反硝化細(xì)菌工業(yè)化篩選與擴(kuò)增培養(yǎng)研究

張 鑫，楊 宏

（北京工業(yè)大學(xué)水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

目前，大多數(shù)污水處理廠仍采用活性污泥法作為核心處理工藝[1]，該工藝的主體活性污泥系統(tǒng)屬于單泥系統(tǒng)，其中的各功能菌群存在明顯的生理差異，導(dǎo)致運(yùn)行條件無法滿足各類菌群的生長要求，使得它們不能充分發(fā)揮各自最佳的生化性能，脫氮能力受到嚴(yán)重的限制[2]，而包埋固定化技術(shù)能夠通過對(duì)某一特定功能細(xì)菌的固定化解決上述問題。包埋固定化是一項(xiàng)十分具有發(fā)展前景的技術(shù)，其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注[3]。該技術(shù)不僅能夠提高微生物對(duì)復(fù)雜環(huán)境條件或有害物質(zhì)的耐受性，還能夠增強(qiáng)載體中微生物的高效性，維持生物量的穩(wěn)定，更容易實(shí)現(xiàn)固液分離[4]。

包埋反硝化活性填料在各種污水的脫氮處理中得到廣泛應(yīng)用。目前，包埋固定化的常規(guī)技術(shù)路線是首先對(duì)功能細(xì)菌進(jìn)行篩選與擴(kuò)增培養(yǎng)，然后以獲得的污泥作為菌源制作包埋固定化填料，最后將其應(yīng)用到不同污水處理系統(tǒng)。因此，在包埋反硝化填料工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程中，實(shí)現(xiàn)高效反硝化細(xì)菌的規(guī)模化生產(chǎn)是關(guān)鍵一步。根據(jù)之前的研究[5]，活性污泥馴化方法被廣泛應(yīng)用，但目前相關(guān)研究更多地在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下進(jìn)行篩選培養(yǎng)，這顯然無法滿足包埋固定化技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的實(shí)際需求。本研究采用活性污泥馴化方法，以工業(yè)級(jí)生物反應(yīng)器為基礎(chǔ)，首先分析以活性污泥為種泥進(jìn)行連續(xù)篩選與擴(kuò)增培養(yǎng)的運(yùn)行工況，又進(jìn)一步探究不同初始污泥濃度下污泥增長與氮負(fù)荷投加的情況，并用相關(guān)指示參數(shù)對(duì)其高效性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，通過綜合考慮給出反硝化污泥實(shí)際生產(chǎn)過程中初始污泥濃度的建議值。此外，對(duì)獲得的高效反硝化污泥進(jìn)行包埋，并對(duì)包埋填料的脫氮表現(xiàn)進(jìn)行考察。本研究旨在為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 接種污泥

本試驗(yàn)所用的接種污泥取自北京市某污水處理廠，為二沉池的回流污泥。

1.2 包埋活性填料的制備

用于制備包埋活性填料的材料包括碳酸鈣（CaCO3）、粉末活性炭（粒度小于120 目）、無水硫酸鈉（Na2SO4）、硼酸（H3BO4）和聚乙烯醇（PVA）。上述材料均是市售的普通化學(xué)藥劑，均為分析純。其中，聚乙烯醇的聚合度為2 200，醇解度為20%～99%。包埋活性填料的制備參照相關(guān)資料[6]。

1.3 試驗(yàn)原水

試驗(yàn)原水均采用人工配制，其中反硝化細(xì)菌所需的氮源、碳源和磷源分別以硝酸鉀、乙酸鈉和磷酸二氫鉀的形式提供，控制碳氮比在3.0～3.5。用濃度0.23 mol/L 的稀硫酸溶液對(duì)反應(yīng)器中溶液的pH 進(jìn)行調(diào)節(jié)。微量元素的補(bǔ)充參照相關(guān)資料[7]。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 反硝化細(xì)菌工業(yè)化篩選與擴(kuò)增培養(yǎng)試驗(yàn)

