交替式厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝

儲(chǔ)建松，張傳義，吳啟威，何士龍，毛縝，孫東旭，袁麗梅

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

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交替式厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝

儲(chǔ)建松，張傳義，吳啟威，何士龍，毛縝，孫東旭，袁麗梅

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(徐州)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116）

摘要：采用某污水處理廠A2/O工藝中的活性污泥為種泥，以模擬生活污水為對(duì)象，考察了交替式厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝的啟動(dòng)與運(yùn)行特性，并采用高通量測(cè)試技術(shù)分析系統(tǒng)除磷污泥的菌群結(jié)構(gòu)。通過(guò)60天的啟動(dòng)試驗(yàn)，系統(tǒng)內(nèi)反硝化聚磷菌占聚磷菌總數(shù)的比例由21.3%提高到94.4%，出水磷在0.6mg/L左右。通過(guò)逐步增加進(jìn)水氨氮的方法運(yùn)行2個(gè)月，系統(tǒng)的脫氮除磷效果穩(wěn)定。在進(jìn)水P濃度為6.4mg/L，保持進(jìn)水N/P比為8.8，交替厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝效能最優(yōu)，可達(dá)0.12kgN/(m3?d)和0.018kgP/(m3?d)，出水總磷（TP）0.8mg/L，總氮（TN）12mg/L，出水COD、NH3-N和TN達(dá)到國(guó)家綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。周期試驗(yàn)中，pH值、氧化還原電位（oxidation-reduction potential，ORP值）均可作為厭氧釋磷的控制參數(shù)，ORP也可指示缺氧吸磷的終點(diǎn)。典型周期內(nèi)硝酸鹽、亞硝酸鹽的消耗量與磷的吸收量基本呈線性關(guān)系。系統(tǒng)內(nèi)污泥多樣性約為種泥的0.5倍，在“門(mén)”、“屬”分類(lèi)級(jí)別上分別以Proteobacteria、Xanthomonadales-nobank為主。

關(guān)鍵詞：反硝化除磷；交替式厭/缺氧-好氧雙膜工藝；運(yùn)行性能；過(guò)程特性；菌群結(jié)構(gòu)

隨著脫氮除磷標(biāo)準(zhǔn)的提高，全球都在致力于研發(fā)低成本、高效能的脫氮除磷技術(shù)，并將其運(yùn)用于實(shí)際的污水處理廠[1]。目前污水處理廠運(yùn)用較為成熟的是連續(xù)流的A2/O工藝、氧化溝工藝以及間歇流的序批式活性污泥法（SBR）工藝，這些傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝中硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、聚磷菌和異氧菌都同處于一個(gè)系統(tǒng)，即單污泥形式[2]。然而這種單污泥系統(tǒng)存在兩個(gè)比較突出的問(wèn)題：①反硝化細(xì)菌和聚磷菌對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)[3]；②硝化細(xì)菌與聚磷菌對(duì)污泥齡要求的矛盾[4]。這些突出矛盾一直制約著脫氮除磷效率，特別是在我國(guó)污水C/N比較低的情況下，出水難以達(dá)到GB18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。反硝化除磷理論的提出為解決這些問(wèn)題提供了新思路，反硝化聚磷是用厭氧/缺氧環(huán)境來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的厭氧/好氧環(huán)境，馴化出一類(lèi)以硝酸根為電子受體的反硝化聚磷菌（DPB），有效地解決了脫氮和除磷過(guò)程中的碳源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了同步脫氮和除磷過(guò)程[5-7]。為提高反硝化除磷效能，一些研究者開(kāi)發(fā)了雙污泥系統(tǒng)，如典型的厭氧/缺氧SBR-硝化SBR （anaerobic/anoxic- nitrification SBR，A2N-SBR）工藝[8]。雙污泥系統(tǒng)解決了硝化細(xì)菌長(zhǎng)泥齡與反硝化聚磷菌泥齡不一致、碳源缺乏、氧的消耗量大等問(wèn)題[9-11]，但存在周期運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、需要多次沉淀和多級(jí)回流、系統(tǒng)操作較為繁瑣等弊端。

