固体碳源及生物强化CAST工艺处理低C/N生活污水的效果

叶姜瑜 项宏伟 王宗萍 姜建华 林铮

摘要[目的]研究固體碳源及生物强化CAST工艺处理低C/N生活污水的效果。[方法]设2组CASS反应器，试验组投加玉米芯填料与生物强化菌剂，对照组不投加玉米芯和生物强化菌剂。试验运行阶段对进出水进行氨氮（NH4+-N）、总氮（TN）、化学需氧量（COD）等指标进行持续监测。试验后期，取挂膜填料与2反应器中的污泥进行电镜分析。[结果]从池塘底泥中筛选出3株具有高效反硝化作用的好氧反硝化菌，分别为假单胞菌（Pseudomonas sp.）、施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），对硝酸盐和亚硝酸盐去除率均在85%以上。电镜分析表明，固体碳源表面结构粗糙，孔隙内及表面附着大量的杆菌、球菌及丝状菌等微生物，生物量有明显的提高。试验组出水COD浓度维持在40.00 mg/L左右，NH4+-N的平均出水浓度由11.35 mg/L降至4.58 mg/L；平均出水TN浓度由24.74 mg/L降至12.11 mg/L。反应器运行20 d后，试验组污泥结构相对于对照组更加紧密。[结论]固体碳源及生物强化CAST工艺处理低C/N生活污水可行性强，发展前景广阔。

关键词低C/N；固体碳源；生物强化；好氧反硝化菌

中图分类号X703文献标识码A文章编号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

近年来，由于人们生活水平的提高以及生活方式的改变，城镇居民个人用水量增加，同时含氮、磷物质及大量农业化肥的大量使用，导致我国城镇污水化学需氧量（COD）低、氮、磷浓度高等特点[1]。当进水碳源不足导致反硝化作用受限制时，通常需要在缺氧反硝化阶段补充外碳源[2]。传统有机外加碳源（如甲醇、乙醇、乙酸等低分子物质）易于微生物降解利用，但对于水质波动较大的污水，投加量不易控制，操作复杂，易出现碳源空间分布过量或不足；如甲醇这类有毒液体物质，易造成更严重的二次污染，且长途运输较为不便；外加液体碳源成本较高，会增加污水处理成本[3-5]。

固体碳源反硝化属于固相反硝化的一种，1988年Boussaid 等[6]首次利用稻草和藻砾作为固体碳源处理地下水中硝酸盐污染。随后Volokita 等[7]用碎报纸作为固体碳源处理 100 mg/L硝酸盐污染饮用水，整个试验结束后硝酸盐被降解完全，且系统内没有亚硝酸盐积累。固体碳源能为微生物反硝化提供缓释性碳源，粗糙的表面结构可以附着微生物，为微生物生长繁殖提供适宜的生长载体，提高系统中微生物量[8]。

针对低C/N城镇污水脱氮效果不理想的问题，笔者采用人工投加玉米芯固体碳源与好氧反硝化菌生物强化技术相结合，利用实验室CAST反应器进行小试试验，研究固体碳源及生物强化CAST工艺处理低C/N生活污水的效果，旨在为城镇生活污水处理提供借鉴。

1材料与方法

1.1培养基好氧反硝化基础培养基（DM）：NaNO3 0.85 g/L，Na2HPO4 4.00 g/L，MgSO4·7 H2O 0.20 g/L，柠檬酸钠 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高压灭菌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高压灭菌20 min。

1.2试验材料

试验用玉米芯直径控制在1～2 cm；污泥来源于开县临江污水处理厂主反应区的剩余污泥；试验用水为来自重庆大学B区学生第六宿舍的生活污水，经稀释以及（NH4）2SO4配置而成，系统进水水质COD 150 mg/L，总氮（TN）浓度40 mg/L，氨氮（NH+4-N）浓度30 mg/L，C/N<8。

1.3试验装置与设备

试验装置为2组CASS试验装置[由上海大名教育仪器有限公司生产的CASS工艺城市污水处理试验装置（5～25 L/h自动控制）]。厌氧选择区、预反应区和主反应区的体积分别为10.5、12.0和126.0 L。反应器运行周期为4 h，其中进水1 h，曝气1 h，静置1 h，排水1 h。充水比1/3，混合液回流比30%。采用底部微孔爆气，曝气阶段控制溶解氧（DO）含量为4.0～5.0 mg/L。试验期间无排泥。反应器在室温下运行，温度维持在15～20 ℃。试验装置如图1所示。