如圖1 所示，本試驗(yàn)采用的反應(yīng)器為總?cè)莘e3 000 L 的工業(yè)級(jí)生物發(fā)酵罐，實(shí)際運(yùn)行過程中，可控制的有效容積為2 500 L。另設(shè)有基于可編程邏輯控制器（PLC）的自控柜，其能夠?qū)嚢杷俣?、溫度和pH 等重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制。一般攪拌速度控制在16 rad/s，可以通過溫度探頭、pH 探頭對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)相關(guān)資料[8-9]，自動(dòng)控制加熱開關(guān)、酸泵開關(guān)，使溫度和pH 分別保持在26℃和8.00±0.50。該階段試驗(yàn)設(shè)定了11 個(gè)不同的運(yùn)行梯度，當(dāng)出水總氮（TN）濃度小于10 mg/L 時(shí)，調(diào)高加藥計(jì)量泵的流量來提高運(yùn)行負(fù)荷，使其達(dá)到下一梯度，每天進(jìn)藥時(shí)間設(shè)置為8 h。培養(yǎng)過程中，采用底物流加的間歇運(yùn)行方式，具體運(yùn)行參照相關(guān)資料[10]。

圖1 反硝化污泥馴化培養(yǎng)反應(yīng)器裝置

1.4.2 包埋反硝化填料脫氮性能探究試驗(yàn)

如圖2 所示，本試驗(yàn)采用內(nèi)徑38 cm、高度50 cm 的有機(jī)玻璃柱，實(shí)際運(yùn)行中，可控制的有效容積為42 L。該階段試驗(yàn)設(shè)定了9 個(gè)不同的運(yùn)行梯度，當(dāng)出水TN 濃度小于20 mg/L 時(shí)，采用梯度法增加底物濃度和縮短水力停留時(shí)間（HRT），將運(yùn)行負(fù)荷提高至下一梯度。采用連續(xù)上向流的運(yùn)行方式，填料體積填充率控制在12%。安裝循環(huán)泵，并設(shè)置浮子流量計(jì)，運(yùn)行過程中，循環(huán)泵流量保持在340 L/h，以提高傳質(zhì)效果。溫度控制器可以使溫度保持在26 ℃，利用PLC 自控柜控制酸泵自動(dòng)加酸，使pH 控制在8.00±0.50。

圖2 包埋反硝化活性填料連續(xù)流反應(yīng)器裝置

1.5 分析項(xiàng)目與檢測(cè)方法

硝態(tài)氮（NO3--N）檢測(cè)使用紫外分光光度法，亞硝態(tài)氮（NO2--N）檢測(cè)使用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法，化學(xué)需氧量（COD）檢測(cè)使用COD 快速測(cè)定儀，污泥濃度檢測(cè)使用濾紙烘干稱重法[11]。其中，污泥濃度以混合液懸浮固體濃度（MLSS）表征。使用在線儀表對(duì)pH 與溫度進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 反硝化細(xì)菌工業(yè)化篩選與擴(kuò)增培養(yǎng)試驗(yàn)

反硝化細(xì)菌工業(yè)化篩選與擴(kuò)增培養(yǎng)試驗(yàn)涉及兩個(gè)階段，一是馴化培養(yǎng)，二是取泥生產(chǎn)。

2.1.1 馴化培養(yǎng)階段

如圖3 所示，經(jīng)體積折算，進(jìn)水氮濃度為加藥計(jì)量泵平均每小時(shí)向反應(yīng)器中輸送的氮濃度，出水氮濃度為反應(yīng)器中平均每小時(shí)的氮積累量。剛開始培養(yǎng)1～7 d 時(shí)，出水TN 濃度逐漸下降，但直到第7 d 才低于10 mg/L，進(jìn)水硝態(tài)氮濃度也一直維持在相近的水平。該階段脫氮速率沒有明顯的增長，整體水平較低，最大脫氮速率僅為41.5 mg/（L·h）。經(jīng)分析，主要原因有3 點(diǎn)。一是該階段污泥濃度較低，缺少脫氮反應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)；二是新的培養(yǎng)環(huán)境使得反硝化污泥需要一定時(shí)間來適應(yīng)；三是接種污泥中存在其他異養(yǎng)菌，它們會(huì)與反硝化細(xì)菌在碳源利用方面形成競爭。但在之后的培養(yǎng)過程中，隨著運(yùn)行負(fù)荷的不斷增加，脫氮速率整體上呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì)，從第7 d 的41.5 mg/（L·h）提高到第30 d 的522.4 mg/（L·h）。此后，脫氮速率增長趨勢(shì)逐漸放緩，并在第33 d 達(dá)到整個(gè)馴化培養(yǎng)過程的最大值，即534.7 mg/（L·h）。不斷強(qiáng)化的馴化條件逐步淘汰種泥中的其他異養(yǎng)菌，同時(shí)反硝化細(xì)菌也完成對(duì)新培養(yǎng)條件的適應(yīng)，這些正向因素使得反硝化細(xì)菌快速生長，脫氮能力實(shí)現(xiàn)高效提升。

