混合菌剂HDB强化SBR工艺的污水处理试验

Mixed bacterial agent HDB enhanced SBR process in wastewater treatment

摘要

目的 探究配制的高效降解混合菌（HDB）在SBR处理生活污水过程中的强化性能。 方法 以HDB为研究对象，通过外加HDB菌剂到SBR后持续运行20 d后检测根据进出水水质检测油脂、COD、总氮、氨氮、硝酸盐氮和总磷等出水指标，进行评估外加菌剂强化性能。 结果 HDB是由铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）和产酸克雷伯氏菌（Klebsiellaoxytoca）组成，均发挥了各自强化能力，相较于空白对照组R₁，强化组R₂对油脂、COD、总氮、氨氮、硝酸盐氮和总磷的平均去除率分别提高了6.2%、7.38%、15.91%、11.78%、3.04%和9.83%，通过高通量测序分析显示利于脱氮性能优势菌属的假单胞菌属（Pseudomonas）明显增加，说明外加HDB菌剂改变了原有微生物群体生态，并向有利于去除污染物方向发展。 结论 外加HDB菌剂的强化手段可改变反应器内优势菌群，在一定程度上确保了对多个污染物同步去除的能力，以提高优势降解菌来应对来水污染物的胁迫，表现出一定的外加菌剂调节适应能力。

Abstract

Objective To explore the performance of high-efficiency degradation mixed bacteria in SBR for treatment domestic sewage. Method SBR reactor was taken as the research object. The effluent indexes, such as oil, COD, total nitrogen, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen and total phosphorus, were detected after adding HDB bacterial agent for continuous operation for 20 days. Result HDB is composed of Pseudomonas aeruginosa, P.stutzeri and Klebsiellaoxytoca.Compared with R₁, the average removal rates of oil, COD, total nitrogen, ammonia nitrogen, nitrate nitrogen and total phosphorus increased by 6.2%, 7.38%, 15.91%, 11.78%, 3.04% and 9.83%, respectively in R₂. High throughput sequencing analysis showed that Pseudomonas, the dominant bacteria for nitrogen removal, increased significantly, indicating that the addition of HDB bacteria changed the ecology of the original microbial population and developed in the direction conducive to the removal of pollutants. Conclusion The additional HDB can ensure the simultaneous removal of multiple pollutants to a certain extent by changing the dominant flora in the reactor, so as to improve the microorganism to deal with the stress of incoming water pollutants, and show a certain regulation and adaptability of the additional bacteria.

Graphical abstract

关键词

生活污水 / 生物强化技术 / 高效降解混合菌 / 投加强化技术

Key words

domestic sewage / bioaugmentation technology / high-efficiency degrading bacteria / dosing strengthening technology

为应对污水厂生物处理段波动和失效，直接投加所筛选出高效菌种是目前最为常见的作用形式之一^［1］。目前达成共识的观点，污水中对污染物降解往往是多种微生物共同作用的结果^［2］。但国内外学者以往研究大多针对单一强化菌株对单一污染物的降解，也多集中在试验室阶段降解机理研究，虽取得了较好处理效果，但在实际工艺降解时，往往不能达到预期效果^［3］。生活污水中常含有多种难降解污染物质，单一菌无法满足需求，且不同微生物之间存在协同作用，为此，国内外学者逐渐开始了高效混合菌群的研究^［4］。虽然投加高效菌的生物强化技术具有成本低廉、便于维护等优点，且已在多种生物反应器中试验成功，但是由于目前生物强化过程中可预测性以及可控制性等问题尚未解决，其在实际工程中的应用至今仍未有很大进展。同时，由于生活污水化学成分的不确定性存在抑制强化菌株生长代谢可能，原有系统的原生动物捕食、土著微生物群落结构多样性及底物代谢速率高导致强化菌株常常被土著微生物所取代而难成为优势菌株^［5］，菌剂的污染物降解效果并不一定能达到理想效果。

因此，本试验以高效降解混合菌（HDB）为研究对象，通过外加HDB菌剂持续运行20 d后检测根据进出水水质检测油脂、COD、总氮、氨氮、硝酸盐氮和总磷等出水指标，进行评估外加菌剂强化性能。以期为兰州城市生活污水处理水质波动应急时的外加菌剂提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 原始菌源

