不同水平低水量運(yùn)行對(duì)AAO工藝的影響

韓小蒙，白海梅，李明杰，馬 艷，宋姍姍

(1. 上海城市水資源開發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上海 200082； 2. 上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司，上海 201103)

竹園污水片區(qū)是上海市中心城區(qū)的3大污水片區(qū)之一，服務(wù)面積約為335 km2，規(guī)劃服務(wù)人口為590萬～610萬人。目前，竹園污水片區(qū)的末端處理廠包括竹園第一污水處理廠、竹園第二污水處理廠和升級(jí)補(bǔ)量工程，設(shè)計(jì)規(guī)?？偭繛?20萬m3/d[1-2]。根據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》和《上海市水污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案》的要求，為進(jìn)一步提高城鎮(zhèn)污水處理能力及水平，上海市規(guī)劃新建了設(shè)計(jì)規(guī)模為120萬m3/d的竹園污水處理廠四期工程。竹園四期工程設(shè)曝氣沉砂池，主體生物處理段為厭氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic-oxic, AAO)工藝，去除有機(jī)物的同時(shí)可脫氮除磷；平流式二沉池具有布置緊湊、水力條件較好的優(yōu)點(diǎn)；深度處理段為帶污泥回流的高效沉淀池加V型濾池，以進(jìn)一步去除顆粒物和總磷(TP)；尾水經(jīng)過輔助次氯酸鈉的紫外消毒后排放。

由于竹園污水片區(qū)內(nèi)合流制、分流制排水系統(tǒng)并存，降雨時(shí)部分雨水也進(jìn)入末端處理廠，因此，進(jìn)水量存在較大程度的波動(dòng)。近年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，竹園污水片區(qū)總進(jìn)水量可達(dá)到188萬～461萬m3/d。同時(shí)，結(jié)合竹園第一、第二污水處理廠和升級(jí)補(bǔ)量工程的現(xiàn)有運(yùn)行模式，計(jì)算得到竹園污水處理廠四期工程建成后高頻進(jìn)水量為36萬～108萬m3/d，即實(shí)際進(jìn)水量可能長(zhǎng)期處于設(shè)計(jì)規(guī)模的30%～90%。

為明確竹園四期工程在低進(jìn)水量下AAO生物段的運(yùn)行情況，本研究設(shè)置了進(jìn)水量為設(shè)計(jì)規(guī)模40%和70%的兩組平行運(yùn)行中試反應(yīng)器，以模擬竹園四期工程的典型工況。考察了這兩組反應(yīng)器在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中對(duì)污染物的去除效果和污泥性質(zhì)，為竹園四期工程和竹園片區(qū)的水量調(diào)度提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 中試反應(yīng)器設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)

本研究構(gòu)建了2套平行運(yùn)行的AAO中試反應(yīng)器，進(jìn)水為竹園片區(qū)污水，經(jīng)過生物段處理和二沉池后出水。由于竹園四期工程的主體生物處理工藝為AAO工藝，總水力停留時(shí)間(hydraulic retention time, HRT)為15.5 h。因此，中試反應(yīng)器的生物段包括了厭氧池、缺氧池和好氧池3部分，工藝流程如圖1所示。設(shè)計(jì)HRT分別為2.8、3.3、9.4 h，總HRT為15.5 h，相應(yīng)的進(jìn)水流量為0.8 m3/h。低流量組按設(shè)計(jì)進(jìn)水量的40%運(yùn)行，即厭氧池、缺氧池和好氧池的HRT分別為7.0、8.2、23.2 h，總HRT為38.4 h；高流量組按設(shè)計(jì)進(jìn)水量的70%運(yùn)行，3段的HRT分別為4.0、4.7、13.3 h，總HRT為22.0 h。

圖1 AAO中試裝置工藝流程圖Fig.1 Flow Diagram of Pilot-Scale AAO Reactor

兩組AAO反應(yīng)器的外回流比為100%，內(nèi)回流比為400%。低流量組和高流量組的豎流式二沉池表面水力負(fù)荷分別為0.31、0.55 m3/(m2·h)。由于進(jìn)水量偏低，低流量組污泥齡延長(zhǎng)至約35 d，高流量組污泥齡延長(zhǎng)至約25 d。反應(yīng)器接種污泥為上海城市污水廠曝氣池污泥，待污泥基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后開始進(jìn)行水質(zhì)測(cè)試和污泥性質(zhì)測(cè)試。

