兩級(jí)缺氧-好氧生化裝置微曝/重啟運(yùn)行效果及微生物菌群變化特征研究

楊 哲,周小國(guó),李 彥,王明良,朱 莉,朱 華,毛旭輝②

(1.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079;2.長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430077;3.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司,北京 100088)

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施,農(nóng)家樂(lè)和休閑農(nóng)業(yè)等旅游活動(dòng)在鄉(xiāng)村逐漸興起。為保護(hù)鄉(xiāng)村環(huán)境,需要對(duì)農(nóng)業(yè)休閑和旅游活動(dòng)產(chǎn)生的污水進(jìn)行妥善處理。與傳統(tǒng)村鎮(zhèn)污水相比,休閑旅游村鎮(zhèn)污水具有以下特點(diǎn):(1)污染物濃度更高且成分更復(fù)雜[1]。旅游村莊污水中COD、氮和磷等指標(biāo)均明顯增高,餐飲廢水中動(dòng)植物油類和脂肪較多,產(chǎn)品加工廢水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較多。(2)水量、水質(zhì)波動(dòng)大。傳統(tǒng)村鎮(zhèn)污水總體排放量較小,排放系數(shù)變化較大。而有旅游活動(dòng)的村鎮(zhèn)污水瞬間排放量大,且晝夜變化系數(shù)和季節(jié)變化系數(shù)均很大。不同地區(qū)旅游旺季不同,旅游開發(fā)項(xiàng)目也不同,這導(dǎo)致不同時(shí)段污水水量和水質(zhì)有著較大差別[2]。村鎮(zhèn)旅游污水的特點(diǎn),要求污水處理設(shè)施削減有機(jī)負(fù)荷和脫氮除磷能力較強(qiáng),能夠適應(yīng)較大的沖擊負(fù)荷。目前,農(nóng)村地區(qū)常見的生活污水處理設(shè)施包括化糞池、人工濕地、生態(tài)濾池、土壤滲濾、穩(wěn)定塘和小型一體化設(shè)施等[3]。其中,小型一體化處理裝置將各種生化處理技術(shù)組合,把預(yù)處理、生物處理、深度處理、沉淀及消毒等工藝集成到一個(gè)反應(yīng)器上,具有占地面積小、污水處理效率高、出水穩(wěn)定、運(yùn)行成本低和易遠(yuǎn)程管理等優(yōu)點(diǎn),適合村鎮(zhèn)休閑旅游污水的處理。

針對(duì)村鎮(zhèn)旅游污水水量、水質(zhì)波動(dòng)大的特點(diǎn),對(duì)一體化裝置實(shí)施短期停運(yùn)(或低功耗運(yùn)行)是一種節(jié)能降耗的管理模式,但目前有關(guān)微曝/重啟對(duì)生化處理過(guò)程性能影響的探究較少,無(wú)法指導(dǎo)實(shí)際的設(shè)備運(yùn)維管理。因此,筆者在實(shí)驗(yàn)室搭建兩級(jí)缺氧-好氧生物反應(yīng)器(AO-MBR)小試裝置,配制模擬污水進(jìn)行微曝/重啟試驗(yàn),探究這種運(yùn)行模式對(duì)于裝置處理效果的影響,并通過(guò)污泥活性指標(biāo)檢測(cè)和微生物測(cè)序探究這種運(yùn)行模式對(duì)于裝置內(nèi)微生物菌群變化的影響。該研究對(duì)于村鎮(zhèn)旅游污水一體化處理裝置的設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

兩級(jí)AO-MBR裝置主要由缺氧Ⅰ池、好氧Ⅰ池、缺氧Ⅱ池和好氧Ⅱ池組成(圖1)。模擬污水通過(guò)蠕動(dòng)泵的作用由進(jìn)水罐進(jìn)入缺氧Ⅰ池,然后分別經(jīng)過(guò)缺氧Ⅰ池、好氧Ⅰ池和缺氧Ⅱ池,在好氧Ⅱ池中通過(guò)蠕動(dòng)泵和MBR膜的作用進(jìn)行泥水分離后進(jìn)入出水罐。

