微生物群落組成對顆粒污泥氮素去除效率的影響研究

鄒文清，何松珉

海南綠境高科環(huán)保有限公司，海南 ?？?570311

活性污泥法是處理含碳和氮的污染物的廢水時最廣泛使用的生物處理方法之一[1-2]。生物脫氮是通過自養(yǎng)硝化和異養(yǎng)反硝化來完成的。本文旨在研究顆粒污泥法中的微生物群落對污水排放中的氮素去除效率的影響；驗證了通過控制污水處理系統(tǒng)中的固體保留時間（Solid Retention Time，SRT）和內(nèi)部循環(huán)比參數(shù)可以實現(xiàn)出水口中總氮去除率的提高；同時研究了生物脫氮的微生物活性與顆粒污泥氮素去除效率變化的關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 污水處理系統(tǒng)與污水樣本

本文的研究對象為海南某焦炭制造廠中的全規(guī)模污水處理系統(tǒng)，該污水處理系統(tǒng)由2 個缺氧罐、4個好氧罐和3 個硝化罐及配套設(shè)施組成，如圖1 所示。污水處理系統(tǒng)每小時處理的硝化廢水約350 m3，其中硝化廢水以650 m3/h 的速度從硝化罐循環(huán)至缺氧罐，然后經(jīng)二級澄清池收集其回流顆粒污泥，并以250 m3/h 的速度將顆粒污泥泵回缺氧罐。此外，好氧罐和硝化罐都進行曝氣。曝氣過程中，強制注入的氧氣提供了微生物進行有氧呼吸的必要條件，同時也使含氧量較高的水流可以更好地混合和懸浮污泥，使其與污水中的有機物充分接觸，從而提高污水處理效率。曝氣的同時，好氧微生物會消耗污水中的有機物質(zhì)，并將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，從而減少污水中有機物質(zhì)的含量。硝化罐中的曝氣則有助于硝化作用的進行，即將氨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。這是因為硝化作用主要由兩類自養(yǎng)微生物完成，而這兩類微生物均需要氧氣來進行生化反應(yīng)。本次試驗過程中廢水中的污染物組成見表1。各罐的溫度范圍為33～36 ℃。進水池、缺氧罐和硝化罐的pH 分別保持在9.0、7.5 和7.0。好氧罐和硝化罐的溶解氧濃度（Dissolved Oxygen，DO）需大于3.5 mg/L，而缺氧罐的DO 濃度則需保持在0.3 mg/L 以下。系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性通過總氮（total nitrogen，TN）的出口濃度來量化。試驗的樣品從缺氧罐和硝化罐的底部進行系統(tǒng)混液懸浮物（Mixed-Liquor Suspended Solids，MLSS）的采集，試驗持續(xù)12 d。

表1 廢水污染物組成

圖1 污水處理系統(tǒng)

1.2 各成分化學分析法

將收集的樣品以3 500 r/min 的離心速率進行分離，持續(xù)3 分鐘，對上層清液進行分析[3]。根據(jù)美國公共衛(wèi)生協(xié)會（APHA）的標準方法——一種通用的水質(zhì)分析方法，對COD（化學需氧量）和氨使用分光光度計測定濃度；對苯酚和SCN-（硫氰酸鹽）使用比色法測定濃度；對上層清液蒸餾后，通過吡啶-吡唑啉酮法（一種用于測定水中氰化物含量的化學分析方法）測定氰化物濃度；使用離子色譜儀測量亞硝酸根和硝酸根離子濃度；使用TOC（總有機碳）/TN（總氮）分析儀測量TOC 和TN 濃度[4]。

1.3 微生物活性測試實驗

為了研究污水處理系統(tǒng)反應(yīng)罐中硝化細菌和反硝化細菌的微生物活動，可以使用含有硝酸鹽的合成介質(zhì)進行批量實驗，每天估算一次硝化和反硝化速率。硝化和反硝化活性實驗在含有100 mL 的氨（50 mg/L）和硝酸根離子（50 mg/L）的500 mL 錐形瓶中進行。在沒有任何預(yù)處理的情況下，錐形瓶需要接種含有微生物群落的顆粒污泥（約2 000 mg/L），然后在35 ℃的恒溫振蕩器上以200 r/min 的速度進行振蕩，并保持pH 為7.5。硝化和反硝化速率如公式（1）所示。

式中：FA 為游離氨；T 為溫度；pH 為pH 值，Total NH3為氨含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 全規(guī)模顆粒污泥法的廢水凈化性能

圖2 展示了全規(guī)模廢水處理系統(tǒng)的凈化性能。如圖所示，硝化罐的主要作用是將銨離子轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽或硝酸鹽。進水口中-N 的平均質(zhì)量濃度約為76～90 mg/L，這是因為細胞裂解和SCN 在缺氧罐和好氧罐的降解過程中產(chǎn)生了氨。在穩(wěn)定運行期間，硝化罐中-N的出水濃度保持在10 mg/L 以下，而NO2-N的出水濃度在15～20 mg/L，NO3-N的濃度小于3.0 mg/L，這是因為亞硝酸鹽/硝酸鹽再次循環(huán)至缺氧罐，促進了反硝化反應(yīng)。到第11 天后，缺氧罐中始終進行著反硝化反應(yīng)，TN 的平均進水濃度為187 mg/L，TN 的平均出水濃度保持在36 mg/L 以下，TN 的平均去除效率為85%。此外，TN 的出口濃度低于40 mg/L，表明在整個試驗過程中該污水處理系統(tǒng)的各項功能均穩(wěn)定運行。

