葉姜瑜 項(xiàng)宏偉 王宗萍 姜建華 林錚

摘要[目的]研究固體碳源及生物強(qiáng)化CAST工藝處理低C/N生活污水的效果。[方法]設(shè)2組CASS反應(yīng)器，試驗(yàn)組投加玉米芯填料與生物強(qiáng)化菌劑，對(duì)照組不投加玉米芯和生物強(qiáng)化菌劑。試驗(yàn)運(yùn)行階段對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）、化學(xué)需氧量（COD）等指標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。試驗(yàn)后期，取掛膜填料與2反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行電鏡分析。[結(jié)果]從池塘底泥中篩選出3株具有高效反硝化作用的好氧反硝化菌，分別為假單胞菌（Pseudomonas sp.）、施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），對(duì)硝酸鹽和亞硝酸鹽去除率均在85%以上。電鏡分析表明，固體碳源表面結(jié)構(gòu)粗糙，孔隙內(nèi)及表面附著大量的桿菌、球菌及絲狀菌等微生物，生物量有明顯的提高。試驗(yàn)組出水COD濃度維持在40.00 mg/L左右，NH4+-N的平均出水濃度由11.35 mg/L降至4.58 mg/L；平均出水TN濃度由24.74 mg/L降至12.11 mg/L。反應(yīng)器運(yùn)行20 d后，試驗(yàn)組污泥結(jié)構(gòu)相對(duì)于對(duì)照組更加緊密。[結(jié)論]固體碳源及生物強(qiáng)化CAST工藝處理低C/N生活污水可行性強(qiáng)，發(fā)展前景廣闊。

關(guān)鍵詞低C/N；固體碳源；生物強(qiáng)化；好氧反硝化菌

中圖分類號(hào)X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）19-0058-04

Effect of Solid Carbon Source and Biofortification CAST Process on Low C/N Domestic Sewage Wastewater

YE Jiangyu，XIANG Hongwei，WANG Zongping et al

（Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，Chongqing 400044）

Abstract[Objective]To study the effect of solid carbon source and biofortification on enhance the nitrogen removal performance of low C/N ratio domestic wastewater in CAST process.[Method]2 sets of CASS reactor were set up，the test group was filled with corncob stuffing and bioaugmentation agent，and the control group did not add corncob and bioaugmentation bacteria.During the test stage，NH4+-N，TN and COD were monitored continuously.In the later stage of test，the sludge in the two reactor and the sludge in the reactor were analyzed by electron microscope.[Result]Three aerobic denitrifying bacteria with high denitrification were screened out from the pond sediment.The three strains were identified as Pseudomonas sp.，Pseudomonas stutzeri and Pseudomonas aeruginosa.After testing，the removal rate of nitrate and nitrite was more than 85% in these 3 strains.Electron microscope analysis of the solid carbon source in the later stage of the experiment showed that the surface structure was rough，and a large number of bacteria，such as bacillus，coccus and filamentous bacteria were attached to the surface.The effluent COD remained at about 40.00 mg/L，the average effluent concentration of NH4+-N from 11.35 mg/L to 4.58 mg/L.The average concentration of effluent TN decreased from 24.74 mg/L to 12.11 mg/L.After 20 days of reactor operation，the sludge structure of the experimental group was closer to the control group.[Conclusion]Solid carbon source and biological strengthening treatment of CAST process are feasible for low C/N domestic sewage and have broad prospects for development.

Key wordsLow C/N；Solid carbon source；Biofortification；Aerobic denitrifying bacteria

近年來，由于人們生活水平的提高以及生活方式的改變，城鎮(zhèn)居民個(gè)人用水量增加，同時(shí)含氮、磷物質(zhì)及大量農(nóng)業(yè)化肥的大量使用，導(dǎo)致我國城鎮(zhèn)污水化學(xué)需氧量（COD）低、氮、磷濃度高等特點(diǎn)[1]。當(dāng)進(jìn)水碳源不足導(dǎo)致反硝化作用受限制時(shí)，通常需要在缺氧反硝化階段補(bǔ)充外碳源[2]。傳統(tǒng)有機(jī)外加碳源（如甲醇、乙醇、乙酸等低分子物質(zhì)）易于微生物降解利用，但對(duì)于水質(zhì)波動(dòng)較大的污水，投加量不易控制，操作復(fù)雜，易出現(xiàn)碳源空間分布過量或不足；如甲醇這類有毒液體物質(zhì)，易造成更嚴(yán)重的二次污染，且長途運(yùn)輸較為不便；外加液體碳源成本較高，會(huì)增加污水處理成本[3-5]。