在2020年9月—11月的53 d運(yùn)行過程中，進(jìn)水化學(xué)需氧量(COD)平均質(zhì)量濃度為(201±46)mg/L，進(jìn)水氨氮平均質(zhì)量濃度為(22.0±7.7)mg/L，進(jìn)水總氮(TN)平均質(zhì)量濃度為(28.8±46)mg/L，進(jìn)水TP平均質(zhì)量濃度為(4.1±1.0)mg/L。在試驗(yàn)周期中，曝氣池內(nèi)污泥溫度為14～35 ℃，低流量組好氧池、缺氧池和厭氧池的溶解氧(DO)質(zhì)量濃度分別為8、0.5、0.2 mg/L，高流量組的分別為0.8、0.19、0.12 mg/L。

1.2 水質(zhì)測(cè)試方法

兩組AAO反應(yīng)器進(jìn)、出水的COD、TN、氨氮、TP濃度使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)定[3]。

1.3 污泥性質(zhì)測(cè)試方法

活性污泥的混合液懸浮固體(mixed liquid suspended solids, MLSS)濃度和混合液揮發(fā)性懸浮固體(mixed liquid volatile suspended solids, MLVSS)濃度使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試[3]。

污泥體積指數(shù)(sludge volume index, SVI)為1 L曝氣池污泥樣品沉淀30 min后，泥水分界面對(duì)應(yīng)的體積讀數(shù)(mL)除以MLSS質(zhì)量濃度(g/L)。

污泥粒徑使用激光粒度儀(Mastersizer 3000, Malvern)進(jìn)行測(cè)試。

污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substa-nces, EPS)使用加熱方法提取，蛋白質(zhì)濃度使用BCA蛋白質(zhì)濃度試劑盒(P0010, 碧云天)進(jìn)行測(cè)試。

耗氧速率(oxygen uptake rate, OUR)測(cè)試為取AAO反應(yīng)器的好氧池污泥150 mL，靜沉去除上清液后，使用0.05% NaCl溶液洗泥2次，最終加入0.05% NaCl溶液使樣品體積仍為150 mL。將污泥樣品置于錐形瓶中，使用曝氣器向污泥充氧，當(dāng)DO質(zhì)量濃度達(dá)到7.5 mg/L后停止曝氣。當(dāng)測(cè)試內(nèi)源OUR時(shí)，直接插入溶解氧儀探頭并密封，間隔30 s記錄DO讀數(shù)；當(dāng)測(cè)試外源OUR時(shí)，加入乙酸鈉溶液使混合液中乙酸鈉質(zhì)量濃度為100 mg/L，然后插入溶解氧儀探頭并密封，間隔30 s記錄DO讀數(shù)[4]。最終對(duì)DO值和時(shí)間進(jìn)行線性擬合，斜率為污泥樣品的OUR。

比耗氧速率(Specific oxygen uptake rate, SOUR)為OUR除以MLVSS的計(jì)算值。

8月20日，由雷邦斯生物技術(shù)（北京）有限公司及雷邦斯集團(tuán)成員企業(yè)愛必施農(nóng)業(yè)技術(shù)（北京）有限公司主辦、中國(guó)農(nóng)資傳媒獨(dú)家策劃的世界橙油共享發(fā)布會(huì)暨微生物工藝提取活性腐殖酸發(fā)布會(huì)在北京舉行，雷邦斯生物技術(shù)（北京）有限公司總經(jīng)理冉峰、常務(wù)副總經(jīng)理褚暉，雷邦斯集團(tuán)企業(yè)、合作伙伴及多家行業(yè)媒體代表等出席活動(dòng)。發(fā)布會(huì)上，與會(huì)嘉賓就橙油的應(yīng)用與發(fā)展、微生物工藝提取活性腐殖酸的工藝和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)等內(nèi)容進(jìn)行了分享和交流。

