內(nèi)循環(huán)比對反硝化除磷工藝處理效果和群落結(jié)構(gòu)的影響

盧瑞朋，徐文江，李安峰*，董 娜，孫光溪

1. 北京市生態(tài)環(huán)境保護科學研究院，北京 100037

2. 國家環(huán)境保護工業(yè)廢水污染控制工程技術(shù)（北京）中心，北京 100037

我國受納水體富營養(yǎng)化問題日益加重[1-2]，污水中的氮磷排放需要進一步控制；同時，各地區(qū)污水處理廠的污水排放標準也日益嚴格[3]. 例如，北京市出臺的DB11/ 890?2012《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標準》A標準中對于新建城鎮(zhèn)污水處理廠排放的污水明確規(guī)定，化學需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)和總磷(TP)濃度的排放限值分別為20、10、1.0和0.2 mg/L. 為解決污水中氮磷帶來的環(huán)境問題以及滿足日益嚴格的排放標準，需要對氮磷進行有效去除. 目前，生活污水處理工藝多采用生物處理方法，如厭氧-缺氧-好氧(A2/O)工藝、缺氧-好氧(AO)工藝或多級缺氧-好氧(MAO)工藝. A2/O工藝是應用最為廣泛的一種污水處理工藝，具有同步脫氮除磷能力，但其脫氮除磷效果有待進一步提高. MAO工藝具有高脫氮率且應用廣泛，但缺少厭氧釋磷單元，除磷能力有限[4].

與傳統(tǒng)聚磷菌厭氧釋磷和好氧吸磷的生物除磷過程不同，反硝化除磷(DPR)技術(shù)利用反硝化聚磷菌(DPAOs)在厭氧條件下釋磷，隨后在缺氧條件下將硝酸鹽作為電子受體并進行吸磷過程，通過“一碳兩用”的方式達到節(jié)省碳源、降低能耗的目的[5-10]. 南非開普敦大學開發(fā)的UCT工藝通過厭氧-缺氧內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)來強化厭氧和缺氧環(huán)境，實現(xiàn)DPAOs的富集[11]. 因此，UCT工藝作為新型可持續(xù)發(fā)展的反硝化除磷工藝受到廣泛關注[11-12]. 許多研究者在UCT工藝的基礎上，耦合分段進水MAO工藝(UCT-MAO)，提高了系統(tǒng)的脫氮除磷能力[13-17]. 但是若UCT工藝的內(nèi)循環(huán)比過高，大量的硝酸鹽會通過內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)從缺氧池進入?yún)捬醭貜亩绊憛捬踽屃走^程，因此UCT工藝無法通過內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)對DPAOs進一步強化富集[18-19].

為進一步優(yōu)化UCT工藝的反硝化除磷能力，筆者所在課題組前期基于反硝化除磷理論，借鑒UCT工藝特點，在分段進水MAO工藝首端增設厭氧池和缺氧池(反硝化除磷池)，調(diào)整內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和污泥回流系統(tǒng)，為工藝提供反硝化除磷環(huán)境，開發(fā)了一種基于MAO工藝的新型反硝化除磷工藝(DPR-MAO工藝)[4,20]. DPR-MAO工藝的主要特點是在單獨的反硝化除磷池中富集DPAOs，避免了過高的內(nèi)循環(huán)比對反硝化除磷過程的影響. 因此，該研究在此基礎上探討通過調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)強化反硝化除磷的可行性，以及DPR-MAO工藝獨特的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)對脫氮除磷效能的影響，以期為DPR-MAO工藝的工程應用提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行條件

