蒙小俊
(安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 安康 725000)
城市污水處理實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效和節(jié)能降耗是“雙碳目標(biāo)”的重要組成部分。 然而, 我國70% 以上城市污水呈低碳氮比特征[1], 在污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的形勢下, 傳統(tǒng)污水處理廠(WWTPs)脫氮需投加大量碳源, 且曝氣和污泥處理所需能耗占整個WWTPs 運(yùn)行能耗的60%~80%[1]。 污水處理行業(yè)能源消耗占我國社會消耗能量的1%, 碳排放量約占社會總碳排放的1%~2%[2]。 隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高, 出現(xiàn)“以高能耗換取高水質(zhì)”的現(xiàn)象, 導(dǎo)致碳排放量和能源消耗進(jìn)一步增高[3]。 “雙碳目標(biāo)”下傳統(tǒng)WWTPs 走上節(jié)能降耗之路、 尋求可持續(xù)發(fā)展的城市污水脫氮技術(shù)成為必然, 厭氧氨氧化(Anammox)工藝作為目前最簡捷和經(jīng)濟(jì)的脫氮技術(shù)有望為WWTPs 帶來工藝變革。
結(jié)合資源回收技術(shù), Anammox 應(yīng)用于處理城市污水可實(shí)現(xiàn)有機(jī)碳源和氮素的同步去除以解決污水處理碳源不足的難題[4-5], 同步大幅度減排CO2和N2O 并降低能源需求[6]。 我國城市污水TN 的質(zhì)量濃度在20 ~75 mg/L 范圍內(nèi), 運(yùn)行溫度冬季10 ~16 ℃, 夏季24 ~30 ℃, 主流城市污水處理中短程硝化(PN)工藝提供NO2--N 的效率和穩(wěn)定性仍有待提升, 而短程反硝化(PD)可以為主流Anammox更為高效和穩(wěn)定的提供NO2--N[7], 實(shí)現(xiàn)我國城市污水Anammox 更適用PD 途徑提供NO2--N[8]。 研究表明, 我國北方某污水處理廠采用 厭氧/缺氧/好氧(A2/O)工藝改造后缺氧池中存在穩(wěn)定的PD 過程[9]。 部分WWTPs 改造后出現(xiàn)了PD/A 現(xiàn)象, 如西安市第四污水處理廠A2/O 工藝改造后缺氧池生物膜出現(xiàn)PD/A 脫氮, 且Anammox 脫氮貢獻(xiàn)率達(dá)15.9%[10]; 青島市城陽污水處理廠生化池改造后PD/A 深度脫氮節(jié)省約30% 的曝氣量, 出水TN 質(zhì)量濃度削減至10 mg/L 以下。 城市WWTPs 改造中PD/A 現(xiàn)象的出現(xiàn), 為原位啟動主流PD/A 及其工程推廣提供了思路和方向。 明晰PD/A 協(xié)同機(jī)制并進(jìn)行調(diào)控, 在此基礎(chǔ)上弄清PD/A 技術(shù)層面的控制策略及過程控制, 探明PD/A 工程應(yīng)用的可行性,對“雙碳目標(biāo)”戰(zhàn)略下城市WWTPs 原位實(shí)現(xiàn)PD/A及工程推廣意義重大。
本文對PD/A 處理城市污水的研究進(jìn)行梳理和分析, 以期揭示PD/A 菌群間相互協(xié)作的機(jī)制, 建立功能菌群協(xié)同的調(diào)控方法; 從技術(shù)層面(水質(zhì)和關(guān)鍵工藝參數(shù))提出實(shí)現(xiàn)PD/A 穩(wěn)定運(yùn)行的控制策略; 從工程層面評估PD/A 工藝的可行性, 以期為實(shí)現(xiàn)PD/A 工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。