1.4 污泥微生物多樣性測(cè)試方法

本研究使用高通量測(cè)序平臺(tái) Hiseq對(duì)高流量組和低流量組的曝氣池污泥進(jìn)行16S rDNA測(cè)序，步驟如下。首先使用試劑盒提取DNA，并利用NanoDrop One 檢測(cè)DNA 的濃度和純度。以基因組DNA 為模板，選擇16S V4區(qū)引物(515F 和806R)，使用帶barcode的引物及Premix Taq(TaKaRa)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增過程包括：①94 ℃保持5 min；②94 ℃保持30 s，52 ℃保持30 s，72 ℃保持30 s；③步驟②循環(huán)30次；④72 ℃保持10 min；⑤保存在4 ℃下。用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR 產(chǎn)物的片段長(zhǎng)度和濃度，主帶長(zhǎng)度在正常范圍內(nèi)的樣品可用于進(jìn)一步的試驗(yàn)。PCR純化后使用Illumina Hiseq2500平臺(tái)對(duì)構(gòu)建的擴(kuò)增子文庫(kù)進(jìn)行測(cè)序。使用Trimmomatic、FLASH、Mothur等軟件對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量過濾和拼接等操作，得到最終測(cè)序結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 AAO反應(yīng)器進(jìn)出水水質(zhì)

2.1.1 COD去除情況

由圖2可知，在約2倍污泥齡的運(yùn)行周期中，低流量(low-flow-rate,LFR)組和高流量(high-flow-rate,HFR)組的出水CODCr質(zhì)量濃度均穩(wěn)定低于50 mg/L，達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。低流量組出水CODCr質(zhì)量濃度均值為(18±5)mg/L，高流量組出水CODCr質(zhì)量濃度均值為(17±4)mg/L，去除率約為91%。劉新超等[5]和凌宇等[6]的研究也顯示了近似的結(jié)果，當(dāng)HRT滿足去除有機(jī)物所需的最短時(shí)間后，延長(zhǎng)總HRT對(duì)COD的去除無明顯影響。結(jié)合污泥濃度可知，低流量組和高流量組的污泥負(fù)荷僅為0.107 kg COD/(kg MLSS·d)和0.066 kg COD/(kg MLSS·d)，均處于較低水平，因此，兩組對(duì)COD均有良好的去除效果。

圖2 低流量組和高流量組的進(jìn)出水CODCr濃度Fig.2 CODCr Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

2.1.2 氮去除情況

如圖3所示，低流量組出水氨氮雖然發(fā)生了小幅波動(dòng)，但是在運(yùn)行周期中始終低于2 mg/L,高流量組出水氨氮穩(wěn)定低于1 mg/L,因此，總體上可以穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這反映了當(dāng)AAO裝置長(zhǎng)期處于低水平進(jìn)水量時(shí)，可以具有較好的硝化效果。這一方面是由于本研究延長(zhǎng)了污泥齡，有利于硝化菌生長(zhǎng)；另一方面低流量組和高流量組的好氧池HRT長(zhǎng)達(dá)23.2 h和13.3 h，硝化菌可以進(jìn)行較為充分的硝化反應(yīng)[6]。

圖3 低流量組和高流量組的進(jìn)出水氨氮濃度Fig.3 Ammonia Nitrogen Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

由圖4可知，高流量組出水TN質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于15 mg/L，低流量組出水TN存在一定波動(dòng)，在第15～21 d中超過了15 mg/L，其他時(shí)候均滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。低流量組和高流量組出水TN平均質(zhì)量濃度分別為(12.9±2.3)、(10.4±1.9)mg/L。低流量組出水TN濃度略高的原因可能是反應(yīng)器單位體積的有機(jī)物負(fù)荷低于高流量組，存在反硝化碳源不足的問題，因此，低流量組反硝化能力下降[7]。

圖4 低流量組和高流量組的進(jìn)出水TN濃度Fig.4 TN Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

