摘要：从活性污泥中筛选出1株具有高效反硝化能力的聚磷菌B8，将其投加于无回流多级A/O生物反应器中，进行生物强化去除总氮（TN）和总磷（TP）试验，考察B8对多级A/O工艺的脱氮除磷效果，推测B8生物强化脱氮除磷机理与TN降解动力学模型。结果表明，连续投加14 d B8菌液于无回流多级A/O反应器后，投菌阶段TP平均去除率为73.03%，而未投菌阶段TP平均去除率为57.31%，同时投菌阶段TN平均去除率为70.72%，未投菌阶段TN平均去除率为61.17%，从而证实投加B8菌液能有效强化无回流多级A/O工艺脱氮除磷能力。无回流多级A/O工艺对TN的降解符合Modified Stover-Kincannon动力学模式。
关键词：反硝化菌；多级A/O工艺；生活污水；脱氮除磷
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）13-2446-05
DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.13.012
Research on Treatment of Rural Domestic Wastewater with Technical Process of Multiple Stages A/O without Reflux and Enhancement by Functional Bacteria
HUANG Bin1，ZHOU Xin-cheng1，2， CHEN Dong1， GE Qiu-fan1， CHEN Ze-hui1， DONG Xiao-na1， ZHANG Wen-yi1
（1. School of Environmental & Safety Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， Jiangsu， China；
2. Changzhou Shuizhongtian Ecological Garden Engineering Limited Company， Changzhou 213164， Jiangsu， China）
Abstract： In this study， a high-effective denitrification bacteria was isolated from the sewage sludge and named as B8， which was used to added in the reactor of multiple stage A/O process without reflux for improving the remove of total nitrogen and phosphors. The effect and improvement mechanism of the remove of total nitrogen and phosphors by multiple stages A/O process without reflux was examined， and degradation kinetic model of total nitrogen was investigated. The results showed that， when B8 was continuously added into the reactor of multiple stage A/O process without reflux for 14 days， the average remove rates of total nitrogen and phosphors were 70.72% and 73.03%， respectively， which were higher than 61.17% and 57.31% corresponding to that without the addition of B8. This result indicated that the addition of B8 could enhance remove rate of total nitrogen and phosphors with multiple stage A/O process without reflux. The remove kinetic model of total nitrogen fitted with the model of Modified Stover-Kincannon.
Key words： denitrification bacteria； multiple stage A/O process； domestic wastewater； denitrification and dephosphorization
