HRT對A/O-BF處理低碳氮比農村生活污水脫氮的影響

凌 宇, 趙遠哲, 王海燕*, 閆國凱, 常 洋, 董偉羊, 儲昭升, 王 歡

1.中國環境科學研究院環境污染控制工程技術研究中心, 北京 100012 2.中國環境科學研究院， 湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室, 北京 100012

我國廣大農村地區缺少完善的污水收集和處理系統，大量未經有效處理的生活污水直接排入河流湖泊中，成為水體氮污染的重要來源之一[1-2]. 由于污水收集系統不完善、雨污分流不徹底等原因，農村生活污水碳氮比(C/N)較低，不能滿足生物脫氮的要求，而在異養反硝化過程中，碳源不足往往是限制其脫氮的主要因素[3].

缺氧/好氧生物濾池(Anoxic/oxic biofilter, A/O-BF)對污(廢)水中氮污染物具有良好的去除效果，且具有較強的抗沖擊性能，廣泛應用于生活污水[4]、二級生化尾水[5]、高鹽廢水[6]和焦化廢水[7]等的脫氮處理. 通過在A/O-BF缺氧段和好氧段分別添加蘆竹和活性炭的方式，構建新型填料A/O-BF來處理低C/N農村生活污水，取得了較好的脫氮效果[8-9]. 空床水力停留時間(HRT)是A/O-BF運行過程中重要的工藝參數，直接影響微生物與基質底物的接觸時間及傳質過程[10]. HRT過短時，系統內微生物難以實現完全的氮轉化過程，系統抗沖擊性能較差，出水水質易超標；HRT過長時，系統處理能力過剩，浪費能源且增加處理成本. 因此，確定合理的HRT對保證A/O-BF良好的污染物去除效能和經濟性具有十分重要的意義.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置為四組有機玻璃材質的A/O-BF小試裝置，其中好氧段直徑0.11 m，布水區高度0.1 m，石英砂承托層0.1 m；缺氧段直徑0.07 m，布水區高度0.1 m，石英砂承托層0.1 m(見圖1)，實際運行中提高缺氧段高程，使出水重力流入好氧段；好氧段填料層用體積比為1∶1的活性炭與礫石混合填充，缺氧段填料層用體積比為3∶1的蘆竹與礫石混合裝填. 石英砂、蘆竹、活性炭和礫石填料的制備參考文獻[8].

注： 1—進水箱；2—提升泵；3—氣體流量計；4—空氣壓縮機；5—回流泵；A—接反沖洗氣泵；B—接自來水作反沖洗水.圖1 A/O-BF試驗裝置Fig.1 A/O-BF experimental set-up

1.2 試驗設計

試驗裝置采用連續流進水，進水流量為0.45 L/h，通過改變柱體側面的出水口位置來調節有效填料層高度，從而改變反應柱的有效容積使其具有不同的HRT. 四組A/O-BF在試驗前均已成功啟動，因此該研究中未報道啟動期數據. HRT的優化試驗分為兩個階段：階段Ⅰ(1～31 d)進行好氧段優化，此時保持缺氧段HRT為6 h，比較好氧段HRT為7、8、9和10 h 時A/O-BF的脫氮效果; 階段Ⅱ(32～74 d)進行缺氧段優化，好氧段采用階段Ⅰ優化出的最佳HRT，比較缺氧段HRT為4、5、6和7 h時A/O-BF的脫氮效果. 整個試驗過程中，保持好氧段氣水比為4∶1，硝化液回流比為200%. 反沖洗每月1次，具體操作步驟如下[11]：好氧段先氣洗3 min，再氣水聯合沖洗4.5 min，最后水洗4 min；缺氧段水洗4 min. 氣沖洗和水沖洗的氣量和水量分別為0.4和22.89 mL/(m2·min).

試驗中采用模擬的低C/N農村生活污水[12](C/N 為1.4～3.0)，通過自來水投加葡萄糖、氯化銨和磷酸二氫鉀來模擬目標水質(見表1)，添加NaHCO3調節進水pH為7～8，保持進水水溫為18～25 ℃.