圖1 兩級(jí)缺氧-好氧生物反應(yīng)器(AO-MBR)小試裝置示意

兩級(jí)AO-MBR裝置總有效容積約為17.98 L,厭氧池尺寸為Ф110 mm×210 mm,超高為30 mm;缺氧I池有效容積約為3.5 L,尺寸為100 mm×140 mm×250 mm,超高為40 mm;好氧I池有效容積約為4.35 L,尺寸為135 mm×140 mm×230 mm,超高為60 mm;缺氧Ⅱ池有效容積約為3.53 L,尺寸為120 mm×140 mm×210 mm,超高為60 mm;好氧Ⅱ池有效容積約為5.32 L,尺寸為200 mm×140 mm×190 mm,超高為80 mm;其中,厭氧池采用聚氨酯泡沫填料填充,填充率為40%,同時(shí)在其中內(nèi)置加熱棒(30 ℃)和有機(jī)玻璃攪拌槳。缺氧Ⅰ池和缺氧Ⅱ池采用懸掛型益菌生填料,體積填充率為40%,在上端采用頂置式電動(dòng)攪拌器攪拌;好氧Ⅰ池內(nèi)裝入移動(dòng)床生物膜(MBBR)填料,填充率為40%;好氧Ⅱ池內(nèi)置自制環(huán)形中空纖維MBR膜進(jìn)行泥水分離;在好氧Ⅰ池和好氧Ⅱ池下部采用自制微孔曝氣管曝氣流化,池內(nèi)溫度用加熱棒控溫到25 ℃。好氧Ⅰ池與缺氧Ⅱ池之間通過(guò)微孔進(jìn)水,好氧Ⅱ池前端設(shè)置折流擋板防止短流。進(jìn)水與反硝化液回流采用步進(jìn)蠕動(dòng)泵控制流速,裝置圖見圖1。

1.2 試驗(yàn)程序

為研究停運(yùn)對(duì)處理效率的影響以及評(píng)估系統(tǒng)處理能力恢復(fù)情況,設(shè)計(jì)了5組停運(yùn)試驗(yàn),停運(yùn)時(shí)間分別為1、2、3、5和8 d。所用進(jìn)水為模擬生活污水,采用葡萄糖、氯化銨、碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀等藥品配制,進(jìn)水COD為350 mg·L-1,ρ(氨氮)為40 mg·L-1,ρ(總磷)為4.5 mg·L-1,ρ(碳酸氫根)為145 mg·L-1,碳氮比為8.75。在進(jìn)行停運(yùn)試驗(yàn)之前,首先確保裝置處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下〔好氧池ρ(DO)為5～6 mg·L-1,缺氧池ρ(DO)為0.2～0.3 mg·L-1,水力停留時(shí)間(HRT)為12 h,缺氧池與好氧池之間回流比為50%,出水COD<50 mg·L-1,ρ(NH4+-N)<5 mg·L-1,ρ(TN)<20 mg·L-1的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)〕。停運(yùn)試驗(yàn)開始時(shí),同時(shí)停止進(jìn)出水,并且停止回流,將好氧池曝氣量從0.8 L·min-1調(diào)整到0.3 L·min-1,缺氧池保持?jǐn)嚢璨㈤_始計(jì)時(shí)。到達(dá)預(yù)定停運(yùn)時(shí)間后重新恢復(fù)正常進(jìn)出水以及曝氣量,以一定時(shí)間間隔取裝置進(jìn)出水分別檢測(cè)進(jìn)出水COD、NH4+-N濃度和TN濃度,探究裝置去除效果隨時(shí)間變化趨勢(shì)及其所受影響,其中,停運(yùn)再啟動(dòng)運(yùn)行10 h內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)的停運(yùn)后初始處理效率評(píng)價(jià)。停運(yùn)結(jié)束后,在重啟前分別對(duì)各池污泥活性〔比耗氧速率(SOUR)、脫氫酶活性、比三磷酸腺苷(SATP)〕進(jìn)行檢測(cè),探究停運(yùn)和重啟對(duì)污泥活性的影響。選取停運(yùn)5 d作為代表試驗(yàn)組,取停運(yùn)結(jié)束后各池污泥樣本進(jìn)行微生物高通量測(cè)序,探究微生物種群的變化特征。每組停運(yùn)試驗(yàn)完成后,使裝置正常運(yùn)行保持5 d后再進(jìn)行下一組停運(yùn)試驗(yàn)。

