曝氣條件對側流活性污泥水解工藝脫氮性能和微生物的影響

胥鵬海, 劉 亮, 劉 晶， 張 喆， 秦 璐, 李笑笑， 鄭 興， 王東琦

(1.中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司， 陜西 西安 710054； 2.西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

隨著城市化的快速發(fā)展，水環(huán)境受污染的情況越來越嚴重。其中，因水體富營養(yǎng)化引發(fā)的藻類瘋長、水生態(tài)系統(tǒng)破壞受到了廣泛關注[1-2]。我國水體富營養(yǎng)化的主要原因為污水中含有的大量氮、磷營養(yǎng)元素[3-5]。為了解決此問題，國家和各個地區(qū)提出了日益嚴格的污染物排放標準[6-7]，這為常規(guī)生物脫氮除磷工藝帶來了技術挑戰(zhàn)。由于在生物脫氮除磷系統(tǒng)中，反硝化菌與聚磷菌爭奪碳源，加之我國許多污水處理廠的進水碳源不足[8]，僅靠生物方法難以穩(wěn)定達到排放標準，常常需要外加商業(yè)碳源或是化學試劑，這也使得生物法較化學法相比失去了原有的經濟性和環(huán)境友好的優(yōu)勢[9]。近年來，側流活性污泥水解工藝(side-stream activated sludge hydrolysis, 以下簡稱SSH工藝)逐漸受到越來越多的關注[10-12]。SSH工藝將部分或者全部回流污泥引入側流厭氧池，并對其進行水解發(fā)酵，產生的揮發(fā)性脂肪酸(volatile fatty acid, VFA)可促進微生物生長及提升脫氮除磷效果，充分挖掘工藝內部碳源[13]，在一定程度上緩解了進水碳源低和脫氮除磷功能微生物之間競爭的問題[10]。該工藝具有運行成本低、處理性能穩(wěn)定的特點，且改造簡單、運行靈活，適用于多種污水廠的現(xiàn)有流程[14-15]。

保持高質量的廢水排放，同時降低運營成本一直是污水處理廠努力實現(xiàn)的目標。鼓風機作為污水廠最大的單一能耗來源[16]，占總能源成本的75%[17]，故優(yōu)化曝氣條件就成了不可忽視的一項工作。溶解氧(dissolved oxygen, DO)的濃度是影響生物池作用效率和性能的關鍵參數(shù)，因此是研究曝氣條件中的關鍵部分。通常，曝氣池的DO濃度必須高于2 mg/L，一般控制在2～3 mg/L[18]，但污水處理廠常常出現(xiàn)DO濃度過高(5～8 mg/L)的運行狀況，這不僅浪費能源，還會對污泥結構產生影響[19]。過低的DO(小于0.5 mg/L)雖然可以節(jié)約能源，但也可能會使微絲菌大量增殖引發(fā)污泥膨脹[20]。然而，有關SSH工藝在不同曝氣條件下的處理性能變化規(guī)律缺乏系統(tǒng)性研究。該工藝在不同曝氣條件下微生物群落結構以及關鍵功能種群變化的研究也相對較少。因此，本研究通過構建SSH工藝和常規(guī)厭氧/缺氧/好氧(anaerobic anoxic-oxic, A2/O)工藝實驗室小試反應器，比較在不同曝氣條件下A2/O和SSH兩組反應器的脫氮性能及其穩(wěn)定性，并結合微生物的群落結構及相關功能微生物的分析，對SSH工藝的微生物作用機理進行了研究，以期為該工藝在我國城鎮(zhèn)污水處理中的工程應用提供一定的理論與技術支持。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

試驗在如圖1所示的兩套反應器中進行，所采取的工藝分別為A2/O工藝和SSH工藝。反應器的材質主要為透明的有機玻璃。A2/O和SSH工藝的反應格室數(shù)量、大小完全相同，均有8個反應格室，除二沉池外，每個反應格室均設有攪拌裝置。好氧池底部設有曝氣泵，可以通過此設備來調節(jié)好氧池的曝氣量和DO濃度。每套反應器的總有效容積為30 L，其中預缺氧池有效容積為2 L，其余反應池有效容積為4 L。與A2/O反應器相比，SSH反應器的進水位置不同，進水直接流至缺氧池。除此之外還增加了一路污泥回流，70%的回流污泥直接進入主流缺氧池，其余30%的污泥經側流反應器水解發(fā)酵后再回流到主流。

圖1 試驗采用的兩種工藝反應器試驗裝置示意圖

2.2 試驗用水

2.3 試驗運行條件

兩組反應器中活性污泥均采自西安市某污水處理廠回流段，起始濃度約為8.2 g/L。待污泥馴化結束，對碳、氮、磷等污染物均具有一定的去除效果后開始正式試驗。試驗分為3個階段，每個階段主要運行參數(shù)如表1所示。

表1 各階段試驗反應器主要運行參數(shù)

2.4 微生物群落結構分析方法

在A2/O和SSH的不同運行階段，從第4個好氧池采集活性污泥混合液，混合液經過離心沉淀后低溫保存，最后將保存樣品送至派森諾基因測序公司(上海)委托測序，之后對獲得的群落結構數(shù)據進行分析。

2.5 污水各指標測定方法

3 結果與分析

3.1 COD處理性能比較

圖2為不同DO濃度條件下A2/O和SSH工藝兩組反應器對COD的去除效果。由圖2可知，A2/O反應器在3個階段的COD出水濃度分別為(27.1±9.4)、(27.8±9.8)和(41.8±11.1) mg/L，平均去除率分別為93%、93%和89%。SSH反應器在3個階段的COD出水濃度分別為(25.0±10.1)、(22.4±7.8)和(32.1±11.3) mg/L，平均去除率分別為94%、94%和92%。結果表明，兩組反應器均對進水中的易降解有機物有穩(wěn)定而高效的處理能力，COD去除效果在3個階段基本一致，95%以上的出水符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。與A2/O反應器相比，SSH反應器的出水COD濃度更低，43%的A2/O反應器出水和63%的SSH反應器出水達到了地表水Ⅳ類排放標準(GB 3838—2002)。