1.3 分析方法

A/O-BF運行穩定階段，每兩天取一次水樣，進行水質分析. 其中ρ(CODCr)采用哈希試劑檢測法(Hach DRB200, DR1010，美國)測定；ρ(TN)采用TOC測定儀TN測定單元(島津TOC-VCPH，日本)測定；ρ(NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法測定；ρ(NO2--N)和ρ(NO3--N)采用離子色譜儀(DIONEX ICS-1000，美國)測定；pH采用便攜式pH計(Hach PHC10103，美國)測定.

表1 模擬低C/N農村生活污水水質Table 1 The characteristics of the synthetic rural domestic sewage with low carbon to nitrogen ratio mg/L

1.4 高通量分析

在不同HRT條件下系統運行穩定階段，分別在反應器好氧段和缺氧段不同高度處取填料表面的微生物樣本充分混合后進行高通量測序分析[8]. 高通量測序采用MiSeqPE300測序模式，選擇細菌16S rRNA V3～V4區引物338F(引物序列為5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(引物序列為5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對樣品進行測試，再分析得到樣品的菌群結構. 使用上海美吉生物醫藥科技有限公司(上海)的美吉生物云平臺對樣品中優質DNA序列進行篩選并對測序數據進行分析. 所測得DNA數據的NCBI序列編號為SUB7848620(好氧段)和SUB7862529(缺氧段).

圖2 不同HRT條件下A/O-BF對CODCr的去除Fig.2 CODCr removal in A/O-BFs at different HRT conditions

2 結果和討論

2.1 HRT對CODCr去除的影響

不同HRT條件下A/O-BF對水中CODCr的去除影響見圖2. 保持缺氧段HRT為6 h，進行好氧段HRT優化，當進水ρ(CODCr)為(70.44±10.19)mg/L時，4個HRT(7、8、9、10 h)條件下出水ρ(CODCr)分別為(7.82±2.08)(7.48±2.11)(7.85±2.10)和(8.14±3.45)mg/L，去除率分別為89%±3%、89%±3%、89%±4%和88%±6%；保持好氧段HRT為9 h，進行缺氧段HRT優化，當進水ρ(CODCr)為(70.63±15.60)mg/L時，4個HRT (4、5、6、7 h)條件下出水ρ(CODCr)分別為(7.46±1.99)(7.48±2.11)(7.76±2.57)和(7.42±2.63)mg/L，去除率分別為89%±4%、89%±3%、88%±4%和89%±4%. 這說明在好氧段和缺氧段不同的HRT條件下，A/O-BF對CODCr去除率的差別并不大.

A/O-BF對CODCr的去除過程依賴于多種微生物共同完成. 在好氧段，好氧菌利用水中有機物進行細胞增殖和代謝完成對有機物的去除；而在缺氧段，反硝化菌不僅可以利用有機物形成細胞物質，還可以通過反硝化過程將有機物轉化為二氧化碳〔見式(1)〕[13]. A/O-BF中好氧、缺氧環境同時存在使得系統中有豐富的微生物種群，保證了對CODCr良好的去除效果，同時使系統具有較強的穩定性. 隨著HRT的改變，CODCr去除率變化不大，因為無論是好氧段中的碳氧化菌還是缺氧段中的反硝化菌，對有機物的利用速率都很快，在短時間內即可完成對水中CODCr的去除，故當HRT能滿足微生物對有機物的最短利用時間后，再增大HRT并不會顯著增加CODCr的去除. 相反，當HRT過大時，會導致生物膜有機負荷的降低，微生物內源呼吸加重，造成生物膜的脫落和微生物數量的減少，不利于污染物的去除[14].

5CH3OH+6NO3-→3N2+5CO2+7H2O+6OH-

(1)

