李 娜，劉來勝，楊 平，張澤中

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.華北水利水電大學水利學院，河南鄭州 450046；3.重慶融極環(huán)保工程有限公司，重慶 401120；4.華北水利水電大學河南河長學院，河南鄭州 450046)

由于我國西北地區(qū)經(jīng)濟基礎相對薄弱、居住分散、冬季寒冷，單一的分散式生活污水處理技術很難達到污水排放標準，且冬季低溫和低碳氮比是影響污水處理達標的因素。此外，農(nóng)村地區(qū)專業(yè)操作人員短缺[1]，而我國傳統(tǒng)的活性污泥法運行過程中需不斷監(jiān)測污泥情況，以防止污泥老化、污泥上浮、絲狀菌膨脹等現(xiàn)象的發(fā)生，且需定時排泥，從而增加了農(nóng)村生活污水處理技術的應用屏障。傳統(tǒng)活性污泥法排放的剩余污泥中含有細菌、微生物、寄生蟲等，處理不當會造成生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞。目前，大多數(shù)污水處理廠對剩余污泥處理的辦法是焚燒、衛(wèi)生填埋和土地利用等，這些處置方式會增加運行費用，且存在二次污染的風險。因此，在生活污水處理過程中，需考慮“污泥原位減量化”思路[2-3]。厭氧-好氧工藝[4-6]因其占地面積較小、處理效果穩(wěn)定、運行費用較低、管理簡單等優(yōu)勢被廣泛應用于生活污水處理中。但是，冬季低溫，污水中的碳氮比較低，使得污水處理效率降低，單一的處理技術已經(jīng)不能滿足污水處理標準。微生物強化技術就是在傳統(tǒng)微生物技術基礎上，向污染水體中引入具有特定功能的微生物，從而達到強化污水處理系統(tǒng)、降解污染物、凈化水質(zhì)效果的目的[7-8]，可有效解決低溫帶來的污水處理效能下降問題[9]。對于低碳氮比，分點進水、加入碳源、間歇曝氣等方式都能很好的解決。李昂等[9]篩選出具有高效脫氮功能的低溫好氧反硝化菌和高效脫氮除磷功能的低溫反硝化聚磷菌，利用泥膜共生多級AO工藝，使得在低溫、低碳氮比條件下的污水處理效果明顯增加。張國珍等[10]發(fā)現(xiàn)，填料的添加能有效改善多級AO工藝對低碳氮比生活污水的同步脫氮除磷效果。

針對低溫、管理人員短缺、經(jīng)濟條件落后的分散式農(nóng)村地區(qū)，進行了2個方面的研究工作。一是在西北寒冷地區(qū)的水土樣中通過篩選和優(yōu)化耐冷微生物菌群，培育出適合于低溫條件下高效處理生活污水的復合菌群；二是以高效厭氧折流板反應器(ABR)-好氧生化池為試驗裝置，考慮污泥減量化原則，通過只添加微生物菌劑和只接種活性污泥2種工況條件，對低碳氮比生活污水處理效果進行對比試驗，探索低溫條件下低碳氮比生活污水處理的適宜技術。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置工藝流程如圖1所示，采用“ABR-好氧生化池”組合工藝。試驗裝置所用材質(zhì)為PVC，具有良好的韌性和剛性，使用長久。主要包括調(diào)節(jié)池、初沉池、厭氧池、好氧池、出水過濾池幾個部分，其試驗裝置可以很好地適應生活污水的排放規(guī)律。其中，調(diào)節(jié)池尺寸(長×寬×高)為100 cm×50 cm×60 cm；初沉池尺寸(長×寬×高)為20 cm×30 cm×60 cm；出水過濾池尺寸(長×寬×高)為25 cm×30 cm×60 cm；厭氧池尺寸(長×寬×高)為70 cm×30 cm×70 cm。利用折流板將反應器分隔成獨立的9個反應室，污水運行水流呈“S”型，主要是為了增加污水與添加的厭氧菌種的反應時間，去除部分有機物、氮和磷，以降低后續(xù)生化池的污染物負荷[11]，具有抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點[12]。厭氧池上端有2個直徑為0.5 cm的排氣口，主要排掉反硝化反應產(chǎn)生的N2和N2O。好氧池尺寸(長×寬×高)為75 cm×30 cm×60 cm；后半段設置1個錐形漏斗段，池內(nèi)放置射流曝氣機進行持續(xù)性曝氣。射流曝氣方式可通過手動和自動方式控制，節(jié)約能源消耗，安裝方便。除水平方向有曝氣之外，垂直方向的循環(huán)水也可提供能量?；旌蠑嚢枳饔脧姡蓭永w維球在好氧池流動。好氧池尾端設置硝化液回流，將硝化液回流至進水端。厭氧池中放置40個反硝化菌株掛膜成功的直徑為3 cm的纖維球，好氧池中放置40個RJ4菌株掛膜成功的直徑為3 cm的纖維球。