為此，本研究在A2N-SBR基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)的雙污泥反硝化除磷工藝，即交替式厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝（alternate anaerobic/anoxicaerobic double membrane process，A2N-DMBR）。該工藝增加了緩沖池，從而實(shí)現(xiàn)硝化過(guò)程與反硝化除磷過(guò)程在兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)同步進(jìn)行，并通過(guò)在硝化池設(shè)置膜組件解決硝化污泥和聚磷污泥的泥齡差異問(wèn)題，并增強(qiáng)硝化效果，省去沉淀時(shí)間，提高處理效能。本試驗(yàn)對(duì)交替式厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝的運(yùn)行特性進(jìn)行研究，為脫氮除磷工藝的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

交替厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷裝置如圖1所示，主要由一套序批式活性污泥工藝裝置（SBR）、兩套膜生物反應(yīng)器（MBR）和一個(gè)緩沖池組成，分別為厭/缺氧SBR，硝化MBR、后置曝氣MBR以及存儲(chǔ)硝化液的緩沖池。SBR有效容積9.5L，每個(gè)周期進(jìn)水6L，硝化池采用膜出水，采用后置短時(shí)曝氣進(jìn)一步降低氨氮和總磷，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。緩沖池用來(lái)儲(chǔ)存硝化液，保證好氧硝化和缺氧反硝化除磷同步進(jìn)行，節(jié)省周期運(yùn)行時(shí)間。

圖1 交替厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷試驗(yàn)裝置1—進(jìn)水水箱；2—蠕動(dòng)泵；3—厭/缺氧SBR；4—攪拌器；5—取樣閥；6—膜組件；7—好氧MBR；8—空氣泵；9—緩沖池；10—后置短時(shí)曝氣池；11—電磁閥；12—pH、ORP儀

1.2 試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)采用人工配置的模擬生活污水，其中碳源由乙酸鈉提供，氮源由氯化銨和硝酸鉀提供，磷源由磷酸二氫鉀提供。其主要成分，每升水所含物質(zhì)為：CH3COONa，0.26g；NH4Cl，0.05～0.20g；KH2PO4，0.02～0.03g；MgSO4，0.03g；KCl，0.015g；CaCl2，0.01g。每升配水中加微量元素液1mL，微量元素液組成為：H3BO3，0.17g；FeCl3·6H2O，1.52g；KI，1.80g；ZnSO4·7H2O，0.15g；EDTA，10.00g；CuSO4·5H2O，0.03g；MnCl2·4H2O，0.12g；CoCl2·6H2O，0.15g。反硝化聚磷菌的富集階段和裝置啟動(dòng)階段控制進(jìn)水COD 190～250mg/L，總磷為5～8mg/L，進(jìn)水氨氮在富集階段為15～20mg/L，系統(tǒng)啟動(dòng)階段為35～55mg/L。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 反硝化聚磷菌的富集

試驗(yàn)所用污泥取自徐州市某污水處理廠，DPB富集分為兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段采用厭氧/好氧方式進(jìn)行好氧聚磷菌的富集，運(yùn)行方式為進(jìn)水0.5h，厭氧2h，好氧3h，沉淀、出水共1h，靜置1.5h；第二階段采用厭氧/缺氧對(duì)反硝化聚磷菌進(jìn)行選擇和富集，運(yùn)行方式為進(jìn)水0.5h，厭氧2h，缺氧初期加入35mg/L硝態(tài)氮，缺氧3h，沉淀、出水共1h，靜置1.5h。

