好氧顆粒污泥處理模擬污水最佳脫氮工況

摘 要：探索了好氧顆粒污泥（AGS）處理碳氮比為5的模擬廢水的脫氮效果。通過單因素試驗(yàn)探究了污泥濃度、外投碳源濃度及接種自養(yǎng)AGS質(zhì)量占比對(duì)總無機(jī)氮（TIN）去除率的影響，確定各影響因素適宜的范圍為：污泥濃度在4000～6000 mg/L，外投碳源濃度在100～200 mg/L，自養(yǎng)AGS接種占比為75%～25%。利用響應(yīng)曲面法分析各因素對(duì)TIN去除的影響，確定最佳運(yùn)行工況。顯著性影響因子排序?yàn)椋和馔短荚礉舛龋疚勰酀舛龋咀责B(yǎng)AGS質(zhì)量占比。最佳工況為：泥量濃度4957.22 mg/L、外投碳源濃度

200 mg/L、接種自養(yǎng)AGS質(zhì)量占比57.78%，對(duì)TIN去除率的預(yù)測值為94.06%。

關(guān)鍵詞：好氧顆粒污泥；碳氮比；污泥濃度；碳源；接種污泥

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9655（2024）05-00-05

0 引言

生活污水及市政污水中常會(huì)含有不同濃度的氨氮，若不經(jīng)妥善處理排入水體極大可能會(huì)造成水體富營養(yǎng)化?；钚晕勰喾ㄊ俏覈鬯幚碇械闹髁鞴に?，主要工藝原理是通過好氧硝化及缺氧反硝化使氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。參照德國ATV標(biāo)準(zhǔn)（ATV-DVWKA131E），活性污泥去除1 g氮需要消耗5 g碳源（以COD計(jì)）。然而，我國市政污水常普遍呈低碳氮比特征，其碳氮比常難以達(dá)到5，導(dǎo)致生化脫氮過程中常存在碳源不足問題[1]。為了滿足出水達(dá)標(biāo)排放要求，污水處理廠常采用外投碳源方式提升反硝化效果[2，3]。該方法雖然快捷、高效，但會(huì)增大運(yùn)行成本。

好氧顆粒污泥（aerobic granular sludge，AGS）是微生物自凝聚形成的顆粒狀生物聚合體。與活性污泥相比，它具有沉降快、結(jié)構(gòu)致密、單級(jí)脫氮除磷等優(yōu)點(diǎn)[4]，被認(rèn)為是極具發(fā)展前景的新型污水處理工藝[5，6]。目前，有關(guān)AGS應(yīng)用于污水脫氮的研究層出不窮[7]，并表現(xiàn)出一定的節(jié)能降耗優(yōu)勢[8]。然而，進(jìn)水碳氮比的降低亦會(huì)導(dǎo)致AGS的脫氮效率下降[9-11]。對(duì)此，研究者們探索了改變曝氣方式[12]、外投碳源[13]等策略以提升AGS的脫氮效率。實(shí)際上，除了碳源濃度外，污泥濃度、功能菌豐度（如硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌）等亦會(huì)影響AGS脫氮效果[14]，但這些因素的顯著性及它們的最佳組合工況尚缺乏系統(tǒng)研究。因此，探索這些因素之間的相互影響并獲取最佳工藝組合具有較好的技術(shù)指導(dǎo)意義。

通常，運(yùn)行過程中外投碳源濃度及污泥濃度相對(duì)容易調(diào)控，但功能菌豐度（尤其是自養(yǎng)硝化細(xì)菌豐度）存在較大不確定性，使得定量分析其對(duì)AGS脫氮效果影響仍具挑戰(zhàn)。得益于實(shí)驗(yàn)室已開展的自養(yǎng)AGS快速培養(yǎng)研究[15，16]，本研究可以自由調(diào)控自養(yǎng)AGS比例以控制自養(yǎng)硝化細(xì)菌豐度。在曝氣方式對(duì)AGS脫氮影響研究基礎(chǔ)上[12，13]，通過單因素試驗(yàn)分別探究污泥濃度、外投碳源濃度及接種自養(yǎng)AGS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳氮比為5的模擬污水總無機(jī)氮（TIN）去除率的影響，研究各因素變量和TIN去除率之間的關(guān)系，從而確定最佳工藝組合，為AGS技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 接種污泥