DPR-MAO工藝反應器由有機玻璃制成，工藝流程圖如圖1所示，總有效容積為24 L，其中，厭氧池、反硝化除磷池、一級缺氧池和二級缺氧池均為3 L，一級好氧池和二級好氧池均為6 L. 工藝共設置兩條內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和一條污泥回流系統(tǒng). 其中，兩條內(nèi)循環(huán)分別為AA內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)(由一級缺氧池回流到厭氧池)和AO內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)(由二級好氧池回流至反硝化除磷池). AA內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)可以強化厭氧-缺氧環(huán)境，從而富集DPAOs；AO內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)可以將好氧池的硝化液回流至反硝化除磷池，為反硝化除磷過程提供充足的電子受體(NO3?-N)，保證了脫氮除磷效果.DPR-MAO工藝反應器的運行方式為多段進水，進水分三段進入?yún)捬醭?Q1)、一級缺氧池(Q2)和二級缺氧池(Q3)，分段進水配比為Q1∶Q2∶Q3=6∶7∶3. 試驗過程中厭氧池溶解氧(DO)低于0.2 mg/L，反硝化除磷池和缺氧池DO濃度均低于0.5 mg/L，好氧池DO濃度在2~3 mg/L之間，溫度在25 ℃左右，水力停留時間(HRT)為12 h，污泥回流比100%. 為保證污泥中功能微生物富集，工藝啟動過程的適應期不排泥，穩(wěn)定運行階段污泥停留時間(SRT)保持在18 d,污泥(MLSS)濃度在3 000 mg/L左右. 工藝連續(xù)運行100 d，其中1~20 d為運行適應期，21~60 d為穩(wěn)定期第一階段(內(nèi)循環(huán)比為100%)，61~100 d為穩(wěn)定期第

圖1 DPR-MAO工藝示意Fig.1 Schematic diagram of DPR-MAO process

二階段(內(nèi)循環(huán)比為200%)，各階段進水水質(zhì)如表1所示.

表1 原污水進水水質(zhì)Table 1 Water quality of raw wastewater

1.2 接種污泥與污水水質(zhì)

接種污泥取自某運行狀況良好的城鎮(zhèn)生活污水處理廠A2/O工藝的回流活性污泥. 實驗室進水采用模擬廢水，以乙酸鈉和丙酸鈉按4∶3 (質(zhì)量比)作為碳源，以NH4Cl和KH2PO4作為氮磷營養(yǎng)物，投加MgCl2和CaCl2滿足微生物對Ca2+、Mg2+的要求. 此外，投加微量元素營養(yǎng)液0.6 mg/L以滿足微生物所需，營養(yǎng)液具體成分包括0.9 g/L FeCl3、0.15 g/L H3BO4、0.03 g/L CuSO4·5H2O、0.18 g/L KI、0.12 g/L ZnSO4·7H2O、0.05 g/L MnSO4、0.15 g/L CoCl2·7H2O、0.06 g/L NaMo2H2O[18,21].

1.3 氮磷質(zhì)量平衡計算

為明確DPR-MAO工藝各反應池對系統(tǒng)脫氮除磷的貢獻，對各反應池進行氮磷質(zhì)量平衡計算，計算公式：

式中：Q代表進水總流量，L/h；Q1、Q2和Q3代表分段進水流量，L/h；Qr1代表AA內(nèi)循環(huán)流量，L/h；Qr2代表AO內(nèi)循環(huán)流量，L/h；QR代表污泥回流流量，L/h；SINF-N,P、SANA-N,P、SDPR-N,P、SAN1-N,P、SO1-N,P、SAN2-N,P、SO2-N,P和SEFF-N,P分別代表進水、厭氧池、反硝化除磷池、一級缺氧池、一級好氧池、二級缺氧池、二級好氧池和出水的NO3?-N或PO43?-P濃度，mg/L；?ANA-N,P、?DPR-N,P、?AN1-N,P、?O1-N,P、?AN2-N,P和?O2-N,P分別代表厭氧池、反硝化除磷池、一級缺氧池、一級好氧池、二級缺氧池和二級好氧池的NO3?-N或PO43?-P去除量，mg/h.

