反硝化細菌工業化篩選與擴增培養研究

張 鑫，楊 宏

（北京工業大學水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京 100124）

目前，大多數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屬于單泥系統，其中的各功能菌群存在明顯的生理差異，導致運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揮各自最佳的生化性能，脫氮能力受到嚴重的限制[2]，而包埋固定化技術能夠通過對某一特定功能細菌的固定化解決上述問題。包埋固定化是一項十分具有發展前景的技術，其在水處理領域的應用受到廣泛關注[3]。該技術不僅能夠提高微生物對復雜環境條件或有害物質的耐受性，還能夠增強載體中微生物的高效性，維持生物量的穩定，更容易實現固液分離[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用。目前，包埋固定化的常規技術路線是首先對功能細菌進行篩選與擴增培養，然后以獲得的污泥作為菌源制作包埋固定化填料，最后將其應用到不同污水處理系統。因此，在包埋反硝化填料工業化應用進程中，實現高效反硝化細菌的規模化生產是關鍵一步。根據之前的研究[5]，活性污泥馴化方法被廣泛應用，但目前相關研究更多地在實驗室規模下進行篩選培養，這顯然無法滿足包埋固定化技術規模化應用的實際需求。本研究采用活性污泥馴化方法，以工業級生物反應器為基礎，首先分析以活性污泥為種泥進行連續篩選與擴增培養的運行工況，又進一步探究不同初始污泥濃度下污泥增長與氮負荷投加的情況，并用相關指示參數對其高效性與經濟性進行評估，通過綜合考慮給出反硝化污泥實際生產過程中初始污泥濃度的建議值。此外，對獲得的高效反硝化污泥進行包埋，并對包埋填料的脫氮表現進行考察。本研究旨在為實際工程應用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 接種污泥

本試驗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資料[6]。

1.3 試驗原水

試驗原水均采用人工配制，其中反硝化細菌所需的氮源、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 的稀硫酸溶液對反應器中溶液的pH 進行調節。微量元素的補充參照相關資料[7]。

1.4 試驗設計

1.4.1 反硝化細菌工業化篩選與擴增培養試驗

如圖1 所示，本試驗采用的反應器為總容積3 000 L 的工業級生物發酵罐，實際運行過程中，可控制的有效容積為2 500 L。另設有基于可編程邏輯控制器（PLC）的自控柜，其能夠對攪拌速度、溫度和pH 等重要運行參數進行控制。一般攪拌速度控制在16 rad/s，可以通過溫度探頭、pH 探頭對發酵罐內部環境進行實時監控，根據相關資料[8-9]，自動控制加熱開關、酸泵開關，使溫度和pH 分別保持在26℃和8.00±0.50。該階段試驗設定了11 個不同的運行梯度，當出水總氮（TN）濃度小于10 mg/L 時，調高加藥計量泵的流量來提高運行負荷，使其達到下一梯度，每天進藥時間設置為8 h。培養過程中，采用底物流加的間歇運行方式，具體運行參照相關資料[10]。

圖1 反硝化污泥馴化培養反應器裝置

1.4.2 包埋反硝化填料脫氮性能探究試驗

如圖2 所示，本試驗采用內徑38 cm、高度50 cm 的有機玻璃柱，實際運行中，可控制的有效容積為42 L。該階段試驗設定了9 個不同的運行梯度，當出水TN 濃度小于20 mg/L 時，采用梯度法增加底物濃度和縮短水力停留時間（HRT），將運行負荷提高至下一梯度。采用連續上向流的運行方式，填料體積填充率控制在12%。安裝循環泵，并設置浮子流量計，運行過程中，循環泵流量保持在340 L/h，以提高傳質效果。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加酸，使pH 控制在8.00±0.50。

圖2 包埋反硝化活性填料連續流反應器裝置

1.5 分析項目與檢測方法

硝態氮（NO3--N）檢測使用紫外分光光度法，亞硝態氮（NO2--N）檢測使用N-(1-萘基)乙二胺分光光度法，化學需氧量（COD）檢測使用COD 快速測定儀，污泥濃度檢測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pH 與溫度進行檢測。

2 結果與討論

2.1 反硝化細菌工業化篩選與擴增培養試驗

反硝化細菌工業化篩選與擴增培養試驗涉及兩個階段，一是馴化培養，二是取泥生產。

2.1.1 馴化培養階段

如圖3 所示，經體積折算，進水氮濃度為加藥計量泵平均每小時向反應器中輸送的氮濃度，出水氮濃度為反應器中平均每小時的氮積累量。剛開始培養1～7 d 時，出水TN 濃度逐漸下降，但直到第7 d 才低于10 mg/L，進水硝態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）。經分析，主要原因有3 點。一是該階段污泥濃度較低，缺少脫氮反應的物質基礎；二是新的培養環境使得反硝化污泥需要一定時間來適應；三是接種污泥中存在其他異養菌，它們會與反硝化細菌在碳源利用方面形成競爭。但在之后的培養過程中，隨著運行負荷的不斷增加，脫氮速率整體上呈現快速增長趨勢，從第7 d 的41.5 mg/（L·h）提高到第30 d 的522.4 mg/（L·h）。此后，脫氮速率增長趨勢逐漸放緩，并在第33 d 達到整個馴化培養過程的最大值，即534.7 mg/（L·h）。不斷強化的馴化條件逐步淘汰種泥中的其他異養菌，同時反硝化細菌也完成對新培養條件的適應，這些正向因素使得反硝化細菌快速生長，脫氮能力實現高效提升。