圖3 反硝化污泥馴化培養(yǎng)階段進(jìn)出水TN 濃度與脫氮速率、出水硝態(tài)氮與亞硝態(tài)氮濃度的變化

在反硝化污泥連續(xù)馴化培養(yǎng)階段，污泥濃度及其增長量、比反硝化速率的變化如圖4 所示。培養(yǎng)1～38 d 時(shí)，污泥濃度變化曲線呈近似S 形，符合種群生長特征。該培養(yǎng)過程可以分為適應(yīng)階段（1～7 d）、快速生長階段（8～30 d）和穩(wěn)定階段（31～38 d）。剛開始培養(yǎng)1～7 d 時(shí)，污泥濃度與比反硝化速率均呈現(xiàn)增長態(tài)勢(shì)，但是趨勢(shì)平緩，最大比反硝化速率僅為11.4 mg N/（g MLSS·h），最大污泥增長量僅為105.2 mg/（L·d）。培養(yǎng)8～30 d時(shí)，反硝化細(xì)菌在馴化作用下逐步適應(yīng)培養(yǎng)環(huán)境，污泥濃度和比反硝化速率都實(shí)現(xiàn)快速提高。培養(yǎng)21 d 時(shí)，比反硝化速率達(dá)到最大，為41.7 mg N/（g MLSS·h）。培養(yǎng)19 d時(shí)，污泥增長量達(dá)到最大，為696.5 mg/（L·d），對(duì)應(yīng)的污泥濃度為7 515.3 mg/L。在該培養(yǎng)條件下，污泥濃度為7 515.3 mg/L 時(shí)，反硝化污泥能實(shí)現(xiàn)最快增長。第30 d 污泥濃度為13 227.5 mg/L，此后，污泥增長量下降明顯，并始終維持在較低水平。經(jīng)分析，主要原因有兩點(diǎn)。一是長期的連續(xù)馴化培養(yǎng)導(dǎo)致發(fā)酵罐內(nèi)部積累各種代謝產(chǎn)物，不利于污泥生長。二是功能種群間存在競爭生長關(guān)系，環(huán)境容量受到限制。

圖4 反硝化污泥馴化培養(yǎng)階段污泥濃度、污泥增長量和比反硝化速率的變化

2.1.2 取泥生產(chǎn)階段

不同污泥濃度對(duì)應(yīng)的污泥增長量不同，污泥濃度為7 515.3 mg/L 時(shí)，反硝化污泥在該培養(yǎng)條件下具有最大的增長量。但是，除了考慮快速產(chǎn)泥外，還要考慮產(chǎn)泥的經(jīng)濟(jì)性。為了找到實(shí)際生產(chǎn)過程中高效性與經(jīng)濟(jì)性的平衡，實(shí)現(xiàn)兩者的合理優(yōu)化，開展取泥生產(chǎn)包埋填料的試驗(yàn)。當(dāng)出水TN 濃度小于10 mg/L 時(shí)，通過梯度法調(diào)高加藥計(jì)量泵的流量，使得運(yùn)行負(fù)荷提高至下一梯度。如圖5 所示，取泥后，A 過程幾乎不存在適應(yīng)階段，而B 過程和C 過程均需要一定的適應(yīng)時(shí)間。經(jīng)分析，取泥會(huì)對(duì)功能細(xì)菌的菌群結(jié)構(gòu)造成一定破壞，由表1 可以看出，取泥比例越大，污泥恢復(fù)所需時(shí)間越長。此外，C 過程的污泥增長率整體要高于A 過程和B 過程，由于環(huán)境容量有限，初始污泥濃度越大，越快達(dá)到環(huán)境容量，污泥增長率會(huì)更早出現(xiàn)下降趨勢(shì)。B 過程仍處于馴化培養(yǎng)的適應(yīng)階段，當(dāng)污泥濃度增加到7 515.3 mg/L 時(shí)，污泥處于快速生長階段，污泥增長量達(dá)到最大，為675.2 mg/（L·d）。