2.2 HRT對NH4+-N去除的影響

不同HRT條件下A/O-BF對水中NH4+-N的去除影響如圖3所示. 保持缺氧段HRT為6 h，進行好氧段HRT優化，當進水ρ(NH4+-N)為(32.29±4.40)mg/L時，4個HRT(7、8、9、10 h)條件下出水ρ(NH4+-N)分別為(2.32±0.67)(1.36±0.30)(0.31±0.29)和(0.22±0.19)mg/L，去除率分別為93%±3%、96%±1%、99%±1%和99%±1%. 可見NH4+-N去除率隨著好氧段HRT的增加而增加，HRT為9 h時，NH4+-N幾乎被完全去除，故9 h是好氧段NH4+-N去除的最佳HRT. 保持好氧段HRT為9 h，進行缺氧段HRT優化，當進水ρ(NH4+-N)為(32.64±2.99)mg/L時，4個HRT(4、5、6、7 h)條件下出水ρ(NH4+-N)分別為(0.22±0.21)(0.37±0.31)(0.28±0.23)和(0.27±0.28)mg/L，去除率分別為99%±1%、99%±1%、99%±1%和99%±1%，表明缺氧段HRT的變化并不顯著影響系統對NH4+-N的去除.

學習是一種教與學的交互式活動，單純依賴模仿和記憶難以實現有效教學，自主探索、合作交流和動手實踐是學生學習的重要方式。在學生自主探索過程中，教師要根據教學內容和學生心理特征，適時啟發學生，引導學生向知識的深度和廣度探索，使其實現知識的永久掌握，培養學習能力，從而主動愉快地學習。

在上流式A/O-BF中，NH4+-N的去除依賴于好氧段中硝化菌的硝化作用，反應速率相對較緩，當HRT較短時就會造成NH4+-N無法完全去除[15]. 同時，好氧段中曝氣氣流和水流沿著濾池自下而上透過濾料在頂部排出，生物膜外側有機物和DO濃度較高，繁殖速率快的異養菌主要集中在生物膜外側，而好氧自養型的硝化菌主要在生物膜內側[16-17]；DO在向生物膜內部擴散時的氧傳遞效率較低，當HRT不足時，內側的硝化菌無法得到足夠的DO，生長代謝會受到抑制[16]，NH4+-N的去除也會受到影響. 因此當好氧段HRT由7 h增至8 h和9 h時，硝化菌獲得足夠的DO，此時NH4+-N基本完全去除. HRT繼續增加會導致運行成本上升，且HRT為10 h時NH4+-N的去除率與9 h相比并無明顯變化，所以好氧段運行的最佳HRT為9 h. 丁紹蘭等[18]在優化核桃殼-沸石曝氣生物濾池的最佳運行工藝參數時發現，當平均進水ρ(NH4+-N)為30 mg/L、氣水比為6∶1、HRT為9 h時，系統對NH4+-N的去除率最高(83.16%)，這與該研究結果一致.

圖3 不同HRT條件下A/O-BF對NH4+-N的去除Fig.3 NH4+-N removal in A/O-BFs at different HRT conditions

2.3 HRT對TN去除的影響

不同HRT條件下A/O-BF對水中TN的去除影響見圖4. 保持缺氧段HRT為6 h，進行好氧段HRT優化，4個HRT(7、8、9、10 h)條件下，當進水ρ(TN)為(32.50±5.31)mg/L時，A/O-BF出水ρ(TN)分別為(10.79±0.86)(9.69±0.91)(7.96±0.56)和(7.90±1.04)mg/L，去除率分別為66%±6%、70%±5%、75%±5%和75%±5%. 系統對TN的去除率在好氧段HRT為7～9 h時逐漸升高，當達到9 h后，再增加HRT并不能使TN的去除率進一步提高. 在這4個HRT條件下，A/O-BF出水中的ρ(NO2--N)均極低(<0.5 mg/L)，ρ(NO3--N)分別為(7.12±1.24)(7.78±1.18)(7.77±0.87)和(7.56±0.94)mg/L，差別并不顯著. 在A/O-BF中，好氧段不能單獨完成對于TN的去除，水中NH4+-N必須先通過好氧段中的硝化菌將NH4+-N轉化為NOx--N(NO2--N和NO3--N)，然后通過硝化液回流至缺氧段，通過微生物反硝化作用將NOx--N轉化為氮氣排出，從而完成對于TN的去除. 因此，好氧段HRT主要影響硝化菌對NH4+-N的轉化程度，使得進入反硝化段的NOx--N含量不同，NOx--N作為反硝化過程的電子受體，其含量多少直接影響缺氧段中微生物反硝化過程，最終使得TN的去除產生差異[15].

