菌剂强化多级Ａ/Ｏ工艺处理低温农村生活污水脱氮除磷效果

李乔 欧阳彤 柏林 侯君霞 张文艺

摘要：針对冬春季分散式农村生活污水处理设施脱氮除磷效果差、普遍超标的难题，构建生物填料型多级A/O试验装置和48 t/d的示范工程处理设备，形成生物膜/活性污泥混合净化系统，以投加反硝化聚磷菌（B8）为强化手段，考察B8菌对多级A/O系统去除氨氮、总氮和总磷的强化效果，同时跟踪监测示范工程的应用效果。结果表明，投加B8菌剂可以一定程度上强化低温条件下（9～13 ℃）多级A/O工艺的脱氮除磷效果，与未投菌装置的氨氮、总氮和总磷的出水浓度4.13、16.29、和0.67 mg/L相比，投菌装置的出水浓度分别为2.31、10.11和0.48 mg/L，达到一级A排放标准。更低温度条件下（3～7 ℃）时，投菌、未投菌装置对氨氮、总氮、总磷的去除效果未见明显差异，分别维持在35%、30%和43%左右。经过B8菌剂强化后的农村污水处理设施（48 t/d）出水水质有所改善，氨氮平均去除率由86.4%增至92.6%，总氮平均去除率由45.9%增至57.3%，总磷平均去除率由67.8%增至76.1%，但CODcr的平均去除率为72.8%，较未投菌的74.5%相差不大。氨氮出水达到一级A排放标准，CODcr、总氮、总磷出水达到一级B排放标准。

关键词：农村污水;多级A/O;低温条件;脱氮除磷;反硝化菌

中图分类号：X703         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）20-0063-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.20.013           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Enhancing nitrogen and phosphorus removal efficiency of multi-stage A/O

process with bacteria for low temperature rural sewage treatment

LI Qiao，OUYANG Tong，BO Lin，HOU Jun-xia，ZHANG Wen-yi

（School of Environmental & Safety Engineering，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu，China）

Abstract： Aimed at the problem of poor nitrogen and phosphorus removal in winter and spring for rural domestic sewage treatment facilities which was decentralized， and even exceeding the standard widespreadly， a bio-filled multi-stage A/O device and demonstration engineering treatment equipment（48 t/d） were constructed to treat sewage， where it would form a biofilm/activated sludge mixture， and added the denitrification bacteria（B8） into the facilities. The enhancement effect of the removal of NH4+-N， TN and TP in multi-stage A/O system with the B8 bacteria was investigated，and track the application effect in the demonstration equipment. The results showed that the effect of nitrogen and phosphorus removal by multi-stage A/O process under low temperature conditions（9～13 ℃） can be strengthened to a certain extent by adding bacteria（B8）. Compared with the effluent of NH4+-N， TN and TP 4.13，16.29，0.67 mg/L， respectively， for the device without B8， the effluent of the device with B8 was 2.31，10.11 and 0.48 mg/L，respectively， reaching the first-class A emission standard. At lower temperature（3～7 ℃）， compared with the removal effect of NH4+-N， TN and TP for the device without B8， there was no significant difference in the device with B8， and the removal effect was generally maintained at 35%， 30% and 43%，respectively. The effluent quality of the rural sewage treatment facilities（48 t/d） was improved due to adding the B8 microbial agent. The average removal rate of NH4+-N increased from 86.4% to 92.6%， the average removal rate of TN increased from 45.9% to 57.3%， and the average removal rate of TP increased from 67.8% to 76.1%， but the average removal rate of CODcr was 72.8%， which was not significantly different from the 74.5% of the device without B8. The effluent of NH4+-N reached the first-class A emission standard， and the effluent of CODcr，TN and TP reached the first-class B emission standard.