1.3.2 系統(tǒng)運(yùn)行方式

將富集成功的反硝化聚磷菌加入?yún)?缺氧SBR反應(yīng)器，運(yùn)行方式為進(jìn)水0.5h，將6L合成污水加入到厭/缺氧SBR，與池底3.5L泥水混合物相混合，厭氧攪拌2h，沉淀0.5h，通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)出水至好氧MBR進(jìn)行好氧硝化，硝化3.5h后通過(guò)膜出水至緩沖池儲(chǔ)存，在好氧硝化同時(shí)，緩沖液由泵打入?yún)?缺氧SBR進(jìn)行反硝化除磷，缺氧反硝化3h，沉淀0.5h，同樣通過(guò)電磁閥調(diào)節(jié)出水至后置短時(shí)曝氣池曝氣1h，進(jìn)一步去除水中剩余的氨氮，最后通過(guò)膜出水。每個(gè)周期8h，反應(yīng)過(guò)程中，進(jìn)水、厭氧、缺氧、好氧及沉淀、出水等各階段的攪拌和曝氣時(shí)間均有定時(shí)器自動(dòng)控制，定期進(jìn)行排泥。

1.4 分析方法

COD、NH3-N、NO2?-N、NO3?-N、TN、TP采用國(guó)標(biāo)法；pH值、ORP WTW采用 pH3210儀，DO采用WTWDO3210儀測(cè)定；MLSS 采用濾紙稱(chēng)量法測(cè)定，反硝化除磷菌比例測(cè)定根據(jù)WACHTMEISTER等[12]和MEINHOLD等[13]得出反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的數(shù)量比例的方法。

污泥樣品DNA采用FastDNA?土壤試劑盒進(jìn)行提取，采用引物對(duì)515F（GTGCCAGCMGCCGCGGTAA）與907R（CCGTCAATTCATTTAAGTTT）對(duì)16SrRNA基因V6區(qū)序列進(jìn)行擴(kuò)增[14]。PCR反應(yīng)體系為30μL，包括Trans Start?FastpfuDNA聚合酶0.75μL，2 × Buffer15μL，前、后引物各1.5μL，細(xì)菌組的DNA20～50ng，最后以ddH2O 補(bǔ)足至30μL。PCR擴(kuò)增采用PCR儀（ABI Gene Amp?9700型）進(jìn)行，擴(kuò)增條件：90℃首次變性2min，98℃、20s 28個(gè)循環(huán)，55℃、20s，68℃、1min，68℃延伸5min。擴(kuò)增后的樣品采用2.0%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行驗(yàn)證。參照電泳初步定量結(jié)果，將PCR產(chǎn)物用QuantiFluor?-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)（Promega公司）進(jìn)行檢測(cè)定量，之后按照每個(gè)樣本的測(cè)序量要求進(jìn)行相應(yīng)比例的混合。最后樣品通過(guò)Illumina-HiSeqPE250平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，通過(guò)Mothur Platform[14]對(duì)獲得的生物數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 反硝化聚磷菌的富集培養(yǎng)

反硝化聚磷菌的富集分為兩個(gè)階段。第一階段：控制厭/好氧馴化條件SRT為13天，MLSS為3500mg/L，進(jìn)水pH值為7.3～7.6，好氧段DO為2.5～3.5mg/L。經(jīng)過(guò)14天的培養(yǎng)，SBR反應(yīng)器已經(jīng)表現(xiàn)出良好的厭氧釋磷和好氧吸磷效果。系統(tǒng)除磷率由最初的37%提高到94%，出水磷濃度降到0.5mg/L以下。這與黃榮新等[15]的研究結(jié)果相似。第二階段：采用厭氧/缺氧的運(yùn)行方式，缺氧初期加入濃度為35mg/L的硝態(tài)氮，MLSS為4000mg/L，SRT為18天。通過(guò)40天的馴化，厭氧釋磷量最大達(dá)到25.6mg/L?？偭兹コ史€(wěn)定在90%以上，出水磷在0.8mg/L以下，達(dá)到國(guó)家綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18918—2002一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)第一階段和第二階段完成時(shí)污泥中反硝化聚磷菌的比例進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)，通過(guò)厭氧2h/缺氧3h的馴化方式，120周期后系統(tǒng)中反硝化聚磷菌所占全部聚磷菌的比例高達(dá)94.4%，遠(yuǎn)高于好氧/缺氧馴化末期反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例（21.9%），且該比例高于LEE等[16]、李勇智等[17]報(bào)道的64% 和73%，與周康群等[18]、劉立等[19]報(bào)道的94%、93%相符。上述結(jié)果表明，反硝化聚磷菌已經(jīng)得到成功富集。