圖2 污水各指標凈化性能

2.2 運行參數(shù)對全規(guī)模顆粒污泥法脫氮性能的影響

廢水中苯酚、SCN、氨和氰化物等污染物的流入導致全規(guī)模顆粒污泥法的硝化作用一直不穩(wěn)定。因此，需要對廢水凈化系統(tǒng)的運行參數(shù)進行調(diào)整，以完成對排放濃度的調(diào)控。圖3 顯示了運行參數(shù)對全規(guī)模顆粒污泥法脫氮的出水濃度的影響。由圖3 可知，第1 天TN 濃度低于規(guī)定排放水平（即65 mg/L），但硝化副產(chǎn)物NO2-N的濃度僅為7 mg/L，這表明系統(tǒng)的硝化性能不足。為了增加繁殖速度緩慢的硝化微生物量，減少多余污泥，將SRT 從15 小時延長到了22 小時，從而提高了MLSS 濃度。第2 天，硝化罐中的MLSS 濃度從1 500 mg/L 增加到2 000 mg/L，硝化罐中氨的出水濃度低于20 mg/L，NO2-N的濃度增加至17.5 mg/L，TN 濃度始終保持在65 mg/L 以下，這可能是由于SRT 的時間變長，硝化細菌增加，從而增加了系統(tǒng)的硝化性能。

圖3 運行參數(shù)對氮素去除效率的影響

在第4 天后，硝化罐中氮的出水濃度急劇上升至40 mg/L 以上，從而使TN 濃度超過規(guī)定排放水平。與此同時，氨的進水濃度急劇增加到140 mg/L，是正常負荷的兩倍多。同時，NO2-N的出水濃度沒有降低，說明硝化性能沒有受到抑制。為了降低除氨濃度，不斷提高SRT，保持高濃度的MLSS 可以實現(xiàn)高容積負荷，在第4 天結(jié)束后，MLSS 濃度增加到了3 000 mg/L。由此可知，通過SRT 的增長能夠提高系統(tǒng)中MLSS 的濃度，從而確保在氨濃度急劇增加期間全規(guī)模顆粒污泥工藝的穩(wěn)定硝化。因此，SRT 的參數(shù)選擇對于實現(xiàn)去氮效率至關(guān)重要。

然而，全規(guī)模顆粒污泥工藝的性能在第9 天突然變差，氨濃度增加到85 mg/L，NO2-N 的濃度在硝化罐中降低到3.5 mg/L。可能是因硝化作用受到抑制，TN 濃度突然增加到140 mg/L。為了防止硝化性能因苯酚抑制而惡化[5]，內(nèi)部循環(huán)比應(yīng)控制在0.5～1.5，SRT 始終保持在20 h。通過降低內(nèi)部循環(huán)比，提高了缺氧罐中的苯酚去除性能。同時，較長時間的SRT 阻止了硝化微生物群落的消失。第10 天后，苯酚的進水濃度降至500 mg/L 以下，TN 去除效率提高，排放水平低于50 mg/L。

在第12 天時，雖然氨和TN 的出水濃度保持穩(wěn)定，但NO2-N的濃度下降到9 mg/L。盡管SRT 一致，但系統(tǒng)中的MLSS 濃度攀升至3 400～3 600 mg/L。原因可能是環(huán)境中有機物的增加導致了硝化罐中微生物的增殖，造成了微生物群落組成成分的改變，增加了它們生長所需的氨吸收量。因此，全規(guī)模顆粒污泥工藝的脫氮性能可能容易受到環(huán)境因素的影響，從而造成微生物群落組成成分的改變。

2.3 微生物活性

對微生物活性進行試驗可以觀察顆粒污泥硝化和反硝化活性的變化。通過氨氮、亞硝酸鹽和硝酸鹽濃度的變化，分析每天的硝化和反硝化速率，如圖4所示。在第4 天，由于MLSS 濃度突然增加，硝化速率降至3.8 mg-N/g-VSS·h；從第5～8 天，硝化速率逐漸增加到6.3 mg-N/g-VSS·h。全規(guī)模顆粒污泥的脫氮效率幾乎達到90%。由此可知，硝化細菌具有良好的潛在活性，但難以確定環(huán)境因素是否會影響其實際性能，從而導致硝化作用降低。此外，反硝化速率模式與硝化活性的變化相似，與硝化速率的變化一樣。反硝化速率在第4 天下降是由于MLSS 濃度顯著增加，逐漸增加到4.8 mg-N/g-VSS·h，但反硝化作用受環(huán)境因素的影響可能小于硝化作用[6]。無論全規(guī)模工藝的氮素去除性能如何，試驗中的硝化和反硝化速率基本一致。因此，MLSS 濃度的降低并未導致微生物活性有任何損失，這可能與微生物中的活性細菌種群有關(guān)。

圖4 硝化和反硝化速率

3 結(jié)論

本文通過對微生物群落組成的研究，探究了顆粒污泥氮素去除效率的重要性。在全規(guī)模顆粒污泥的脫氮工藝中，選擇SRT 和內(nèi)部循環(huán)比作為主要控制參數(shù)，以增強TN 的去除效率。通過延長SRT，提高了微生物量濃度，增強了氮素去除效率。特定的操作策略還可以改變顆粒污泥中的微生物群落組成。因此，應(yīng)制定適當?shù)牟僮鞑呗?，通過持續(xù)監(jiān)測微生物群落組成，保持較高的氮素去除效率。