缺氧分段式UCT工藝的脫氮除磷效能

盧瑞朋,孫光溪,徐文江,董 娜,李安峰,*

(1.北京市生態(tài)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院,北京 100037;2.國家環(huán)境保護(hù)工業(yè)廢水污染控制工程技術(shù)<北京>中心,北京 100037)

污水中的氮磷如果無法得到有效控制直接排放到自然水體,將會(huì)加劇水體的富營養(yǎng)化程度[1]?！?021年中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》[2]顯示,我國仍有27.3%的湖泊呈現(xiàn)富營養(yǎng)狀態(tài),氮磷污染物是入海河流和漁業(yè)水域的主要超標(biāo)指標(biāo)。污水處理廠排水是水體氮磷污染的重要來源,污水處理廠的氮磷污染物控制對(duì)我國水生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。部分地區(qū)出臺(tái)了更為嚴(yán)格的地方標(biāo)準(zhǔn)控制污水處理廠出水水質(zhì),出水水質(zhì)要求超過了現(xiàn)行的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[3]。

基于上述問題,本研究通過增設(shè)后段缺氧池將硝化液回流和缺氧池至厭氧回流分開,并結(jié)合分段進(jìn)水的方式,構(gòu)建了缺氧分段式UCT工藝。通過連續(xù)運(yùn)行小試試驗(yàn)裝置處理模擬生活污水,考察該工藝的運(yùn)行效果,并基于氮磷質(zhì)量平衡分析了各功能單元的脫氮除磷能力。同時(shí)利用高通量測(cè)序手段,對(duì)各功能單元的微生物群落進(jìn)行分析。本研究考察了新型UCT工藝的脫氮除磷效果,以期為污水處理行業(yè)提供新的選擇。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 工藝設(shè)計(jì)思路與試驗(yàn)運(yùn)行方式

1.1.1 工藝設(shè)計(jì)思路

1.1.2 試驗(yàn)運(yùn)行方式

圖1為缺氧分段式UCT試驗(yàn)裝置示意圖。該裝置總有效容積為21 L,其中厭氧池、前段缺氧池和后段缺氧池有效容積為3 L,好氧池有效容積為12 L。試驗(yàn)裝置運(yùn)行期間進(jìn)水總量(Q)為2 L/h,分段進(jìn)水量配比Q1∶Q2為5∶3。厭氧池DO質(zhì)量濃度控制在0.2 mg/L以下,前段缺氧池和后段缺氧池DO質(zhì)量濃度控制在0.5 mg/L以下,好氧池DO質(zhì)量濃度控制在2～3 mg/L。溫度維持在25 ℃左右,污泥質(zhì)量濃度(MLSS)為3 000 mg/L左右。整套試驗(yàn)裝置運(yùn)行過程中的總水力停留時(shí)間(HRT)為10.5 h。AA內(nèi)回流比(r1)和AO內(nèi)回流比(r2)設(shè)置為200%,污泥回流比(R)為100%。試驗(yàn)共連續(xù)運(yùn)行80 d,其中1～18 d為啟動(dòng)適應(yīng)期,19～80 d為穩(wěn)定期。

圖1 缺氧分段式UCT工藝試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)用水與接種污泥

采用模擬生活污水作為裝置進(jìn)水,采用乙酸鈉和丙酸鈉作為混合碳源,質(zhì)量配比為4∶3;氮源和磷源分別選用氯化銨和磷酸二氫鉀,進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。此外,投加氯化鎂和氯化鈣滿足微生物對(duì)Ca2+和Mg2+的需求,添加微量元素營養(yǎng)液0.6 mL/L滿足微生物生長繁殖需要,微量元素營養(yǎng)液成分如表2所示[10-11]。接種污泥取自于某污水處理廠(AAO工藝)的厭氧池活性污泥。

表1 進(jìn)水水質(zhì)

表2 微量元素溶液成分

1.3 水質(zhì)測(cè)定方法

1.4 氮磷質(zhì)量平衡計(jì)算方法

為了明確缺氧分段式UCT工藝各功能單元的脫氮除磷能力,進(jìn)行了氮磷質(zhì)量平衡計(jì)算,具體計(jì)算如式(1)～式(4)。

ΔMAn(N or P)=Q1Sinf (N or P)+r1QSB-A(N or P)-(Q1+r1Q)·SAn(N or P)

(1)

ΔMF-A(N or P)=(Q1+r1Q)SAn(N or P)+r2QSO(N or P)+RQSeff(N or P)-[Q1+(r1+r2+R)·Q]·SF-A(N or P)

(2)

ΔMB-A(N or P)=[Q1+(r1+r2+R)·Q]·SF-A(N or P)+Q2Sinf (N or P)-[Q1+Q2+(r1+r2+R)·Q]·SB-A(N or P)

(3)

ΔMO(N or P)=[Q1+Q2+(r2+R)·Q]·SB-A(N or P)-[Q1+Q2+(r2+R)·Q]·SO(N or P)

(4)

Q——進(jìn)水總量,L/h;

Q1、Q2——厭氧池、后段缺氧池分段進(jìn)水量,L/h;

r1——AA內(nèi)回流比;

r2——AO內(nèi)回流比;

R——污泥回流比;

1.5 微生物群落分析

第60 d在各功能單元采取污泥樣品后于-20 ℃條件下冷凍保存。凍存的污泥樣品委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行DNA提取并進(jìn)行16S rRNA高通量測(cè)序分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝運(yùn)行狀況分析