2.2 系統(tǒng)的運(yùn)行性能

將馴化后的反硝化聚磷菌群置于厭/缺氧SBR中，采取交替式厭/缺氧-好氧膜過(guò)濾的方式運(yùn)行，控制厭/缺氧系統(tǒng)SRT為18天，MLSS為4000mg/L；MBR系統(tǒng)中硝化污泥SRT為40天，MLSS 7000～8000mg/L，DO3.0～4.0mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行2個(gè)月。

圖2 系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中TP的去除效果

圖3 系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中NH3-N的去除效果

圖4 系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程中TN的去除效果

系統(tǒng)運(yùn)行期間TP、NH3-N、TN的去除效果分別如圖2～圖4所示，系統(tǒng)運(yùn)行前60周期，進(jìn)水TP濃度為6.8～7.6mg/L，進(jìn)水NH3-N為32～35mg/L。從圖2可以看出，前27周期厭氧釋磷量慢慢增長(zhǎng)到24.5mg/L，出水磷濃度逐漸降低至2.5mg/L，出水NH3-N低于3mg/L（圖3）。第27～60周期，厭氧釋磷量呈增高趨勢(shì)，缺氧出水TP濃度穩(wěn)定在4mg/L左右，此間NH3-N硝化效果良好，缺氧吸磷后NO3?-N接近于零，可見(jiàn)，缺氧條件下NO3?-N不足，導(dǎo)致吸磷不充分或發(fā)生“二次釋磷”，引起出水磷濃度偏高。在第63周期開(kāi)始降低進(jìn)水TP濃度為5.9～6.5mg/L，同時(shí)增高NH3-N濃度為45mg/L，63周期后出水TP逐漸降低，值得一提的是，第75～93周期，由于曝氣設(shè)備故障導(dǎo)致硝化效果變差，測(cè)得硝化出水NH3-N達(dá)5.2mg/L，致使出水TP濃度顯著增高。曝氣設(shè)備故障解除后，系統(tǒng)效能逐步恢復(fù)，129周期NH3-N、TN去除率為94%、82%，缺氧出水TP為2.7mg/L左右，缺氧出水NO3?-N為0.4mg/L，硝化液仍不能提供足量的NO3?-N作為缺氧吸磷的電子受體。在第132周期后繼續(xù)提高進(jìn)水氨氮（53mg/L），進(jìn)水磷濃度不變，經(jīng)過(guò)60周期的運(yùn)行，系統(tǒng)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，出水TP為0.8mg/L以下，去除率在90%以上，出水NH3-N低于3.2mg/L，去除率達(dá)到94%，而出水TN為12mg/L，去除率為78%。由于進(jìn)水一部分NH3-N儲(chǔ)存在厭氧污泥混合液之中沒(méi)有硝化，隨著進(jìn)水NH3-N升高，缺氧出水NH3-N、TN也隨之升高。結(jié)果表明，在進(jìn)水P濃度為6.4mg/L，保持進(jìn)水N/P比為8.8，交替厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝效能最優(yōu)，可達(dá)0.12kgN/(m3?d)和0.018kgP/(m3?d)，出水TP 0.8mg/L，TN 12mg/L，出水COD、NH3-N和TN達(dá)到國(guó)家綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。王亞宜等[11]采用A2N-SBR工藝也得到類(lèi)似的結(jié)論，而本工藝的反硝化除磷性能高于A2N-SBR（詳見(jiàn)2.3節(jié)），且較A2N-SBR縮短了運(yùn)行周期，減少了系統(tǒng)操作的復(fù)雜程度。

2.3 系統(tǒng)的過(guò)程特性

為了考察交替厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝系統(tǒng)中各個(gè)污染因子的轉(zhuǎn)化特征，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，選取第216周期，每隔0.5～1h取一個(gè)樣，分析其中COD、TP、NH3-N、NO3?-N、NO2?-N的變化情況，結(jié)果如圖5。進(jìn)水后1.5h內(nèi)COD的濃度由220mg/L迅速下到60mg/L，厭氧結(jié)束后降為42mg/LCOD，81%的有機(jī)物（COD）在厭氧段被反硝化聚磷菌吸收，以PHB的形式貯存在細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)進(jìn)行釋磷，在前0.5h內(nèi)釋磷速率最快，達(dá)到5.35 mgP/(gMLSS·h)，2h后最大釋磷量為29.7mg/L。

