固體碳源及生物強化CAST工藝處理低C/N生活污水的效果

葉姜瑜 項宏偉 王宗萍 姜建華 林錚

摘要[目的]研究固體碳源及生物強化CAST工藝處理低C/N生活污水的效果。[方法]設2組CASS反應器，試驗組投加玉米芯填料與生物強化菌劑，對照組不投加玉米芯和生物強化菌劑。試驗運行階段對進出水進行氨氮（NH4+-N）、總氮（TN）、化學需氧量（COD）等指標進行持續監測。試驗后期，取掛膜填料與2反應器中的污泥進行電鏡分析。[結果]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，固體碳源表面結構粗糙，孔隙內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。反應器運行20 d后，試驗組污泥結構相對于對照組更加緊密。[結論]固體碳源及生物強化CAST工藝處理低C/N生活污水可行性強，發展前景廣闊。

關鍵詞低C/N；固體碳源；生物強化；好氧反硝化菌

中圖分類號X703文獻標識碼A文章編號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，城鎮居民個人用水量增加，同時含氮、磷物質及大量農業化肥的大量使用，導致我國城鎮污水化學需氧量（COD）低、氮、磷濃度高等特點[1]。當進水碳源不足導致反硝化作用受限制時，通常需要在缺氧反硝化階段補充外碳源[2]。傳統有機外加碳源（如甲醇、乙醇、乙酸等低分子物質）易于微生物降解利用，但對于水質波動較大的污水，投加量不易控制，操作復雜，易出現碳源空間分布過量或不足；如甲醇這類有毒液體物質，易造成更嚴重的二次污染，且長途運輸較為不便；外加液體碳源成本較高，會增加污水處理成本[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]用碎報紙作為固體碳源處理 100 mg/L硝酸鹽污染飲用水，整個試驗結束后硝酸鹽被降解完全，且系統內沒有亞硝酸鹽積累。固體碳源能為微生物反硝化提供緩釋性碳源，粗糙的表面結構可以附著微生物，為微生物生長繁殖提供適宜的生長載體，提高系統中微生物量[8]。

針對低C/N城鎮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化技術相結合，利用實驗室CAST反應器進行小試試驗，研究固體碳源及生物強化CAST工藝處理低C/N生活污水的效果，旨在為城鎮生活污水處理提供借鑒。

1材料與方法

1.1培養基好氧反硝化基礎培養基（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，FeSO4·7H2O 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試驗材料

試驗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區的剩余污泥；試驗用水為來自重慶大學B區學生第六宿舍的生活污水，經稀釋以及（NH4）2SO4配置而成，系統進水水質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試驗裝置與設備

試驗裝置為2組CASS試驗裝置[由上海大名教育儀器有限公司生產的CASS工藝城市污水處理試驗裝置（5～25 L/h自動控制）]。厭氧選擇區、預反應區和主反應區的體積分別為10.5、12.0和126.0 L。反應器運行周期為4 h，其中進水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。試驗期間無排泥。反應器在室溫下運行，溫度維持在15～20 ℃。試驗裝置如圖1所示。

1.4試驗方法試驗設2組平行CASS反應器，分別為試驗組與對照組。試驗組投加玉米芯填料與生物強化菌劑。對照組不投加玉米芯和生物強化菌劑。試驗運行階段對進出水進行NH4+-N、TN、COD等指標持續監測。試驗總共運行25 d。在試驗后期，取掛膜填料與2個反應器中的污泥進行電鏡分析（SEM），分析微生物附著于污泥的形態結構。

1.5固體碳源投加方式

采用表面粗糙、內部含有疏松纖維的聚乙烯填料與生物強化菌劑結合的方法，選取直徑為80 mm的填料，先對生物強化菌劑進行擴培，之后將填料串聯成串，浸泡于菌液中，隨后將填料投加于CASS主反應區前后端。

1.6試驗樣品掃描電鏡觀察

樣品進行預處理后利用掃描電鏡進行觀察。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），對產物進行10 min脫水；之后放入干燥器內干燥8 h。樣品噴金后置于掃描電鏡載臺上觀察。

1.7測定項目與方法

試驗中水質指標測定項目及方法見表1，菌體生長濃度用721分光光度計在600 nm下測定吸光光度測定。

2結果與分析

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，經過形態學和分子生物學鑒定，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95.4%，施氏假單胞菌利用NO-3-N的反硝化能力高達967%，銅綠假單胞菌對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玉米芯表面結構電鏡分析

利用掃描電鏡對不同試驗階段玉米芯結構掃描，分析玉米芯結構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定性。不同試驗條件下掃描電鏡結果見圖3。

電鏡結果表明，原始玉米芯表面結構呈蜂窩狀，粗糙且有大量孔洞，易于微生物附著，可作為優質的生物載體（圖3a）。經清水浸泡15 d后的玉米芯表面結構變疏松，孔洞明顯變大，但沒有大量微生物附著于表面（圖3b）。

經好氧反硝化菌利用12 d后的玉米芯表面結構更加粗糙，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境。在活性污泥系統中試驗20 d后，經活性污泥和復配菌劑的代謝后，玉米芯表面明顯變化，表面更加粗糙，結構有一定程度破裂，孔隙內附著大量的桿菌、球菌及絲狀菌等（圖3d），表明玉米芯在活性污泥系統中既能為微生物生長提供碳源，其疏松多孔表面結構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定存在。