生物脫氮本質(zhì)上是在多種生物酶催化作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng), 作為生物酶載體的功能微生物間的協(xié)同作用至關(guān)重要。 主流PD/A 中涉及的功能微生物主要包括氨氧化菌(AOB)、 亞硝酸鹽氧化菌(NOB)、 反硝化菌(DB)和厭氧氨氧化菌(AAOB),各菌株協(xié)同脫氮機(jī)制見圖1[11]。 在AOB、 NOB 和DB 菌株共同作用下將污水中部分NH4+-N 轉(zhuǎn)化為NO2--N, 剩余的NH4+-N 與產(chǎn)生的NO2--N 在AAOB作用下生成N2和NO3--N。 因此, 相比較傳統(tǒng)脫氮,PD/A 耗氧可減少50%, 溫室氣體CO2和N2O 分別減少80%和50%[12]。
圖1 PD/A 脫氮機(jī)制Fig.1 Nitrogen removal mechanism of PD/A
傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)已非常成熟, AAOB 和DB均嗜低氧環(huán)境并結(jié)合圖1 協(xié)同脫氮機(jī)制, 城市污水PD/A 工藝如圖2 所示可分兩類: ①前置硝化-PD/A: 部分生活污水經(jīng)硝化后與剩余原污水混合后在缺氧池發(fā)生PD/A 反應(yīng)(圖2(a)); ②后置硝化-PD/A: 生活污水直接與回流的硝化液按一定比例混合后在缺氧池發(fā)生PD/A 脫氮(圖2(b))。 實(shí)現(xiàn)PD/A 脫氮的關(guān)鍵是對功能菌AAOB 和DB 在同一反應(yīng)器系統(tǒng)中的協(xié)同作用進(jìn)行調(diào)控。 因城市WWTPs 水量大, 采用Anammox 污泥作為接種污泥啟動PD/A 脫氮不現(xiàn)實(shí), 原位投加載體啟動可作為WWTPs 升級和提高污水脫氮效果有前景的替代方案[13]。 Ma 等[14]添加純海綿載體在(25±2)℃條件下利用序批式反應(yīng)器(SBR) + 上流式厭氧污泥床(USAB)工藝原位啟動主流PD/A 處理人工合成廢水, 在進(jìn)水COD 質(zhì)量濃度為200 mg/L, NH4+-N 質(zhì)量濃度為50 mg/L 條件下, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后, 出水TN 的質(zhì)量濃度為4.7 mg/L, 脫氮效率為90.5%,達(dá)到了深度脫氮效果; AAOB 菌Ca.Brocadia 從低于檢測限分別富集至SBR 生物膜中的0.4% 和UASB 生物膜中的2.2%, 而SBR 和UASB 懸浮污泥中分別為0.2% 和1.3%, 低于生物膜中的豐度,DB 菌Thauera 則主要在懸浮污泥中被富集。 Zhao等[15]通過在A2/O 工藝缺氧區(qū)原位添加K3 型載體,PD/A 系統(tǒng)在60 d 內(nèi)快速啟動, 90 d 內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,Anammox 脫氮負(fù)荷達(dá)到(1.0 ± 0.1) mg[NH4+-N]/(L·h), 氮去除率占TN 去除率的(37.9 ± 6.2)%,生物膜上唯一的AAOB 為Ca.Brocadia sp.40。 比生長速率較快的DB 傾向于在懸浮污泥中生長, 而生長緩慢的AAOB 更傾向于聚集生長且易在載體上形成生物膜; 生物膜形成過程中具有較高的AAOB活性和豐度, 而懸浮污泥中AAOB 的豐度較低[16-17]。Zhao 等[18]進(jìn) 一 步 揭 示hzsB 主 要 富 集 在 生 物 膜 中,而負(fù)責(zé)級聯(lián)反硝化的功能基因(narG、 napA、 nirS、nirK 和nosZ)富集在懸浮污泥中, 可見調(diào)控AAOB和DB 在單級系統(tǒng)中形成生物膜+ 懸浮污泥復(fù)合系統(tǒng)能使菌株充分協(xié)同, 實(shí)現(xiàn)PD/A 脫氮。