1.4 水質(zhì)指標檢測及分析方法

試驗裝置運行期間，每隔2 d檢測一次水樣.COD濃度的測定依據(jù)《水質(zhì) 化學需氧量的測定 快速消解分光光度法》(HJ/T 399?2007)；TN濃度的測定依據(jù)《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636?2012)；NH4+-N的測定依據(jù)《水質(zhì)氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535?2009)；NO3?-N的測定依據(jù)《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法》(HJ/T 346?2007)；TP和PO43?-P濃度的測定依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中的鉬銻抗光度法測定；MLSS的測定依據(jù)《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》(GB 11901?1989)；DO采用溶解氧儀(HACH，美國)測定.

1.5 高通量測序分析方法

1.5.1 樣本收集

在DPR-MAO工藝反應器運行的第60天分別在各具有除磷功能的反應池(反硝化除磷池、一級好氧池和二級好氧池)取污泥樣品，依次編號為M1、M2、M3、M4、M5、M6，其中，M1、M2和M3代表穩(wěn)定期第一階段反硝化除磷池、一級好氧池和二級好氧池的污泥樣本，M4、M5、M6代表穩(wěn)定期第二階段反硝化除磷池、一級好氧池和二級好氧池的污泥樣本.

1.5.2 DNA抽提、PCR擴增及Illumina Miseq測序

利用E.Z.N.A.?soil DNA kit (Omega Bio-tek, 美國)試劑盒進行微生物群落總DNA抽提，使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的提取質(zhì)量，使用NanoDrop 2000 (Thermo Fisher Scientific, 美國)測定DNA濃度和純度；使用引物338F (ACTCCTACGGG AGGCAGCAG)和806R (GGACTACHVGGGTWTCT AAT)對16S rRNA基因V3~V4可變區(qū)進行PCR擴增. 利用Illumina公司的Miseq PE300平臺進行測序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)以及數(shù)據(jù)處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 有機物和營養(yǎng)物質(zhì)去除效能分析

DPR-MAO工藝反應器運行的啟動適應期(1~20 d)和穩(wěn)定期(21~100 d)的進出水COD、TN、NH4+-N和TP濃度及其去除率如圖2所示. 由圖2(a)可見，穩(wěn)定期第一階段(21~60 d)和穩(wěn)定期第二階段(61~100 d)都實現(xiàn)了COD的高效去除，平均出水濃度分別為10.31和7.07 mg/L，平均去除率分別為96.92%和98.00%，滿足DB11/ 890?2012一級A排放標準. 此外，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中AA內(nèi)回流和AO內(nèi)回流的回流比由穩(wěn)定期第一階段的100%提至第二階段的200%后，COD的出水濃度并沒有明顯變化，說明內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)回流比的改變對有機物的去除效果影響不大.

圖2 DPR-MAO工藝各階段COD、TN、NH4+-N和TP的去除效果Fig.2 Removal performance of COD, TN, NH4+-N and TP in different operation stages of DPR-MAO process

由圖2(b)(c)可見，穩(wěn)定期兩個階段的NH4+-N平均出水濃度分別為0.41和0.34 mg/L，平均去除率分別為99.40%和99.52%，滿足DB11/ 890?2012一級A排放標準. 結(jié)果表明，在兩個運行階段都實現(xiàn)了穩(wěn)定的硝化過程. TN在穩(wěn)定期第一階段平均出水濃度為17.00 mg/L，接近于GB 18918?2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準限值(15 mg/L)，高于DB11/ 890?2012一級A標準限值(10 mg/L). 當工藝提高了內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)回流比后，TN去除率由76.05%提至87.46%，平均出水濃度(9.04 mg/L)滿足DB11/ 890?2012一級A標準要求.