圖1 試驗裝置工藝流程示意圖Fig.1 Process Flow of the Experiment

1.2 試驗用水

試驗用水來自某大學男生宿舍樓，由廁所污水、洗漱用水和洗滌用水等組成，主要污染物包括有機物、氨氮、固體懸浮物(SS)等。試驗用水采集時間為10月底，取水室外溫度為8～15 ℃，試驗開始時間為11月初，進行為期1個月的驗證試驗。初始進水水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗進水水質(zhì)Tab.1 Influent Water Quality of the Experiment

一般認為碳氮比(C/N)<8即為低碳氮比[13]。由表1可知，試驗用水平均碳氮比為3.17，屬于低碳氮比生活污水。試驗用水碳氮比較低的原因可能是宿舍樓排放污水中洗滌用水量所占比重較大，洗滌用水中除了刷碗用水外，有機物含量較低。

1.3 反硝化菌株篩選

本試驗采用2種菌株，一種采用某公司氨氮降解生物菌株(RJ4)對氨氮進行降解，快速啟動污水系統(tǒng)的硝化作用；另一種菌株是在我國北方寒冷區(qū)域水土樣中篩選出來的復合反硝化菌株，采樣溫度主要為-5～0 ℃，以寧夏中衛(wèi)市某農(nóng)村地區(qū)排污口處表層10 cm左右的土壤、中衛(wèi)市政污水處理廠中二沉池泥水混合液、香山湖水深20～50 cm表層10 cm左右的底泥物作為菌種源，進行反硝化菌株篩選。

1.3.1 培養(yǎng)基

(1)富集培養(yǎng)基：牛肉膏為0.1 g，蛋白胨為0.5 g，氯化鈉為0.1 g。

(2)反硝化培養(yǎng)基：硫酸鎂為0.5 g，磷酸氫二鉀為0.067 g，硝酸鈉為0.36 g，硫酸銨為0.1 g，一水葡萄糖為1.55 g，pH值為8～8.5。

1.3.2 馴化過程

(1)富集培養(yǎng)與分離：將采集的泥水混合液各取100 mL、土壤10 g，混合后分別注入4個500 mL容量瓶中，加入富集培養(yǎng)基100 mL，在150 r/min、10 ℃搖床中震蕩36 h。隨后，將上述混合液分裝在24個250 mL容量瓶中，每組各6個，并加入反硝化培養(yǎng)基，將其置于150 r/min、10 ℃搖床中震蕩96 h，對其進行倒平板、接種等工作。

(2)篩選：將各菌株分別于10 ℃條件下活化培養(yǎng)至對數(shù)生長期，取菌懸液在7 000 r/min離心10 min，棄掉上清液，將沉淀物用生理鹽水清洗, 以5%的接種量接種于50 mL人工污水中，并置于150 r/min、10 ℃搖床中培養(yǎng)96 h，每隔24 h取樣以7 000 r/min離心，取上清液，測定COD、硝態(tài)氮、總氮，并計算去除率。根據(jù)去除率，選擇生長較好、總氮去除率在50%以上的菌株。應用SPSS軟件進行5因素5水平對照試驗，確定最優(yōu)混合比的混合菌群。