固體碳源反硝化屬于固相反硝化的一種，1988年Boussaid 等[6]首次利用稻草和藻礫作為固體碳源處理地下水中硝酸鹽污染。隨后Volokita 等[7]用碎報(bào)紙作為固體碳源處理 100 mg/L硝酸鹽污染飲用水，整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束后硝酸鹽被降解完全，且系統(tǒng)內(nèi)沒有亞硝酸鹽積累。固體碳源能為微生物反硝化提供緩釋性碳源，粗糙的表面結(jié)構(gòu)可以附著微生物，為微生物生長繁殖提供適宜的生長載體，提高系統(tǒng)中微生物量[8]。

針對(duì)低C/N城鎮(zhèn)污水脫氮效果不理想的問題，筆者采用人工投加玉米芯固體碳源與好氧反硝化菌生物強(qiáng)化技術(shù)相結(jié)合，利用實(shí)驗(yàn)室CAST反應(yīng)器進(jìn)行小試試驗(yàn)，研究固體碳源及生物強(qiáng)化CAST工藝處理低C/N生活污水的效果，旨在為城鎮(zhèn)生活污水處理提供借鑒。

1材料與方法

1.1培養(yǎng)基好氧反硝化基礎(chǔ)培養(yǎng)基（DM）：NaNO3 0.85 g/L，Na2HPO4 4.00 g/L，MgSO4·7 H2O 0.20 g/L，檸檬酸鈉 5.66 g/L，KH2PO4 1.50 g/L，微量元素溶液 2 mL/L，pH 7.0～7.5，1×105 Pa高壓滅菌20 min。

微量元素[9]：MnCl2·4H2O 5.06 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 5.00 g/L，（NH4）6Mo7O2·4H2O 1.10 g/L，EDTA 50.00 g/L，ZnSO4 2.20 g/L，CaCl2 5.50 g/L，CoCl2·6H2O 1.61 g/L，CuSO4·5H2O 1.57 g/L， 1×105 Pa高壓滅菌20 min。

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用玉米芯直徑控制在1～2 cm；污泥來源于開縣臨江污水處理廠主反應(yīng)區(qū)的剩余污泥；試驗(yàn)用水為來自重慶大學(xué)B區(qū)學(xué)生第六宿舍的生活污水，經(jīng)稀釋以及（NH4）2SO4配置而成，系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)COD 150 mg/L，總氮（TN）濃度40 mg/L，氨氮（NH+4-N）濃度30 mg/L，C/N<8。

1.3試驗(yàn)裝置與設(shè)備

試驗(yàn)裝置為2組CASS試驗(yàn)裝置[由上海大名教育儀器有限公司生產(chǎn)的CASS工藝城市污水處理試驗(yàn)裝置（5～25 L/h自動(dòng)控制）]。厭氧選擇區(qū)、預(yù)反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)的體積分別為10.5、12.0和126.0 L。反應(yīng)器運(yùn)行周期為4 h，其中進(jìn)水1 h，曝氣1 h，靜置1 h，排水1 h。充水比1/3，混合液回流比30%。采用底部微孔爆氣，曝氣階段控制溶解氧（DO）含量為4.0～5.0 mg/L。試驗(yàn)期間無排泥。反應(yīng)器在室溫下運(yùn)行，溫度維持在15～20 ℃。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.4試驗(yàn)方法試驗(yàn)設(shè)2組平行CASS反應(yīng)器，分別為試驗(yàn)組與對(duì)照組。試驗(yàn)組投加玉米芯填料與生物強(qiáng)化菌劑。對(duì)照組不投加玉米芯和生物強(qiáng)化菌劑。試驗(yàn)運(yùn)行階段對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行NH4+-N、TN、COD等指標(biāo)持續(xù)監(jiān)測。試驗(yàn)總共運(yùn)行25 d。在試驗(yàn)后期，取掛膜填料與2個(gè)反應(yīng)器中的污泥進(jìn)行電鏡分析（SEM），分析微生物附著于污泥的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.5固體碳源投加方式

采用表面粗糙、內(nèi)部含有疏松纖維的聚乙烯填料與生物強(qiáng)化菌劑結(jié)合的方法，選取直徑為80 mm的填料，先對(duì)生物強(qiáng)化菌劑進(jìn)行擴(kuò)培，之后將填料串聯(lián)成串，浸泡于菌液中，隨后將填料投加于CASS主反應(yīng)區(qū)前后端。

