混合型污水處理廠原位生物強(qiáng)化脫氮中試及微生物群落結(jié)構(gòu)分析研究*

李明智 譚映宇 張 宇 王 睿 任旭鋒 王慧榮

(1. 浙江省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310007；2. 浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司，浙江 杭州 310007)

浙江省普遍存在混合型污水(工業(yè)廢水與生活污水混合)處理廠進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)大、難降解污染物多、C/N偏低等問題，對(duì)污水處理廠現(xiàn)有處理工藝升級(jí)改造是個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，全省城鎮(zhèn)污水處理廠大多數(shù)為混合型污水處理廠，工業(yè)廢水處理量占比達(dá)20%以上，其中嘉興地區(qū)占比高達(dá)40%。由于工業(yè)廢水的可生化性差、BOD低，造成混合型污水處理廠的進(jìn)水可利用碳源不足、C/N低的水質(zhì)特點(diǎn)，使得A2/O等傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)高效脫氮除磷與尾水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。浙江省2018年出臺(tái)了《城鎮(zhèn)污水處理廠主要水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB33/ 2169—2018)，要求出水主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(基于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)評(píng)價(jià))。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混合型污水處理廠的水質(zhì)提出了更高的要求，其中總氮的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)問題更為突出[1-3]。

筆者所在課題組近年持續(xù)開展了短程硝化、異養(yǎng)硝化等生物脫氮方面的研究工作[4-6]。針對(duì)混合型污水處理廠的進(jìn)水C/N低、總氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)困難和提標(biāo)改造場地受限等共性問題，采用信號(hào)分子誘導(dǎo)技術(shù)，誘導(dǎo)、富集、篩選貧營養(yǎng)型脫氮菌株，并制備得到適宜于低C/N環(huán)境條件下的脫氮菌劑。該菌劑對(duì)貧營養(yǎng)等苛刻環(huán)境條件的適應(yīng)性較高，能在C/N為2.4∶1.0(質(zhì)量比)條件下實(shí)現(xiàn)生化系統(tǒng)70%的脫氮效率。為進(jìn)一步驗(yàn)證該菌劑對(duì)工業(yè)和生活混合污水的強(qiáng)化脫氮功能，在嘉興某大型混合型污水處理廠開展現(xiàn)場中試研究，評(píng)估功能菌強(qiáng)化對(duì)生化系統(tǒng)脫氮的效能提升作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

主要試驗(yàn)材料：脫氮功能菌株；?；呓z氨酸內(nèi)酯(AHLs)類信號(hào)分子；液體培養(yǎng)基(葡萄糖0.1～0.3 g/L、乙酸鈉0.2～0.4 g/L、蛋白胨0.1～0.2 g/L、硫酸銨0.03～0.07 g/L、硝酸鈉0.1～0.5 g/L、尿素0.005～0.015 g/L、磷酸二氫鉀0.02～0.08 g/L、磷酸氫二鉀0.005～0.015 g/L)；兼氧活性污泥；混合污水(水質(zhì)情況見表1)；DNA提取試劑盒；聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)試劑盒；PCR純化試劑盒。

表1 某大型混合型污水處理廠混合污水水質(zhì)情況1)

主要試驗(yàn)裝置：超凈工作臺(tái)(SW-CJ-2FD)；生化培養(yǎng)箱(SHP-350)；超低溫冰箱(Thermo ScientificTM900)，恒溫?fù)u床(ZHWY-2102)；1.5 m3自動(dòng)化擴(kuò)大培養(yǎng)裝置(自制)；0.8 m3二級(jí)AO中試裝置(自制)；臺(tái)式高速離心機(jī)(Heraeus PrimoR)；PCR儀(ABI Veriti96)；DNA電泳儀(PowerPac Universal)。

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 脫氮菌劑制備。在1.5 m3自動(dòng)化擴(kuò)大培養(yǎng)裝置(見圖1)開展序批式擴(kuò)大培養(yǎng)，制備工程用高效脫氮菌劑。將經(jīng)斜面活化的脫氮功能菌株接種于液體培養(yǎng)基中，控溫30～38 ℃，通風(fēng)比介于1.0∶1.0與1.0∶0.5，培養(yǎng)12～24 h，得液體菌液。在人工配制污水與待處理低C/N廢水的混合水中加入兼氧活性污泥3 000～5 000 mg/L(以混合液懸浮固體(MLSS)計(jì))，同時(shí)按5～20 g/L加入上述液體菌液并加入AHLs類信號(hào)分子0.1～1.0 mg/L，間隙性曝氣攪拌培養(yǎng)，控制溶解氧(DO)0.1～0.5 mg/L，控溫25～35 ℃。培養(yǎng)1～3 d后靜置沉淀污泥，去除上清液，加入等體積上述混合水，并添加液體菌液及AHLs類信號(hào)分子，相同條件下重新攪拌培養(yǎng)，重復(fù)若干次直至培養(yǎng)完成。