S着生活水平的提高，饮食结构、生产与生活方式的改变，村镇污水水质发生较大的变化（尤其是南方经济发达地区），其污水化学需氧量（COD）、总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮、硝酸盐氮等污染物浓度较城市污水浓度高，传统的城市污水处理工艺（如SBR、BAF等工艺）难达到国家排放标准，尤其是TN、TP的达标排放。研究表明，多级A/O工艺具有强化内源反硝化脱氮能力，如Kornaros等[1]以污水中溶解性COD作为碳源，采用多级A/O工艺进行反硝化，从而达到脱氮的目的。Nah等[2]认为膜生物反应器在低碳氮比（C/N）与高混合液悬浮固体浓度（MLSS）条件及间歇曝气的模式下可以进行最大化内源反硝化。Murat等[3]认为在间歇曝气模式下，通过强化内源呼吸的方式进行反硝化能够有效提高脱氮效率。
本研究利用微生物强化废水生物处理技术，采用具有脱氮除磷效率高、出水水质稳定、能耗成本低等特点的无回流多级A/O工艺[4]，通过向生物反应器中投加反硝化聚磷菌B8，提高多级A/O工艺处理村镇生活污水的能力，与未投菌阶段总磷、总氮、铵氮（NH4+-N）等去除效果进行对比，探讨在无回流多级A/O工艺中投加B8菌剂强化村镇生活污水处理的可行性，以期为投菌技术应用于多级A/O工艺提供理论依据和技术参考。 1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 多级AO工艺 本试验设计的多级A/O装置如图1所示，处理生活污水分为A、B两个阶段，A阶段为不加菌组（CK），B阶段为加菌剂组。此反应装置采用间歇曝气方式实现多级硝化/反硝化的串联，采取无回流的形式，降低了前端水解酸化池的溶解氧（DO），同时降低反硝化菌对外源碳源的竞争，促进聚磷菌有更充足的碳源进行厌氧释磷[5，6]，以及节省了碳源以及回流所消耗的能量。反应器有效容积依次为2.4、3.7、2.4、3.7、2.4 L，采用下端进水，上端出水，高低落差自流式的处理方式，通过活性污泥处于好氧-厌氧不断交替状态，即“饱-饥”状态[7]，发挥自身潜能，在好氧条件下提高其对污染物降解能力，从而达到脱氮除磷的目的[7]。
1.1.2 反硝化聚磷菌的来源、制备及发育树 采用课题组获取的1株命名为B8的反硝化聚磷菌，经16S rDNA测序及同源性鉴定，为恶臭假单胞菌（Pseudomonas putida sp.），已被中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保存[8]。将B8接种于pH 6.5的液体PAM培养基，在培养温度为30 ℃、转速为120 r/min条件下培育20～24 h，即制得高Poly-P含量的反硝化细菌B8菌液（活菌数为6.25×107～8.55×107 CFU/mL）[9]。
1.2 试验水体来源
试验用水进水水质CODCr浓度为251.31～573.33 mg/L，TP浓度为1.83～3.54 mg/L，TN浓度为12.54～18.69 mg/L，NH4+-N浓度为6.84～11.06 mg/L，NO3--N浓度为3.69～5.94 mg/L。
1.3 多级AO工艺的运行及菌剂的投加
当在好氧、厌氧反应器中都投加丝状弹性填料后，立即向进水箱中注入生活污水运行。此装置每天运行参数见表1。
反应器进水、出水曝气均由计时器自动控制，曝气采用微孔曝气器。连续运行30 d后进行投菌试验，即向一级反应器中投加100 mL反硝化细菌菌液使之与进水充分混合，具体投加方式如表2所示，投菌试验进行14 d后停止投菌，水质取样测定在6 h内完成。
1.4 分析方法
水质测定方法参见《水和废水监测分析方法（第四版）》[10]。
2 结果与分析
2.1 菌剂强化对COD的去除效果
生物膜培养成熟后，44 d连续运行的无回流多级A/O反应器对CODcr去除效果如图2所示。试验A阶段平均进水CODcr浓度为345.74 mg/L，出水为73.91 mg/L，平均去除率79.25%；B阶段平均进水CODcr浓度为393.97 mg/L，出水为72.78 mg/L，平均去除率81.05%。研究发现，投加B8菌液对CODcr去除未产生明显影响。此A/O系统对CODcr去除率基本稳定在75%～85%，平均去除率为80.04%，CODcr出水浓度稳定在50～100 mg/L，基本达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B排放标准。
2.2 菌剂强化对TP的去除效果
图3为运行温度为25～30 ℃，水力负荷为0.312 m3/（m2・h）时A阶段与B阶段对TP的去除效果对比。由图3可以看出，在B反应阶段投加反硝化细菌B8菌液可以强化多级A/O反应器对TP的去除能力，在A阶段TP平均出水舛任1.117 mg/L，平均去除率为57.31%；而在B阶段TP平均出水浓度为0.754 mg/L，平均去除率为73.03%，比A阶段TP去除率提高了27.43%。由此推断，B8在厌氧阶段利用氧气、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮作为电子受体分解菌体细胞内存储的聚羟基烷酸进行吸磷[11]；B8在好氧条件下摄取环境中过量的无机磷酸盐，并以多聚磷酸盐形式贮存在菌体细胞内[12]；B8菌液对于强化此无回流多级A/O系统除磷具有较大的提升效果。
2.3 菌剂强化对TN的去除效果