接下來(lái)的3.5h好氧硝化階段，NH3-N由40mg/L降為0.5mg/L，膜出水NO3?-N達(dá)到37.6mg/L，硝化效率為2.5mgNO3?-N/(gMLSS·h)，而系統(tǒng)中NO2?-N濃度一直較低，而好氧硝化階段TP基本不變。

在缺氧反硝化除磷階段，隨著缺氧吸磷的進(jìn)行，NO3?-N快速消耗，0～0.5h，TP濃度從26mg/L迅速降低到12mg/L，NO3?-N從26.3mg/L降低至13.1mg/L，TP去除和NO3?-N消耗幾乎成線性關(guān)系。缺氧結(jié)束后NO3?-N為0.5mg/L左右，總磷為0.9mg/L左右。值得一提的是，缺氧吸磷期間出現(xiàn)了NO2?-N的積累，在0.5h時(shí)達(dá)到最大值5.3mg/L，而后快速下降，1h后幾乎消耗完畢，表明系統(tǒng)中存在著一定量的反硝化除磷菌也可以利用NO2?-N進(jìn)行吸磷。該系統(tǒng)的容積交換比約為63%，出水NH3-N濃度較高，劉瑩[20]、KUBA[8]等研究證實(shí)了A2N-SBR中容積交換比對(duì)A2N工藝中NH3-N的去除率影響較大。楊慶娟等[21]也報(bào)道出在保證缺氧池有足夠污泥的前提下，應(yīng)盡可能減小超越污泥流量，以降低出水NH3-N濃度。為此，本工藝末端后置短時(shí)曝氣以進(jìn)一步去除缺氧出水中的NH3-N，同時(shí)實(shí)現(xiàn)剩余磷的部分吸收。從整個(gè)周期來(lái)看，COD、TP、TN去除率分別為92.7%、91.8%、80.3%，系統(tǒng)反硝化除磷效果顯著，反硝化除磷比例達(dá)到85%，高于A2N-SBR工藝得到的51%的水平[11]。

2.4 系統(tǒng)中反硝化除磷效能分析

通過(guò)批次試驗(yàn)考察以NO3?和NO2?分別作為電子受體的除磷特性，NO3?和NO2?的消耗量與磷的吸收量之間的數(shù)量關(guān)系分別如圖6和圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)，NO3?的消耗與磷的去除具有線性關(guān)系。通過(guò)擬合可以得出消耗1mg N可以吸收1.21mg P。該值高于劉建廣等[22]得到的1.0mg PO43?/NO3?，也高于高大文[23]、李勇智[24]等采取SBR工藝得到的0.88mg PO43?/NO3?。但低于KERN等[25]在研究固定生物膜反應(yīng)器時(shí)得到的2.0mgPO43?/NO3?。這表明缺氧段PO43?吸收量與NO3?消耗量的比例關(guān)系的影響因素有待進(jìn)一步研究。

