ABSTRACT

Biological moving bed process, also known as moving bed biofilm reactor (MBBR), is the beginning of new waste water biochemical treatment technology. Compared with common biofilm method and activated sludge process, MBBR has a higher removal rate of pollutants in wastewater. To understand biological ammonia-N removal mechanism of MBBR, the study adopted limiting dilution and streak plate method screening three strains from the biofilm of MBBR, namely ZS-1, ZS-2 and ZS-3. Under the laboratory conditions, through the single factor experiment to determine optimum conditions for the three strains of simulated sewage treatment, the temperature is 30˚C, carbon source is anhydrous sodium acetate, pH is 6.5 - 6.8, and C/N is 9, After 24 h, removal rate reaches 95%, COD removal rate can reach 85%, and TP removal rate reaches more than 65%. In addition, in the experiment of temperature optimization, the three strains have good ammonia-N removal effect at low temperature (10˚C). removal rate of ZS1 and ZS3 was more than 60%, and removal rate of ZS2 was 74.71%. The results showed that the low temperature resistant bacteria would enhance ammonia-N removal effect in MBBR, and adapt to treat domestic sewage of the winter cold climate of North China, Northeast China and Northwest China.

Keywords:Moving Bed Biofilm Reactor, Ammonia-N Removal, Low Temperature Resistant Bacteria

生物移动床优势菌株筛选及其脱氮性能研究

张 月¹，姜彬慧^1*，高宇²，刘绍俨³，王海燕¹

¹东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳

²辽宁省环境工程评估审核中心，辽宁 沈阳

³沈阳远大环境工程有限公司，辽宁 沈阳

收稿日期：2015年10月25日；录用日期：2015年11月13日；发布日期：2015年11月16日

摘 要

生物移动床工艺也称移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，简称MBBR)，是目前国际上开始兴起的新型废(污)水生化处理技术，与普通的生物膜法和活性污泥法相比，对污水中污染物有更高的去除率。本文从稳定运行的生物移动床填料的生物膜中，成功分离出3株长势良好的细菌，分别命名为ZS-1、ZS-2和ZS-3；在实验室条件下，研究了菌株对模拟农村生活污水中污染物的去除作用，当温度为30℃，碳源为无水乙酸钠，pH 6.5~6.8，C/N为9时，反应24 h对、COD和TP的去除率分别大于90%、75%和65%。在温度条件实验中发现，3个菌株在低温(10℃)条件下均具有较好的脱氮效果，对去除率均大于60%。研究结果提示可以利用耐低温高效脱氮除碳微生物强化生物移动床，处理北方寒冷地区的生活污水。

关键词 :生物移动床，除氨氮，耐低温菌

1. 前言

生物移动床工艺也称移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，简称MBBR)，由挪威AnoxKaldes公司发明，是目前国际上开始兴起的新型废(污)水生化处理技术，属于生物膜法的范畴。自1989年第一套生物移动床工艺装置建成以来，已在多个国家建成市政和工业废(污)水处理设施，取得了良好的效果[1] -[4] 。生物移动床工艺是在曝气池中投加一定比例的悬浮填料，填料在水流、气流搅拌下呈移动流化状态。此时，污水中的有机物被填料上的微生物降解。目前国内外已有多家污水处理厂采用了此工艺处理生活污水 [5] - [8] 。Jabornig等应用移动床生物膜反应器和膜过滤(MBBMR)的组合处理一户(四个居民)超过10个月的现场灰水，反应器对COD、、TN、TP、TSS及色度有很好的处理效率；并且自然的发色可以用近80%的能源和试点单位以小于1.3 kW h/m³的消费操作进行优化 [9] 。马华敏等采用缺氧－好氧移动床生物膜反应器处理低温生活污水，由常温转为低温环境后，缺氧－好氧生物移动床的处理效率有所下降，但通过调整反应器内填料的填充比、ρ(DO)和HRT等参数，可保证对COD_Cr和的去除仍具有较好的效果 [10] 。王敏在使用移动床生物膜反应器处理生活污水，实验表明曝气时间及曝气量是影响生物移动床处理效果的重要参数 [11] 。