保持好氧段HRT為9 h，進行缺氧段HRT優化，由圖4可知：當進水ρ(TN)為(33.79±2.98)mg/L時，4個HRT(4、5、6、7 h)條件下出水ρ(TN)分別為(13.77±2.16)(8.84±1.22)(7.32±1.15)和(8.51±0.98)mg/L，去除率分別為59%±7%、74%±5%、78%±4%和75%±4%. 在HRT為4、5、6 h時，TN去除率逐漸增加，這是因為增大HRT可延長反硝化菌與NOx--N的接觸時間使反硝化過程進行的更為徹底. 但當HRT增至7 h時，TN去除率不僅沒有增加反而稍微下降，這一方面可能是因為當HRT過長時，水中有機物負荷降低，反硝化菌缺乏足夠的電子供體導致反硝化過程被抑制；另一方面也可能是因為有機物含量的降低使得生物膜的活性降低甚至導致部分生物膜脫落，減少了系統中的微生物量，最終影響了系統脫氮[14].

綜上，好氧段和缺氧段HRT的變化對水中TN去除影響的機理不同，但二者又相互影響. 因此在實際操作中，只有兩段都采用最合理的HRT才能取得最佳的脫氮效果. 綜合2.1～2.3節的研究結果，確定A/O-BF脫氮過程中好氧段和缺氧段的最佳HRT分別為9和6 h. 此時，好氧段和缺氧段對TN的去除率分別為75%±5%和78%±4%，A/O-BF的TN去除率為0.033～0.054 kg/(m3·d).

圖4 不同HRT條件下A/O-BF對TN的去除效果Fig.4 TN removal in A/O-BFs at different HRT conditions

2.4 HRT對填料表面微生物群落結構的影響

2.4.1好氧段中填料表面微生物群落結構

不同HRT條件下好氧段填料表面微生物群落多樣性指數見表2，在HRT為7、8、9和10 h時，Good′s Coverage指數相近，均大于0.990，表明所鑒定序列對系統中微生物多樣性具有顯著代表性[19]；在HRT為9 h時，Shannon-Wiener指數、ACE指數和Chao 1指數最大，Simpson指數最小，表明HRT為9 h時微生物群落多樣性最為豐富[20].

不同HRT條件下好氧段中填料表面微生物群落分布如圖5所示. 由圖5(a)可知：在好氧段HRT為7 h時，微生物主要由變形菌門(Proteobacteria)(占比為49.36%)、綠彎菌門(Chloroflexi)(占比為15.37%)、放線菌門(Actinobacteria)(占比為10.37%)和厚壁菌門(Firmicutes)(占比為6.28%)組成；HRT為8 h時，變形菌門(占比為42.23%)、綠彎菌門(占比為19.68%)、放線菌門(占比為11.60%)和擬桿菌門(Bacteroidetes)(占比為6.45%)是優勢菌門；HRT為9 h時，變形菌門(占比為54.06%)、綠彎菌門(占比為11.45%)、放線菌門(占比為8.85%)和硝化螺旋菌門(Nitrospirae)(占比為8.52%)為優勢菌門；HRT為10時，變形菌門(占比為30.57%)、綠彎菌門(占比為15.84%)、擬桿菌門(占比為10.30%)和放線菌門(占比為9.47%)為優勢菌門. 可見，好氧段不同HRT條件下細菌的種群分布有所差異，但總體而言，4種HRT條件下變形菌門、綠彎菌門和放線菌門都是優勢種群，此三類細菌門類之和在總細菌門類中的占比分別為75.10%(HRT=7)、73.51%(HRT=8)、74.36%(HRT=9)和55.88%(HRT=10). 也有研究[21-22]發現污(廢)水生物處理中的硝化細菌主要屬于硝化螺旋菌門和變形菌門. 當HRT為9 h時，填料表面變形菌門和硝化螺旋菌門的占比均最大(分別為54.06%和8.52%)；而當HRT為7和8 h時，變形菌門(分別為49.36%和42.23%)占比略小于HRT為9 h(54.06%)時；但當HRT為10 h時，變形菌門的占比有明顯的降低(30.57%)；硝化螺旋菌門的占比在HRT為7、8和9 h 時明顯上升，分別為2.51%、4.31%和8.52%，但隨著HRT繼續增至10 h時，其占比反而有一些降低(6.99%). 這表明在一定范圍內增大HRT有利于硝化細菌的生長，但當HRT過大時，將會對硝化細菌產生不利影響，可能是因為NH4+-N負荷隨著HRT增大而降低，低的NH4+-N負荷不利于硝化菌生長，使得硝化菌數量減少[23].