圖5 單個(gè)典型周期內(nèi)污染物質(zhì)的濃度變化

圖6 NO3?-N消耗量和吸磷量的關(guān)系

圖7 NO2?-N消耗量和吸磷量的關(guān)系

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)初期NO2?-N為20mg/L時(shí)，NO2?-N的消耗與磷的去除也有較好的線性關(guān)系，計(jì)算得到每消耗1mgN可以吸收1.0mgP，小于以NO3?-N為電子受體的數(shù)值（1.21），該值低于WANG 等[26]在利用NO2?-N為電子受體，進(jìn)行缺氧除磷量的比值（2.1），這可能與沒(méi)有單獨(dú)利用NO2?-N馴化污泥以及系統(tǒng)菌群結(jié)構(gòu)不同有關(guān)，系統(tǒng)中不同的除磷菌Candidatus Accumulibacter菌群對(duì)于NO2?的選擇性利用可能導(dǎo)致PO43?吸收量與NO2?消耗量的比例不同。而ZENG[27]、裴寧[28]等認(rèn)為NO2?濃度達(dá)到20mg/L，會(huì)對(duì)缺氧吸磷產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制，本試驗(yàn)中NO2?對(duì)除磷沒(méi)有明顯抑制作用，出現(xiàn)了以NO2?為電子受體的吸磷過(guò)程，認(rèn)為可能在缺氧吸磷段，SBR反應(yīng)器內(nèi)的反硝化菌利用殘留的COD進(jìn)行短程反硝化，將NO3?還原成NO2?（見(jiàn)2.3節(jié)分析），并馴化出一定量的以NO2?為電子受體的反硝化除磷菌。

2.5 系統(tǒng)過(guò)程pH值、ORP指示性分析

pH值、氧化還原電位（ORP）是生物強(qiáng)化除磷中重要的指示性參數(shù)[29]。已有研究發(fā)現(xiàn)，反硝化除磷工藝的效能與pH值、ORP存在一定相關(guān)性[30-31]。本實(shí)驗(yàn)以第96周期厭氧/缺氧池pH值、ORP變化為例，研究工藝性能與兩者的相關(guān)性。由圖8可知，0～30min，厭氧段pH值先從7.8快速下降到7.5，這主要由于磷的釋放、厭氧水解產(chǎn)酸等造成的，釋磷速度達(dá)到5.3mgP/(gMLSS·h)，COD消耗速率為44.5mgCOD/(gMLSS·h)，釋磷曲線、COD降解曲線和pH值下降曲線呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性[32]。60min后，隨著釋磷的變慢，COD消耗減少，pH值趨于穩(wěn)定。90min出現(xiàn)平臺(tái)區(qū)，此時(shí)厭氧釋磷也基本結(jié)束，可以通過(guò)pH值很好指示厭氧釋磷結(jié)束的終點(diǎn)。方茜等[33]也出現(xiàn)過(guò)相同的報(bào)道。在缺氧狀態(tài)下主要進(jìn)行反硝化同時(shí)脫氮除磷，同時(shí)有部分反硝化細(xì)菌利用殘留的COD進(jìn)行反硝化脫氮，使pH值一直緩慢上升[34]。pH值不可作為缺氧段反硝化除磷的指示性參數(shù)。

圖8 典型周期厭氧/缺氧池pH值、ORP變化

ORP可用于指示厭氧釋磷是否徹底的一個(gè)重要指標(biāo)[35-36]。本試驗(yàn)ORP隨工況變化的結(jié)果如圖8所示。在厭氧階段，0～60min，ORP的下降與厭氧釋磷高度相關(guān)，ORP迅速下降，厭氧釋磷速率為4.0mgP/(gMLSS·h)；60～90min，ORP下降緩慢，釋磷曲線平緩，90min時(shí)ORP達(dá)到最低點(diǎn)，為?179.4mV，此時(shí)厭氧釋磷基本結(jié)束。鄒海明等[37]在試驗(yàn)研究中也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似拐點(diǎn)現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，ORP可以作為厭氧釋磷的控制參數(shù)，通過(guò)ORP曲線拐點(diǎn)調(diào)控實(shí)際厭氧時(shí)間。缺氧段，由于NO3?-N的加入，ORP快速上升，約30min出現(xiàn)峰值，期間缺氧吸磷速率、反硝化速率分別為8.6mgP/(gMLSS·h)、8.2mgNO3?-N/(gMLSS·h)。隨后ORP緩慢下降，缺氧吸磷速率降低，240min時(shí)，NO3?-N消耗完畢，ORP出現(xiàn)平臺(tái)，缺氧池由于NO3?-N不足發(fā)生“二次釋磷”，預(yù)示缺氧吸磷結(jié)束，因此ORP可以作為缺氧吸磷的控制參數(shù)，高大文[23]、ZHANG[38]等也得出相似的研究結(jié)論。上述結(jié)果表明，可采用pH值和ORP的聯(lián)合指示來(lái)預(yù)測(cè)該工藝中的厭氧釋磷和缺氧吸磷效能。