異養(yǎng)AGS取自實(shí)驗(yàn)室內(nèi)SBR（高度200 cm，內(nèi)徑19.8 cm，有效體積為55.42 L），處理對(duì)象為無機(jī)高氨氮廢水，采用好氧反應(yīng)-缺氧反應(yīng)/外投碳源-好氧反應(yīng)運(yùn)行模式，換水率為60%；AGS呈黃褐色（圖1），多為不規(guī)則球狀、并夾雜著許多破碎顆粒，污泥體積指數(shù)（SVI）為39.68 mL/g，混合液揮發(fā)性懸浮固體/混合液懸浮固體（MLVSS/MLSS）為0.85，胞外聚合物（EPS）為23.92 mg/gMLSS，多糖/蛋白質(zhì)（PN/PS）之比為3.58，比耗氧速率（SOUR）為28.81 mgO2/gMLVSS·h，平均粒徑為1.04 mm，氨氮去除率為83.76%左右，TIN去除率為80.52%左右。

自養(yǎng)AGS取自實(shí)驗(yàn)室序內(nèi)另一SBR（高度200 cm，內(nèi)徑14 cm，有效體積為27.69 L），換水率為60%，處理對(duì)象為模擬無機(jī)高氨氮廢水（無外投碳源）。自養(yǎng)AGS呈暗黃色，形狀多為橢球狀，污泥體積指數(shù)（SVI）為35.52 mL/g，混合液揮發(fā)性懸浮固體/混合液懸浮固體（MLVSS/MLSS）為0.87，胞外聚合物（EPS）為45.59 mg/gMLSS，多糖/蛋白質(zhì)（PN/PS）之比為1.99，比耗氧速率（SOUR）為38.75 mgO2/gMLVSS·h，平均粒徑為1.12 mm，氨氮去除率為95.44%左右，TIN去除率為55.61%左右。利用高通量測序測定接種AGS菌群組成。異養(yǎng)AGS中硝化細(xì)菌優(yōu)勢菌屬為Nitrosomonas（豐度為0.2%），反硝化細(xì)菌優(yōu)勢菌屬為Thauera（豐度為10.4%）、unclassified_Comamonadaceae（豐度為8.8%）、unclassified_Chitinophagaceae（豐度為7.9%）、unclassified_Burkholderiales（豐度為7.8%）、Aeromonas（豐度為7%）等。自養(yǎng)AGS中主要硝化細(xì)菌優(yōu)勢菌屬為Nitrosomonas（豐度為39.37%），反硝化細(xì)菌優(yōu)勢菌屬為unclassified_Xanthomonadaceae（豐度為7.91%）?？梢?，兩種接種AGS可分別提供大量反硝化及硝化功能菌。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在500 mL錐形瓶內(nèi)進(jìn)行，各取接種反應(yīng)器內(nèi)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離子水沖洗3次，隨后按所需比例轉(zhuǎn)移至500 mL三角錐形瓶內(nèi)，加模擬廢水至300 mL。由六聯(lián)加熱磁力攪拌器（鞏義予華，HJ-6）提供加熱與攪拌，反應(yīng)溫度保持在30℃左右。反應(yīng)時(shí)間360 min，包括3次循環(huán)“60 min曝氣+60 min攪拌”（表1）。好氧反應(yīng)通過電磁式空氣泵（日生，ACO-008B）為錐形瓶提供曝氣，曝氣量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)（LZB-3WB）控制在2.8 L/min左右，缺氧反應(yīng)通過磁力攪拌子提供攪拌，曝氣和攪拌時(shí)間由時(shí)控開關(guān)（品益，AL-06）進(jìn)行精確控制，具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。

1.3 模擬水質(zhì)

