不同水平低水量運行對AAO工藝的影響

韓小蒙，白海梅，李明杰，馬 艷，宋姍姍

(1. 上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司，上海 200082； 2. 上海城投水務工程項目管理有限公司，上海 201103)

竹園污水片區是上海市中心城區的3大污水片區之一，服務面積約為335 km2，規劃服務人口為590萬～610萬人。目前，竹園污水片區的末端處理廠包括竹園第一污水處理廠、竹園第二污水處理廠和升級補量工程，設計規模總量為220萬m3/d[1-2]。根據《水污染防治行動計劃》和《上海市水污染防治行動計劃實施方案》的要求，為進一步提高城鎮污水處理能力及水平，上海市規劃新建了設計規模為120萬m3/d的竹園污水處理廠四期工程。竹園四期工程設曝氣沉砂池，主體生物處理段為厭氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic-oxic, AAO)工藝，去除有機物的同時可脫氮除磷；平流式二沉池具有布置緊湊、水力條件較好的優點；深度處理段為帶污泥回流的高效沉淀池加V型濾池，以進一步去除顆粒物和總磷(TP)；尾水經過輔助次氯酸鈉的紫外消毒后排放。

由于竹園污水片區內合流制、分流制排水系統并存，降雨時部分雨水也進入末端處理廠，因此，進水量存在較大程度的波動。近年數據統計結果顯示，竹園污水片區總進水量可達到188萬～461萬m3/d。同時，結合竹園第一、第二污水處理廠和升級補量工程的現有運行模式，計算得到竹園污水處理廠四期工程建成后高頻進水量為36萬～108萬m3/d，即實際進水量可能長期處于設計規模的30%～90%。

為明確竹園四期工程在低進水量下AAO生物段的運行情況，本研究設置了進水量為設計規模40%和70%的兩組平行運行中試反應器，以模擬竹園四期工程的典型工況。考察了這兩組反應器在長期運行過程中對污染物的去除效果和污泥性質，為竹園四期工程和竹園片區的水量調度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 中試反應器設計和運行參數

本研究構建了2套平行運行的AAO中試反應器，進水為竹園片區污水，經過生物段處理和二沉池后出水。由于竹園四期工程的主體生物處理工藝為AAO工藝，總水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)為15.5 h。因此，中試反應器的生物段包括了厭氧池、缺氧池和好氧池3部分，工藝流程如圖1所示。設計HRT分別為2.8、3.3、9.4 h，總HRT為15.5 h，相應的進水流量為0.8 m3/h。低流量組按設計進水量的40%運行，即厭氧池、缺氧池和好氧池的HRT分別為7.0、8.2、23.2 h，總HRT為38.4 h；高流量組按設計進水量的70%運行，3段的HRT分別為4.0、4.7、13.3 h，總HRT為22.0 h。

圖1 AAO中試裝置工藝流程圖Fig.1 Flow Diagram of Pilot-Scale AAO Reactor

兩組AAO反應器的外回流比為100%，內回流比為400%。低流量組和高流量組的豎流式二沉池表面水力負荷分別為0.31、0.55 m3/(m2·h)。由于進水量偏低，低流量組污泥齡延長至約35 d，高流量組污泥齡延長至約25 d。反應器接種污泥為上海城市污水廠曝氣池污泥，待污泥基本達到穩定狀態后開始進行水質測試和污泥性質測試。

在2020年9月—11月的53 d運行過程中，進水化學需氧量(COD)平均質量濃度為(201±46)mg/L，進水氨氮平均質量濃度為(22.0±7.7)mg/L，進水總氮(TN)平均質量濃度為(28.8±46)mg/L，進水TP平均質量濃度為(4.1±1.0)mg/L。在試驗周期中，曝氣池內污泥溫度為14～35 ℃，低流量組好氧池、缺氧池和厭氧池的溶解氧(DO)質量濃度分別為8、0.5、0.2 mg/L，高流量組的分別為0.8、0.19、0.12 mg/L。