表2 不同HRT條件下A/O-BF填料表面微生物群落多樣性指數Table 2 Alpha diversity analysis for biofilm samples on the surface of filter media in A/O-BFs at different HRT conditions

圖5 好氧段不同HRT條件下填料表面微生物組成和多樣性分析Fig.5 Microbial community diversity and its composition on the surface of filter media in oxic columns at different HRT conditions

由圖5(b)可知：當好氧段HRT為7 h時，生物膜中亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌屬(Nitrospira)的占比分別為2.12%和2.49%；HRT為8 h 時，兩種菌屬的占比分別為3.11%和4.28%；HRT為9 h時，兩種菌屬占比分別為2.94%和8.48%；HRT為10 h時，兩種菌屬的占比分別為0.67%和6.97%. 亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬是污(廢)水處理中氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌的主要菌屬，在硝化過程中起關鍵作用[24-26]，這兩種菌屬的占比越大預示著系統的硝化能力越強. 在HRT為7、8和9 h時，亞硝化單胞菌屬的占比均先增后減，但變幅不大，三者幾乎處于同一水平；硝化螺旋菌屬的占比隨著HRT增大而增加，并呈倍數增長態勢；這兩種菌屬占比之和分別為4.61%(HRT=7 h)、7.39%(HRT=8 h)和11.42%(HRT=9 h)，隨著HRT的增大有較大程度的增加. 然而，當HRT繼續增至10 h時，兩種菌屬的占比與HRT為9 h時相比分別降低了2.27%(亞硝化單胞菌屬)和1.51%(硝化螺旋菌屬)，兩種菌屬占比之和也降至7.64%. 此時，亞硝化單胞菌屬的占比極低(0.67%)，這很有可能影響NH4+-N轉化為NO2--N的過程，進而影響整個硝化過程的進行. 上述結果表明，在HRT小于9 h時，增大HRT有助于硝化細菌的生長，但當HRT大于9 h后，繼續增大HRT不僅不能促進硝化菌的生長還會減少硝化菌在生物膜中的分布，影響NH4+-N轉化，故9 h是好氧段的最佳HRT. 亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬的變化結果與2.2節中NH4+-N的去除率隨HRT的變化結果相一致.

2.4.2缺氧段中填料表面微生物群落結構

不同HRT條件下缺氧段填料表面微生物群落多樣性指數見表2. 由表2可見：缺氧段4種HRT (4、5、6、7 h)條件下的微生物種群 Good′s Coverage指數相近，均大于0.990；在HRT為6 h時，Shannon-Wiener指數、ACE指數和Chao 1指數最大，Simpson指數最小，表明HRT為6 h時微生物群落多樣性最為豐富.

圖6 缺氧段不同HRT條件下填料表面微生物組成和多樣性分析Fig.6 Microbial community diversity and its composition on the surface of filter media in anoxic columns at different HRT conditions

不同HRT條件下缺氧段填料表面微生物群落分布如圖6所示. 由圖6(a)可知：HRT為4 h時，變形菌門(占比為43.78%)、擬桿菌門(占比為17.05%)、綠彎菌門(占比為12.27%)和厚壁菌門(占比為11.89%)為缺氧段微生物群落的主要細菌門類；HRT為5 h時，變形菌門(占比為34.30%)、綠彎菌門(占比為24.35%)、擬桿菌門(占比為14.13%)和放線菌門(占比為5.70%)為主要菌門；當HRT為6和7 h時，主要細菌門類均為變形菌門(占比分別為60.99%和32.34%)、綠彎菌門(占比分別為14.11%和28.83%)、擬桿菌門(占比分別為8.16%和10.84%)和放線菌門(占比分別為4.42%和8.36%). 整體來看，不同HRT使得細菌豐度發生了變化，但細菌種類均以變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、綠彎菌門和厚壁菌門為主. 上述菌門是實際污(廢)水微生物反硝化脫氮過程中主要涉及的細菌門類[27-31].2.3節中TN去除率在HRT為4、5、6 h時逐漸增大，但當HRT增至7 h時，TN去除率不僅沒有增加反而稍微下降. 在HRT為6 h時，系統中變形菌門的占比遠高于HRT為4、5、6時，且這3種HRT下變形菌門占比無明顯差異，表明系統中參與脫氮的微生物可能主要屬于變形菌門.