1.6試驗(yàn)樣品掃描電鏡觀察

樣品進(jìn)行預(yù)處理后利用掃描電鏡進(jìn)行觀察。樣品用2.5%戊二醛溶液固定4 h后，用磷酸鹽溶液洗滌3次；再依次加入50%、70%、80%、90%純乙醇（2次），對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行10 min脫水；之后放入干燥器內(nèi)干燥8 h。樣品噴金后置于掃描電鏡載臺(tái)上觀察。

1.7測定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)中水質(zhì)指標(biāo)測定項(xiàng)目及方法見表1，菌體生長濃度用721分光光度計(jì)在600 nm下測定吸光光度測定。

2結(jié)果與分析

2.1好氧反硝化菌反硝化能力

取池塘底泥，通過菌種的分離、純化及復(fù)篩，從活性污泥中分離出3株具有高效反硝化效率的好氧反硝化菌株，經(jīng)過形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)鑒定，這3株高效好氧反硝化菌株分別是假單胞菌（Pseudomonas sp.）、施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa），均為革蘭氏陰性菌。

將這3種菌株分別投入DM培養(yǎng)基，通過觀察NO-2-N、

NO-3-N的去除率來分析菌株的好氧反硝化能力（圖2）。假單胞菌、施氏假單胞菌、銅綠假單胞菌對(duì)NO-3-N、NO-2-N均有較高的反硝化能力，假單胞菌利用NO-2-N的反硝化去除率高達(dá)95.4%，施氏假單胞菌利用NO-3-N的反硝化能力高達(dá)967%，銅綠假單胞菌對(duì)NO-3-N和NO-2-N均具有較高的反硝化能力，NO-3-N和NO-2-N的去除率分別為965%和96.1%。

2.2玉米芯表面結(jié)構(gòu)電鏡分析

利用掃描電鏡對(duì)不同試驗(yàn)階段玉米芯結(jié)構(gòu)掃描，分析玉米芯結(jié)構(gòu)變化及微生物附著情況來確定玉米芯用于固體碳源及生物載體的可行性及穩(wěn)定性。不同試驗(yàn)條件下掃描電鏡結(jié)果見圖3。

電鏡結(jié)果表明，原始玉米芯表面結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀，粗糙且有大量孔洞，易于微生物附著，可作為優(yōu)質(zhì)的生物載體（圖3a）。經(jīng)清水浸泡15 d后的玉米芯表面結(jié)構(gòu)變疏松，孔洞明顯變大，但沒有大量微生物附著于表面（圖3b）。

經(jīng)好氧反硝化菌利用12 d后的玉米芯表面結(jié)構(gòu)更加粗糙，在電子顯微鏡下明顯觀察到玉米芯表面附著大量桿狀菌（圖3c），表明玉米芯為微生物提供了良好的附著生長環(huán)境。在活性污泥系統(tǒng)中試驗(yàn)20 d后，經(jīng)活性污泥和復(fù)配菌劑的代謝后，玉米芯表面明顯變化，表面更加粗糙，結(jié)構(gòu)有一定程度破裂，孔隙內(nèi)附著大量的桿菌、球菌及絲狀菌等（圖3d），表明玉米芯在活性污泥系統(tǒng)中既能為微生物生長提供碳源，其疏松多孔表面結(jié)構(gòu)特征有利于微生物的附著和生物膜的形成，可作為生物生長繁殖載體穩(wěn)定存在。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

2.3CASS工藝脫氮性能監(jiān)測

該研究對(duì)比分析加入生物強(qiáng)化菌劑與固體碳源的試驗(yàn)組CASS反應(yīng)器與對(duì)照組CASS反應(yīng)器的脫氮效果與差異。實(shí)驗(yàn)室CASS反應(yīng)器自2016年3月14日至4月2日運(yùn)行期間，每日取試驗(yàn)組與對(duì)照組反應(yīng)器進(jìn)出水樣進(jìn)行COD、NH4+-N和TN濃度的測定，COD濃度反映對(duì)有機(jī)物的去除情況，NH4+-N和TN濃度反映系統(tǒng)中含氮情況。對(duì)比2個(gè)反應(yīng)器出水指標(biāo)確定人工強(qiáng)化的生物菌劑與外加玉米芯固體碳源是否對(duì)CASS系統(tǒng)脫氮效率起到促進(jìn)作用。