1.2 水質測試方法

兩組AAO反應器進、出水的COD、TN、氨氮、TP濃度使用標準方法進行測定[3]。

1.3 污泥性質測試方法

活性污泥的混合液懸浮固體(mixed liquid suspended solids, MLSS)濃度和混合液揮發性懸浮固體(mixed liquid volatile suspended solids, MLVSS)濃度使用標準方法進行測試[3]。

污泥體積指數(sludge volume index, SVI)為1 L曝氣池污泥樣品沉淀30 min后，泥水分界面對應的體積讀數(mL)除以MLSS質量濃度(g/L)。

污泥粒徑使用激光粒度儀(Mastersizer 3000, Malvern)進行測試。

污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substa-nces, EPS)使用加熱方法提取，蛋白質濃度使用BCA蛋白質濃度試劑盒(P0010, 碧云天)進行測試。

耗氧速率(oxygen uptake rate, OUR)測試為取AAO反應器的好氧池污泥150 mL，靜沉去除上清液后，使用0.05% NaCl溶液洗泥2次，最終加入0.05% NaCl溶液使樣品體積仍為150 mL。將污泥樣品置于錐形瓶中，使用曝氣器向污泥充氧，當DO質量濃度達到7.5 mg/L后停止曝氣。當測試內源OUR時，直接插入溶解氧儀探頭并密封，間隔30 s記錄DO讀數；當測試外源OUR時，加入乙酸鈉溶液使混合液中乙酸鈉質量濃度為100 mg/L，然后插入溶解氧儀探頭并密封，間隔30 s記錄DO讀數[4]。最終對DO值和時間進行線性擬合，斜率為污泥樣品的OUR。

比耗氧速率(Specific oxygen uptake rate, SOUR)為OUR除以MLVSS的計算值。

8月20日，由雷邦斯生物技術（北京）有限公司及雷邦斯集團成員企業愛必施農業技術（北京）有限公司主辦、中國農資傳媒獨家策劃的世界橙油共享發布會暨微生物工藝提取活性腐殖酸發布會在北京舉行，雷邦斯生物技術（北京）有限公司總經理冉峰、常務副總經理褚暉，雷邦斯集團企業、合作伙伴及多家行業媒體代表等出席活動。發布會上，與會嘉賓就橙油的應用與發展、微生物工藝提取活性腐殖酸的工藝和應用優勢等內容進行了分享和交流。

1.4 污泥微生物多樣性測試方法

本研究使用高通量測序平臺 Hiseq對高流量組和低流量組的曝氣池污泥進行16S rDNA測序，步驟如下。首先使用試劑盒提取DNA，并利用NanoDrop One 檢測DNA 的濃度和純度。以基因組DNA 為模板，選擇16S V4區引物(515F 和806R)，使用帶barcode的引物及Premix Taq(TaKaRa)進行PCR 擴增。PCR擴增過程包括：①94 ℃保持5 min；②94 ℃保持30 s，52 ℃保持30 s，72 ℃保持30 s；③步驟②循環30次；④72 ℃保持10 min；⑤保存在4 ℃下。用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR 產物的片段長度和濃度，主帶長度在正常范圍內的樣品可用于進一步的試驗。PCR純化后使用Illumina Hiseq2500平臺對構建的擴增子文庫進行測序。使用Trimmomatic、FLASH、Mothur等軟件對測序數據進行質量過濾和拼接等操作，得到最終測序結果。

2 結果與討論

2.1 AAO反應器進出水水質

2.1.1 COD去除情況

由圖2可知，在約2倍污泥齡的運行周期中，低流量(low-flow-rate,LFR)組和高流量(high-flow-rate,HFR)組的出水CODCr質量濃度均穩定低于50 mg/L，達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。低流量組出水CODCr質量濃度均值為(18±5)mg/L，高流量組出水CODCr質量濃度均值為(17±4)mg/L，去除率約為91%。劉新超等[5]和凌宇等[6]的研究也顯示了近似的結果，當HRT滿足去除有機物所需的最短時間后，延長總HRT對COD的去除無明顯影響。結合污泥濃度可知，低流量組和高流量組的污泥負荷僅為0.107 kg COD/(kg MLSS·d)和0.066 kg COD/(kg MLSS·d)，均處于較低水平，因此，兩組對COD均有良好的去除效果。