安徽農業科學2017年

2.3CASS工藝脫氮性能監測

該研究對比分析加入生物強化菌劑與固體碳源的試驗組CASS反應器與對照組CASS反應器的脫氮效果與差異。實驗室CASS反應器自2016年3月14日至4月2日運行期間，每日取試驗組與對照組反應器進出水樣進行COD、NH4+-N和TN濃度的測定，COD濃度反映對有機物的去除情況，NH4+-N和TN濃度反映系統中含氮情況。對比2個反應器出水指標確定人工強化的生物菌劑與外加玉米芯固體碳源是否對CASS系統脫氮效率起到促進作用。

2.3.1COD的去除效果。

試驗期間，進水、試驗組與對照組

出水COD濃度及去除率見圖4。試驗組和對照組的進出水

COD濃度變化情況表明，對照組出水COD濃度基本穩定，平均出水COD濃度為41.81 mg/L，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918—2002中一級A標[10]（50.00 mg/L）。試驗組出水COD濃度沒有明顯的增加，在9 d前出水COD基本與對照組相近，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，試組與試驗組出水

COD濃度的P>0.05，說明差異不顯著，2個反應器對于脫碳方面差距并不大。試驗組出水COD沒有明顯增加的結果表明，玉米芯作為外加固體碳源用于活性污泥系統時，并不會對原水體造成二次污染。

2.3.2NH4+-N的去除效果。

試驗期間，試驗組與對照組進出水NH4+-N濃度及去除率見圖5。試驗組的NH4+-N去除效果比對照組的NH4+-N差得多，平均去除率5577%，而試驗組NH4+-N的去除率高達82.10%。對照組出水NH4+-N濃度為11.35 mg/L，只達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中NH4+-N排放二級標準（25 mg/L），試驗組出水NH4+-N濃度明顯低于對照組，平均NH4+-N濃度為4.58 mg/L，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級A標（5.00 mg/L）（圖5、表3）。方差分析表明，對照組與試驗組出水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內硝化菌群的豐度，當系統曝氣情況相同的情況下，增加硝化菌豐度，能夠增強系統硝化作用，從而降低系統NH4+-N濃度。

2.3.3TN的去除效果。試驗階段，進水、試驗組與對照組出水TN濃度及去除率見圖6。

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

001，說明差異極顯著。猜測生物強化提高了系統的脫氮性

能。生物強化菌劑極大地增大了系統脫氮菌群的豐度，進而提高了系統在缺氧情況下的反硝化性能。而CASS反應器中厭氧、缺氧、好氧交替發生的特點決定其較難嚴格控制溶氧情況，在主反應區停止曝氣后，污泥沉降得較快，系統沒有缺氧攪拌，導致CASS主反應區缺氧時段泥水混合不充分，污泥中的細菌接觸到的硝酸鹽比較少，直接限制系統反硝化脫氮。添加好氧反硝化菌能夠在CASS主反應區曝氣狀態下同

時實現硝

化和反硝化過程，提高系統反硝化性能。

2.4CASS反應器污泥電鏡分析

對試驗組和對照組的初

始污泥和運行20 d后的污泥進行電鏡掃描觀察，結果見圖7。從圖7可見，試驗初期試驗組和對照組污泥結構基本一

致，疏松多孔，污泥中含有絲狀菌和桿菌。反應器運行20 d

后，試驗組污泥結構基本沒有太大變化，可清晰看到大量的桿菌，污泥性能良好。相比試驗組，對照組的污泥結構略疏松，猜測可能由于水體內碳源不足，活性污泥內部分微生物

生長受到抑制，微生物豐度降低，污泥結構開始松散。

3結論

（1）池塘底泥經過菌種的分離、純化及復篩等，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）對試驗組反應前后的固體碳源填料電鏡分析，結果表明觀察到添加至活性污泥系統中20 d后玉米芯的表面結構更加粗糙，孔隙內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中既能作為固體碳源穩定供碳，又能作為生物載體穩定存在。

（3）添加有玉米芯固體碳源及生物強化菌劑的反應器出水COD維持在30 mg/L左右，NH4+-N的平均出水濃度由對照組的11.35 mg/L降至4.58 mg/L；出水TN平均濃度由對照組的25.03 mg/L降至12.11 mg/L，出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB 18918—2002中規定的一級A標。玉米芯作為外加固體碳源用于活性污泥系統時，出水COD穩定且偏低，不會對原水體造成二次污染。

（4）對試驗初期污泥和反應器運行20 d后的污泥電鏡掃描分析，結果表明，試驗初期試驗組和對照組污泥結構節基本一致，酥松多孔，可以明顯地看到污泥中含有絲狀菌和桿菌。反應器運行20 d后，試驗組污泥結構基本沒有太大變化，可清晰看到大量桿狀菌，污泥性能良好。玉米芯固體碳結合優勢脫氮菌群強化技術，提高了水體內碳源和系統微生物豐度，污泥結構更加緊密。

參考文獻

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