1.4 試驗方法和運行工況

試驗裝置共2套(圖1)，試驗水溫為12～16 ℃，pH值為7～8，進水流量為90.75 L/d，水力停留時間為4 d，污泥齡為10 d，溶解氧控制在2～3 mg/L，回流比為5，連續(xù)運行30 d。不同的是，一套裝置只投加微生物菌劑，厭氧單元投加試驗篩選出來的反硝化菌劑，好氧單元投加從某公司采購的氨氮降解生物菌株(RJ4)，簡稱1號設備；另一套裝置只添加活性污泥，污泥取自某污水處理廠的AAO系統(tǒng)，污泥濃度為2 000～3 000 mL/g，污泥體積指數(shù) (SVI)約為90 mL/g，沉降性能良好，簡稱2號設備。在馴化階段，1號設備加入掛膜成功的纖維球、2號設備添加活性污泥，每次按照設備體積的10%、20%、30%、40%進水，進水負荷逐步提至滿負荷運行；COD、氨氮的去除率達到70%以上時，調(diào)試運行階段結(jié)束，進入正常運行階段。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 反硝化優(yōu)勢菌株篩選

2.1.1 反硝化優(yōu)勢單株菌篩選

通過4組反硝化優(yōu)勢菌株的篩選試驗(圖2)，進行硝態(tài)氮、COD以及總氮的去除率對比分析。按照總氮去除率50%以上的原則，可篩選出14株優(yōu)勢菌種，即A2、A5、B5、B9、B33、C10、C11、C12、C13、C14、C18、4②、4③、4④號。

圖2 14株菌株對COD、硝態(tài)氮、總氮的去除效果對比Fig.2 Comparison of Effect of 14 Strains on COD, Nitrate Nitrogen and Total Nitrogen Removal

2.1.2 反硝化優(yōu)勢組合菌篩選

從篩選的14株菌株中，按照總氮去除率大小排序，取去除率最好的前5個，分別為A2、C10、C11、C18、C14號菌株。按照表2進行多種比例混合，在10 ℃條件下經(jīng)過3 d測定總氮去除率。由圖2和表2對比可知，混合菌對總氮的去除效果明顯優(yōu)于單株菌，當混合比例A2∶C10∶C11∶C18∶C14=3∶5∶4∶1∶4時，總氮去除率最高可達72%。采用該比例混合菌株，投加至1號設備進行后續(xù)對比試驗。

對復合菌株進行高通量檢測，其各種菌的含量如表3所示。

2.2 2套生活污水處理設備效果對比分析

(1)COD去除效果

1號設備和2號設備對COD去除效果的對比情況如圖3所示。試驗過程中，進水CODCr質(zhì)量濃度為175.7～504.5 mg/L，平均值為310.2 mg/L，進水中COD質(zhì)量濃度波動范圍較大且隨著試驗進程呈升高趨勢。主要原因是試驗時間為11月，隨著天氣轉(zhuǎn)冷，宿舍樓洗漱用水量逐漸減少，水質(zhì)調(diào)節(jié)能力較差，微生物活性較低，導進水中有機物濃度相對有所升高。COD的去除由好氧段和厭氧段共同作用。

表2 反硝化菌種的混合比例Tab.2 Mixed Proportions of Denitrifying Strains

表3 復合菌株的高通量檢測Tab.3 High-Throughput Detection of Composite Strains

圖3 2套設備對COD去除效果的對比Fig.3 Comparison of Effects of Two Sets of Equipment on COD Removal