圖2 低流量組和高流量組的進出水CODCr濃度Fig.2 CODCr Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

2.1.2 氮去除情況

如圖3所示，低流量組出水氨氮雖然發生了小幅波動，但是在運行周期中始終低于2 mg/L,高流量組出水氨氮穩定低于1 mg/L,因此，總體上可以穩定達到一級A標準。這反映了當AAO裝置長期處于低水平進水量時，可以具有較好的硝化效果。這一方面是由于本研究延長了污泥齡，有利于硝化菌生長；另一方面低流量組和高流量組的好氧池HRT長達23.2 h和13.3 h，硝化菌可以進行較為充分的硝化反應[6]。

圖3 低流量組和高流量組的進出水氨氮濃度Fig.3 Ammonia Nitrogen Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

由圖4可知，高流量組出水TN質量濃度穩定低于15 mg/L，低流量組出水TN存在一定波動，在第15～21 d中超過了15 mg/L，其他時候均滿足一級A標準。低流量組和高流量組出水TN平均質量濃度分別為(12.9±2.3)、(10.4±1.9)mg/L。低流量組出水TN濃度略高的原因可能是反應器單位體積的有機物負荷低于高流量組，存在反硝化碳源不足的問題，因此，低流量組反硝化能力下降[7]。

圖4 低流量組和高流量組的進出水TN濃度Fig.4 TN Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

在運行周期中，進水TP有上升趨勢，相應的低流量組和高流量組出水TP也有所上升，而且基本高于0.5 mg/L，無法達到一級A標準。低流量組出水TP平均質量濃度為(1.6±0.7)mg/L，略低于高流量組[(1.8±0.6)mg/L]。因此，建議對二沉池出水進行混凝沉淀和過濾的深度處理，例如高效混凝沉淀池與V型濾池聯用，通過化學除磷達到排放標準。結合圖5以及聚磷菌和反硝化菌對碳源的競爭關系分析[8]，推測在低流量組中聚磷菌占據優勢，因此，除磷效果略優；在高流量組中反硝化菌占據優勢，因此，脫氮效果較好。

圖5 低流量組和高流量組的進出水TP濃度Fig.5 TP Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

2.2 AAO反應器污泥性質

2.2.1 污泥濃度和SVI值

低流量組和高流量組的MLSS質量濃度分別為(1.1±0.7)、(3.5±1.1)g/L，MLVSS質量濃度分別為(0.6±0.3)、(1.9±0.6)g/L。這可能是因為低流量組HRT過長，污泥長期處于超低負荷狀態，因此，MLSS和MLVSS濃度無法維持正常水平。低流量組和高流量組的SVI分別為(68±11)、(92±19)mL/g，低流量組的SVI同樣處于偏低范圍。這反映了AAO反應器長期處于設計規模的40%低進水量時，可能給污泥性質帶來不利影響。

2.2.2 污泥粒徑

污泥結構受到進水條件影響，同時與AAO反應器運行效果有關，因此，本研究測試了低流量組和高流量組的污泥粒徑分布。由圖6可知，兩組反應器的污泥顆粒大部分集中在200 μm以下，且總體上低流量組污泥粒徑高于高流量組。提取兩組污泥樣品的EPS并測試其蛋白質濃度，發現低流量組和高流量組EPS中蛋白質質量濃度分別為8.9、17.9 mg/g。研究同樣顯示，提高進水有機物負荷會使EPS含量升高[9-10]，同時，李振亮等[11]和陳翰[12]認為，EPS可以提升污泥絮凝效果，這是因為EPS中的蛋白質可以提高細菌表面疏水性并且降低表面電荷，從而降低靜電排斥并促進污泥絮體聚集。由此推測，本研究中高流量組的較高負荷使得污泥EPS含量更高，并且污泥絮體團聚從而粒徑變小。

圖6 低流量組和高流量組的污泥粒徑Fig.6 Particle Size Distribution of Sludge in LFR and HFR Reactor