1.3 分析方法

DO濃度測(cè)定采用哈希溶氧儀探頭測(cè)試法,COD測(cè)定采用哈希便攜式光度計(jì)法,NH4+-N濃度測(cè)定采用納氏試劑分光光度計(jì)法,TN濃度測(cè)定采用哈希便攜式光度計(jì)法。SOUR測(cè)定采用曝氣攪拌法,脫氫酶活性測(cè)定采用TTC還原法[4]。SATP測(cè)定采用熱提取法,以Tris作為提取劑,在煮沸條件下提取ATP后采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定[5]。采用Illumina Miseq PE300(上海美吉生物科技)高通量測(cè)序平臺(tái)對(duì)活性污泥中好氧饑餓前后的微生物菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 停運(yùn)對(duì)處理效果影響及恢復(fù)時(shí)間

由圖2可知,短暫停運(yùn)期間缺氧池pH有所上升,這是因?yàn)槠渲袣埩舻南跛猁}反硝化產(chǎn)生堿度所致。而隨著停運(yùn)時(shí)間的增加,各池pH都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),最低下降至5.8左右。由圖3(a)可知,在正常運(yùn)行狀態(tài)下,COD去除率維持在90%左右,氨氮去除率維持在93%左右,總氮去除率維持在48%左右,這可能是由于模擬裝置體積較小,而曝氣強(qiáng)度較大,缺氧池DO濃度偏高抑制總氮去除效果所致。但是出水COD、氨氮、總氮都能夠達(dá)到大部分省份農(nóng)村生活污水處理排放限值的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)〔COD<50 mg·L-1,ρ(NH4+-N)<5 mg·L-1,ρ(TN)<20 mg·L-1〕。

圖2 裝置中各反應(yīng)池溶液pH隨停運(yùn)時(shí)間的變化特征

(a)正常運(yùn)行下各指標(biāo)去除率;(b)COD去除率及恢復(fù)時(shí)間隨停運(yùn)時(shí)間變化特征;(c)氨氮去除率及恢復(fù)時(shí)間隨停運(yùn)時(shí)間變化特征;(d)總氮去除率及恢復(fù)時(shí)間隨停運(yùn)時(shí)間變化特征。

停運(yùn)不同時(shí)間后系統(tǒng)COD初始去除率以及恢復(fù)到正常運(yùn)行去除效率〔以圖3(a)為參照〕所需時(shí)間見圖3(b)。由圖3(b)可知,停運(yùn)初始,COD去除率即快速下降,其隨著停運(yùn)時(shí)間的增加產(chǎn)生一定波動(dòng),但總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),隨著停運(yùn)時(shí)間的增加,COD去除率恢復(fù)到正常工況所需時(shí)間也隨著停運(yùn)時(shí)間的增加而逐步增加。停運(yùn)系統(tǒng)的氨氮初始去除率和恢復(fù)時(shí)間見圖3(c)。對(duì)比圖3(a)可知,停運(yùn)初始氨氮去除率快速下降,隨著停運(yùn)時(shí)間的增加而發(fā)生波動(dòng),但總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由圖3(d)可知,停運(yùn)1～3 d時(shí)總氮去除率與初始階段相差不大,停運(yùn)5 d后總氮去除率急劇下降至36%左右。因此,短時(shí)間停運(yùn)對(duì)總氮去除率影響不大,而較長(zhǎng)時(shí)間的停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致總氮去除率顯著降低。停運(yùn)對(duì)總氮去除率的影響規(guī)律與COD和氨氮稍有不同,其主要原因?yàn)榭偟娜コ饕菂捬醴聪趸^(guò)程,而COD和氨氮主要是好氧過(guò)程。

