生物优势菌种对淹没序批式生物膜法除磷性能影响的研究

黄德锋，孙力平

（天津城市建设学院 市政与环境工程系，天津 300384）

　　摘  要：试验结果表明，在利用淹没序批式生物膜法除磷的反应器中投加生物优势菌种后，明显提高了厌氧段总磷释放和好氧段总磷吸收的效果，提高了除磷效率，缩短了停留时间。在填料装填密度为30%，水力停留时间为7 h（其中厌氧3 h，好氧4 h），pH值在5.5 ~ 9.5之间变化时，投加菌种的反应器中COD和TP去除率均明显高于未投加菌种的反应器。

　　关键词：优势菌种；序批式；生物除磷；装填密度

　　1 引言

　　淡水中含磷过多会引起水体富营养化问题，表现为藻类大量繁殖、水质恶化、湖泊退化等。随着工农业的发展，人民生活水平的提高，污水排放总量的不断增加，各种含磷洗涤剂和化肥农药的大量使用，废水中的氮、磷物质对环境造成的影响也逐渐引起人们的重视，国内外对氮、磷排放标准越来越严格。

　　淹没序批式生物膜法除磷是一种行之有效的工艺，以厌氧/好氧方式运行，通过厌/好氧状态的交替运行使污水中的磷得到有效的去除。如果该工艺加缺氧段，控制合适的碳氮比，可以实现同步除磷脱氮。但也存在一些问题：污泥停留时间较长，处理效果容易受到进水中COD_Cr和pH值冲击负荷的影响。

　　投加生物优势菌种，能够进一步提高生物处理构筑物中高效生物的浓度，提高反应速率和处理效能，减少水力停留时间和二沉池负荷，降低基建投资，从而提高系统的除磷能力。向该系统中投加生物优势菌种，强化生物量对污水这一特定环境的作用，能在不扩充现有水处理设施的基础上，提高水处理的范围和能力。本试验重点通过对比试验，研究投加生物优势菌种对序批式生物膜法除磷性能的影响。

　　2 材料与方法

　　2.1 材料

　　模拟污水：将称量好的化学药品溶于5000 mL的蒸馏水中，配成一定浓度的污水。试验时作稀释，调整COD_Cr值和污水中氮、磷浓度。污水成分如表1所示。

表1  合成污水的主要成分

　　试验采用自配的原生污水，与生活污水水质接近，投加的主要物质为葡萄糖、乙酸钠、磷酸二氢钾、氯化铵、硫酸镁、微量元素液等，加少量碳酸氢钠调节碱度。如表1和表2所示。

表2  微量元素液的组成

　　生物优势菌种：生物优势菌种取自天津市环境科学研究院，共7瓶富集培养液，鉴定到属，是具有较好聚磷性能的优势聚磷菌。将优势菌种投入反应器之前，首先进行扩增，将试验所需培养基（所用培养基成分如表3所示）装入500 mL三角瓶中，以8层纱布封口，经高压蒸汽灭菌后，在无菌操作条件下，接入一定容积（反应器有效容积的5%）的富集培养液，好氧条件在28℃下恒温振荡培养48 h。然后将各菌株按一定比例复配。

　　活性污泥取自天津纪庄子污水处理厂曝气池新鲜活性污泥，经沉淀分离后投入反应器。

表3  培养基成分及用量

　　2.2 试验装置与方法

　　本试验所用反应器如图1所示，反应器由有机玻璃制成，上部为圆柱体，尺寸为φ30×60 cm，下部为圆锥体，尺寸为φ30×16 cm。锥体部分为沉淀池，体积为3 L。反应器有效容积40 L，出水管间距10 cm，并设有混合液回流装置，用作搅拌作用，以避免利用搅拌机搅拌时对填料造成干扰，并在反应器内内置圆柱形导流筒，尺寸为φ16×50 cm，可以保护滤料免受曝气的冲刷作用。回流泵采用单相管道泵，流量为0.5 m³/h。核心装置为生物接触氧化反应器，内装聚乙烯纤维复合填料，试验所用填料为聚乙烯组合软性填料，比表面积为2660，空隙率为99%。

图1  试验装置图

　　为研究投加优势聚磷菌后对反应器除磷效果的影响，本试验采用两组同体积的反应器同时挂膜，把组合软性填料分别装入两个反应器中，填充比为30%。在第一个反应器中只加入取自天津纪庄子污水处理厂汇流泵房的回流污泥，称为反应器1，而在第二个反应器中，加入上述回流污泥的同时，又加入等体积复配后的优势聚磷菌，称为反应器2。两个反应器同时利用快速排泥法进行挂膜。

　　本试验首先在固定进水污泥龄、pH、COD_Cr、NH₄⁺-N、TP浓度情况下，通过试验确定两个反应器除磷的最佳厌氧/好氧时间，确定厌氧/好氧运行的淹没序批式生物膜法除磷的最佳运行周期。然后研究投加生物优势菌种后，两个反应器在除磷效果、抗COD_Cr冲击负荷、对进水pH值变化的适应能力等方面的差异，从而研究优势菌种的优势所在。

　　3 结果与讨论

　　3.1 污泥龄对除磷效果的影响

　　由于生物除磷系统中的除磷效果与排放的剩余污泥量直接相关，剩余污泥量取决于污泥龄。有人报道，当泥龄为30 d时，除磷效率为40%；泥龄17 d时，除磷效率为50%；污泥龄降到5 d时，除磷效率提高到87%，所以一般认为泥龄在5 ~ 10 d时除磷效果是比较好的^[1]。泥龄越长，活性生物量越低，聚磷菌为维持其生命活动而分解聚磷导致磷的二次释放，除磷能力也相应降低。故本试验控制污泥龄为8 d，每天排出5 L活性污泥混合液。