圖2 城市污水PD/A 工藝路線Fig.2 Road map of municipal sewage treatment by PD/A
在生物膜+懸浮污泥的共存體系中, 生物膜可強(qiáng)化AAOB 持留, 懸浮污泥中的DB 充分利用污水有機(jī)碳源為AAOB 提供NO2--N, 減少外加碳源,同步減少曝氣量、 剩余污泥產(chǎn)量和N2O 等溫室氣體排放。 此外, DB 降低有機(jī)物的濃度可緩解其對AAOB 的抑制, 利用AAOB 產(chǎn)生的NO3--N 為其穩(wěn)定提供電子受體且提高TN 的去除效率。 傳統(tǒng)WWTPs 缺氧池/厭氧池中原位添加載體升級改造后形成的生物膜+懸浮污泥復(fù)合系統(tǒng)證實(shí)主流污水出現(xiàn)PD/A 現(xiàn)象, 這是實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效和節(jié)能降耗的原因所在。 盡管原位添加載體調(diào)控形成生物膜+懸浮污泥系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)PD/A 深度脫氮, 但NO2--N 的持續(xù)積累和AAOB 活性正常是實(shí)現(xiàn)PD/A 脫氮的前提條件。 水質(zhì)和工藝參數(shù)對PD/A 工藝中NO2--N 的穩(wěn)定產(chǎn)生和AAOB 活性有重要影響, 而穩(wěn)定的NO2--N積累和AAOB 富集決定了PD/A 主流工藝的實(shí)現(xiàn)。
值得注意的是, PD/A 中AAOB 與DB 存在競爭NO2--N 的情況下往往處于劣勢; 當(dāng)AAOB 同步將NO3--N 轉(zhuǎn)化為NO2--N 時應(yīng)及時排出懸浮污泥以降低DB 對AAOB 的不利競爭, 當(dāng)排出大量的懸浮污泥時, Ca.Brocadia 在缺氧載體上被高度富集,是將NO3--N 轉(zhuǎn)化NO2--N 最重要的narG 貢獻(xiàn)者,NH4+-N 質(zhì)量濃度為30 ~ 50 mg/L 的進(jìn)水經(jīng)PA/D脫氮后出水TN 的質(zhì)量濃度為(8.9 ± 1.0) mg/L[17],完全排出懸浮污泥后, DB 和AAOB 共存的生物膜中AAOB 豐度的提高使DB 豐度明顯降低, 缺氧純生物膜載體上Ca.Brocadia 豐度達(dá)到5.99%, PA/D脫氮貢獻(xiàn)率為(67.1±8.3)%[1,8]。
城市WWTPs 進(jìn)水中除生活污水外, 還含有以醫(yī)療、 食品加工和印染等為主的工業(yè)廢水, 多種工業(yè)廢水和生活污水混合造成城市污水水質(zhì)復(fù)雜, 除COD、 NH4+-N 和磷外, 還包括抗生素、 重金屬(Zn、 Cu、 Fe 和Hg 等)和納米材料等[19-22], 水質(zhì)組成影響主流PD/A 工藝的實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行。
COD 是PD/A 工藝最重要的控制因素之一。 城市污水中COD 的質(zhì)量濃度低于300 mg/L 時, DB和AAOB 協(xié)同共存于同一反應(yīng)體系內(nèi)且為優(yōu)勢屬,易于生物降解的COD(Ss)使DB 的Nar 相比Nir 更具競爭優(yōu)勢, Ss 能實(shí)現(xiàn)更多的NO2--N 積累[7,23]。 當(dāng)城市污水中Ss 不足時應(yīng)額外補(bǔ)充小分子碳源, 使得Ss 與NO3--N 質(zhì)量比為2~3.5, 以滿足PD/A 中NO2--N 的持續(xù)穩(wěn)定, 工程應(yīng)用中常補(bǔ)充乙酸鈉作為外加碳源[18]。 研究表明, 某城市污水處理廠A2/O 工藝缺氧池添加乙酸鈉, NO2--N 積累率(NTR)最高可達(dá)88.4%[9]; 在處理實(shí)際生活污水的過程中, 通過額外投加乙酸鈉, PD/A 工藝對NTR 和TN 的去除率分別為95.8% 和93.6%[24]。 然而, 額外添加乙酸鈉會加重污水處理運(yùn)營成本, 發(fā)酵能夠?qū)⑽鬯械奶妓衔锖偷鞍踪|(zhì)水解、 發(fā)酵成有機(jī)酸, 可以補(bǔ)充原廢水中Ss 的不足[25]。