本试验所用原菌株均分离自兰州市某生活污水处理厂的剩余污泥。

1.2 HDB菌剂的筛选

本课题组通过对兰州市生活污水处理厂进出水水质进行检测，发现3个严重影响污水厂尾水达标的问题： TP出水浓度较高；反硝化过程不彻底，TN出水浓度超标；油脂含量严重超出控制标准。为解决以上问题，本课题组依据生物强化原理^［6］，从生化池剩余污泥中针对性的筛选出对油脂、硝氮、TP具有高效降解特性的油脂降解菌YZ-1、反硝化菌FX-4以及除磷菌CP-7。经鉴定3种菌株分别为铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）和产酸克雷伯氏菌（Klebsiellaoxytoca）；具体步骤详见之前研究内容^［7］。并且在此基础上开展了不同复配比例降解效果差异性试验，得出最优效果混合配比YZ-1∶FX-4∶CP-7按体积比为1∶2∶2，以此用于本次研究。

1.3 试验装置及过程

为验证筛选出的高效降解混合菌（HDB）的实际应用效果，建立了2套SBR反应器，每套反应器的有效体积约为5.36 L，其中一套作为空白对照组R₁（对照组R₁），不投加HDB，另一套设计为主试验对象R₂（试验组R₂），依据本课题组前期研究结果，确定了投加HDB菌剂剂量为体积比6%接种量。

SBR反应器使用人工配置污水模拟生活污水进行试验。将活性污泥接入2套反应器中，并将种子液按比例接种到反应器R₂中。菌种驯化后将2套反应器置于30 ℃的条件中运行，均采用一次进水运行方式，设置时间约为6 h，其中曝气时间约为5 h，沉淀时间约为1 h，取样频率为1次/d，取样后检测污水的各项指标（COD、TN、TP、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N、油脂）。

人工配水：以葡萄糖为碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，并加入少量微量元素，用放置1 d的自来水（除去余氯）进行配置。其中进水水质的理论值为COD（3 500±200）mg/L，TN（70±5）mg/L，TP（15±2）mg/L，菜籽油（1.0±0.2）g/L。

1.4 菌种及微生物群落结构的鉴定

菌种的16S rDNA测序鉴定和系统发育树构建均由广州美格生物科技有限公司完成。2套反应器调试运行约10 d后开始正式运行启动，为探究投加菌剂前后的反应器内微生物群落变化，通过高通量测序分析了第1天与运行末第20天的水样中微生物群落结构，各水样均做3组平行样，共12组。对照组R₁第1天的样本记为X1-1、X1-2、X1-3，试验组R₂第1天的样本记为X2-1、X2-2、X2-3，对照组R₁第20天的样本记为Y1-1、Y1-2、Y1-3，R₂第20天的样本记为Y2-1、Y2-2、Y2-3。

1.5 水质分析方法

采用快速消解分光光度法检测COD浓度^［8］；TN、TP、NNH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N的检测方法参照《水和废水监测分析方法》^［9］；采用紫外分光光度法测定菜籽油浓度^{［10- 11］}。

1.6 数据处理

本研究中数据整理统计和图表绘制分别采用Microsoft Excel、Minitab 18和Origin 2017软件进行。

2 结果与分析

2.1 菌株的鉴定

在之前研究中显示，挑选选择培养基中发育良好的菌株，通过纯化分离筛选得到对油脂、NO₃^--N、TP去除效果最好的3种菌株YZ-1、FX-4、CP-7。经鉴定，YZ-1为革兰氏阴性、氧化酶阳性和精氨酸双水解酶阳性菌株，FX-4为革兰氏阴性、氧化酶阳性和精氨酸双水解酶阴性菌株，CP-7为革兰氏阴性、精氨酸双水解酶阴性和脲酶阳性菌株；基于16S rDNA序列的系统发育分析，3种株菌分别为铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）和产酸克雷伯氏菌（Klebsiellaoxytoca），利用MEGA软件构建系统发育树如图2所示。