Key words： rural sewage;multi-stage A/O;low temperature conditions;nitrogen and phosphorus removal;denitrification bacteria

在冬季，由于农村分散式处理设施没有相关的保温措施，所以与城市污水相比，其污水温度要远低于城市污水水温。并且农村污水流量小、水质波动大、运营维护不当，所以分散式处理设施常常处理效率低，出水氨氮、总氮难以达标[1]。多级A/O工艺是近年来农村分散式污水处理设施常用的工艺，具有脱氮效率高，耐冲击负荷、节省内回流、污泥浓度高和运行成本少等特点[2，3]。但作为活性污泥法的一种，该工艺在低温条件下也存在脱氮效果不理想的现象。

针对低温条件下脱氮除磷效果不佳的现象，目前常采用的解决办法包括延长水力停留时间、控制溶解氧浓度、延長污泥龄等工艺调控方式[4-6]，也可以投加生物菌剂、填料等外部措施强化去除效率[7，8]。虽然通过调节工艺可以在一定程度上提高去除效果，但出水仍然无法稳定达标排放，这时就需采用外加措施来保证污水达标排放。通过外加具有特定功能的生物菌剂，不仅可以强化特定污染物的去除效果，还可以减少污泥产生量，同时增强系统的抗冲击能力。宋云龙等[9]向A/O工艺中的厌氧池投加生物菌剂，不仅强化了对CODcr、氨氮、总氮的去除效果，还减少了近28%的剩余污泥的产生。马放等[10]通过构建生物强化工程菌强化了低温条件下对石化废水中的难降解有机物（苯系物、卤代烃等）的去除。郭静波等[11]通过投加微生物菌剂成功实现了污水处理厂在低温条件下的启动，系统对难降解有机污染物的去除效果和抵抗冲击负荷的能力都大大增强。

本研究以提高多级A/O系统在冬春季低温条件下的运行效能为目标，构建生物填料型多级A/O试验装置和48 t/d的示范工程处理设备，形成生物膜/活性污泥混合净化系统，并以投加反硝化聚磷菌剂（B8）为强化手段，考察B8菌对多级A/O系统去除氨氮、总氮和总磷的强化效果，同时跟踪监测示范工程的应用效果，为投菌技术应用于低温条件下的分散式农村生活污水处理提供应用技术参考和理论设计参数。

1  材料与方法

1.1  污水来源及水质

试验用水为常州市武进区某地生活污水，污水中漂浮物及大粒径悬浮物经筛网过滤去除。水质指标见表1。

1.2  水质测定方法

水质测定参见《水和废水检测分析方法》（第4版）[12]。

1.3  反硝化聚磷菌B8的制备

反硝化聚磷菌（被命名为B8）由常州大学环境与安全工程学院张文艺老师课题组从安徽省天长市污水处理厂氧化沟外沟中的活性污泥中筛选所得，经16S rDNA测序及同源性鉴定，为恶臭假单胞菌属（Pseudomonas putida sp），已保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心（登记入册编号为CGMCC9168）[13]。将B8接种于pH为6.5的液体PAM培养基[14]中，培养温度为30 ℃、转速为120 r/min条件下培育20 h，即制得反硝化聚磷菌B8菌液（活菌数为6.25×107～8.55×107 CFU/mL）。

1.4  多级A/O的构建及启动

制作了2套相同的试验装置流程（图1），拟定其中装置A不投加菌剂，装置B投加菌剂。多级A/O反应器有效容积依次为2.6、3.9、2.6、3.9 L，缺氧区和好氧区的容积比约为2∶3，采用下端进水，上端出水，高低落差自流式的处理方式。好氧区采用黏砂曝气头曝气，曝气量通过气体流量计控制。试验进水、污泥回流采用蠕动泵进行控制。接种污泥取自常州市某污水处理厂二沉池，将其接种至各个处理单元，并向处理单元加入生物填料（丝状和球状填料），填充率为45%。

装置搭建完成后，将生活污水引入装置。控制好氧区溶解氧在3 mg/L左右，缺氧区溶解氧控制在0.3～0.5 mg/L，对缺氧区定期进行搅拌，污泥回流比在65%左右，整个试验期间不对硝化液进行内回流。初期在低流量下运行20 d，混合液污泥浓度为2 800～3 500 mg/L，测定多级A/O装置进出水CODcr、氨氮指标，去除率达到70%，即装置挂膜成功;然后提高进水流量，使装置A和装置B在水力停留时间为9.5 h左右下稳定运行。