在污水同步脫氮除磷方面, PD/A 如何進(jìn)行同步脫氮除磷尤為重要。 反硝化除磷(DPR)過程中聚糖菌(DGAOs)的增殖總伴隨著聚磷菌(PAOs)的富集, DGAOs 發(fā)生內(nèi)源部分反硝化(EPD)為Anammox提供NO2--N, PAOs 在厭氧條件下釋磷并在缺氧條件下將PO43--P 和NOx--N 去除[26], Anammox、 DPR和EPD 耦合為PD/A 同步脫氮除磷提供了新思路,但調(diào)控策略極為繁瑣, 長期穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)制仍有待分析。 此外, 已有研究開發(fā)EPD、 Anammox 和DPR工藝處理非實(shí)際的城市污水, 實(shí)際應(yīng)用價值有限[27]。當(dāng)前條件下仍需通過厭氧-好氧交替運(yùn)行實(shí)現(xiàn)高效除磷和PD/A 脫氮相結(jié)合才能同步脫氮除磷, 可輔以化學(xué)除磷, 即傳統(tǒng)生物除磷+PD/A+化學(xué)除磷。
抗生素和重金屬等影響PD/A 工藝中DB 和AAOB 功能菌的酶活性和菌株豐度, 從而影響脫氮效率。 當(dāng)四環(huán)素含量為130 μg/g[細(xì)胞]時, DB 過程中Nar 和Nir 活性分別下降到29.1%和68.0%[28]; 紅霉素質(zhì)量濃度為0.001 mg/L 條件下AAOB 就會受抑制, 隨著紅霉素濃度的持續(xù)升高, 惡化會持續(xù),但各階段惡化速度趨于緩和, 推測AAOB 通過基因突變或分泌更多的EPS 在一定程度上抵抗紅霉素的生物毒性[29]; 長期暴露在質(zhì)量濃度為1 mg/L的水平條件下, Cu2+和Zn2+使AAOB 活性分別降低57.3%和37.8%, 而Fe2+使其 活性增加15.3%[30]。 不同納米金屬與抗生素共存時可對AAOB 產(chǎn)生聯(lián)合抑制作用, 文獻(xiàn)[31]研究結(jié)果表明, 暴露于抗生素中的AAOB(R1)比對照組的AAOB(C1)更易受5.0 mg/L 銅納米粒子的抑制, R1 和C1 中Ca.Kuenenia 豐度分別減少了36.02%和27.65%。
綜合以上分析, PD/A 主流應(yīng)用中碳源不足應(yīng)先通過發(fā)酵充分利用WWTPs 中的內(nèi)碳源, 然后利用外加碳源乙酸鈉, COD 質(zhì)量濃度應(yīng)低于300 mg/L, Ss 與NO3--N 的質(zhì)量比應(yīng)控制在2 ~3.5; 除磷應(yīng)將PD/A 工藝與傳統(tǒng)生物除磷相結(jié)合; 為減少抗生素和重金屬等對PD/A 工藝的不利影響可通過過濾、 混凝和沉淀等方法對抗生素和重金屬加以去除。
工藝的實(shí)現(xiàn)和穩(wěn)定運(yùn)行與工藝參數(shù)的合適配置密不可分, DO、 HRT、 pH 值和溫度等是影響實(shí)現(xiàn)PD/A 應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)。 DB 和AAOB 均在缺氧/厭氧條件下具有較高的生物活性, DO 濃度過高對PD/A工藝產(chǎn)生抑制作用。 研究表明, 反應(yīng)器中空氣的滲透可能導(dǎo)致硝化的發(fā)生, NO2--N 氧化成NO3--N 導(dǎo)致NO3--N 與NH4+-N 濃度比高于PD/A 的理論值1.06[14], 當(dāng) 進(jìn) 水DO 的 質(zhì) 量 濃 度 低 于0.1 mg/L 時NO2--N 的 持 續(xù) 氧 化 過 程 會 被 有 效 遏 制[32]。 