模擬廢水化學(xué)需氧量（COD）、氨氮及總磷（TP）分別為300 mg/L、60 mg/L及3 mg/L，具體水質(zhì)組成見龍焙等[17]推薦的配方。有機(jī)碳源由乙酸鈉提供（以COD計(jì)，1 g CH3COONa提供的COD為0.68 g，配置成1000 mg/L的COD使用液），氨氮及TP由氯化銨及磷酸二氫鉀提供。在每個(gè)批次試驗(yàn)第二段曝氣完成后（即180 min時(shí)）外投液體碳源，分別投加0、50、100、150及200 mg/L液體碳源（投加量分別為0、15、30、45及60 mL）。

1.4 分析測試方法

SVI、MLSS、MLVSS、COD、氨氮、亞硝態(tài)氮均采用國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法測定[18]，硝態(tài)氮采用麝香草酚分光光度法。TIN為氨氮、硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮三者之和。污泥形態(tài)變化用數(shù)碼相機(jī)拍照記錄。高通量制樣及測序參考Chen等[19]推薦的方法。

2 單因素及響應(yīng)曲面優(yōu)化分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 污泥濃度對(duì)TIN去除率的影響

控制接種異養(yǎng)AGS和自養(yǎng)AGS所占比例各為50%、無外投碳源，不同污泥濃度下脫氮效果見圖2。隨著污泥濃度的增大，出水氨氮與出水亞硝態(tài)氮均先減小后趨于穩(wěn)定，出水硝態(tài)氮在20～25 mg/L，出水TIN先減小、隨后趨于穩(wěn)定，TIN去除率先增大、隨后穩(wěn)定在65%左右。結(jié)果表明當(dāng)污泥濃度＞3000 mg/L時(shí)，污泥濃度對(duì)脫氮效果影響不大。

2.1.2 外投碳源濃度對(duì)TIN去除率的影響

控制接種異養(yǎng)AGS和自養(yǎng)AGS所占比例為50%、污泥濃度5000 mg/L，不同外投碳源濃度下脫氮效果見圖3。隨著外投碳源濃度的增大，出水氨氮先減小、隨后幾乎接近零，出水亞硝態(tài)氮變化不大（保持在5 mg/L以下），出水硝態(tài)氮及TIN均不斷減小，TIN去除率先呈直線上升、隨后緩慢增大。結(jié)果表明外投碳源對(duì)提升脫氮效率有立竿見影效果，但當(dāng)外投碳源濃度在100 mg/L以上時(shí)對(duì)脫氮效果的改善作用不再明顯。

2.1.3 接種自養(yǎng)AGS占比對(duì)TIN去除率的影響

控制污泥濃度5000 mg/L、無外投碳源，不同異養(yǎng)AGS/自養(yǎng)AGS接種比例下脫氮效果見圖4。隨著自養(yǎng)AGS比例的減小，出水氨氮變化不大、基本保持在5～10 mg/L，出水亞硝態(tài)氮先接近零、但最后突然增大至15 mg/L左右，出水硝態(tài)氮呈減小趨勢，出水TIN先減小后增大，TIN去除率先增大后減小。結(jié)果表明接種自養(yǎng)AGS占比對(duì)氨氧化影響不大，因?yàn)楫愷B(yǎng)AGS亦能提供氨氧化細(xì)菌。接種自養(yǎng)AGS占比的減小及異養(yǎng)AGS的增大意味著反應(yīng)器內(nèi)反硝化細(xì)菌豐度的上升，更有利于反硝化脫氮，因而出水硝態(tài)氮呈減小趨勢。但自養(yǎng)AGS接種比例的減小會(huì)導(dǎo)致硝化細(xì)菌豐度持續(xù)減小，推測是缺少亞硝酸鹽氧化細(xì)菌導(dǎo)致亞硝態(tài)氮的積累，進(jìn)而導(dǎo)致TIN去除率的減小。

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化分析

（1）響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)

使用Design -Expert 8.06軟件，以Box -Behnken Design （BBD）設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)[20]，探究污泥濃度（A）、外投碳源濃度（B）及自養(yǎng)AGS占比（C）對(duì)TIN去除率的影響。各因素水平和編碼見表3。根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果初步確定各因素的適宜范圍：污泥濃度在4000～6000 mg/L，外投碳源濃度在100～200 mg/L，自養(yǎng)AGS占比為75%～25%。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和TIN去除率結(jié)果如表4示。