2.6 系統(tǒng)內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)分析

基于操作分類(lèi)單元（operational taxonomic units，OTUs）數(shù)目，在序列相似度為3%水平下，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中污泥樣品與種泥的微生物ACE、Chao、Jack、shannon等多樣性指標(biāo)[39]如表1所示，OTUs由最初的1455減少到757種。由表1可以看出，種泥的生物多樣性高于馴化后的系統(tǒng)污泥，這是由于馴化環(huán)境使得一部分菌種不宜生存而遭到淘汰。

表1 以3% cutoff劃分OTUs條件下菌群多樣性

圖9 門(mén)級(jí)別上菌群分布情況

圖10 屬級(jí)別上菌群分布情況

不同污泥樣品在“門(mén)”與“屬”2個(gè)分類(lèi)級(jí)別上的菌群分布情況如圖9、圖10所示。由圖9可以看出，厭氧和缺氧種泥在門(mén)上的菌種分布基本相同，Proteobacteria（變形菌門(mén)）是各污泥樣品中最豐富的門(mén)，這與目前大多數(shù)的微生物菌群結(jié)構(gòu)報(bào)道相一致[40-41]，種泥中Proteobacteria所占的比例為42.5%，而系統(tǒng)中Proteobacteria占的比例為68.3%。Chloroflexi（綠灣菌門(mén)）在種泥中所占比例為14.5%，而與絲狀菌有關(guān)的Chloroflexi比例明顯減少（14.5%～8%），說(shuō)明厭氧/缺氧交替運(yùn)行能夠有效抑制污泥膨脹[42]，與硝化作用有關(guān)的Nitrospirae（硝化螺旋菌門(mén)）在由2.3%減少到0.4%，這可能由于厭氧/缺氧交替限制了好氧硝化菌的生長(zhǎng)，3個(gè)樣品中Bacteroidetes（擬桿菌門(mén)）占的比例相當(dāng)，系統(tǒng)中Proteobacteria、Chloroflexi、Bacteroidetes總的比例達(dá)到90%以上。由圖10可見(jiàn)，在屬級(jí)別上，Xanthomonadales（黃單胞菌目）中的某種屬在種泥和系統(tǒng)中占的比例相差很大（3.7%、39.1%），Xanthomonadales屬于γ-Proteobacteria，與夏雪等[43]報(bào)道的以乙酸鈉馴化的除磷污泥菌群以β-Proteobacteria占主導(dǎo)并不相同，種泥中菌群比例為11.5%的Anaerolineaceae（厭氧繩菌科）經(jīng)過(guò)馴化后在系統(tǒng)中所占的比例降為5%，說(shuō)明厭氧/缺氧交替運(yùn)行使得嚴(yán)格厭氧菌種得以淘汰。Dechloromonas在種泥中只占1.8%，而在系統(tǒng)中增加到9.9%，有研究表明Rhodocyclaceae科中的Propionvibrio、Decholoromonas或Rhodocyclus與廣泛認(rèn)可的除磷菌Canadidatus Accumulibacter在系統(tǒng)發(fā)育上較為近似[44-45]。根據(jù)系統(tǒng)的脫氮除磷效果以及菌屬所占比例的變化推測(cè)，其具有很好的除磷效果與反硝化聚磷菌的比例增加有關(guān)。根據(jù)批示實(shí)驗(yàn)（2.4節(jié)）顯示，該系統(tǒng)馴化出來(lái)的反硝化除磷菌可以分別利用NO2?和NO3?進(jìn)行吸磷，但其利用NO2?和NO3?的除磷性能低于文獻(xiàn)報(bào)道[25-26]。

3 結(jié) 論

（1）采用厭氧/好氧（A/O）模式轉(zhuǎn)厭氧/缺氧（A/A）模式運(yùn)行，可有效富集反硝化聚磷菌。經(jīng)過(guò)150周期的馴化，去除率穩(wěn)定在90%以上，反硝化聚磷菌占聚磷菌總數(shù)的比例也由21.9%提高到94.4%。