由圖2(d)可見，適應期TP的去除效果不穩(wěn)定，穩(wěn)定期第一階段TP平均出水濃度為1.03 mg/L，平均去除率為86.39%. 當工藝提高了內(nèi)循環(huán)比后，第二階段TP平均出水濃度為0.49 mg/L，去除率為93.42%.可以看出，在第二階段TP的去除效果最優(yōu). 但在穩(wěn)定期TP出水濃度在部分時間點較高，如在第27天，TP出水濃度為2.14 mg/L，主要原因在于前期活性污泥培養(yǎng)過程中為保證功能菌的高效富集，排泥量較少，之后增加排泥量，TP出水濃度明顯下降.

由表2可見：傳統(tǒng)MAO工藝和前置厭氧區(qū)MAO工藝(A-MAO)的脫氮除磷效果并不理想，采用分段進水的三級AO的MAO工藝的脫氮率為75.4%[17]，而采用兩級AO的A-MAO工藝脫氮率僅為39%[22]；UCT-MAO工藝的脫氮除磷效果較A-MAO工藝有明顯提升；此外，相比于其他工藝，DPR-MAO工藝的同步脫氮除磷效果更好.

表2 MAO工藝的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能比較Table 2 Comparisons of configurations, operational parameters and performance of multistage anoxic-oxic process

2.2 脫氮除磷過程分析

為充分了解DPR-MAO工藝中氮磷營養(yǎng)物的去除過程，測定了NO3?-N和PO43?-P在不同反應池的濃度變化及其利用性能.

由圖3(a)可見，一級好氧池(O1)和二級好氧池(O2)的NO3?-N濃度較高. 好氧池的硝化反應使得NO3?-N出現(xiàn)了負去除現(xiàn)象，這是由于好氧池中的NH4+-N 通過硝化反應生產(chǎn)了大量NO3?-N[15]. 而一級缺氧池和二級缺氧池去除了大量的NO3?-N〔見圖4(a)〕，表明NO3?-N在缺氧池被反硝化菌通過反硝化反應去除[22]. 二級好氧池出水中的NO3?-N經(jīng)AO內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和污泥回流系統(tǒng)進入反硝化除磷池(DPR)被去除，此時NO3?-N濃度為7.62 mg/L(穩(wěn)定期第一階段)和3.68 mg/L(穩(wěn)定期第二階段)；隨后，一級缺氧池(AN1)的反硝化菌通過反硝化反應去除剩余的NO3?-N，此時NO3?-N濃度降至0.94 mg/L(穩(wěn)定期第一階段)和0.52 mg/L(穩(wěn)定期第二階段). 另外，最前端的厭氧池NO3?-N濃度最低，兩個階段NO3?-N濃度分別為0.14 mg/L(穩(wěn)定期第一階段)和0.04 mg/L(穩(wěn)定期第二階段)，這主要是因為厭氧池不接納回流污泥，并且因缺氧池進一步去除了剩余的NO3?-N，從而避免了NO3?-N進入?yún)捬醭赜绊懢哿拙鷧捬踽屃走^程.

由圖3(b)可見，穩(wěn)定期厭氧池PO43?-P濃度最高，且超過PO43?-P進水濃度. 這是由于在厭氧條件下聚磷菌的釋磷作用所致〔見圖4(b)〕. 混合液進入反硝化除磷池后，PO43?-P濃度降低，在穩(wěn)定期第二階段的運行條件下PO43?-P降低更為明顯. 隨后，一級好氧池和二級好氧池進一步通過好氧吸磷反應去除剩余的磷.在改良MAO工藝的案例中，在缺氧池和好氧池中也發(fā)現(xiàn)了同步除磷現(xiàn)象[16-17]，這表明在反硝化除磷池中有可能發(fā)生了缺氧吸磷現(xiàn)象. 對比穩(wěn)定期第一階段和穩(wěn)定期第二階段還可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定期第一階段在二級好氧池才出現(xiàn)明顯的PO43?-P濃度降低，而在穩(wěn)定期第二階段中一級好氧池就可以實現(xiàn)PO43?-P濃度的明顯降低，這表明在兩種運行條件下DPR-MAO工藝的磷去除機理存在差異.