圖5 反硝化污泥取泥生產(chǎn)階段污泥濃度及污泥增長率與進(jìn)、出水TN 濃度的變化

如表1 所示，A 過程、B 過程和C 過程的平均污泥增長量分別為425.6 mg/（L·d）、430.1 mg/（L·d）、410.3 mg/（L·d）。A 過程、B 過程的平均污泥增長量近似相等，而C 過程則要明顯小于A 過程、B 過程。經(jīng)分析，較低的初始污泥濃度在培養(yǎng)過程中所能提供的菌群基數(shù)較小，使得平均污泥增長量較低。本試驗(yàn)采用指示參數(shù)來評(píng)估反硝化污泥實(shí)際生產(chǎn)過程的高效性與經(jīng)濟(jì)性，該參數(shù)值越大，則對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)過程就更兼具高效性與經(jīng)濟(jì)性。A 過程、B 過程和C 過程對(duì)應(yīng)的指示參數(shù)分別為10.39、13.71、16.89，以5 530.4 mg/L 作為初始污泥濃度，能夠更好實(shí)現(xiàn)高效經(jīng)濟(jì)的污泥生產(chǎn)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，初始污泥濃度的建議值取5 500 mg/L。隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，污泥濃度與比反硝化速率都達(dá)到較高的水平，如果污泥以這樣的狀態(tài)長時(shí)間滯留在發(fā)酵罐中，就需要投加較多的底物來維持其活性，相應(yīng)污泥增長量較低，這無疑導(dǎo)致污泥生產(chǎn)的低性價(jià)比。因此，在保證污泥得到充分生長后，應(yīng)及時(shí)取泥生產(chǎn)。

表1 不同初始污泥濃度培養(yǎng)過程的相關(guān)參數(shù)

2.2 包埋反硝化填料脫氮性能探究試驗(yàn)

如圖6 所示，以馴化污泥為菌源制成包埋反硝化填料，在運(yùn)行的第1 d，出水TN 濃度較高，去除率為68.75%，但經(jīng)過短暫的適應(yīng)后，第2 d 出水TN濃度就低于20 mg/L，之后運(yùn)行負(fù)荷不斷增加，從第3 d 開始，去除率穩(wěn)定維持在90%以上。運(yùn)行至第12 d，脫氮速率達(dá)到整個(gè)運(yùn)行過程的最大值，為220.6 mg/（L·h）。將本試驗(yàn)與相關(guān)研究[12]的PVA包埋活性填料運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，本試驗(yàn)的包埋填料能夠更快實(shí)現(xiàn)高效脫氮，脫氮水平整體略高。本試驗(yàn)培養(yǎng)方法獲得的高效反硝化污泥制成包埋填料后仍然保持良好的生物活性，包埋填料具有良好的脫氮效果。

圖6 包埋反硝化填料運(yùn)行過程中進(jìn)出水TN、HRT與TN 去除率的變化

3 結(jié)論

研究表明，利用工業(yè)級(jí)生物發(fā)酵罐進(jìn)行反硝化細(xì)菌的篩選與擴(kuò)增培養(yǎng)是可行的，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。在反硝化細(xì)菌實(shí)際生產(chǎn)過程中，初始污泥濃度的建議值可設(shè)為5 500 mg/L，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)泥的高效與經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)包埋固定化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。在保證污泥得到充分生長后，應(yīng)及時(shí)取泥生產(chǎn)，提高污泥生產(chǎn)的性價(jià)比。本研究篩選擴(kuò)增方法獲得的高效反硝化污泥被制成包埋填料后，其生物活性仍然保持在較高的水平，它能夠很好地應(yīng)用于包埋填料中。