2.3.1COD的去除效果。

試驗(yàn)期間，進(jìn)水、試驗(yàn)組與對(duì)照組

出水COD濃度及去除率見圖4。試驗(yàn)組和對(duì)照組的進(jìn)出水

COD濃度變化情況表明，對(duì)照組出水COD濃度基本穩(wěn)定，平均出水COD濃度為41.81 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB18918—2002中一級(jí)A標(biāo)[10]（50.00 mg/L）。試驗(yàn)組出水COD濃度沒有明顯的增加，在9 d前出水COD基本與對(duì)照組相近，維持在45.00 mg/L左右。之后略有下降，平均出水COD濃度為30.10 mg/L，且始終維持在50.00 mg/L以下（圖4、表2）。方差分析表明，試組與試驗(yàn)組出水

COD濃度的P>0.05，說明差異不顯著，2個(gè)反應(yīng)器對(duì)于脫碳方面差距并不大。試驗(yàn)組出水COD沒有明顯增加的結(jié)果表明，玉米芯作為外加固體碳源用于活性污泥系統(tǒng)時(shí)，并不會(huì)對(duì)原水體造成二次污染。

2.3.2NH4+-N的去除效果。

試驗(yàn)期間，試驗(yàn)組與對(duì)照組進(jìn)出水NH4+-N濃度及去除率見圖5。試驗(yàn)組的NH4+-N去除效果比對(duì)照組的NH4+-N差得多，平均去除率5577%，而試驗(yàn)組NH4+-N的去除率高達(dá)82.10%。對(duì)照組出水NH4+-N濃度為11.35 mg/L，只達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中NH4+-N排放二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（25 mg/L），試驗(yàn)組出水NH4+-N濃度明顯低于對(duì)照組，平均NH4+-N濃度為4.58 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中一級(jí)A標(biāo)（5.00 mg/L）（圖5、表3）。方差分析表明，對(duì)照組與試驗(yàn)組出水NH4+-N濃度的P<0.01，說明差異極顯著。硝化菌的加入增加了系統(tǒng)內(nèi)硝化菌群的豐度，當(dāng)系統(tǒng)曝氣情況相同的情況下，增加硝化菌豐度，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)硝化作用，從而降低系統(tǒng)NH4+-N濃度。

2.3.3TN的去除效果。試驗(yàn)階段，進(jìn)水、試驗(yàn)組與對(duì)照組出水TN濃度及去除率見圖6。

試驗(yàn)組和對(duì)照組的進(jìn)出水TN濃度及TN去除率表明，對(duì)照組TN去除率偏低，僅2316%，平均出水TN濃度為24.74 mg/L，略高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）TN排放一級(jí)B標(biāo)（20.00 mg/L）。試驗(yàn)組出水TN濃度明顯低于對(duì)照組，平均濃度為12.11 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)（15.00 mg/L）（圖6、表4）。生物強(qiáng)化與固體碳源對(duì)系統(tǒng)TN的去除率有較明顯的作用，方差分析表明，對(duì)照組與試驗(yàn)組出水NH4+-N濃度的P<

001，說明差異極顯著。猜測生物強(qiáng)化提高了系統(tǒng)的脫氮性

能。生物強(qiáng)化菌劑極大地增大了系統(tǒng)脫氮菌群的豐度，進(jìn)而提高了系統(tǒng)在缺氧情況下的反硝化性能。而CASS反應(yīng)器中厭氧、缺氧、好氧交替發(fā)生的特點(diǎn)決定其較難嚴(yán)格控制溶氧情況，在主反應(yīng)區(qū)停止曝氣后，污泥沉降得較快，系統(tǒng)沒有缺氧攪拌，導(dǎo)致CASS主反應(yīng)區(qū)缺氧時(shí)段泥水混合不充分，污泥中的細(xì)菌接觸到的硝酸鹽比較少，直接限制系統(tǒng)反硝化脫氮。添加好氧反硝化菌能夠在CASS主反應(yīng)區(qū)曝氣狀態(tài)下同

時(shí)實(shí)現(xiàn)硝

化和反硝化過程，提高系統(tǒng)反硝化性能。

2.4CASS反應(yīng)器污泥電鏡分析

對(duì)試驗(yàn)組和對(duì)照組的初

始污泥和運(yùn)行20 d后的污泥進(jìn)行電鏡掃描觀察，結(jié)果見圖7。從圖7可見，試驗(yàn)初期試驗(yàn)組和對(duì)照組污泥結(jié)構(gòu)基本一