48 t/d的示范工程位于江苏省常州市洛阳镇东尖村，该村有120户、居民500人，其调试及运行方式与实验室试验装置基本相同，装备长、宽、深度为7 500 mm×2 250 mm×3 000 mm，全自动PLC控制，并通过物联网远程、实时监控运行工况。

1.5  多级A/O系统的菌液投加及运行

中国苏南地区全年农村生活污水水温大致分为常温（20～32 ℃）、次低温（9～13 ℃）和更低温（3～7 ℃）3个温度梯度。在常温条件下的运行指标见表2。在进入冬季低温期后，保持2套装置的运行条件不变，多级A/O装置B开始投菌，即将反硝化细菌菌液和生活污水按照2%的比例混合均匀后，使其进入装置B，投菌12 d后停止，同时运行不投菌的装置A作对比。为排除外界降雨干扰，水样采集均选自无降雨条件下，且在6 h内完成水样测定。

2  结果与分析

2.1  菌剂强化对NH4+-N的去除效果

由表2及图2可知，装置在常温（20～32 ℃）下运行时，氨氮出水浓度在0.5～1.8 mg/L，而在投菌试验期间（3～13 ℃），氨氮出水浓度增至3.2～18.5 mg/L，说明温度的降低会抑制硝化细菌酶活性，削减硝化作用。向装置B投加反硝化细菌B8能够强化多级AO对氨氮的去除能力，在投菌后9 d时，装置B的出水氨氮浓度同比未投加菌剂的装置A下降了2.98 mg/L，此后氨氮的出水浓度稳定在0.9～2.8 mg/L。这说明在低温条件下（9～13 ℃），投加反硝化聚磷细菌可增强系统对多级A/O去除氨氮的效果，装置B对氨氮去除能力的强化一方面可能是外加菌剂B8摄取氮源用于自身生长，另一方面投加的B8菌同时也具有异氧硝化功能和促进多级A/O系统本源菌群的硝化功能。在投菌27～31 d时，此时温度为3～7 ℃，装置A和装置B的去除效果都较差，去除率仅有37%左右。有研究表明温度低于（7±2） ℃时，大多数微生物代谢基本停止[15]，本研究投加的B8菌属于恶臭假单胞菌属，其在4 ℃左右可能停止代谢生长，故在此温度阶段下不能起到强化作用。

2.2  菌剂强化对TN 的去除效果

投加B8菌剂对多级A/O工艺去除总氮的影响如图3所示，可以看出，在运行温度为9～13 ℃时，引入反硝化细菌的装置B和装置A相比，其反硝化能力得到加强。在投菌运行开始7 d时，B装置的总氮去除率由原来的54.7%提高到69.3%，而同阶段的A装置总氮去除率仅为54.3%，此后B装置的去除效果一直优于A装置，总氮出水浓度平均值达到10.11 mg/L，去除率为69.73%。当投菌27～31 d时，此时运行温度为3～7 ℃，装置A和装置B的去除效果一般，去除率仅维持在30%左右。温度从两个方面影响脱氮效率[16，17]，一是温度的降低会减弱硝化作用，氨氮无法有效转化为硝态氮，进而无法为反硝化作用提供充足的氮源，导致TN去除效果不佳。二是低温條件也会直接抑制反硝化作用，当温度过低时，其硝化反硝化作用明显受到抑制。从试验结果来看，当运行温度为9～13 ℃时，投加的反硝化菌能同时加强硝化和反硝化作用，但菌群投加活性污泥和生物膜系统中后并不能马上起作用，而是需要一定的适应期，本试验所投加的球状多孔结构填料也为菌群的附着提供了条件[18]，有利于B8菌剂的生长，进而增强脱氮效果。