在厭氧段，反硝化細菌進行反硝化反應，需以有機物為電子供體；RJ4和反硝化菌劑均為異氧型微生物，其生長需要以有機物作為碳源。由圖3可知，盡管進水中CODCr濃度變化范圍較大，但2套設備出水濃度基本穩(wěn)定在50 mg/L以下，均達到《城市污水處理廠排放標準》(GB 18918—2002)中一級A排放標準。2套設備對COD的去除率基本一致。其中，1號設備出水CODCr最小值為27.27 mg/L，最大去除率為94.3%；2號設備出水CODCr最小值為30.30 mg/L，最大去除率為93.6%。AO系統(tǒng)在溶解氧、水力停留時間等條件合適的情況下，對COD的去除效果較好[14]，這也與宋吉娜[15]的試驗結(jié)果相同。

(2)總氮去除效果

污水中的氮以多種形式存在, 主要有有機態(tài)氮、氨態(tài)氮、硝酸態(tài)氮和亞硝酸態(tài)氮等[16]。1號設備和2號設備對總氮去除效果的對比情況如圖4所示。試驗過程中，進水總氮質(zhì)量濃度為62.3～134.2 mg/L。由圖4可知，1號設備對總氮的去除效果明顯優(yōu)于2號設備。1號設備出水總氮最小值為10.6 mg/L，最大去除率為85.8%，滿足《城市污水處理廠排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。2號設備出水總氮最小值為23.9 mg/L，最大去除率僅為66.1%，遠低于1號設備的去除率。生活污水中總氮的去除效果相對較低，總氮去除率>70%的技術占比僅為50.0%[17]，而微生物菌劑的加入是總氮去除的路徑之一。結(jié)果表明，試驗篩選出來的反硝化菌劑有利于總氮的去除。

圖4 2套設備對總氮去除效果的對比Fig.4 Comparison of Effects of Two Sets of Equipment on Total Nitrogen Removal

盡管1號設備對總氮的最大去除率能夠達到85.8%，但是，總體來看，1號和2號設備對總氮的平均處理率并不理想，其主要原因有2個方面。第一，回流的硝化液以及原水中均含有一定濃度的溶解氧，使得厭氧段的溶解氧很難保持在0.2 mg/L以下，達不到反硝化過程所需的理想狀態(tài)，一定程度上影響反硝化效果；第二，試驗所用生活污水為低碳氮比生活污水，而反硝化過程以及微生物生長需要消耗碳源，不能及時提供有效碳源導致脫氮效率不高[18-21]。

(3)氨氮去除效果

圖5 2套設備對氨氮去除效果的對比Fig.5 Comparison of Effects of Two Sets of Equipment on Ammonia Nitrogen Removal

生活污水中的氨氮主要來源于宿舍樓排放尿液的水解。1號設備污水中氨氮的去除主要通過加入的RJ4微生物菌劑在好氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。2號設備污水中氨氮的去除主要通過延長污泥齡，保持較低的污泥負荷，來保持較高的硝化效果[17]。1號設備和2號設備對氨氮去除效果的對比情況如圖5所示。由圖5可知，2套設備均對氨氮具有極佳的去除效果。其中，1號設備出水氨氮最小濃度為0.123 7 mg/L，最大去除率為99.88%；2號設備出水氨氮最小濃度為0.223 7 mg/L，最大去除率為99.83%，均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。整體來看，2套設備對氨氮的去除效果均不錯，但相對于2號設備，1號設備對氨氮的去除效果更穩(wěn)定。