2.2.3 污泥活性

為進一步明晰低流量組和高流量組的污泥活性差異，本研究對兩組曝氣池污泥樣品的OUR和SOUR進行了測試。由圖7(a)可知，高流量組內源呼吸OUR略高于低流量組，當加入乙酸鈉后，外源呼吸OUR達到了0.426 mg/(L·min)，遠遠高于低流量組的0.084 mg/(L·min)。這反映了高流量組單位體積污泥的活性高于低流量組，其原因可能是低流量組長期處于超低負荷狀態，因此，單位體積污泥活性偏低[13-14]。由圖7(b)可知，低流量組和高流量組的SOUR對比與OUR完全相反，即低流量組的內源呼吸和外源呼吸SOUR均高于高流量組。推測這可能是在長期運行過程中，低流量組單位質量污泥承擔的有機物負荷為0.107 kg COD/(kg MLSS·d)，高于高流量組的0.066 kg COD/(kg MLSS·d)，因此，低流量組污泥的SOUR高于高流量組。

圖7 低流量組和高流量組污泥對比 (a)OUR; (b)SOURFig.7 Comparison of Sludge in LFR and HFR Reactor (a) OUR; (b) SOUR

2.3 AAO反應器污泥菌群分析

為深入闡明不同水平低水量運行對AAO反應器活性污泥系統的影響，本研究對低流量組和高流量組的活性污泥細菌菌群進行了測試。表1為部分與反應器運行效果有關的細菌在“屬”水平上的相對豐度。曾薇等[15]研究表明，Nitrosomonas(亞硝化單胞菌屬)和Nitrospira(硝化螺旋菌屬)分別是典型的氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)，同時，Pseudomonas(假單胞菌屬)也具有硝化功能[16]。

表1 低流量組和高流量組部分菌屬的相對豐度及功能Tab.1 Relative Abundance and Function of Some Genus in LFR and HFR Reactor

低流量組亞硝化單胞菌屬和假單胞菌屬的相對豐度高于高流量組，而硝化螺旋菌屬的相對豐度低于高流量組。推測整體上兩組污泥的硝化效率接近，并且均具有較長的HRT，因此，出水氨氮濃度均較低。Dechloromonas、Terrimonas(發菌屬)、Thauera(陶厄氏菌屬)和Hyphomicrobium(生絲微菌屬)可以發揮反硝化作用[17-19]。雖然上述4種菌屬的相對豐度在低流量組中高于高流量組，但是可能低流量組的污泥MLSS濃度和有機物負荷低于高流量組，不利于反應器進行充分的反硝化，因此，低流量組的出水TN平均濃度略高于高流量組。低流量組Azospira(固氮螺菌屬)和Thiothrix(絲硫菌屬)的相對豐度高于高流量組，絲硫菌屬為絲狀菌，固氮螺菌屬也與污泥膨脹有關[20]，因此，推測低流量組中這2種菌屬相對豐度較高可能是其污泥粒徑高于高流量組的原因之一。

3 結論

低流量組和高流量組出水COD和氨氮濃度均能穩定達到一級A標準；高流量組出水TN濃度能穩定達到一級A標準，低流量組出水TN濃度基本達到一級A標準，且低流量組出水TN濃度平均值高于高流量組；低流量組和高流量組出水TP濃度均無法達到一級A標準，建議對二沉池出水進行混凝沉淀和過濾的深度處理，通過化學除磷達到排放標準。

考察兩組污泥性質和菌群，發現低流量組污泥的MLSS、MLVSS和SVI低于高流量組，MLSS質量濃度為(1.1±0.7)g/L，SVI為(68±11)mL/g，均低于正常值；單位體積污泥的外源呼吸OUR為0.084 mg/(L·min)，遠低于高流量組的0.426 mg/(L·min)；且低流量組的部分絲狀菌相對豐度高于高流量組，這可能是其污泥絮體粒徑較大的原因之一。因此，推測AAO反應器的進水量長期處于40%設計規模時，對污泥性質可能產生不利影響。建議竹園片區污水廠應通過總進水調度，協調各廠進水量，盡量避免某廠長期在極低進水量下運行。此外，還可通過例如減少曝氣量、降低內回流量等工藝參數調整[21-22]，提高AAO段在低水量運行時的處理效果。