因 此,PD/A 中應(yīng)控制DO 的質(zhì)量濃度低于0.1 mg/L。 在PD/A 中 通 過 控 制HRT, 能 將NO3--N 僅 還 原 至NO2--N, 從而實(shí)現(xiàn)NO2--N 的穩(wěn)定積累。 Shi 等[23]采用序批式膜生物反應(yīng)器, 在進(jìn)水NO3--N 的質(zhì)量濃度為30mg/L, COD 與NO3--N 的質(zhì)量比為5.9 的條件下, 將進(jìn)水pH 值從7.0 ~7.5 調(diào)控為9.0, 控制缺氧HRT 不變(5 h), 平均NTR 從18.6%增加到28.0%;缺氧HRT 縮短至3 h, 平均NTR 從28.0% 增加到75.6%; 進(jìn)一步減少至1 h, NTR 從75.6% 提高到86.6%。 此外, 縮短HRT 有利于原位不斷富集AAOB, 在PD/A 工藝中控制適宜的HRT 為1 ~2 h, 不宜超過3 h。
較高的pH 值有利于PD/A 中NO2--N 的高效積累[23]。 Qian 等[33]考察了反硝化系統(tǒng)在pH 值為5.0 ~9.0 條件下NO2--N 的積累情況, 發(fā)現(xiàn)隨著pH 值的升高PD 效果逐漸增強(qiáng), DB 菌株Thauera 在pH 值為9.0 時的豐度明顯高于pH 值為7.0 和5.0 時的豐度。 堿性環(huán)境中AAOB 具有較高的活性, 7.5 ~8.5的pH 值利于AAOB 細(xì)菌增殖。 WWTPs 運(yùn)行的pH值范圍大致為6.5 ~8.5, 缺氧池中pH 值在7.8 ~8.3 的范圍內(nèi), 較高的pH 值可促進(jìn)缺氧池中發(fā)生PD/A 反應(yīng)[9]。 同時, 較高的pH 值能夠有效控制游離氨和游離亞硝酸的生成, 降低二者對菌株的抑制, 有利于NO2--N 的穩(wěn)定生成與去除[34]。 作為控制參數(shù)可選擇pH 值和氧化還原電位(ORP)來確定PD/A 過程中何時添加碳源, 終點(diǎn)可以通過監(jiān)測pH 值和ORP 的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來控制, 無需任何其他化學(xué)分析[35-36], PD/A 工藝適宜的pH 值為7 ~9。
PD/A 應(yīng)用中受溫度的影響不大, 采用兩級SBR 工藝處理實(shí)際生活污水, 在進(jìn)水NH4+-N 質(zhì)量濃度為57.87 mg/L, COD 的質(zhì)量濃度為176.02 mg/L 條件下, 當(dāng)溫度在16.3 ~25.7 ℃波動時, 試驗(yàn)結(jié)果表明NO2--N 積累與溫度無關(guān), PD/A 系統(tǒng)出水TN 的質(zhì)量濃度小于5 mg/L[12]。 中試研究進(jìn)一步表明, 低溫10.3 ~26.5 ℃主流城市污水條件下, PD能夠?yàn)锳nammox 穩(wěn)定提供底物NO2--N[37]。
綜上所述, 結(jié)合PD/A 協(xié)同機(jī)制及調(diào)控和工藝控制策略, 提出實(shí)現(xiàn)PD/A 主流應(yīng)用的工藝流程如圖3 所示, 工業(yè)廢水經(jīng)預(yù)處理(過濾、 混凝和沉淀等)去除重金屬和抗生素后與生活污水形成混合污水(城市污水); 城市污水經(jīng)初沉池后進(jìn)入?yún)捬醢l(fā)酵池, 厭氧發(fā)酵池為缺氧池PD/A 反應(yīng)提供小分子有機(jī)物并同步釋磷; 缺氧池中在生物膜+懸浮污泥復(fù)合系統(tǒng)條件下實(shí)現(xiàn)PD/A 脫氮; 硝化池發(fā)生完全硝化并吸磷, 同時硝化液經(jīng)二沉池回流至缺氧池, 磷隨外排污泥而去除。