2.1.1 工藝運(yùn)行效果

如圖2所示,經(jīng)過18 d的適應(yīng)期后,試驗(yàn)裝置出水水質(zhì)基本保持穩(wěn)定,進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期。

圖2 缺氧分段式UCT工藝的運(yùn)行效果

CODCr的去除效果如圖2(a)所示。在穩(wěn)定期內(nèi),CODCr平均去除率達(dá)到95.85%,CODCr平均質(zhì)量濃度由進(jìn)水的355.76 mg/L降低至出水的14.76 mg/L,低于北京市《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)中的A排放限值(20 mg/L)。圖2(b)和圖2(c)分別為氨氮和TN的去除效果。氨氮和TN的平均進(jìn)水質(zhì)量濃度分別為58.67 mg/L和59.13 mg/L。在適應(yīng)期,氨氮和TN的出水濃度逐漸降低,處理效果趨于穩(wěn)定。進(jìn)入穩(wěn)定期后,氨氮平均出水質(zhì)量濃度為0.37 mg/L,去除率為99.37%;TN平均出水質(zhì)量濃度為9.98 mg/L,去除率為83.12%。氨氮和TN的平均出水質(zhì)量濃度均低于DB 11/890—2012中的A排放限值(氨氮為1.00 mg/L;TN為10 mg/L),表明新型UCT工藝具有良好的脫氮效果。缺氧分段式UCT工藝具有良好的除磷效果[圖2(d)],結(jié)果表明,在工藝啟動(dòng)的穩(wěn)定期TP平均質(zhì)量濃度由進(jìn)水的6.06 mg/L降低至出水的0.78 mg/L,TP去除率可達(dá)到87.13%。

2.1.2 工藝脫氮除磷能力分析

圖3 各功能單元和濃度及去除量

2.2 微生物群落分析

2.2.1 微生物種群多樣性分析

對(duì)污泥樣品的測(cè)序結(jié)果進(jìn)行抽平處理,獲得的操作分類單元(OTU)數(shù)量、多樣性指數(shù)(Shannon、Simpson指數(shù))和豐富度指數(shù)(Sobs、Ace、Chao指數(shù))結(jié)果如表3所示。Shannon指數(shù)數(shù)值與微生物多樣性為正相關(guān)關(guān)系,Simpson指數(shù)與微生物多樣性為負(fù)相關(guān)關(guān)系;Sobs、Chao指數(shù)和Ace指數(shù)的數(shù)值越高表明微生物越豐富[12]。由表3可知,4個(gè)功能單元微生物的豐富度和多樣性相差不大,前段缺氧池和后段缺氧池較厭氧池和好氧池的微生物多樣性和豐富度更高。

表3 微生物多樣性和豐富度

2.2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

圖4表明,變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidota)是主要的優(yōu)勢(shì)菌門,相對(duì)豐度分別為41.21%～49.63%和26.76%～35.67%。多數(shù)的脫氮除磷功能性微生物都屬于Proteobacteria和Bacteroidota,是活性污泥系統(tǒng)中的典型菌門[13-15]。

圖4 微生物門水平組成

圖5顯示,各功能單元中微生物群落結(jié)構(gòu)并無明顯差異。Candidatus_Competibacter(18.75%～26.43%)、OLB8(7.81%～12.52%)、Terrimonas(3.41%～4.51%)、Norank_f_37-13(3.41%～4.31%)、Norank_f_Saprospiraceae(3.10%～3.96%)、Tetrasphaera(0.97%～4.14%)和Dokdonella(2.97%～3.80%)具有較高的相對(duì)豐度,其中Candidatus_Competibacter和OLB8相對(duì)豐度明顯高于其他菌屬,是主要的優(yōu)勢(shì)菌屬。

圖5 微生物屬水平組成

Tetrasphaera是一種具有發(fā)酵除磷功能的聚磷菌,已經(jīng)在很多采用強(qiáng)化生物除磷工藝的污水廠中被檢出[21-22]。在新型UCT工藝中,Tetrasphaera呈現(xiàn)出較高的相對(duì)豐度。進(jìn)入缺氧單元后,Tetras-phaera相對(duì)豐度由0.97%增加到4.14%,并在隨后的處理單元中保持穩(wěn)定。Tetrasphaera可以發(fā)酵有機(jī)物且不釋放磷,同時(shí)還可以在好氧條件下消耗糖原發(fā)生吸磷反應(yīng),這可能是新型UCT工藝能夠有效除磷的原因[16,23]。另外,在新型UCT工藝中還存在具有反硝化除磷功能的聚磷菌Dechloromonas[22]。許多研究[5,10]證實(shí)了在UCT工藝中往往存在反硝化除磷菌。雖然本研究中反硝化除磷過程并不明顯,但Dechloromonas的存在表明新型UCT工藝具有反硝化除磷的潛能。

3 結(jié)論

(1)缺氧分段式UCT工藝具有穩(wěn)定的脫氮除磷效果,CODCr、氨氮、TN和TP的平均出水質(zhì)量濃度分別為14.76、0.37、9.98 mg/L和0.78 mg/L,平均去除率分別為95.85%、99.37%、83.12%和87.13%。

(3)在缺氧分段式UCT工藝體系中,Proteobacteria和Bacteroidota為優(yōu)勢(shì)菌門。該工藝可以很好地富集反硝化菌,反硝化菌Candidatus_Competibacter(18.75%～26.43%)和OLB8(7.81%～12.52%)為主要的優(yōu)勢(shì)菌屬。Tetrasphaera和Dechloromonas是缺氧分段式UCT工藝體系中主要的聚磷菌。