由Design-Expert 8.06軟件分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得TIN去除率回歸方程Y1為：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）對(duì)模型的結(jié)果進(jìn)行顯著性分析（表5）。模型的F值為6.55，說明該模型具有一定的回歸性，表明對(duì)TIN去除率是有顯著的作用[21，22]。A、B、C的F值分別為11.64、22.87及5.34，則各因素對(duì)TIN去除率的顯著性影響順序?yàn)橥馔短荚礉舛龋疚勰嗔浚咀责B(yǎng)AGS占比。精密度（adeq precision）為8.637＞4，說明模型對(duì)TIN去除率的分析比較準(zhǔn)確。模型中的A、B、C、A2的p值小于顯著水平0.05，說明是顯著的模型因素，而＞0.1的BC、B2、C2是不顯著的因素項(xiàng)。

殘差分析見圖5，從圖中可知，殘差與概率呈線性關(guān)系，計(jì)算得到的響應(yīng)曲面法結(jié)果顯著，數(shù)據(jù)分析具有可靠性。軟件分析的p-value值為0.0107（＜0.05），數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯著。

（3）影響因素交互分析

通過分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡雀呔€圖和三維響應(yīng)曲面圖能夠直觀的反應(yīng)各個(gè)因素之間交互作用及各因素對(duì)響應(yīng)值的影響（圖6）。當(dāng)兩個(gè)因素相互的等高線呈現(xiàn)橢圓形時(shí)，表明兩個(gè)因素交互作用顯著，圖形越扁，說明因素間的交互作用越顯著；當(dāng)兩個(gè)因素相互的等高線呈現(xiàn)圓形則表明相互作用不顯著。從三種因素兩兩相互的情況分析可知污泥濃度、外投碳源濃度及自養(yǎng)AGS占比之間都存在交互作用，其中外投碳源濃度和污泥量、外投碳源濃度和自養(yǎng)AGS占比之間交換作用影響比較顯著，污泥量和自養(yǎng)AGS占比交換作用影響相較最小。

通過響應(yīng)面數(shù)據(jù)的預(yù)測分析法，得出3種因素最優(yōu)工況為：A=4957.22 mg/L，B=200 mg/L，C=57.78%，其對(duì)TIN去除率的預(yù)測值為94.06%。這一結(jié)果已優(yōu)于目前大部分研究中報(bào)道的AGS的TIN去除率[7，8]，與已報(bào)道的碳氮比為7可實(shí)現(xiàn)完全的反硝化脫氮相符[23]。

3 結(jié)論

對(duì)TIN去除率的顯著性影響順序?yàn)橥馔短荚礉舛龋疚勰嗔浚咀责B(yǎng)AGS占比，且三者之間存在交互作用，最優(yōu)工況為：污泥濃度=4957.22 mg/L、

外投碳源濃度=200 mg/L、自養(yǎng)AGS質(zhì)量占比=57.78%，對(duì)TIN去除率的預(yù)測值為94.06%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 景香順， 李鑫瑋， 張曉紅， 等. 低碳源市政污水處理優(yōu)化運(yùn)行的研究與工程應(yīng)用[J]. 給水排水， 2019， 55（11）：33-37.

[2] 王艷， 黃路明， 安佳坤. 減少外加碳源強(qiáng)化脫氮在A2/O氧化溝的應(yīng)用[J]. 水處理技術(shù)， 2023， 49（9）：148-151，156.

[3] 劉超， 劉運(yùn)東， 王志剛， 等. 低碳氮比條件下生物脫氮成本控制方法分析應(yīng)用[J]. 給水排水， 2022， 58（12）：37-41.

[4] Winkler M K H， Meunier C， Heriet O， et al. An integrative review of granular sludge for the biological removal of nutrients and recalcitrant organic matter from wastewater [J]. Chemical Engineering Journal， 2018（336）： 489-502．

[5] 李志華， 李偉志， 賈燕茹， 等. 好氧顆粒污泥技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化分析[J]. 工業(yè)水處理， 2023， 43（10）：1-8.

[6] 余誠， 張凱淵， 王凱軍， 等. 連續(xù)流好氧顆粒污泥技術(shù)升級(jí)現(xiàn)有污水處理工程[J]. 中國給水排水， 2023， 39（13）：1-8.