在運(yùn)行周期中，進(jìn)水TP有上升趨勢(shì)，相應(yīng)的低流量組和高流量組出水TP也有所上升，而且基本高于0.5 mg/L，無法達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。低流量組出水TP平均質(zhì)量濃度為(1.6±0.7)mg/L，略低于高流量組[(1.8±0.6)mg/L]。因此，建議對(duì)二沉池出水進(jìn)行混凝沉淀和過濾的深度處理，例如高效混凝沉淀池與V型濾池聯(lián)用，通過化學(xué)除磷達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合圖5以及聚磷菌和反硝化菌對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系分析[8]，推測(cè)在低流量組中聚磷菌占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此，除磷效果略優(yōu)；在高流量組中反硝化菌占據(jù)優(yōu)勢(shì)，因此，脫氮效果較好。

圖5 低流量組和高流量組的進(jìn)出水TP濃度Fig.5 TP Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

2.2 AAO反應(yīng)器污泥性質(zhì)

2.2.1 污泥濃度和SVI值

低流量組和高流量組的MLSS質(zhì)量濃度分別為(1.1±0.7)、(3.5±1.1)g/L，MLVSS質(zhì)量濃度分別為(0.6±0.3)、(1.9±0.6)g/L。這可能是因?yàn)榈土髁拷MHRT過長(zhǎng)，污泥長(zhǎng)期處于超低負(fù)荷狀態(tài)，因此，MLSS和MLVSS濃度無法維持正常水平。低流量組和高流量組的SVI分別為(68±11)、(92±19)mL/g，低流量組的SVI同樣處于偏低范圍。這反映了AAO反應(yīng)器長(zhǎng)期處于設(shè)計(jì)規(guī)模的40%低進(jìn)水量時(shí)，可能給污泥性質(zhì)帶來不利影響。

2.2.2 污泥粒徑

污泥結(jié)構(gòu)受到進(jìn)水條件影響，同時(shí)與AAO反應(yīng)器運(yùn)行效果有關(guān)，因此，本研究測(cè)試了低流量組和高流量組的污泥粒徑分布。由圖6可知，兩組反應(yīng)器的污泥顆粒大部分集中在200 μm以下，且總體上低流量組污泥粒徑高于高流量組。提取兩組污泥樣品的EPS并測(cè)試其蛋白質(zhì)濃度，發(fā)現(xiàn)低流量組和高流量組EPS中蛋白質(zhì)質(zhì)量濃度分別為8.9、17.9 mg/g。研究同樣顯示，提高進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷會(huì)使EPS含量升高[9-10]，同時(shí)，李振亮等[11]和陳翰[12]認(rèn)為，EPS可以提升污泥絮凝效果，這是因?yàn)镋PS中的蛋白質(zhì)可以提高細(xì)菌表面疏水性并且降低表面電荷，從而降低靜電排斥并促進(jìn)污泥絮體聚集。由此推測(cè)，本研究中高流量組的較高負(fù)荷使得污泥EPS含量更高，并且污泥絮體團(tuán)聚從而粒徑變小。

圖6 低流量組和高流量組的污泥粒徑Fig.6 Particle Size Distribution of Sludge in LFR and HFR Reactor

2.2.3 污泥活性

為進(jìn)一步明晰低流量組和高流量組的污泥活性差異，本研究對(duì)兩組曝氣池污泥樣品的OUR和SOUR進(jìn)行了測(cè)試。由圖7(a)可知，高流量組內(nèi)源呼吸OUR略高于低流量組，當(dāng)加入乙酸鈉后，外源呼吸OUR達(dá)到了0.426 mg/(L·min)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低流量組的0.084 mg/(L·min)。這反映了高流量組單位體積污泥的活性高于低流量組，其原因可能是低流量組長(zhǎng)期處于超低負(fù)荷狀態(tài)，因此，單位體積污泥活性偏低[13-14]。由圖7(b)可知，低流量組和高流量組的SOUR對(duì)比與OUR完全相反，即低流量組的內(nèi)源呼吸和外源呼吸SOUR均高于高流量組。推測(cè)這可能是在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，低流量組單位質(zhì)量污泥承擔(dān)的有機(jī)物負(fù)荷為0.107 kg COD/(kg MLSS·d)，高于高流量組的0.066 kg COD/(kg MLSS·d)，因此，低流量組污泥的SOUR高于高流量組。