致，疏松多孔，污泥中含有絲狀菌和桿菌。反應(yīng)器運(yùn)行20 d

后，試驗(yàn)組污泥結(jié)構(gòu)基本沒有太大變化，可清晰看到大量的桿菌，污泥性能良好。相比試驗(yàn)組，對(duì)照組的污泥結(jié)構(gòu)略疏松，猜測可能由于水體內(nèi)碳源不足，活性污泥內(nèi)部分微生物

生長受到抑制，微生物豐度降低，污泥結(jié)構(gòu)開始松散。

3結(jié)論

（1）池塘底泥經(jīng)過菌種的分離、純化及復(fù)篩等，分離出3株具有高效反硝化效率的好氧反硝化菌株，即假單胞菌、施氏假單胞菌、銅綠假單胞菌，均為革蘭氏陰性菌，對(duì)硝酸鹽和亞硝酸鹽均有較高的反硝化能力，硝酸鹽和亞硝酸鹽去除率均在85%以上。

（2）對(duì)試驗(yàn)組反應(yīng)前后的固體碳源填料電鏡分析，結(jié)果表明觀察到添加至活性污泥系統(tǒng)中20 d后玉米芯的表面結(jié)構(gòu)更加粗糙，孔隙內(nèi)及表面上附著了大量的桿菌、球菌及絲狀菌等微生物，生物量有明顯地提高。玉米芯在活性污泥系統(tǒng)中既能作為固體碳源穩(wěn)定供碳，又能作為生物載體穩(wěn)定存在。

（3）添加有玉米芯固體碳源及生物強(qiáng)化菌劑的反應(yīng)器出水COD維持在30 mg/L左右，NH4+-N的平均出水濃度由對(duì)照組的11.35 mg/L降至4.58 mg/L；出水TN平均濃度由對(duì)照組的25.03 mg/L降至12.11 mg/L，出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 18918—2002中規(guī)定的一級(jí)A標(biāo)。玉米芯作為外加固體碳源用于活性污泥系統(tǒng)時(shí)，出水COD穩(wěn)定且偏低，不會(huì)對(duì)原水體造成二次污染。

（4）對(duì)試驗(yàn)初期污泥和反應(yīng)器運(yùn)行20 d后的污泥電鏡掃描分析，結(jié)果表明，試驗(yàn)初期試驗(yàn)組和對(duì)照組污泥結(jié)構(gòu)節(jié)基本一致，酥松多孔，可以明顯地看到污泥中含有絲狀菌和桿菌。反應(yīng)器運(yùn)行20 d后，試驗(yàn)組污泥結(jié)構(gòu)基本沒有太大變化，可清晰看到大量桿狀菌，污泥性能良好。玉米芯固體碳結(jié)合優(yōu)勢脫氮菌群強(qiáng)化技術(shù)，提高了水體內(nèi)碳源和系統(tǒng)微生物豐度，污泥結(jié)構(gòu)更加緊密。

參考文獻(xiàn)

[1]

黃力彥，王志宏，陳大志，等.低碳源城市污水生物處理方法研究進(jìn)展[J].工業(yè)用水與廢水，2012，43（3）：4-7.

[2] NYBERG U，ANDERSSON B，ASPEGREN H.Longterm experiences with external carbon sources for nitrogen removal[J].Water science and technology，1996，33（12）：109-116.

[3] FERNNDEZNAVA Y，MARAN″N E.Denitrification of high nitrate concentration wastewater using alternative carbon sources[J].Journal of hazardous materials，2010，173（1/2/3）：682-688.

[4] HALLINGSRENSEN B，JRGENEN S E.The removal of nitrogen compounds from wastewater[M].Amsterdam：Elsevier Science，1993：413-438.

[5] 趙文莉，郝瑞霞，李斌，等.預(yù)處理方法對(duì)玉米芯作為反硝化固體碳源的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2014，35（3）：987-994.

[6] BOUSSAID F，MARTIN G，MORVAN J，et al.Denitrification insitu of groundwater with solid carbon matter[J].Environmental technology letters，1988，9（8）：803-816.

[7] VOLOKITA M，BELKING S，ABELIOVICH A，et al.Biological denitrification of drinking water using newspaper[J].Water research，1996，30（4）：965-971.

[8] 陳翔.固體碳源生物反硝化去除水源水中的硝酸鹽[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2008.

[9] WANG T，ZHANG H M，YANG F L，et al.Startup of the Anammox proces from the conventional activated sludge in a membrance bioreactor[J].Bioresource technology，2009，100（9）：2501-2506.

[10] 北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院.城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 18918—2002[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.