SBR脫氮除磷及有機物的去除效果，可以在節(jié)約碳源、不改變反應器構造的同時，顯著改善污水處理效果。

1 實 驗

1.1 實驗材料

采用5個有效容積1L的SBR為反應裝置，取未經馴化的遼寧省撫順市三寶屯污水處理廠二沉池污泥為基質，分別向5個SBR裝置中投加250 mL的二沉池活性污泥，使反應器中泥水體積比為1∶3，保持MLSS質量濃度在2 800～3 300 mg/L內波動。反硝化聚磷菌菌劑來源于孫慧智[8]的實驗成果，制備成功的微生物菌劑呈土黃色的固體粉末狀，聞起來有發(fā)酵物的味道，菌劑所含有效活菌數為108 CFU/g左右，可直接投入反應器中使用。分別向反應器中投加不同量菌劑0 g、0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g，將SBR編號為A、B、C、D、E.5個反應器的進水水質和運行參數保持相同，進水COD質量濃度為212.62 mg/L、TP質量濃度為10.24 mg/L、在缺氧階段投加質量濃度為35 mg/L的NaNO3作為電子受體，pH為7.5，冬季水溫10 ℃。SBR連續(xù)運行30 d，每天運行4個周期，每個周期反應300 min，運行方式：瞬時進水→厭氧120 min→缺氧150 min→沉淀30 min→瞬時排水。

1.2 實驗水質

實驗用水采用人工配制的模擬生活污水，外加碳源為CH3COONa，氮源為NH4Cl，磷源為KH2PO4，此外還添加了CaCl2、MgSO4·7H2O和微量元素，各個微量元素的配比如表1和表2所示。加入碳酸氫鈉將pH調節(jié)至7.5。

表1 模擬廢水成分

表2 微量元素組成

1.3 分析方法

根據《水和廢水監(jiān)測分析法》(第四版)[9]，常規(guī)檢測項目及分析方法如表3所示。

表3 檢測指標及方法

2 結果與分析

2.1 投加菌劑量對SBR反應器處理效果的影響

2.1.1 COD去除效果

5個SBR反應器對COD的去除效果如圖1所示。

圖1 不同菌劑投加量對COD的去除效果

2～12 d時不同菌劑投加量對COD的去除效果有明顯差異，但12～30 d時投加量對COD去除效果的影響較小。2～12 d時菌劑還未適應反應器內的運行環(huán)境。未投加菌劑系統在8 d的COD質量濃度為45.27 mg/L，能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，30 d的COD出水質量濃度達到了8.44 mg/L，COD去除率為96.03%。投加量為1.5 g的系統在6 d的出水COD質量濃度為37.06 mg/L，達到一級A標準，COD去除率為97.26%。對比可知，投加微生物菌劑對COD去除率的增幅為4.1%。12 d的COD去除率為91.23%，在5個反應器中最先超過90%。系統運行的12 d，去除曲線坡度明顯變緩且趨于穩(wěn)定，表明反應器中的活性污泥已經適應了環(huán)境，并開始利用廢水中的有機物進行新陳代謝，從而降低COD。COD的去除主要發(fā)生在厭氧段，說明COD被DPAO(反硝化聚磷菌)利用合成PHA(聚羥基脂肪酸酯)[10]。經過一段時間的富集，DPAO成為優(yōu)勢菌種，因而各個系統的COD去除效果好。王越興等的實驗結果表明微生物菌劑投加后，至少12 d才有可能表現出明顯的處理效果[2]。代鵬飛等發(fā)現系統運行至7 d開始，COD去除率呈逐漸增長趨勢[11]。

當投加量為2.0 g時，系統在6 d的出水COD質量濃度為36.00 mg/L，達到一級A標準，COD去除率為96.84%，30 d的去除率略低于投加量為1.5 g的系統。由于實驗中SBR反應器的體積較小，水中營養(yǎng)物質數量一定且微生物的生存空間有限，無法滿足DPAO的正常生長。過多的DPAO產生競爭，可能導致部分微生物的死亡，從而導致處理效果略微下降。文婭等[12]認為當菌劑投加量為2.0 g時，菌劑本身對水樣的COD增加值可能大于其降解值而導致去除效果下降。投加量為1.5 g的系統對COD的去除效率最高。