2.2 污泥活性特征

活性污泥比耗氧速率(SOUR)是指單位質(zhì)量活性污泥在單位時(shí)間內(nèi)所利用的氧的量[6],SOUR是表征好氧污泥活性的重要指標(biāo)之一[7-8]。由圖4(a)可知,隨著低曝氣停運(yùn)時(shí)間的增加,兩個(gè)好氧池SOUR都呈現(xiàn)逐步下降趨勢(shì),這表明停運(yùn)對(duì)于好氧池中異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌活性都有負(fù)面影響,且隨著停運(yùn)時(shí)間的增加這種影響逐步擴(kuò)大。相對(duì)于好氧Ⅱ池,好氧Ⅰ池由于添加MBBR填料,其SOUR更高,但這同樣導(dǎo)致其對(duì)于停運(yùn)的反應(yīng)更大,污泥活性下降幅度更大。

1)活性污泥質(zhì)量以混合液懸浮固體(MLSS)計(jì)。

污泥脫氫酶是污泥中微生物在進(jìn)行氧化作用時(shí)所需要的催化酶,可以在一定程度上表征污泥進(jìn)行氧化作用的能力。由圖4(b)可知,好氧池中污泥氧化作用明顯強(qiáng)于缺氧池,而隨著停運(yùn)時(shí)間的增加,各池的脫氫酶活性都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中,與缺氧Ⅱ池相比,缺氧Ⅰ池脫氫酶活性下降的響應(yīng)時(shí)間更快,這主要與污水的流經(jīng)次序有關(guān)。好氧池中主要是好氧氧化過(guò)程,活性污泥脫氫酶活性急速下降,且下降幅度最大。

比三磷酸腺苷(SATP)是指單位質(zhì)量污泥所含ATP量,ATP作為生物生命活動(dòng)的能量?jī)?chǔ)備來(lái)源,其含量高低可以表征生物生命活動(dòng)的強(qiáng)弱程度。由圖4(c)可知,隨著停運(yùn)時(shí)間的增加,各池的SATP都呈現(xiàn)下降趨勢(shì),而隨著進(jìn)水停止,由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏以及DO濃度的下降,微生物生命活動(dòng)速率都大幅度下降,尤其是好氧池中的微生物。對(duì)于缺氧池內(nèi)的微生物而言,代謝活動(dòng)需氧量相對(duì)較少,且厭氧菌可利用細(xì)胞分解產(chǎn)生的可利用物質(zhì),SATP下降幅度較小。

2.3 污泥微生物群落變化特征

停運(yùn)前后各反應(yīng)池微生物種群指數(shù)變化見圖5。

Q1和Q2分別為停運(yùn)前缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,Q1′和Q2′分別為停運(yùn)后缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1和H2分別為停運(yùn)前好氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1′和H2′分別為停運(yùn)后好氧Ⅰ池和Ⅱ池。

由圖5(a)～(b)可知,相較于停運(yùn)前,在停運(yùn)后4個(gè)反應(yīng)池Chao指數(shù)和Ace指數(shù)都有不同程度的增大,這表明停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致各反應(yīng)池內(nèi)微生物種群豐度增大,即微生物種類變多;一般來(lái)說(shuō),樣本中微生物多樣性主要由微生物種群豐度與微生物種群均勻度兩個(gè)指標(biāo)決定[9]。由圖5(c)可知,缺氧池微生物多樣性大于好氧池,且在停運(yùn)前后缺氧池微生物多樣性變化幅度不大,而停運(yùn)后好氧池微生物多樣性急劇上升。結(jié)合之前各反應(yīng)池微生物種群豐度上升情況可知,停運(yùn)后好氧池內(nèi)微生物種群均勻度大幅下降〔圖5(d)〕,微生物種類雖然有所增加,但優(yōu)勢(shì)物種占比變大且集中,這是由于停運(yùn)期間營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏以及DO濃度下降所致。