（2）在進(jìn)水P濃度為6.4mg/L，保持進(jìn)水N/P比為8.8，交替厭/缺氧-好氧雙膜反硝化除磷工藝效能最優(yōu)，可達(dá)0.12kgN/(m3?d)和0.018kgP/(m3?d)，出水TP 0.5mg/L，TN 12mg/L，出水COD，NH3-N和TN達(dá)到國(guó)家綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

（3）硝酸鹽和亞硝酸鹽的消耗量與磷的吸收量之間具有線性關(guān)系，單位硝酸鹽和亞硝酸鹽吸磷量分別為1.21mgP/N和1.0mgP/N。

（4）pH值、ORP的變化與COD的消耗、TP的釋放與吸收有較好的相關(guān)性，pH值、ORP值可以指示厭氧釋磷結(jié)束的終點(diǎn)，同時(shí) ORP還能作為缺氧吸磷的控制參數(shù)。通過(guò)高通量測(cè)序得到系統(tǒng)內(nèi)種群多樣性減少，在門(mén)級(jí)別上以Proteobacteria為主，所占比例為68.3%，在屬級(jí)別主要為Xanthomonadales-nobank。

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研究開(kāi)發(fā)

Alternate anaerobic/anoxic-aerobic double membrane denitrifying phosphorus removing process

CHU Jiansong，ZHANG Chuanyi，WU Qiwei，HE Shilong，MAO Zhen，SUN Dongxu，YUAN Limei
（Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering，China University of Mining & Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，China）

Abstract：The enrichment of denitrifying phosphorus bacterium（DPB）inoculated activated sludge from the anaerobic tank of a wastewater treatment plant which using A2/O process. Using the simulated domestic wastewater，the performance of the alternate anaerobic/anoxic-aerobic double membrane denitrifying phosphorus removing process（A2N-DMBR）were investigated and the microflora of the system were investigated by high-throughput sequencing analysis. The results showed that the ratio of DPB to Phosphorus Accumulating Organisms（PAOs）was improved from 21.3% to 94.4% during the whole experiment period of 60 days，and the total phosphorus concentration of effluent was about 0.6mg/L. The A2N-DMBR process was begun by increasing the influent ammonia nitrogen concentrations gradually，the system attained stable effect of removing nitrogen and phosphorus simultaneously in two months，the total phosphorus concentration of influent was 6.4mg/L，the influent N/P ratio was 8.8，the alternate anaerobic/anoxic-aerobic double membrane denitrifying phosphorus removing process could achieved the efficiency of 0.12kgN/(m3?d) and 0.018kgP/(m3?d). Total phosphorus and nitrogen effluent were 0.8mg/L and 12mg/L，respectively. The COD，NH4+-N and TNbook=936,ebook=289met the first grade A standards of GB 18918—2002. Periodical test showed that pH and oxidationreduction potential(ORP) could be used as the control parameters for phosphate release，ORP could be used to indicate the end point of the phosphate uptake in anoxic phase. There was a linear relationship between phosphorus uptake and nitrate，nitrite consumption during the typical cycle. The feeding sludge of system exhibited 0.5 times bacterial diversity of the seed sludge. At the phylum level，Proteobacteria was dominated in the feeding sludge. At the genus level，Xanthomonadales- nobank that most phosphorus removal bacteria belonged to was the most dominant order for the seeding sludge．

Key words：denitrifying phosphorus removal；alternate anaerobic/anoxic-aerobic double membrane process (A2N-DMBR)；operation characteristic；process analysis；community structure

基金項(xiàng)目：江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目（PAPDSA1102）及環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（11K09ESPCT）。

收稿日期：2015-09-22；修改稿日期：2015-10-27。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.042

中圖分類(lèi)號(hào)：X 703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）03–0935–09

第一作者：儲(chǔ)建松（1989—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：張傳義，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail chuanyizhang@163.com。 袁麗梅，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail lmmyuan@163.com。