圖7 低流量組和高流量組污泥對(duì)比 (a)OUR; (b)SOURFig.7 Comparison of Sludge in LFR and HFR Reactor (a) OUR; (b) SOUR

2.3 AAO反應(yīng)器污泥菌群分析

為深入闡明不同水平低水量運(yùn)行對(duì)AAO反應(yīng)器活性污泥系統(tǒng)的影響，本研究對(duì)低流量組和高流量組的活性污泥細(xì)菌菌群進(jìn)行了測(cè)試。表1為部分與反應(yīng)器運(yùn)行效果有關(guān)的細(xì)菌在“屬”水平上的相對(duì)豐度。曾薇等[15]研究表明，Nitrosomonas(亞硝化單胞菌屬)和Nitrospira(硝化螺旋菌屬)分別是典型的氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)，同時(shí)，Pseudomonas(假單胞菌屬)也具有硝化功能[16]。

表1 低流量組和高流量組部分菌屬的相對(duì)豐度及功能Tab.1 Relative Abundance and Function of Some Genus in LFR and HFR Reactor

低流量組亞硝化單胞菌屬和假單胞菌屬的相對(duì)豐度高于高流量組，而硝化螺旋菌屬的相對(duì)豐度低于高流量組。推測(cè)整體上兩組污泥的硝化效率接近，并且均具有較長(zhǎng)的HRT，因此，出水氨氮濃度均較低。Dechloromonas、Terrimonas(發(fā)菌屬)、Thauera(陶厄氏菌屬)和Hyphomicrobium(生絲微菌屬)可以發(fā)揮反硝化作用[17-19]。雖然上述4種菌屬的相對(duì)豐度在低流量組中高于高流量組，但是可能低流量組的污泥MLSS濃度和有機(jī)物負(fù)荷低于高流量組，不利于反應(yīng)器進(jìn)行充分的反硝化，因此，低流量組的出水TN平均濃度略高于高流量組。低流量組Azospira(固氮螺菌屬)和Thiothrix(絲硫菌屬)的相對(duì)豐度高于高流量組，絲硫菌屬為絲狀菌，固氮螺菌屬也與污泥膨脹有關(guān)[20]，因此，推測(cè)低流量組中這2種菌屬相對(duì)豐度較高可能是其污泥粒徑高于高流量組的原因之一。

3 結(jié)論

低流量組和高流量組出水COD和氨氮濃度均能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；高流量組出水TN濃度能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，低流量組出水TN濃度基本達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且低流量組出水TN濃度平均值高于高流量組；低流量組和高流量組出水TP濃度均無法達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，建議對(duì)二沉池出水進(jìn)行混凝沉淀和過濾的深度處理，通過化學(xué)除磷達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

考察兩組污泥性質(zhì)和菌群，發(fā)現(xiàn)低流量組污泥的MLSS、MLVSS和SVI低于高流量組，MLSS質(zhì)量濃度為(1.1±0.7)g/L，SVI為(68±11)mL/g，均低于正常值；單位體積污泥的外源呼吸OUR為0.084 mg/(L·min)，遠(yuǎn)低于高流量組的0.426 mg/(L·min)；且低流量組的部分絲狀菌相對(duì)豐度高于高流量組，這可能是其污泥絮體粒徑較大的原因之一。因此，推測(cè)AAO反應(yīng)器的進(jìn)水量長(zhǎng)期處于40%設(shè)計(jì)規(guī)模時(shí)，對(duì)污泥性質(zhì)可能產(chǎn)生不利影響。建議竹園片區(qū)污水廠應(yīng)通過總進(jìn)水調(diào)度，協(xié)調(diào)各廠進(jìn)水量，盡量避免某廠長(zhǎng)期在極低進(jìn)水量下運(yùn)行。此外，還可通過例如減少曝氣量、降低內(nèi)回流量等工藝參數(shù)調(diào)整[21-22]，提高AAO段在低水量運(yùn)行時(shí)的處理效果。