圖2 A2/O和SSH工藝的兩組反應器對COD的去除效果

3.2 脫氮性能比較

圖3 A2/O和SSH工藝的兩組反應器對和TN的去除效果

總體來看，在相同進水和工藝條件下，SSH反應器表現(xiàn)出比A2/O反應器更好的脫氮性能。出水TN濃度的中位數(shù)為9.7 mg/L，均值為(10.8±4.5) mg/L，明顯低于A2/O反應器出水(中位數(shù)為11.9 mg/L，均值為(13.7±5.9) mg/L)，這可能和SSH反應器特殊的工藝構型有關。在A2/O工藝中，由于大部分有機物在厭氧池被利用，進入缺氧池的有機物少，不利于反硝化作用。SSH工藝側流厭氧反應器的設置實現(xiàn)了對部分回流污泥的水解發(fā)酵，產生的額外內碳源可解決進水碳源不足問題，并緩解聚磷菌和反硝化菌之間的競爭作用，促進同步脫氮除磷能力的提高[10]。另外，側流反應器延長的厭氧停留時間可能會改變活性污泥中微生物的群落結構，并通過篩選馴化形成特定的功能微生物種群，這也可能是SSH工藝具有高效脫氮性能的原因之一。

3.3 微生物群落結構分析

3.3.1 多樣性分析 不同階段兩組反應器中微生物的OTU(operational taxonomic unit))數(shù)及α多樣性指數(shù)結果列于表2。由表2中OTUs數(shù)量、Chao1和ACE指數(shù)結果表明，兩組反應器的微生物群落豐富度在階段Ⅱ均明顯降低，部分微生物可能因無法適應較低的DO濃度水平而被淘汰。在階段Ⅲ的正常DO濃度水平下，A2/O反應器的群落豐富度持續(xù)降低，而SSH反應器的微生物群落豐富度基本穩(wěn)定。除此之外，SSH反應器中微生物的群落多樣性在3個階段始終高于A2/O反應器，這有利于保證反應器對曝氣強度和DO濃度變化等沖擊的耐受能力。

表2 不同階段兩組反應器中微生物的OTU數(shù)及α多樣性指數(shù)

3.3.2 群落結構組成 圖4為利用MiSeq高通量測序平臺對兩組反應器不同階段污泥樣品的群落結構分析結果。

由圖4(a)可以看出，Proteobacteria為反應器污泥樣品中的主要優(yōu)勢類群，其次為Bacteroidetes和Chloroflexi。其中，許多脫氮功能微生物以及幾乎所有類型的AOB均屬于Proteobacteria[30-32]，Bacteroidetes和Chloroflexi也被認為是反硝化過程中的主要參與微生物[32-33]。由圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，對于不同階段的兩組反應器，其屬水平上的微生物群落結構發(fā)生明顯改變。在階段Ⅰ，A2/O和SSH反應器中主要優(yōu)勢菌屬包括Cloacibacterium(相對豐度分別為9.3%和3.1%)、Comamonas(相對豐度分別為7.3%和3.3%)、Aeromonas(相對豐度分別為6.9%和2.3%)和Ca.Competibacter(相對豐度分別為4.8%和9.1%)。在階段Ⅱ，A2/O反應器的主要優(yōu)勢菌屬為Lelliottia(32.3%)和Ca.Competibacter(9.5%)，SSH反應器的主要優(yōu)勢菌屬為Thiothrix(11.2%)和Azospira(7.9%)。在階段Ⅲ，A2/O和SSH反應器中主要優(yōu)勢菌屬包括Lelliottia(相對豐度分別為41.6%和14.1%)和Thiothrix(相對豐度分別為8.7%和5.6%)。結果表明，曝氣條件和反應器工藝構型改變導致了微生物群落結構發(fā)生明顯改變。

利用MiDAS數(shù)據庫[34]篩選高通量測序數(shù)據中與脫氮有關的功能微生物信息，兩組反應器不同階段的脫氮功能微生物組成如圖5所示。由圖5可知，在階段Ⅰ，除SSH反應器含有少量硝化細菌Nitrospira(1.5%)外，兩組反應器中的脫氮功能微生物的相對豐度均低于1%，表明較高的DO濃度和曝氣強度不利于脫氮功能微生物的富集。在階段Ⅱ和Ⅲ，A2/O和SSH反應器的主要脫氮功能微生物為反硝化菌Azospira(相對豐度分別為0.6%～1.2%和2.7%～7.9%)和Thiothrix(相對豐度分別為4.8%～8.7%和5.6%～11.2%)，表明較低或正常的DO濃度更有利于脫氮微生物的生長。另外，SSH反應器的反硝化菌相對豐度較高，是反應器脫氮效果良好的重要原因。

圖5 A2/O和SSH工藝反應器不同階段脫氮功能微生物組成

4 結 論

(1)DO濃度和曝氣濃度的改變對A2/O與SSH工藝COD處理性能的影響較小。

(3)曝氣條件和反應器工藝構型的改變導致微生物群落結構發(fā)生了明顯變化。中低DO條件更有利于脫氮功能微生物的生長。與A2/O反應器相比，SSH反應器中活性污泥微生物群落的多樣性更高，且含有更多的反硝化功能微生物，是反應器脫氮效果良好的原因之一。