圖3 城市污水PD/A 工藝流程Fig.3 Process flow of municipal sewage treatment by PD/A
我國已建成數(shù)以萬計的城市WWTPs, 這些WWTPs 都依據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮除磷原理建設(shè)和運(yùn)營,PD/A 的工程推廣應(yīng)用主要面臨3 個問題: 其一低基質(zhì)(低氮素濃度)污水PD 是否可行, 其二污水中AAOB 是否易富集, 其三現(xiàn)行WWTPs 是否易改造。 對傳統(tǒng)A2/O、 SBR 和氧化溝(OD)等工藝進(jìn)行升級或改造應(yīng)因地制宜, 充分利用現(xiàn)有處理設(shè)施,盡量減少新增設(shè)施[8]。 城市污水PD/A 工藝模式和傳統(tǒng)污水處理工藝相似, 為傳統(tǒng)工藝升級或改造提供了支持, 植入先進(jìn)的PD/A 工藝無需改變WWTPs的現(xiàn)有配置[38], 如將反硝化濾池改造成PD/A, 或在缺氧池添加生物載體, 不改變現(xiàn)有污水處理設(shè)施,西安市第四污水處理廠在A2/O 工藝缺氧池中原位投加載體, 實(shí)現(xiàn)了PD/A 脫氮[10]。
原位投加載體在已運(yùn)行的污水處理工藝中能原地原位實(shí)施, 簡單便捷且能富集AAOB。 有研究表明, 利用載體對某CAST 污水處理工藝進(jìn)行改造后,系統(tǒng)中富集了AAOB[39]; 我國中部某污水處理廠在原倒置A2/O 工藝的基礎(chǔ)上向缺氧池和厭氧池中投加填料進(jìn)行提標(biāo)改造, 厭氧池和缺氧池填料上均出現(xiàn)了紅色生物膜[40], 紅色是AAOB 最顯著的特征。此外, 中試試驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行的WWTPs 都表明低基質(zhì)污水PD 能為AAOB 提供穩(wěn)定的NO2--N[9,37]。 原位添加載體形成的生物膜+懸浮污泥復(fù)合系統(tǒng)使得AAOB 可以富集, 并在適宜條件下通過PD 為AAOB提供穩(wěn)定的NO2--N[41]。 需注意的是, 不同類型的載體會導(dǎo)致生物膜形態(tài)和微生物群落組成存在顯著差異[42], 具有更大內(nèi)部表面積的填料啟動會更快且具有更多的生物量[43], 原位投加載體需要關(guān)注載體的特性, 如材質(zhì)、 形狀和比表面積等。 綜上所述,PD/A 在實(shí)際工程中具有應(yīng)用的可行性。
“雙碳目標(biāo)”戰(zhàn)略下城市WWTPs 實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效和節(jié)能降耗勢在必行, PD/A 的實(shí)施將為傳統(tǒng)WWTPs 帶來技術(shù)變革。 PD/A 工藝中AAOB 和DB功能菌相互協(xié)作的機(jī)制可通過生物膜+懸浮污泥復(fù)合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn), 對低基質(zhì)城市污水水質(zhì)和工藝關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)控可穩(wěn)定積累NO2--N 并保持AAOB 活性以實(shí)現(xiàn)PD/A。 添加載體能原地原位使傳統(tǒng)工藝快速富集AAOB, PD/A 應(yīng)用從工程角度分析具有可行性。 通過分析已有PD/A 應(yīng)用的工程案例, 建議未來研究方向從以下幾方面開展: ①復(fù)合污染物條件下PD/A 的響應(yīng)機(jī)制; ②載體特性對AAOB 原位富集及菌群結(jié)構(gòu)的影響; ③PD/A 應(yīng)用的長期穩(wěn)定性分析。