圖3 DPR-MAO工藝各階段各反應池NO3?-N和PO43?-P濃度的變化情況Fig.3 Variations of NO3?-N and PO43?-P concentration of each reaction tank of DPR-MAO process in different operation stages

為了進一步揭示DPR-MAO工藝氮磷去除過程以及不同內(nèi)循環(huán)回流比對脫氮除磷效能的影響，對穩(wěn)定期第一階段和穩(wěn)定期第二階段各反應池的氮磷質(zhì)量平衡進行計算，結(jié)果如圖4所示. 由圖4(a)可見，NO3?-N主要是由反硝化除磷池、一級缺氧池和二級缺氧池去除. 在反硝化除磷池的缺氧條件下，NO3?-N的去除量分別為16.49 mg/h (穩(wěn)定期第一階段)和14.19 mg/h (穩(wěn)定期第二階段)，而PO43?-P的去除量分別為?3.31mg/h (穩(wěn)定期第一階段)和21.33 mg/h (穩(wěn)定期第二階段). 這表明在反硝化除磷池中NO3?-N和PO43?-P的去除在穩(wěn)定期第二階段同時發(fā)生，與Ge等[17]研究結(jié)果相似. 研究[13-14,16-17]表明，在缺氧條件下，DPAOs利用了NO3?-N作為反硝化除磷的電子受體發(fā)生了缺氧吸磷現(xiàn)象. 穩(wěn)定期第一階段，反硝化除磷池的PO43?-P沒有去除，PO43?-P去除量反而增加了3.31 mg/h，表明穩(wěn)定期第一階段反硝化除磷池缺氧吸磷能力較弱，主要依靠好氧池傳統(tǒng)聚磷菌的好氧吸磷作用. 穩(wěn)定期第二階段，厭氧池PO43?-P的產(chǎn)生量為31.76 mg/h，遠大于穩(wěn)定期第一階段(6.73 mg/h)，表明穩(wěn)定期第二階段厭氧池釋磷更加充分；同時，穩(wěn)定期第二階段的除磷過程則是以缺氧池的反硝化除磷(去除量為21.33 mg/h)和一級好氧除磷(去除量為19.83 mg/h)為主，表明在穩(wěn)定期第二階段除磷反應主要發(fā)生在反硝化除磷池和兩級好氧池，并且反硝化除磷池的除磷能力最好. 因此，回流比的提高可以強化反硝化除磷池的除磷效果，而脫氮過程不受影響.

圖4 DPR-MAO工藝各階段各反應池NO3?-N和PO43?-P質(zhì)量平衡Fig.4 Mass balance of NO3?-N and PO43?-P of each reaction tank of DPR-MAO process in different operation stages

2.3 微生物群落分析

2.3.1 微生物群落豐富度和生物多樣性

該研究6組污泥樣品(M1~M6)的微生物群落豐富度和多樣性指數(shù)如表3所示. 由表3可見，6個樣本的覆蓋率均大于99.5%，表明此次高通量測序的結(jié)果足以代表樣本中微生物的真實情況.

表3 微生物菌群的豐富度和多樣性指數(shù)Table 3 Species richness and diversity indicators of microbial community

Sobs指數(shù)、Ace指數(shù)和Chao指數(shù)反映了微生物群落的豐富度，其數(shù)值越高代表微生物群落越豐富，Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)反映了微生物群落的多樣性，Shannon-Wiener指數(shù)越高代表微生物群落多樣性越高，Simpson指數(shù)則相反[23-25]. 由表3可見，反硝化除磷池的微生物種群最豐富，微生物多樣性也最高. 對比兩個階段反硝化除磷池的微生物多樣性和豐富度指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定期第二階段反硝化除磷池的微生物種群較豐富，但多樣性較低，表明穩(wěn)定期第二階段反硝化除磷池功能微生物逐漸占主導地位，微生物群落多樣性下降.