为了解生物移动床处理生活污水的脱氮机理，本文对生物移动床中填料上的优势菌进行筛选分离，并初步研究了该优势菌去除水中氨氮、COD及TP的作用。

2. 材料与方法

2.1. 实验材料

1) 菌种来源：取自生物移动床(MBBR)处理模拟生活污水中填料上的生物膜。

2) PB培养基：牛肉膏3 g、蛋白胨10 g、NaCl 5 g、琼脂15~20 g、蒸馏水1000 mL、pH 7.4~7.6，110℃灭菌30 min。

3) 模拟农村生活污水配方：自来水50 L，无水乙酸钠10~11 g，硫酸铵2.5~3 g，磷酸二氢钾1~1.5 g，硫酸镁0.2 g，无水氯化钙0.02 g，微量元素50 mL。

2.2. 实验方法

1) 生物移动床(MBBR)的启动与运行：实验室常温条件下，采用生物移动床工艺处理模拟农村生活污水，所使用的活性污泥取自沈阳市某污水处理厂二沉池。污泥沉淀后倒掉上清液，取底部活性污泥作为接种污泥。启动过程中，进水的COD、和TP的浓度分别为400 mg/L、35 mg/L和7 mg/L，定期检测进出水中污染物的浓度及活性污泥特性。MBBR挂膜启动结束时，在pH为7左右、DO为2~4 mg/L、HRT为3 h的条件下，COD、、TN和TP的去除率分别达到85%、85%、60%和70%。MBBR稳定运行50天，对模拟生活污水COD、、TN和TP去除率分别达到90%、98%、60%和70%。

2) 脱氮优势菌的分离筛选：采用投加一定浓度硫酸铵的PB培养基对MBBR生物膜微生物进行富集培养，旨在获得高效脱氮优势菌株，进而解析MBBR的脱氮机理。从稳定运行的MBBR中选取1个生物膜载体放于含100 mL无菌水的锥形瓶中，加玻璃珠于160 rpm，30℃的恒温振荡器中震荡24 h，将其接种于投加一定浓度硫酸铵的PB液体培养基中富集培养，生长量达到对数期浓度(OD 600值为0.1~0.45)，获得菌悬液。通过稀释平板划线分离法获得优势脱氮单菌落，移至斜面于4℃冰箱保存。

3) 菌株脱氮性能研究

将活化24 h的菌株离心后，分别以5%接种量接种于模拟农村生活污水中，分别研究优势菌株在不同时间及不同温度(10℃、20℃、30℃)条件下对氨氮、COD及TP的去除作用。

3. 实验结果与讨论

3.1. 菌株的形态特征

对MBBR生物膜进行驯化、富集、分离纯化，得到3株优势菌，分别命名为ZS-1、ZS-2和ZS-3。菌株ZS-1为革兰氏阳性杆菌，大小为0.4 μm × (0.5~1.5) μm，有芽孢(图1(a))。菌株ZS-2为革兰氏阴性杆菌，大小为0.2 μm × (0.5~1) μm (图1(b))。菌株ZS-3为革兰氏阳性杆菌，大小为0.4 μm × (0.5~1.5) μm，有芽孢(图1(c))。

3.2. 菌株去除污染物的性能测定

1) 菌株活化时间的确定

从3个菌株的培养皿中分别挑取1个单菌落接种到PB液体培养基中，每隔2 h测菌体OD (600 nm)值，绘制生长曲线见图2。由图2可知，菌株接种到PB液体培养基中以后，开始菌体生物量有所下降，菌株生长缓慢；从4 h开始菌株进入快速生长期，6~12 h期间为对数生长期。3株菌的生物量随时间的变化曲线中，ZS-2和ZS-3的生物量较ZS-1高，但是3株细菌的生物量均在24 h达到最大，因此在之后的实验中，选用24 h为菌株的活化时间。