2.2 油脂及COD的去除

从图3可知，相较于对照组R₁，投加HDB的反应器R₂对油脂的平均降解率为90.3%，高于R₁平均降解率80.1%，证明投加HDB有助于油脂的降解。在整个运行反应期内，降解变化规律基本相似，在运行期前8 d降解油脂效率存在波动不稳定现象，这可能是由于将HDB投入到具体土著微生物群体的反应器中，HDB与土著微生物群体之间存在适应期^［12］。随反应器运行一段时间后，微生物群体间形成稳定状态，降解油脂效率基本稳定在98%左右，期间个别数据的波动应是偶然误差所致。

由图4可知，投加了HDB的反应器R₂对于COD的平均去除效率略高于对照组R₁，分别为80.6%与73.3%。同时R₁与R₂两组反应器对于COD去除的整体规律与反应器对油脂去除的整体规律大致相同，也表现出了运行前八天处理效果出现波动，而后趋于稳定的特征，这是由于污水中油脂是COD的主要成分^［13］。试验中期出现的异常波动应该也为偶然误差导致。反应器后期运行趋于稳定，降解COD效率稳定在85%左右。联系图3反应器去除油脂的效果可得，在反应器整体运行过当中，反应器对于油脂降解的效果高于反应器对于COD降解的效果。这说明HDB在降解污染物的过程中，并没有因为其它易降解营养物质的存在而影响其对难降解的油脂的去除，同时也符合对HDB进行筛选和培养的初衷。

2.3 氮的去除

在对HDB降解效果的研究当中发现HDB对NH+ 4-N也有一定的降解能力。其原因可能有以下几点： NH₄⁺-N可以用作微生物细胞生长和繁殖的氮源，因此可以被系统中的微生物利用来转化成它们自己的有机物；反硝化菌和好氧反硝化菌对氮进行脱氮；异养硝化-好氧反硝化可以直接将氨氮转化为气态氮。由图5可知，试验组反应器R₂在运行当中，经过前期的适应之后反应器降解氨氮效果较好，后期降解效率稳定在80%左右。而对照组R₁较试验组R₂降解氨氮的能力较弱，后期降解效率仅维持在60%左右，且处理效果波动较大。通过比较，试验组反应器R₂在运行过程中能在短时间内启动，对氨氮的降解效果稳定，降解效率高，说明高效降解混合菌在反应器中对硝化作用有促进作用，有利于氨氮的降解。

在生活污水处理中，氮的降解过程存在中间产物的转化，氨氮经硝化作用转化为硝氮和亚硝氮，而硝氮和亚硝氮经反硝化作用转化为其他形式的氮。由图6可知，2套反应器在处理NO₃^--N的初期降解效效率较低，试验中期出现积累现象，直至试验15 d后，降解效率有所提升，降解效果变好。同时，在研究2套反应对器对NO₂^--N的处理效果时，发现在试验周期的大部分时间NO₂^--N出现积累现象，出水NO₂^--N浓度大于进水NO₂^--N浓度。直至试验后期，反应器中NO₂^--N不再出现积累现象，但是降解效率依然不高。经分析，出现硝氮和亚硝氮积累的情况可能是因为反硝化菌进行降解的时候在需要NO₃^--N和NO₂^--N参与的同时还需要营养物质的补给和支撑。试验前中期营养物质的匮乏导致了硝氮和亚硝氮的积累，在试验末期，反应器降解效率有所提高可能是试验进水营养物质有所提高，一定程度上恢复了反应器的处理能力。

图7为反应器对TN去除的过程。试验组反应器R₂在整个试验过程中处理效果波动较大，但总体呈上升趋势，后期降解率稳定在70%左右，降解效果较好。对照组反应器R₁同样具有处理效果波动大，处理能力逐渐提升的特征，但是处理效率较试验组R₂偏低，仅维持在40%左右。由此可见，投加HDB对反应器降解TN能力有较好的提升。

2.4 总磷的去除

由图8可知，HDB经投加后能迅速进行对TP的去除，2套反应器在运行初期就表现出较好TP降解效果。这可能是因为除磷菌CP-1与土著微生物有良好的相处关系，能迅速度过适应期，然后对TP进行降解。随着试验中期进水TP浓度的逐渐增加，两套反应器对TP的降解效果逐渐变差，这说明反应器难以承受高负荷磷浓度的冲击。试验进行15 d之后，反应器进水TP浓度逐渐恢复至15 mg/L左右，2组反应降解TP的能力有所提升，降解率分别达到52%、39%左右，这说明反应器在适应高浓度磷冲击后，慢慢恢复正常。结果表明，试验组R₂对TP的去除效果较对照组R₁更优，其经高浓度磷冲击后恢复处理能力的速度更快。