1.4试验方法试验设2组平行CASS反应器，分别为试验组与对照组。试验组投加玉米芯填料与生物强化菌剂。对照组不投加玉米芯和生物强化菌剂。试验运行阶段对进出水进行NH4+-N、TN、COD等指标持续监测。试验总共运行25 d。在试验后期，取挂膜填料与2个反应器中的污泥进行电镜分析（SEM），分析微生物附着于污泥的形态结构。

1.5固体碳源投加方式

采用表面粗糙、内部含有疏松纤维的聚乙烯填料與生物强化菌剂结合的方法，选取直径为80 mm的填料，先对生物强化菌剂进行扩培，之后将填料串联成串，浸泡于菌液中，随后将填料投加于CASS主反应区前后端。

1.6试验样品扫描电镜观察

样品进行预处理后利用扫描电镜进行观察。样品用2.5%戊二醛溶液固定4 h后，用磷酸盐溶液洗涤3次；再依次加入50%、70%、80%、90%纯乙醇（2次），对产物进行10 min脱水；之后放入干燥器内干燥8 h。样品喷金后置于扫描电镜载台上观察。

1.7测定项目与方法

试验中水质指标测定项目及方法见表1，菌体生长浓度用721分光光度计在600 nm下测定吸光光度测定。

2结果与分析

2.1好氧反硝化菌反硝化能力

取池塘底泥，通过菌种的分离、纯化及复筛，从活性污泥中分离出3株具有高效反硝化效率的好氧反硝化菌株，经过形态学和分子生物学鉴定，这3株高效好氧反硝化菌株分别是假单胞菌（Pseudomonas sp.）、施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）、铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa），均为革兰氏阴性菌。

将这3种菌株分别投入DM培养基，通过观察NO-2-N、

NO-3-N的去除率来分析菌株的好氧反硝化能力（图2）。假单胞菌、施氏假单胞菌、铜绿假单胞菌对NO-3-N、NO-2-N均有较高的反硝化能力，假单胞菌利用NO-2-N的反硝化去除率高达95.4%，施氏假单胞菌利用NO-3-N的反硝化能力高达967%，铜绿假单胞菌对NO-3-N和NO-2-N均具有较高的反硝化能力，NO-3-N和NO-2-N的去除率分别为965%和96.1%。

2.2玉米芯表面结构电镜分析

利用扫描电镜对不同试验阶段玉米芯结构扫描，分析玉米芯结构变化及微生物附着情况来确定玉米芯用于固体碳源及生物载体的可行性及稳定性。不同试验条件下扫描电镜结果见图3。

电镜结果表明，原始玉米芯表面结构呈蜂窝状，粗糙且有大量孔洞，易于微生物附著，可作为优质的生物载体（图3a）。经清水浸泡15 d后的玉米芯表面结构变疏松，孔洞明显变大，但没有大量微生物附着于表面（图3b）。

经好氧反硝化菌利用12 d后的玉米芯表面结构更加粗糙，在电子显微镜下明显观察到玉米芯表面附着大量杆状菌（图3c），表明玉米芯为微生物提供了良好的附着生长环境。在活性污泥系统中试验20 d后，经活性污泥和复配菌剂的代谢后，玉米芯表面明显变化，表面更加粗糙，结构有一定程度破裂，孔隙内附着大量的杆菌、球菌及丝状菌等（图3d），表明玉米芯在活性污泥系统中既能为微生物生长提供碳源，其疏松多孔表面结构特征有利于微生物的附着和生物膜的形成，可作为生物生长繁殖载体稳定存在。

安徽农业科学2017年

2.3CASS工艺脱氮性能监测

该研究对比分析加入生物强化菌剂与固体碳源的试验组CASS反应器与对照组CASS反应器的脱氮效果与差异。实验室CASS反应器自2016年3月14日至4月2日运行期间，每日取试验组与对照组反应器进出水样进行COD、NH4+-N和TN浓度的测定，COD浓度反映对有机物的去除情况，NH4+-N和TN浓度反映系统中含氮情况。对比2个反应器出水指标确定人工强化的生物菌剂与外加玉米芯固体碳源是否对CASS系统脱氮效率起到促进作用。

2.3.1COD的去除效果。

试验期间，进水、试验组与对照组

出水COD浓度及去除率见图4。试验组和对照组的进出水

COD浓度变化情况表明，对照组出水COD浓度基本稳定，平均出水COD浓度为41.81 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918—2002中一级A标[10]（50.00 mg/L）。试验组出水COD浓度没有明显的增加，在9 d前出水COD基本与对照组相近，维持在45.00 mg/L左右。之后略有下降，平均出水COD浓度为30.10 mg/L，且始终维持在50.00 mg/L以下（图4、表2）。方差分析表明，试组与试验组出水