2.3.2 微生物群落組成分析

污泥樣品中微生物在門水平的種群組成如圖5所示. 由圖5可見，變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidota)為優(yōu)勢菌門，二者的總相對豐度為83.04%~92.77%，Proteobacteria的相對豐度為35.94%~75.50%，Bacteroidota的相對豐度為17.27%~49.37%. 對于具有除磷功能的反應池(反硝化除磷池、一級好氧池和二級好氧池)來說，穩(wěn)定期第一階段Proteobacteria和Bacteroidota的相對豐度接近，分別為35.94%~38.79%和46.86%~49.37%；當提高工藝的內(nèi)循環(huán)比時，Proteobacteria成為最主要的優(yōu)勢菌門，相對豐度為67.67%~75.50%，遠高于Bacteroidota. 目前，多項研究[26-29]表明，多數(shù)具有脫氮和反硝化除磷功能的微生物都來自Proteobacteria.

圖5 DPR-MAO工藝各反應池微生物門水平組成Fig.5 Composition of microorganisms at the phylum level in each reaction tank of DPR-MAO process

為進一步闡明工藝系統(tǒng)中具有除磷功能反應池(反硝化除磷池、一級好氧池和二級好氧池)的相關功能微生物群落組成，在屬分類學水平上選取豐度較高的Proteobacteria進行分析. 由圖6可見，Proteobacteria中具有反硝化除磷功能的菌屬主要有Thiothrix、Dokdonella、Candidatus accumulibacter、Thauera、Comamonas、Dechloromonas和Pseudomonas[30-37].

圖6 DPR-MAO工藝各反應池微生物屬水平組成Fig.6 Composition of microorganisms of at the genus level in each reaction tank of DPR-MAO process

由表4可見，穩(wěn)定期第二階段反硝化除磷功能菌屬的相對豐度為56.08%~60.36%，遠高于穩(wěn)定期第一階段(10.92%~11.79%). 另外，穩(wěn)定期第一階段反硝化除磷功能菌屬相對豐度最高的是Dokdonella(4.44%~5.23%)，穩(wěn)定期第二階段相對豐度最高的是Thiothrix(53.58%~56.64%)，表明內(nèi)循環(huán)比的增大強化了DPAOs在微生物群落中的優(yōu)勢地位.

表4 DPR-MAO工藝各反應池功能微生物相對豐度變化Table 4 Changes in the relative abundance of functional microorganisms in each reaction tank of DPR-MAO process

3 結(jié)論

a)當DPR-MAO工藝的內(nèi)循環(huán)比為200%時，COD、TN、NH4+-N和TP的平均去除率分別為98.00%、87.46%、99.52%和93.42%，平均出水濃度均可達到GB 18918?2002一級A標準，其中COD、TN和NH4+-N的平均出水濃度滿足北京市DB11/ 890?2012中的一級A排放標準.

b) 反硝化脫氮過程主要發(fā)生在反硝化除磷池和各級缺氧池；除磷過程主要通過厭氧池的厭氧釋磷、反硝化除磷池的缺氧吸磷以及各級好氧池的好氧吸磷反應進行. 調(diào)節(jié)內(nèi)循環(huán)比可以提高反硝化除磷池的缺氧吸磷能力，從而強化DPR-MAO工藝的反硝化除磷性能.

c)高通量測序結(jié)果表明，反硝化除磷池、一級好氧池和二級好氧池中的微生物以Proteobacteria和Bacteroidota為主，二者相對豐度在83.04%~92.77%之間. 具有反硝化除磷功能的菌屬主要有Thiothrix、Dokdonella、Candidatus accumulibacter、Thauera、Comamonas、Dechloromonas和Pseudomonas. 內(nèi)循環(huán)比的提高強化了DPAOs在微生物群落中的優(yōu)勢地位.