2.5 微生物种群变化的分析

通过主成分分析（PCA）来反映不同微生物群落样品间的差异和距离^［14］，以不同时间内微生物群落作为观察对象，坐标轴x轴（PC1）差异数据可以解释全面分析结果为68.79%，坐标轴y轴（PC2）差异数据可以解释全面分析结果为22.41%。数据间的距离远近代表不同微生物成分的差异，如图9所示，PCA图中A₁和A₂样品与其他样品距离很远，说明成分差异较大，A₁和A₂两者间的距离较小，说明2组反应器运行启动时的微生物群落的组成很接近，但是，运行20 d后，微生物群落的组成发生了较大变化，这从B₁和B₂数据群与A₁和A₂数据群的较大偏离表现出来，这说明投加HDB之后，生物反应系统内发生了较大的微生物组分变化。

为进一步了解不同反应器内的微生物群落结构变化以及验证PCA结果，对2组反应器运行前后的微生物样品在属水平进行了分析。如图10所示，在SBR系统内的假单胞菌属（Pseudomonas）作为优势菌占比最高，假单胞菌属是国内外大量学者证明的反硝化聚磷菌^［15-16］。也有学者研究 A2/O工艺，从缺氧池分离得到的假单胞菌属的菌株具有好氧反硝化能力^［17］。这也与本试验对总氮去除较好结果相一致。反应后期大量出现了蛭弧菌属（Bdellovibrio）、陶厄氏菌属（Thauera）和氢噬胞菌属（Hydrogenophaga），蛭弧菌是属于掠食性细菌，会侵入其他革兰氏阴性细菌的周质，因此其能够通过捕食关系塑造微生物群落，这也是为何强化组R₂处理效能不能进一步提高的原因^［18］，后续研究就要解决外加菌剂在土著微生物群体定殖问题。

3 讨论

将3株菌进行复配得到混合菌，并将其投加到反应器中对污染物进行降解，反应器R₂对油脂的降解率稳定在98%左右，对COD的降解率稳定在85%左右，普遍高于对照组反应器R₁，证明了高效降解混合菌（HDB）在一定程度上提高了反应器降解油脂的能力。同时，反应器对油脂有着更高的去除率，证明了HDB具有对特定难降解污染物的去除能力。筛选出高效的除油菌剂能提升COD去除，这与屈瑾等人^［19］研究结果一致。对照组R₁和试验组R₂对于NH₄⁺-N都具有不错的处理能力，最终降解效率分别稳定在60%和80%左右，试验组R₂具有较为明显的优势。对于TN的去除，试验组R₂的降解效率最终能达到70%左右，而对照组R₁的降解效率仅能达到40%左右，证明HDB的投加有助于对TN的降解。2组反应器对于硝氮和亚硝氮的降解均不理想，都出现了一定程度的累积现象，这与李明智等^［20］研究的原位脱氮菌强化结果有些不一致之处，分析原因为营养物质的匮乏，以及外加菌剂不能完全适应土著微生物群体环境，后续在外加菌剂的定殖问题还需深入开展研究。

2套反应器均表现出对反应器的快速适应性，在试验初期就能参与高效的TP降解。同时，自经过高浓度磷冲击后，都能进行处理能力的恢复。但是投加了HDB的试验组R₂较对照组R₁有着更强的恢复能力，降解效果也有明显的优势。通过微生物群体结构组成分析，得出运行前后2个反应器均表现出了物种差异，相比于对照组，强化组R₂差异更大，在SBR系统内的假单胞菌属（Pseudomonas）作为优势菌占比最高，运行后期了蛭弧菌属（Bdellovibrio）等出现也说明了去除性能不能进一步提升原因。

4 结论

外加高效降解混合菌能有效提升油脂、氮素和磷素污染物去除性能，以提高优势降解菌来应对来水污染物的胁迫，表现出一定的外加菌剂的调节适应能力。可能由于外加菌投入到土著微生物群体后群体较低稳定性影响，有关强化定殖性能以及其对系统运行后期处理稳定性影响等研究还需进一步深入探讨。

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