图4为运行温度为25～30 ℃，水力负荷为0.312 m3/（m2・h）时A阶段与B阶段对TN的去除效果对比。由图4可知，未投菌A阶段平均TN进水浓度为15.83 mg/L，出水浓度波动幅度较大，平均出水浓度为6.12 mg/L，平均去除率为61.17%；而投菌B阶段出水浓度较为稳定，维持在3.94～5.15 mg/L，平均去除率为70.72%，比未投菌A阶段提升了15.61%。总的来说，系统对TN去除率较低，其主要原因为进水TN浓度偏低，导致TN去除效果不明显。但本研究菌剂强化多级A/O脱氮能力仍高于未投菌多级AO系统，说明B8菌剂强化此多级A/O系统具有较好的脱氮效果。
2.4 菌剂强化对NH4+-N的去除效果
图5为运行温度为25～30 ℃，水力负荷为0.312 m3/（m2・h）时A阶段与B阶段对NH4+-N的去除效果对比。由图5可知，未投菌A阶段NH4+-N去除能力呈现上升趋势，前期只有51.32%，之后去除率逐步上升到95.44%；而投菌B阶段出水NH4+-N浓度一直呈稳定状态，平均出水浓度为0.377 mg/L，平均去除率为95.38%，与未投菌相比无明显提升。
2.5 菌剂强化对NO3--N的去除效果
图6为运行温度为25～30 ℃，水力负荷为0.312 m3/（m2・h）时A阶段与B阶段对NO3--N的去除效果对比。反硝化细菌硝化过程主要是将水体中NO3-作为电子受体经过一系列酶的催化作用还原成N2、N2O释放到大气中[13]。未投菌之前，装置稳定运行30 d，NO3--N平均进水浓度为4.61 mg/L，平均出水浓度为1.86 mg/L，平均去除率为59.37%；而投加菌剂后平均出水浓度为1.55 mg/L，平均去除率为71.69%，比未投菌阶段提高了20.75%。试验初期NO3--N去除率较低，后期去除相对平稳，可能是前期未投菌A阶段反应器中生物膜未能完全生长，混合菌数量较少，后期反硝化细菌的投入及其他细菌的生长，反硝化作用逐渐增强，导致NO3--N浓度快速降低。 2.6 Modified Stover-Kincannon总氮动力学分析
选取Modified Stover-Kincannon动力学模型进行分析[14，15]，该模型是描述附着生长型反应器动力学行为的最常见的模型之一[16]，见式（1）和式（2）。
■=■（Si-Se） （1）
■=■ （2）
将式（1）和式（2）整理得：
■■=■=■■+■ （3）
式中，KB为饱和常数，kg/（m3・d）；Q为每天进水量，L/d；V为反应器有效容积，L；Si和Se为进水和出水基质浓度，kg/m3；ds/dt为基质去除率，kg/m；Umax为最大基质去除速率常数，kg/（m3・d）。
以基质去除速率的倒数■为y轴、以基质负荷的倒数■为x轴[17]，对图4总氮数据进行线性拟合，拟合结果见图7，得出无回流多级AO反应器Modified Stover-Kincannon动力学常数。由图7可知，总氮Umax=0.184 kg/（m3・d），KB=0.333 kg/（m3・d），可决定系数为0.992 8。本反应器试验阶段取得的最大容积基质去除率为0.139 kg/（m3・d），为Umax的75.54%。
将Umax、KB代入式（3），可得预测反应器出水总氮浓度公式：
Se=Si-■ （4）
总氮去除率公式：
E=■ （5）
2.7 与传统A/O对比分析
传统A/O工艺硝化细菌生长缓慢，难以维持较高的生物浓度，在低温条件下，会导致水力停留时间增长，曝气量增加，运行费用提高[4]。传统生物硝化过程中会逐渐产生酸，需要投加碱来中和，因此有可能会产生二次污染[18]。回流多级A/O采用前置反硝化，好氧段硝化液回流到缺氧段，不断利用自身回流碳源进行反硝化脱氮，但会增加缺氧段的DO[19]，降低反硝化效率，脱氮率也会受硝化液回流的影响，在硝化液回流比为300%，污泥回流比为100%条件下，总氮最高去除率为80%[19]。本研究采用无回流多级A/O工艺，使好氧段硝化液直接进入厌氧区，确保了聚磷菌有充足的碳源进行厌氧释磷。由于村镇污水水质波动大，在多级AO反应器前端采用设置水力停留时间（HRT）为5 h的集水池，在缓冲水质的同时，兼作水解酸化池[20]，提高了生活污水的可生化性，使得菌剂强化无回流多级A/O工艺有较高的同步脱氮除磷效率。本研究B阶段TN最高去除率为72.33%，可见在无回流的条件下，投加菌剂仍能达到较高的TN去除效率，同时节约了回流所需要的运行成本。
3 结论
本研究针对村镇生活污水污染物浓度高、难集中处理等问题，构建无回流多级A/O系统，对生活污水进行处理。试验结果表明，在连续投加14 d B8菌液于无回流多级A/O反应器中，其投菌B阶段TP、TN、NH4+-N、NO3--N去除率分别为73.03%、70.72%、95.38%、71.69%，而未投菌A阶段去除率分别为57.31%、61.17%、71.34%、59.37%。
投加B8菌液可以有效增强无回流多级A/O工艺脱氮除磷的能力，其对村镇污水的脱氮Modified Stover-Kincannon动力学模型为Se=Si-■。
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