2.3  菌剂强化对TP的去除效果

由表2和图4可知，常温条件下（20～32 ℃）与低温条件下（9～13 ℃）系统对TP的去除效果未见明显变化，出水浓度均在0.6～0.9 mg/L。随着B8菌剂的投加，装置B的TP出水浓度逐渐降低，在9 d时，总磷出水浓度为0.48 mg/L，达到一级A排放标准，此后基本保持稳定，而同阶段装置A的总磷出水浓度为0.7 mg/L。在投菌27～31 d时，运行温度降至3～7 ℃，未投菌的装置A和投菌的装置B出水浓度均在1.3～1.8 mg/L，投菌并无强化效果。在一定的低温（9～13 ℃）条件下，反硝化除磷可以利用硝酸盐替代碳源作为电子受体来进行脱氮除磷，进而可以高效的节省碳源，同时增加脱氮除磷效率[19，20]。本研究使用的B8菌株是一种反硝化聚磷微生物，从活性污泥中筛选出来，具有良好的环境适应能力[13]，而多级A/O系统中的生物填料又为B8菌剂生长提供有利的条件，从而能够在缺氧-好氧的操作下强化装置B对生活污水中磷的去除，而且增加了系统运行的稳定性。

2.4  投加B8菌剂强化处理的效果

图5为分散式设施7—11月的进出水情况以及投菌前后CODcr、氨氮、总氮、总磷的去除情况，由该图可以看出，在7—11月（25～35 ℃）期间，氨氮出水浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A的标准，CODcr、总氮的出水浓度接近一级A排放标准，TP的出水去除效果一般，在1 mg/L左右，原因可能是与农村生活污水的排放波动较大有关;在11月底至12月初，由于温度降低（9～13 ℃），CODcr、氨氮、总氮去除效果均有所下降，氨氮仍达到一级A标准，CODcr、总氮的出水浓度在一级B排放标准左右，总磷去除效率依然保持原来水平。为使低温条件下污水处理效果依然保持良好，根据实验室取得的参数及经验，按照2%的比例投加反硝化细菌菌液。

由图5可知，CODcr的进水在100～450 mg/L，平均出水浓度为61.48 mg/L，平均去除率为72.8%，与未投菌的74.5%并无明显变化;氨氮平均去除率由86.4%提高到92.6%，平均出水浓度由4.2 mg/L降到2.2 mg/L;总氮平均去除率由45.9%提高到57.3%，平均出水浓度由19.6 mg/L降到15.1 mg/L;总磷平均去除率由67.8%提高到76.1%，平均出水浓度由1.00 mg/L降到0.77 mg/L。从检测数据来看，B8菌剂投加提高了系统对氨氮、总氮、总磷的去除率，但强化效果一般，这与设施本身的处理效果一般和农村地区污水排放有其特定的排放规律（集中在一天中的早、中、晚3个时段）、水质波动大等因素有关。氨氮出水浓度达到一级A排放标准，总氮、总磷出水浓度达到一级B排放标准。

3  小结

1）B8菌剂强化生物膜/活性污泥混合型多级A/O系统效果的试验研究表明，通过投加菌剂（B8）可以在一定程度上强化低温条件下（9～13 ℃）多级A/O工艺的脱氮除磷效果，与未投菌装置的氨氮、总氮和总磷出水浓度4.13、16.29和0.67 mg/L相比，投菌装置的出水浓度分别为2.31、10.11和0.48 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A排放标准。而更低温度（3～7 ℃）条件下，与未投菌装置对氨氮、总氮、总磷的去除效果相比，投菌装置并无明显差异，分别维持在35%、30%和43%左右。

2）示范工程跟踪监测表明，经过B8菌剂强化后的48 t/d分散式农村处理设施出水水质无明显变化，CODcr的平均去除率为72.8%，与未投菌的去除率（74.5%）相比并无明显变化，氨氮平均去除率由86.4%增至92.6%，总氮平均去除率由45.9%增至57.3%，总磷平均去除率由67.8%增至76.1%。氨氮出水浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A排放标准，总氮、总磷出水浓度达到一级B排放标准。

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