圖1 1.5 m3脫氮菌自動(dòng)化擴(kuò)大培養(yǎng)裝置

(2) 原位強(qiáng)化生物脫氮現(xiàn)場中試。利用制備的低C/N型脫氮菌劑在嘉興某大型混合型污水處理廠開展現(xiàn)場中試研究，評(píng)估功能菌強(qiáng)化對(duì)生化系統(tǒng)脫氮的效能提升作用。中試采用二級(jí)AO生物強(qiáng)化脫氮裝置(見圖2)。該裝置由10格池體組成，尺寸為1 150 mm×450 mm×3 000 mm。第1、4格為兼氧池(A1、A4)，第2、3、5、6格為好氧池(O2、O3、O5、O6)。其中第1、2、3格組成第一級(jí)AO，第4、5、6格組成第二級(jí)AO，第7、10格為二沉池，第8、9格為補(bǔ)充生物曝氣濾池工段，在本項(xiàng)目研究中未使用。運(yùn)行參數(shù)為：由A1、A4兩端進(jìn)水，進(jìn)水比例為70%和30%，水力停留時(shí)間為12 h；內(nèi)回流200%，泥水混合液回流至A1、A4端；外回流100%，泥水混合液回流至A1端；A段DO控制0.2～0.4 mg/L，O段DO控制不高于1.5 mg/L；生物強(qiáng)化菌劑投加量30 mg/L。

圖2 二級(jí)AO生物強(qiáng)化脫氮中試裝置

1.3 分析方法

COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，總氮采用過硫酸鉀氧化分光光度法測定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測定，懸浮物(SS)和MLSS用105 ℃烘干稱重法測定?；诜聪趸δ芑騨irS的高通量分析在Illumina NovaSeq測序平臺(tái)完成，并分析活性污泥的反硝化微生物群落結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 低C/N型脫氮菌劑的制備

圖3 1.5 m3脫氮菌擴(kuò)大培養(yǎng)裝置中和脫氮負(fù)荷變化情況

2.2 原位生物強(qiáng)化脫氮現(xiàn)場中試運(yùn)行效果分析

利用制備的低C/N型脫氮菌劑在嘉興某混合型污水處理廠開展現(xiàn)場中試研究，評(píng)估脫氮菌強(qiáng)化對(duì)生化系統(tǒng)脫氮的效能提升作用。試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段從2019年8月開始，調(diào)試二級(jí)AO生化脫氮裝置，優(yōu)化DO、污泥濃度、回流比等運(yùn)行參數(shù)后，9月開始系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；第二階段從2020年開始，采用低C/N型脫氮菌劑不斷馴化A1、A4活性污泥，強(qiáng)化生物脫氮，逐步提高生化系統(tǒng)的脫氮負(fù)荷。試驗(yàn)持續(xù)運(yùn)行到2020年5月，對(duì)出水總氮進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖4。

圖4 二級(jí)AO原位生物強(qiáng)化脫氮現(xiàn)場中試出水水質(zhì)

第一階段進(jìn)水平均總氮33.6 mg/L，出水平均總氮16.4 mg/L；第二階段進(jìn)水平均總氮33.5 mg/L，出水平均總氮13.5 mg/L。試驗(yàn)表明，經(jīng)過脫氮菌強(qiáng)化后生化系統(tǒng)的脫氮效率從51.2%提升到59.7%，提高8.5百分點(diǎn)，出水平均總氮較第一階段下降約3 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定性明顯提高，生物強(qiáng)化效果顯著。原位生物強(qiáng)化深度脫氮裝置的出水總氮穩(wěn)定在11～14 mg/L，在不補(bǔ)加碳源條件下，出水總氮完全達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。而污水處理廠需要補(bǔ)加30 mg/L的碳源才能達(dá)到同等的出水水質(zhì)，說明在生化系統(tǒng)投加脫氮菌劑具有顯著的強(qiáng)化脫氮效果。