COD浓度的P>0.05，说明差异不显著，2个反应器对于脱碳方面差距并不大。试验组出水COD没有明显增加的结果表明，玉米芯作为外加固体碳源用于活性污泥系统时，并不会对原水体造成二次污染。

2.3.2NH4+-N的去除效果。

试验期间，试验组与对照组进出水NH4+-N浓度及去除率见图5。试验组的NH4+-N去除效果比对照组的NH4+-N差得多，平均去除率5577%，而试验组NH4+-N的去除率高达82.10%。对照组出水NH4+-N浓度为11.35 mg/L，只达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中NH4+-N排放二级标准（25 mg/L），试验组出水NH4+-N浓度明显低于对照组，平均NH4+-N浓度为4.58 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中一级A标（5.00 mg/L）（图5、表3）。方差分析表明，对照组与试验组出水NH4+-N浓度的P<0.01，说明差异极显著。硝化菌的加入增加了系统内硝化菌群的丰度，当系统曝气情况相同的情况下，增加硝化菌丰度，能够增强系统硝化作用，从而降低系统NH4+-N浓度。

2.3.3TN的去除效果。试验阶段，进水、试验组与对照组出水TN浓度及去除率见图6。

试验组和对照组的进出水TN浓度及TN去除率表明，对照组TN去除率偏低，仅2316%，平均出水TN浓度为24.74 mg/L，略高于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）TN排放一级B标（20.00 mg/L）。试验组出水TN浓度明显低于对照组，平均浓度为12.11 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标（15.00 mg/L）（图6、表4）。生物强化与固体碳源对系统TN的去除率有较明显的作用，方差分析表明，对照组与试验组出水NH4+-N浓度的P<

001，说明差异极显著。猜测生物强化提高了系统的脱氮性

能。生物强化菌剂极大地增大了系统脱氮菌群的丰度，进而提高了系统在缺氧情况下的反硝化性能。而CASS反应器中厌氧、缺氧、好氧交替发生的特点决定其较难严格控制溶氧情况，在主反应区停止曝气后，污泥沉降得较快，系统没有缺氧搅拌，导致CASS主反应区缺氧时段泥水混合不充分，污泥中的细菌接触到的硝酸盐比较少，直接限制系统反硝化脱氮。添加好氧反硝化菌能够在CASS主反应区曝气状态下同

时实现硝

化和反硝化过程，提高系统反硝化性能。

2.4CASS反应器污泥电镜分析

对试验组和对照组的初

始污泥和运行20 d后的污泥进行电镜扫描观察，结果见图7。从图7可见，试验初期试验组和对照组污泥结构基本一

致，疏松多孔，污泥中含有丝状菌和杆菌。反应器运行20 d

后，试验组污泥结构基本没有太大变化，可清晰看到大量的杆菌，污泥性能良好。相比试验组，对照组的污泥结构略疏松，猜测可能由于水体内碳源不足，活性污泥内部分微生物

生长受到抑制，微生物丰度降低，污泥结构开始松散。

3结论

（1）池塘底泥经过菌种的分离、纯化及复筛等，分离出3株具有高效反硝化效率的好氧反硝化菌株，即假单胞菌、施氏假单胞菌、铜绿假单胞菌，均为革兰氏阴性菌，对硝酸盐和亚硝酸盐均有较高的反硝化能力，硝酸盐和亚硝酸盐去除率均在85%以上。

（2）对试验组反应前后的固体碳源填料电镜分析，结果表明观察到添加至活性污泥系统中20 d后玉米芯的表面结构更加粗糙，孔隙内及表面上附着了大量的杆菌、球菌及丝状菌等微生物，生物量有明显地提高。玉米芯在活性污泥系统中既能作为固体碳源稳定供碳，又能作为生物载体稳定存在。

（3）添加有玉米芯固体碳源及生物强化菌剂的反应器出水COD维持在30 mg/L左右，NH4+-N的平均出水浓度由对照组的11.35 mg/L降至4.58 mg/L；出水TN平均浓度由对照组的25.03 mg/L降至12.11 mg/L，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918—2002中规定的一级A标。玉米芯作为外加固体碳源用于活性污泥系统时，出水COD稳定且偏低，不会对原水体造成二次污染。

（4）对试验初期污泥和反应器运行20 d后的污泥电镜扫描分析，结果表明，试验初期试验组和对照组污泥结构节基本一致，酥松多孔，可以明显地看到污泥中含有丝状菌和杆菌。反应器运行20 d后，试验组污泥结构基本没有太大变化，可清晰看到大量杆状菌，污泥性能良好。玉米芯固体碳结合优势脱氮菌群强化技术，提高了水体内碳源和系统微生物丰度，污泥结构更加紧密。

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