由圖6(a)可知,稀釋曲線較為平滑,即取樣數(shù)量可以代表樣品中的分類單元(OTU)值,檢測(cè)所得數(shù)據(jù)具有代表性和說(shuō)服力。圖6(b)顯示,在停運(yùn)前后好氧池種群組成差異較大,而缺氧池停運(yùn)前后種群組成差異較小。由此可見,停運(yùn)對(duì)于好氧池內(nèi)微生物群落產(chǎn)生較大影響,其中的微生物種類、豐度、均勻度以及優(yōu)勢(shì)種群都發(fā)生較大變化。

圖6 樣品稀釋曲線和主成分分析結(jié)果

2.3.1COD降解菌變化特征

分別采集正常運(yùn)行裝置和停運(yùn)5 d的裝置中污泥作為樣品,針對(duì)細(xì)菌16S rRNA V4-V5區(qū)對(duì)各活性污泥樣品進(jìn)行PCR擴(kuò)增,分析檢測(cè)得出各樣品中主要菌群組成(圖7)。

Q1和Q2分別為停運(yùn)前缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,Q1′和Q2′分別為停運(yùn)后缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1和H2分別為停運(yùn)前好氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1′和H2′分別為停運(yùn)后好氧Ⅰ池和Ⅱ池。

從門分類水平〔圖7(a)〕上看,無(wú)論是缺氧池還是好氧池,污泥樣品中主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類均為變形菌門,擬桿菌門、放線菌門和厚壁菌門等細(xì)菌種類同樣存在于污泥樣品中且占比較大,這與ZHANG等[10]的研究結(jié)論一致。停運(yùn)前,好氧池中變形菌門占比(達(dá)到95%)很高,而擬桿菌門和厚壁菌門等細(xì)菌占比很小。這是因?yàn)樽冃尉T中存在大量對(duì)COD降解起到主要作用的異養(yǎng)菌,在DO濃度較高、碳源充足的環(huán)境下大量繁殖,因此占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。在缺氧池中變形菌門所占比例則遠(yuǎn)低于好氧池。停運(yùn)后,好氧池中變形菌門豐度大幅下降,由于停運(yùn)期間DO濃度下降,且碳源逐漸消耗而不足,因此其中的對(duì)COD降解起主體作用的變形菌門好氧異養(yǎng)菌大幅度減少,導(dǎo)致停運(yùn)后裝置對(duì)COD的去除率明顯下降;擬桿菌門等細(xì)菌豐度明顯上升。有研究表明,擬桿菌門部分細(xì)菌存在特殊的鞘脂結(jié)構(gòu),其體內(nèi)可以富集聚羥基脂肪酸(PHA)等高能物質(zhì),因此對(duì)于好氧饑餓環(huán)境有著較強(qiáng)的抵抗能力,可以在長(zhǎng)期好氧饑餓環(huán)境中生存[11]。缺氧池中由于本身DO濃度較低,因此短期內(nèi)停運(yùn)對(duì)于其細(xì)菌種類組成影響相對(duì)較小,多數(shù)細(xì)菌可以依靠殘存的少量碳源以及自身儲(chǔ)能抵抗饑餓影響。