2.2.2 TP去除效果

5個SBR反應器對TP的去除效果如圖2所示。

圖2 不同菌劑投加量對TP的去除效果

菌劑投加量對廢水中TP的去除率具有一定影響。在運行的30 d中，未投加菌劑系統的TP處理效果總體低于投加菌劑的系統。說明投加的反硝化聚磷菌菌劑有較強的吸磷效果，且可以避免DPAO與系統內其他菌種的生存競爭，一方面抑制反硝化菌生長，另一方面加快了DPAO的繁殖使其成為優(yōu)勢菌種。

未投加菌劑的SBR系統經30 d運行后的出水TP質量濃度為1.69 mg/L，未達到一級A標準。前20 d的TP去除率增長速率較快，經過30 d后去除率仍較低，僅為83.52%。原因是傳統聚磷菌在缺氧運行段缺少O2作為電子受體，導致無法將系統中的磷酸鹽吸收并儲存在體內，也就影響了下一厭氧運行段的釋磷反應，導致處理效果不佳?；蛘呤且驗橄到y中存在一部分反硝化菌及其他菌群跟DPAO爭奪碳源和電子受體，導致除磷不高效。蔡勛江等認為由于沒有排泥，反應器的去除效果受運行條件的影響而使吸附的磷重新釋放到反應器內[13]。而投加菌劑量為1.5 g的系統26 d的出水TP質量濃度為0.4 mg/L，達到一級A標準，30 d的出水TP質量濃度為0.36 mg/L。TP去除率在30 d高達96.47%，何秋來等的實驗TP去除率也高于90%[14]。當投菌量為2.0 g時，系統在30 d的出水TP質量濃度為0.38 mg/L，TP去除率為96.26%，處理效果相較于投加量為1.5 g的系統反而下降。因此判斷投加量為1.5 g的系統TP去除效果最好。

投加量為1.5 g時，系統對COD和TP的處理效果，6 d時出水COD質量濃度為37.06 mg/L，達到一級A標準，而出水TP質量濃度在26 d才達到一級A標準。原因是聚磷菌和系統中的其他異養(yǎng)菌產生協同作用，共同去除COD[15-16]；而TP的去除只能依賴于聚磷菌，聚磷菌有好氧吸磷和厭氧釋磷的過程，即使通過競爭成為優(yōu)勢菌種也需要一定時間，因而導致TP去除過程較慢。

2.2.3 NO3--N去除效果

圖3 不同菌劑投加量對的去除效果

2.3 典型周期內去除效果分析

圖4 典型周期內系統運行效果

未投加菌劑系統運行的30 d，厭氧階段結束時TP質量濃度為22.93 mg/L，釋磷量為13.09 mg/L，單位質量濃度的污泥單位時間內的釋磷速率是0.109 mg/h；缺氧階段結束后的出水TP質量質量濃度為1.13 mg/L，吸磷量為21.8 mg/L，吸磷反應效率為0.145 mg/(L·min)。原因是DPAO長期與該系統內部長期存在的反硝化菌等異養(yǎng)菌爭奪C、N源和電子受體，使其不能富集并成為優(yōu)勢菌種，進而導致對總磷的處理效果不佳[22-23]。菌劑投加量為1.5 g的系統運行的30 d，厭氧階段結束時TP質量濃度為36.03 mg/L，釋磷量為26.19 mg/L，單位質量濃度的污泥單位時間內的釋磷速率是0.218 mg/h；缺氧階段結束后出水TP質量濃度為0.4 mg/L，吸磷量為35.63 mg/L，吸磷反應效率為0.238 mg/(L·min)。投加菌劑量為1.5 g系統的釋磷和吸磷反應效率相較于未投加菌劑系統分別提升了0.109 mg/(L·min)和0.093 mg/(L·min)。由于反硝化聚磷菌菌劑的投加，系統對磷的吸附和去除能力都有大幅提升。

3 結 論

(2)菌劑投加量為1.5 g的系統對SBR系統的強化效果最好，經過30 d運行后相較于未投加菌劑系統的除磷和脫氮效率分別提高了8.38%和13.03%。

(3)微生物菌劑的投加可以有效地發(fā)揮DPAO菌群的功效，生物強化可提高系統對污水的反硝化脫氮除磷效果。