　　3.2 利用正交试验确定厌氧/好氧停留时间

　　厌氧/好氧停留时间是影响序批式生物膜法除磷的关键因素。在厌氧条件下，聚磷菌分解细胞内的聚磷酸盐同时产生ATP，并利用ATP将废水中的脂肪酸等有机物摄入体内，以PHB及糖原等有机颗粒的形式贮存于细胞内；同时，排出分解聚磷酸盐分解所产生的磷酸盐。进入好氧环境后，聚磷菌又利用PHB氧化分解产生的能量摄取废水中的磷，并把摄取的磷合成聚磷酸盐贮存于细胞内，并吸收有机物大量增殖。微生物的增殖使微生物在好氧环境中摄取的磷大于厌氧释放的磷，富含磷微生物通过剩余污泥排出，从而实现除磷目的^[2]。在本试验中，控制污泥龄为8 d，进水COD_Cr为300 mg/L，TP为10 mg/L，NH₄-N为40 mg/L，pH为7.3，研究聚磷微生物在厌氧条件下释磷和好氧条件吸磷随时间变化的情况，以确定达到最佳除磷效果时的厌氧/好氧时间。

图2  两反应器中厌氧段总磷释放曲线对比

图3  两反应器中好氧段总磷吸收曲线对比

　　由图2和图3可知，厌氧段释磷主要集中在前3小时，之后的9小时内释磷量增加幅度很小。好氧段吸磷主要集中在前2小时，以后TP吸收量增加很少。故本试验确定运行周期为7 h（其中厌氧3 h，好氧4 h）。反应器2在厌氧段TP的释放量和释放速率都明显高于反应器1。而反应器2在好氧段TP的吸收速度和吸收量也明显高于反应器1。总之，在利用淹没序批式生物膜法除磷试验中，投加优势聚磷菌后，由于优势聚磷菌在厌氧段的总磷释放和好氧段总磷吸收的效果较好，而且增加了反应器中的生物量，厌氧段TP的释放和好氧段TP的吸收都明显改善，TP去除率大为提高。

　　3.3 进水COD_Cr/TP对除磷效果的影响

　　除磷效果与COD_Cr/TP、BOD₅/TP的值有关，同时又随工艺不同而变化。生物除磷所需最少有机物的概念引出了碳限制污水和磷限制污水。碳限制污水是指污水中有机物数量不足以去除所有磷，结果出水磷浓度高。磷限制污水时指污水中有机物数量大于除磷所需有机物数量，此时出水中磷浓度很低^[3]。所以当需要得到良好的出水水质时，期望原水水质属磷限制污水。本试验通过改变进水COD_Cr负荷率，研究投加优势聚磷菌后，对反应器中COD_Cr和总磷去除率的变化。

图4  COD_Cr负荷率变化对COD_Cr去除率的影响

图5 COD_Cr负荷率变化对TP去除率的影响

　　由图4、图5可知，投加优势菌种后，当进水COD_Cr负荷率在0.2 ~ 1.5 kg/(m³·d)变化，反应器1中COD_Cr和总磷去除率在70%以上，最高分别可达90%和92%。而投加优势聚磷菌后反应器2中COD_Cr去除率最高可达97%，总磷去除率最高为96%。由此可见，投加生物优势菌种后，反应器更适应COD_Cr负荷率的变化，COD_Cr和总磷去除率都明显高于未投加菌种的反应器。

　　3.4 进水pH对处理效果的影响

　　据文献报道，pH值在6.5 ~ 8.2范围内变化时对聚磷菌的生理活动影响不大。因此试验中调节pH值在7左右。由于合成污水中加入一定的碱度，厌氧后及好氧后出水pH值变化不大，接近中性。本试验分别调节进水pH值为6.2 ~ 9.2，研究投加优势菌种后进水pH值变化对两反应器除磷效果的影响。

图6  pH值变化对COD_Cr去除率的影响 
       
图7  pH值变化对TP去除率的影响

　　由图6、图7可知，进水pH值变化对总磷去除率影响较大。当进水pH值在5.5 ~ 9.5之间变化时，反应器2中COD_Cr和总磷去除率都明显优于反应器1。投加菌种后，COD_Cr最高去除率从88%提高到93%，总磷去除率从89%提高到95%，当pH值在6.5 ~ 8.5之间时，总磷去除率较高，未投加菌种的反应器1中总磷去除率在90%以上，而投加菌种的反应器2中总磷去除率在95%左右。

　　4 结论

　　在利用两个反应器同时利用淹没序批式生物膜法除磷试验中，在反应器中投加优势菌种后，总磷去除率明显增加，试验运行3个月，未发现投加菌种的反应器中微生物除磷效率有明显下降。

　　① 反应器中投加菌种后，厌氧段总磷的释放和好氧段总磷吸收都明显优于未投加优势菌种的反应器。

　　② 在进水COD_Cr和pH值变化时，COD_Cr和TP去除率都高于未投加优势菌种的反应器

　　③ 投加的优势菌种的除磷效果受到水质、水量、营养物、投菌量、反应器构型、停留时间等诸多因素的影响，需进一步研究如何使投加的菌种长期保持生物活性并具有良好的除磷效果。

　　参考文献

　　[1]  孙力平. 污水处理新工艺与设计计算实例. 北京:科学出版社, 2002.

　　[2]  BaoZhen Wang, Jun Li. Mechanism of Phosphorus Removal by SBR Submerged Biofilm System [J]. Wat, Res, 1998, 32(9): 2633-2638.

　　[3]  吴凡松, 彭永臻. 城市污水除磷厂的生物除磷系统设计. 中国给水排水, 2002, 18(8): 56-58.