(4)硝態(tài)氮去除效果

在好氧條件下，氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。經(jīng)硝化液回流，在厭氧條件下，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣，使得總氮得到去除。1號設備和2號設備中，硝態(tài)氮去除效果的對比情況如圖6所示。其中，1號設備出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度先增后降，然后達到穩(wěn)定；2號設備出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度先增后降，然后繼續(xù)增加，是不斷積累的，表明反硝化過程效率低。1號設備中，通過投加篩選出來的反硝化菌劑使反硝化菌劑在缺氧環(huán)境下以污水中的有機物為電子供體，以硝酸鹽氮為電子受體進行反應，將污水中的硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣，進行反硝化反應。2號設備中，活性污泥中沒有高效的反硝化菌劑進行反硝化反應，硝態(tài)氮的含量不斷積累，且硝態(tài)氮含量較高主要與厭氧池溶解氧的含量以及進水負荷中提供不了反硝化所需的碳源有關，使得發(fā)生反硝化反應的條件受到限制。國內(nèi)外的研究表明：當進水碳氮比較低時，處理后污水中的氮大部分以硝態(tài)氮形式存在，小部分以氨氮形式存在，說明提供的碳源不足，反硝化過程進行的效率不高，從而導致硝態(tài)氮的含量較高。試驗用水平均碳氮比為3.17，屬于低碳氮比生活污水，因此，碳源不足是硝態(tài)氮不斷積累的原因之一。結(jié)果進一步表明，篩選出的復合反硝化菌劑對反硝化過程有一定的促進作用，而添加活性污泥的裝置中，硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度需根據(jù)進水水質(zhì)提供的碳源量與厭氧池溶解氧大小改變。

圖6 2套設備對硝態(tài)氮去除效果的對比Fig.6 Comparison of Effect of Two Sets of Equipment on Nitrate Removal

3 結(jié)論

本文開展兩方面的研究工作，一是反硝化菌株篩選試驗，二是2套生活污水處理設備處理效果對比試驗，結(jié)論如下。

(1)所篩選的反硝化菌株在低溫條件(10 ℃)下具有較好的生活污水處理效果，且組合菌株高于單株菌的去除效果。當組合菌混合比例A2∶C10∶C11∶C18∶C14=3∶5∶4∶1∶4時，總氮的去除率最高，可達72%。

(2)當試驗外界條件一致時，即水溫為12～16 ℃、回流比為5、水力停留時間為4 d、溶解氧為2～3 mg/L、平均碳氮比為3.17、污泥齡為10 d時，1號設備(添加微生物菌劑)和2號設備(添加活性污泥)對COD和氨氮的去除效果基本一致。其中，添加微生物菌劑的設備對COD和氨氮的最大去除率分別為94.3%、99.88%，添加活性污泥的設備對COD和氨氮的最大去除率分別為93.6%、99.83%。但是，2套設備對總氮的去除率具有較大差異。其中，添加微生物菌劑的設備對總氮的最大去除率為85.8%，而添加活性污泥的設備對總氮的最大去除率僅為66.1%，遠低于添加微生物菌劑的設備的去除率。結(jié)果表明，試驗篩選出來的反硝化菌劑有利于總氮的去除。

(3)在運行維護管理方面，添加微生物菌劑的設備優(yōu)于添加活性污泥的設備?；钚晕勰嘣O備中需不斷排泥，且需持續(xù)監(jiān)督設備中的污泥狀態(tài)和運行情況，加大了后期運行成本，維護管理困難；添加微生物無需前期的活性污泥馴化等復雜過程，且在運行期間不需要排泥，只需每隔幾個月檢查一下抽水泵等設備的運行、按比例投加微生物菌劑即可。每5個月需投加1次微生物菌劑，每次投加量為600～1 000 mL，費用為20～30元。

(4)在生活污水生態(tài)處理方面，添加微生物菌劑符合污泥減量化原則，適合在管理人員短缺、經(jīng)濟落后的西北地區(qū)推廣應用。

(5)活性污泥處理生活污水過程中，活性污泥中會發(fā)生絲狀菌膨脹、污泥老化等現(xiàn)象。因此，對于絲狀菌膨脹現(xiàn)象，在接種活性污泥之前進行鏡檢；在運行過程中，保證溶解氧正常，防止出現(xiàn)局部缺氧狀態(tài)；調(diào)節(jié)生活污水的pH，防止酸性廢水環(huán)境導致絲狀菌大量產(chǎn)生。對于污泥老化現(xiàn)象，運行過程中需及時排泥、防止過度曝氣、防止活性污泥濃度過高等。

(6)微生物菌劑處理污水過程中，需對掛膜微生物進行鏡檢，防止微生物數(shù)量較少；控制處理設備中污水的溫度，防止溫度過低導致微生物菌劑的活性低，影響處理效果。