從綱分類水平〔圖7(b)〕來(lái)看,變形菌門中γ-變形菌綱和α-變形菌綱在樣品中占據(jù)主要地位。停運(yùn)前,γ-變形菌綱在好氧池中占據(jù)主導(dǎo)地位,可見其在變形菌門的變化中起主導(dǎo)作用。但也有研究表明,活性污泥中變形菌門占據(jù)主導(dǎo)地位的為β-變形菌綱[12],但在該樣品中β-變形菌綱菌群豐度很低,可見不同的活性污泥中變形菌門雖都占據(jù)主導(dǎo)地位,但是在綱水平上主導(dǎo)菌群不同。停運(yùn)后,好氧池γ-變形菌綱占比大幅度降低,α-變形菌綱和擬桿菌綱占比呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。可見,α-變形菌綱和擬桿菌綱對(duì)于這種低DO濃度的饑餓環(huán)境具有更好的適應(yīng)能力。梭菌綱和桿菌綱是活性污泥中厚壁菌門中的主要細(xì)菌種類,有研究表明其對(duì)于污泥好氧消化具有積極作用[13]。硝化螺旋菌綱作為傳統(tǒng)的硝化細(xì)菌,起到脫氮作用,但是由于其世代較長(zhǎng),在污泥樣品中豐度較低。

2.3.2硝化與反硝化細(xì)菌變化特征

在活性污泥中,氮的去除主要通過(guò)硝化作用和反硝化作用共同完成。硝化作用通過(guò)硝化細(xì)菌實(shí)現(xiàn),傳統(tǒng)的硝化細(xì)菌包括亞硝酸菌(AOB)和硝酸菌(NOB)。在硝化作用第一階段,在AOB作用下氨氮被氧化成亞硝酸鹽,再通過(guò)第二階段在NOB作用下亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽。大部分AOB和NOB是化能自養(yǎng)型細(xì)菌,生長(zhǎng)極其緩慢,并且很容易受到pH值、溫度等外界條件的影響。傳統(tǒng)意義上認(rèn)為,活性污泥中優(yōu)勢(shì)AOB主要包括亞硝化單胞菌屬和亞硝化螺菌屬[14],優(yōu)勢(shì)NOB主要包括硝化螺旋菌屬和硝化桿菌屬[15]。而在筆者試驗(yàn)中,檢測(cè)到的污泥樣品中AOB只有亞硝化單胞菌屬,檢測(cè)到的NOB只有硝化螺旋菌屬,且豐度相對(duì)較低。

由圖8可知,停運(yùn)后,AOB豐度衰減至幾乎難以檢測(cè)到,這是由于一方面DO濃度降低導(dǎo)致AOB難以利用系統(tǒng)中殘余的氮源以及其他細(xì)菌分解產(chǎn)生的新氮源,另一方面隨著停運(yùn)時(shí)間的增加,系統(tǒng)pH逐漸降低,對(duì)于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)具有抑制作用。而與AOB相比,NOB豐度占比反而有所上升,這是因?yàn)镹OB可以利用AOB在較弱代謝中產(chǎn)生的少量NO2--N作為氮源,因此其衰減速率較慢,甚至短期內(nèi)有所上升[16];BOLLMANN等[17]研究表明,AOB能在饑餓條件下利用自身核糖體供給自身代謝所需。因?yàn)锳OB特有的代謝過(guò)程使其能夠更好地應(yīng)對(duì)饑餓環(huán)境,所以在不利的條件下處于預(yù)備休眠狀態(tài),一旦重新供給營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),可以快速進(jìn)行細(xì)胞復(fù)蘇,細(xì)胞內(nèi)的酶重新被激活從而促進(jìn)細(xì)胞繁殖進(jìn)而恢復(fù)脫氮效果。