從圖6(b)可知：缺氧段HRT為4 h時，不動桿菌屬(Acinetobacter)(占比為18.12%)、綠菌屬(Chlorobium)(占比為11.51%)和Trichococcus(占比為7.40%)的豐度最高；HRT為5 h時，JG30-KF-CM45(占比為9.86%)、Haliangium(占比為8.62%)和暖繩菌屬(Caldilinea)(占比為5.59%)是缺氧段的優勢菌屬；HRT為6 h時，缺氧段的優勢菌屬為JG30-KF-CM45(占比為8.78%)、暖繩菌屬(占比為5.87%)和Denitratisoma(占比為5.83%)；HRT為7 h時，缺氧段的優勢菌屬為不動桿菌屬(占比為35.84%)、腸桿菌屬(Enterobacter)(占比為5.44%)和暖繩菌屬(占比為3.92%). 其中不動桿菌屬、綠菌屬和暖繩菌屬都被證實有一定的脫氮能力，但在生物脫氮過程中的貢獻并不大[32-36].Denitratisoma為變形菌門的異養菌屬，具有反硝化脫氮能力，被多數學者認為是生物反硝化脫氮過程中的主要參與者[37-38]，因此，其豐度占比的大小最能反映整個系統的脫氮能力. 在HRT為4、5、6和7 h時，Denitratisoma的占比分別為0.81%、2.90%、5.83%、3.27%，說明HRT由4 h增至6 h的過程中，微生物系統的反硝化脫氮能力在逐漸增強，因此在一定范圍內增大HRT有利于提高A/O-BF的脫氮效果. HRT繼續增至7 h時，Denitratisoma的占比有了一些下降，表明該HRT條件不利于反硝化菌的生長，可能是因為過長的HRT會顯著降低水中氮和有機物的負荷，破壞了反硝化菌最適的生存環境，使得內源呼吸作用加劇，致使其豐度下降. 綜上，不能通過無限制地增加HRT來強化脫氮，6 h是缺氧段最佳的HRT，這與2.3節所得結果一致.

3 結論

a) A/O-BF對CODCr有較好的去除效果，在好氧段和缺氧段進水ρ(CODCr)分別為(70.44±10.19)和(70.63±15.60)mg/L，改變各工段HRT時，A/O-BF對CODCr的去除率仍在88%以上.

b) 在進水ρ(NH4+-N)和ρ(TN)分別為(32.50±5.31)和(32.29±4.40)mg/L、好氧段HRT為7、8、9和10 h時，A/O-BF對二者的平均去除率分別為93%、96%、99%、99%和66%、70%、75%、75%；在進水ρ(NH4+-N)和ρ(TN)分別為(32.64±2.99)和(33.79±2.98)mg/L、缺氧段HRT為4、5、6和7 h時，A/O-BF對二者的平均去除率分別為99%、99%、99%、99%和59%、74%、78%、75%. 這表明HRT會影響微生物與底物接觸時間和傳質過程，從而導致脫氮效果差異. 在A/O-BF運行過程中，好氧段和缺氧段最佳HRT分別為9和6 h.

c) 高通量測序結果表明：好氧段中硝化過程的關鍵菌屬為亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌屬(Nitrospira)，在HRT為9 h時兩種菌屬的占比為11.42%，明顯高于7 h(4.61%)、8 h(7.39%)和10 h(7.64%)；缺氧段中反硝化過程的主要菌屬為Denitratisoma，在HRT為6 h時其占比為5.83%，明顯高于4 h(0.81%)、5 h(2.90%)和7 h(3.27%)，這與A/O-BF運行結果一致.