2) 菌株在污水中的生长曲线及对污染物的去除作用

将3株菌株分别接种到PB培养基中，于30℃、160 rpm恒温振荡器中活化24 h，而后分别取适量菌

图1. 菌株的革兰氏染色照片((a) ZS-1、(b) ZS-2、(c) ZS-3)

图2. 菌株在PB液体培养基中的生长曲线

悬液于离心管中，1000 rpm离心10 min，去除上清液，将菌株接种到模拟污水中(各设3个平行样)，每隔2 h测定其微生物生长量，绘制生长曲线如图3。同时在24 h检测污水中、COD以及TP浓度，计算去除率，实验结果表1。

由图3可知，当菌株接种于模拟污水后，菌体生物量开始有所下降，适应期较长，在8 h内生长缓慢。大约10 h后进入对数期，开始迅速生长，24 h基本达到生物量高峰。其中菌株ZS-2的生物量最大。

通过表1可以看出，ZS2对、COD和TP去除效率均较高，分别为95.12%、87.36%和72.56%。而ZS1和ZS3对、COD和TP的去除率比较相近，低于ZS-2的去除率。3株菌对的去除作用明显高于对COD和TP的去除作用，说明通过氨氮富集驯化可以提高微生物去除氨氮的能力。

3.3. 温度对菌株脱氮性能的影响

分别将菌株在10℃、20℃、30℃进行培养，检测6 h、12 h、24 h、36 h后水中残留的浓度，计算脱氮效率，结果见图4。由图4可得，随着处理时间的延长，浓度逐渐降低。相同处理时间时，温度由10℃升高至30℃，菌株ZS-1、ZS-2及ZS-3的脱氮效果随之增强，浓度分别由反应初始时的10.23 mg/L降至1.98 mg/L，7.59 mg/L降至1.43 mg/L，11.16 mg/L降至2.60 mg/L。在30℃时脱氮率分别达93.39%、95.25%和91.34%。表明温度在10℃~30℃之间，温度的升高有利于硝化反应的进行。

图3. 菌株在模拟污水中的生长曲线

图4. 不同温度对菌株脱氮作用的影响

表1. 菌株处理24 h的生物量及对污染物的去除作用

注：+++表示生长速度和稳定性的等级，等级越高表示生长速度和稳定性越好。

从图4还可以看出，当温度为10℃反应24 h时，3株优势菌ZS-1、ZS-2和ZS-3在低温下对均有一定的去除作用，去除率分别为65.89%、74.71%和62.78%。尤其是菌株ZS-2可以将污水中浓度降至8 mg/L以下，说明3株优势菌在低温时均具有一定的脱氮效能。目前国内北方地区利用微生物处理废水工艺的一个难题就是温度对微生物生长的制约，在北方冬季污水处理厂的水温介于8℃~10℃之间，此时大多微生物的活性较低，污水处理效果不好，出水难以达到国家排放标准。本研究筛选出在较低温(10℃)条件下仍具有良好的脱氮效果(氨氮去除率大于60%)的微生物菌株，拟通过进一步低温驯化培养，获得能够耐低温的高效脱氮菌群，用于我国华北、东北、西北地区的冬季寒冷气候的污水处理工艺中，应用前景广阔。

4. 结论

本文从生物移动床填料生物膜中筛选出3株优势菌，它们均具有很好的去除能力。在进行温度条件实验时，发现该3株优势菌ZS-1、ZS-2和ZS-3在低温下对均有一定的去除作用，去除率分别为65.89%、74.71%和62.78%。通过进一步的低温驯化与强化，可用于我国华北、东北、西北地区的冬季寒冷气候下的农村生活污水处理。

基金项目

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2013ZX07202-010-05)。

文章引用

张 月,姜彬慧,高 宇,刘绍俨,王海燕. 生物移动床优势菌株筛选及其脱氮性能研究
Advantage Strains Screening from a Biological Moving Bed and the Nitrifying Characteristics[J]. 水污染及处理, 2016, 04(01): 7-12. http://dx.doi.org/10.12677/WPT.2016.41002

参考文献 (References)