各分圖中數(shù)據(jù)為屬水平不同物種豐度占比。

反硝化作用的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)反硝化細(xì)菌的作用,反硝化細(xì)菌廣泛存在于自然界中且數(shù)量巨大,其通過(guò)反硝化作用將NO3--N或NO2--N還原成N2或N2O。反硝化細(xì)菌可以分為厭氧反硝化細(xì)菌和好氧反硝化細(xì)菌兩類。一般認(rèn)為反硝化是嚴(yán)格厭氧過(guò)程,O2會(huì)阻礙硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體,還會(huì)抑制反硝化還原酶活性[18]。但是,近些年許多好氧反硝化菌被發(fā)現(xiàn),包括假單胞菌屬[19]、陶厄氏菌屬[20]、副球菌屬[21]、芽孢桿菌屬[22]和不動(dòng)桿菌屬[23]等等。在筆者試驗(yàn)中,污泥樣品中可檢測(cè)出豐度相對(duì)較高的反硝化細(xì)菌(圖8)?？梢钥吹?大部分反硝化細(xì)菌菌屬豐度在停運(yùn)之后不降反升,這可能是由于大部分反硝化細(xì)菌都具有合成胞內(nèi)儲(chǔ)能物質(zhì)的能力[24],在停運(yùn)短期可以利用儲(chǔ)能物質(zhì)抵抗饑餓帶來(lái)的影響,同時(shí)好氧異養(yǎng)菌豐度大幅下降,反硝化菌在缺氧條件下競(jìng)爭(zhēng)力加強(qiáng),豐度上升。有研究表明,好氧反硝化菌使得在同一條件和裝置內(nèi)同步硝化反硝化成為可能,但同步硝化反硝化限制條件較為嚴(yán)格,當(dāng)ρ(DO)<2 mg·L-1,C/N約為8時(shí),同步硝化反硝化效率最高[25]。因此,短期停運(yùn)情況下總氮去除率不變且重啟快速恢復(fù)的原因,一方面是各類反硝化細(xì)菌具有一定的抵抗饑餓能力,使得停運(yùn)時(shí)其豐度仍能維持在一定水平上;另一方面,在較低DO濃度條件下,重啟恢復(fù)時(shí)碳源的補(bǔ)充使得同步硝化反硝化反應(yīng)發(fā)生,促進(jìn)恢復(fù)。

3 結(jié)論與展望

該文探討了在微曝/重啟條件下兩級(jí)缺氧-好氧裝置對(duì)村鎮(zhèn)生活污水處理效果的變化,主要結(jié)論包括:(1)停運(yùn)對(duì)于兩級(jí)AO-MBR裝置的運(yùn)行效果具有一定影響,且運(yùn)行效果變化程度與恢復(fù)時(shí)間和停運(yùn)時(shí)間有較為明顯的相關(guān)性。在低曝氣量狀態(tài)下短期停運(yùn)1～2 d,COD和氨氮的初始去除率下降在10個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi),總氮去除率不受影響,且系統(tǒng)會(huì)在1 d左右恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。停運(yùn)時(shí)間延長(zhǎng)至5～8 d,COD、氨氮及總氮的初始去除率分別下降10、20和15個(gè)百分點(diǎn)左右,恢復(fù)時(shí)間為5 d左右。(2)隨著停運(yùn)時(shí)間的延長(zhǎng),SOUR、脫氫酶活性、SATP等污泥活性指標(biāo)都相應(yīng)有所下降,相對(duì)于缺氧池,好氧池由于供氧減少,其中的好氧異養(yǎng)菌活性都有所下降。(3)活性污泥中主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類為變形菌門,停運(yùn)會(huì)導(dǎo)致好氧池中變形菌門豐度大幅下降,對(duì)于降解COD起到主要作用的γ-變形菌綱中的好氧異養(yǎng)菌數(shù)量大幅減少,擬桿菌門等適應(yīng)低DO濃度、低碳源的菌屬成為新的優(yōu)勢(shì)菌種。停運(yùn)導(dǎo)致DO濃度和pH均有所下降,硝化細(xì)菌數(shù)量減少,氨氮去除率下降。反硝化細(xì)菌由于受自身代謝特性的影響,其豐度有所上升,因此,短期停運(yùn)使總氮去除率變化較小。根據(jù)以上結(jié)果,可形成一種低能耗的農(nóng)村旅游生活污水處理設(shè)施運(yùn)維方法,即在設(shè)施因缺少來(lái)水而停運(yùn)的情況下,可對(duì)裝置進(jìn)行微曝處理(曝氣量下降到原來(lái)的1/3左右),能夠保持生化污泥的大部分活性,使裝置在恢復(fù)進(jìn)水后能快速重啟并達(dá)到停運(yùn)前的正常運(yùn)行處理效果。