圖3 反硝化污泥馴化培養階段進出水TN 濃度與脫氮速率、出水硝態氮與亞硝態氮濃度的變化

在反硝化污泥連續馴化培養階段，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1～38 d 時，污泥濃度變化曲線呈近似S 形，符合種群生長特征。該培養過程可以分為適應階段（1～7 d）、快速生長階段（8～30 d）和穩定階段（31～38 d）。剛開始培養1～7 d 時，污泥濃度與比反硝化速率均呈現增長態勢，但是趨勢平緩，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8～30 d時，反硝化細菌在馴化作用下逐步適應培養環境，污泥濃度和比反硝化速率都實現快速提高。培養21 d 時，比反硝化速率達到最大，為41.7 mg N/（g MLSS·h）。培養19 d時，污泥增長量達到最大，為696.5 mg/（L·d），對應的污泥濃度為7 515.3 mg/L。在該培養條件下，污泥濃度為7 515.3 mg/L 時，反硝化污泥能實現最快增長。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。經分析，主要原因有兩點。一是長期的連續馴化培養導致發酵罐內部積累各種代謝產物，不利于污泥生長。二是功能種群間存在競爭生長關系，環境容量受到限制。

圖4 反硝化污泥馴化培養階段污泥濃度、污泥增長量和比反硝化速率的變化

2.1.2 取泥生產階段

不同污泥濃度對應的污泥增長量不同，污泥濃度為7 515.3 mg/L 時，反硝化污泥在該培養條件下具有最大的增長量。但是，除了考慮快速產泥外，還要考慮產泥的經濟性。為了找到實際生產過程中高效性與經濟性的平衡，實現兩者的合理優化，開展取泥生產包埋填料的試驗。當出水TN 濃度小于10 mg/L 時，通過梯度法調高加藥計量泵的流量，使得運行負荷提高至下一梯度。如圖5 所示，取泥后，A 過程幾乎不存在適應階段，而B 過程和C 過程均需要一定的適應時間。經分析，取泥會對功能細菌的菌群結構造成一定破壞，由表1 可以看出，取泥比例越大，污泥恢復所需時間越長。此外，C 過程的污泥增長率整體要高于A 過程和B 過程，由于環境容量有限，初始污泥濃度越大，越快達到環境容量，污泥增長率會更早出現下降趨勢。B 過程仍處于馴化培養的適應階段，當污泥濃度增加到7 515.3 mg/L 時，污泥處于快速生長階段，污泥增長量達到最大，為675.2 mg/（L·d）。

圖5 反硝化污泥取泥生產階段污泥濃度及污泥增長率與進、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。經分析，較低的初始污泥濃度在培養過程中所能提供的菌群基數較小，使得平均污泥增長量較低。本試驗采用指示參數來評估反硝化污泥實際生產過程的高效性與經濟性，該參數值越大，則對應的生產過程就更兼具高效性與經濟性。A 過程、B 過程和C 過程對應的指示參數分別為10.39、13.71、16.89，以5 530.4 mg/L 作為初始污泥濃度，能夠更好實現高效經濟的污泥生產。實際生產過程中，初始污泥濃度的建議值取5 500 mg/L。隨著培養的進行，污泥濃度與比反硝化速率都達到較高的水平，如果污泥以這樣的狀態長時間滯留在發酵罐中，就需要投加較多的底物來維持其活性，相應污泥增長量較低，這無疑導致污泥生產的低性價比。因此，在保證污泥得到充分生長后，應及時取泥生產。

表1 不同初始污泥濃度培養過程的相關參數

2.2 包埋反硝化填料脫氮性能探究試驗

如圖6 所示，以馴化污泥為菌源制成包埋反硝化填料，在運行的第1 d，出水TN 濃度較高，去除率為68.75%，但經過短暫的適應后，第2 d 出水TN濃度就低于20 mg/L，之后運行負荷不斷增加，從第3 d 開始，去除率穩定維持在90%以上。運行至第12 d，脫氮速率達到整個運行過程的最大值，為220.6 mg/（L·h）。將本試驗與相關研究[12]的PVA包埋活性填料運行試驗進行對比，本試驗的包埋填料能夠更快實現高效脫氮，脫氮水平整體略高。本試驗培養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 包埋反硝化填料運行過程中進出水TN、HRT與TN 去除率的變化

3 結論

研究表明，利用工業級生物發酵罐進行反硝化細菌的篩選與擴增培養是可行的，可實現穩定生產。在反硝化細菌實際生產過程中，初始污泥濃度的建議值可設為5 500 mg/L，以實現產泥的高效與經濟，推進包埋固定化技術的工業化應用。在保證污泥得到充分生長后，應及時取泥生產，提高污泥生產的性價比。本研究篩選擴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，它能夠很好地應用于包埋填料中。