[7] 黃思濃， 林樹濤， 易名儒， 等. 好氧顆粒污泥的脫氮途徑研究進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理， 2021， 41（9）：37-42.

[8] Wang C L， Fu L Y， Li Z W， et al. Formation， application， and storage-reactivation of aerobic granular sludge： A review[J] Journal of environmental management， 2022（323）： 116302.

[9] 曾玉， 曾敏靜， 程媛媛， 等. 好氧顆粒污泥的培養(yǎng)及處理低碳氮比廢水效果 [J]. 有色金屬科學(xué)與工程， 2021， 12（4）： 104-111.

[10] 毛世超， 王燕萍， 陳芳媛. 低碳氮比廢水好氧顆粒污泥系統(tǒng)穩(wěn)定性及微生物種群多樣性研究[J]. 環(huán)境化學(xué)， 2021， 40（3）： 904-913.

[11] 周寅飛， 董薇， 肖子瑞. 運(yùn)行模式對(duì)好氧顆粒污泥處理低碳氮比城鎮(zhèn)廢水的特性研究 [J]. 水處理技術(shù)， 2022， 48（7）：117 - 120，130.

[12] 張斌超， 曾敏靜， 黃思濃， 等. 交替曝氣模式下自養(yǎng)硝化顆粒污泥的脫氮性能[J]. 水處理技術(shù)， 2021， 47（12）：77-80.

[13] 李正昊， 曾敏靜， 陳月茹， 等.外加碳源對(duì)好氧顆粒污泥強(qiáng)化低碳氮比污水脫氮效果[J].凈水技術(shù)，2023， 42（9）：80-87，175.

[14] 李航， 董立春， 呂利平. 強(qiáng)化脫氮工藝在污水處理中的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 工業(yè)水處理， 2021， 41（8）：20-24，91.

[15] Zhang L N， Long B， Cheng Y Y， et al. Rapid cultivation and stability of autotrophic nitrifying granular sludge[J]. Water Science and Technology， 2020， 81（2）： 309-320.

[16] Zhang B C， Long B， Cheng Y Y， et al. Rapid domestication of autotrophic nitrifying granular sludge and its stability during long-term operation [J]. Environmental Technology， 2021， 42（16）： 2587-2598.

[17] 龍焙， 程媛媛， 趙玨， 等. 好氧顆粒污泥處理化工廢水的應(yīng)用研究 [J]. 中國給水排水， 2017， 33（5）： 26-32.

[18] 國家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版） [M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2006.

[19] Chen C Q， Bin L Y， Tang B， et al. Cultivating granular sludge directly in a continuous-flow membrane bioreactor with internal circulation[J]. Chemical Engineering Journal， 2017（309）： 108-117.

[20] Yan L， Hu H X， Zhang S， et al. Arsenic tolerance and bioleaching from realgar based on response surface methodology by Acidithiobacillus ferrooxidans isolated from Wudalianchi Volcanic Lake， northeast China[J]. Electronic Journal of Biotechnology， 2017（25）： 50-57.

[21] Shi X L， Karachi A， Hosseini M， et al．Ultrasound wave assisted removal of ceftriaxone sodium in aqueous media with novel nano composite g-C3N4/MWCNT /Bi2WO6 based on CCD-RSM model[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2020（68）： 104460．

[22] Pinto J A， Prietio M A， Ferreira I C F R， et al．Analysis of the oxypropylation process of a lignocellulosic material， almond shell， using the response surface methodology （RSM） [J]. Industrial Crops and Products， 2020（153）： 112542．

[23] 龔云華， 高廷耀. 廢水處理同時(shí)硝化/反硝化脫氮技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 煤礦環(huán)境保護(hù)， 2001， 15（5）：17-21.

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

基金項(xiàng)目：江西省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202310407060、S202210407024）。

作者簡介： 劉衍?。?992-），男，江西贛州人，學(xué)士，助理工程師，主要從事高效廢水生物處理技術(shù)研發(fā)工作。

通信作者：程媛媛（1985-），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事污泥顆?；皯?yīng)用研究工作。