2.3 活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)分析

通過脫氮菌原位生物強(qiáng)化作用，活性污泥性狀得到明顯改善，脫氮負(fù)荷大幅提高，出水水質(zhì)得到大幅提升。為從微觀層面上更直觀地了解生物強(qiáng)化過程中微生物的演變情況，采用高通量測序法分析工程實(shí)施前后活性污泥微生物群落的結(jié)構(gòu)變化。分別在中試第一階段末期、第二階段中期與后期留取活性污泥樣(分別記為1#、2#和3#樣品)送檢。

根據(jù)nirS基因序列和拷貝數(shù)，經(jīng)過操作分類單元(OUT)聚類后進(jìn)行Alpha多樣性分析，可以測算樣品的反硝化群落多樣性。從表2可以看出，2#樣品的反硝化群落多樣性最高，其次是3#樣品，表明經(jīng)過第二階段脫氮菌強(qiáng)化后，活性污泥系統(tǒng)的反硝化群落多樣性得到提高。

表2 基于nirS功能基因的Alpha多樣性指數(shù)

基于nirS功能基因高通量測序，可識(shí)別樣品中主要的反硝化微生物。1#、2#、3#樣品在屬水平上的反硝化微生物占比分別為1.03%、2.03%和4.42%，脫氮菌強(qiáng)化后，反硝化微生物明顯增加。由表3可知，1#樣品中的反硝化微生物主要為脫氯單胞菌屬(25.16%)、銅綠假單胞菌屬(22.30%)、陶厄氏菌屬(17.36%)、磁螺菌屬(13.22%)以及紅長命菌屬(10.03%)；2#樣品中的反硝化微生物主要是紅長命菌屬(62.30%)；而3#樣品中的反硝化微生物則主要是紅長命菌屬(59.79%)、脫氮嗜脂環(huán)物菌屬(13.51%)以及假絲酵母菌屬(11.47%)。

表3 基于nirS功能基因高通量測序識(shí)別的反硝化微生物群落相對(duì)豐度

根據(jù)以上檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)過第二階段脫氮菌強(qiáng)化后，生化系統(tǒng)的反硝化微生物群落多樣性呈現(xiàn)升高趨勢，且含有關(guān)鍵功能基因nirS、能夠注釋到的已知反硝化微生物群落明顯增加，說明群落向著更加典型和高效的方向演替[7-8]。例如，3#樣品中高度富集的紅長命菌屬反硝化菌數(shù)量增加了200倍以上，該菌可以高效利用亞硝酸鹽氮作為電子受體；其次是親環(huán)狀脂類有機(jī)物的脫氮嗜脂環(huán)物菌屬和具有聚磷功能的假絲酵母菌屬增加了20倍以上。以上結(jié)果表明，經(jīng)過原位生物強(qiáng)化后，生化系統(tǒng)的生物脫氮功能得到顯著加強(qiáng)。

3 結(jié)論與展望

(1) 采用信號(hào)分子誘導(dǎo)、富集，高效制備得到活菌濃度109cfu/mL、脫氮負(fù)荷0.5 kg/(m3·d)以上的生物脫氮菌劑。該菌劑適宜在低C/N、貧營養(yǎng)等苛刻環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)生化系統(tǒng)高效脫氮。

(2) 現(xiàn)場中試表明，經(jīng)過脫氮菌強(qiáng)化后，原生化系統(tǒng)的脫氮效率提升8.5百分點(diǎn)，出水平均總氮較強(qiáng)化前下降約3 mg/L，出水水質(zhì)穩(wěn)定性明顯提高，生物強(qiáng)化效果顯著。在不補(bǔ)加碳源條件下，深度處理出水總氮完全達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，經(jīng)過脫氮菌強(qiáng)化后，生化系統(tǒng)的反硝化微生物群落多樣性呈現(xiàn)升高趨勢，且含有關(guān)鍵功能基因nirS、能夠注釋到的已知反硝化微生物群落明顯增加，說明群落向著更加典型和高效的方向演替，系統(tǒng)的生物脫氮能力得到加強(qiáng)。可見，向活性污泥系統(tǒng)中投加脫氮菌劑的原位生物強(qiáng)化脫氮技術(shù)切實(shí)有效。

(4) 由于不需要改變污水處理原有工藝，不需要新增構(gòu)筑物，可在低投資成本和運(yùn)行成本條件下實(shí)現(xiàn)生化系統(tǒng)氮污染物的深度減排目的，以低C/N型脫氮菌劑為核心的原位生物強(qiáng)化脫氮技術(shù)在混合型污水處理廠清潔排放提標(biāo)改造中具有良好的應(yīng)用前景。