低溫下分段進水多級A/O工藝脫氮規(guī)律分析

邊德軍，李清哲，王 帆，艾勝書，聶澤兵，王 寧

(1.長春工程學(xué)院水利與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130012；2.吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012；3.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林 長春 130117)

0 引言

如何克服低溫對脫氮的影響是污水生物脫氮過程中亟待解決的難題，低溫環(huán)境降低了生化系統(tǒng)微生物的活性，顯著影響硝化菌、反硝化菌的生命活動[1-2].楊小麗等[3]研究發(fā)現(xiàn)，溫度每降低1℃，硝化菌比增長速率和反硝化速率分別降低10%和9%；李桂平等[4]的研究表明，脫氮菌適宜溫度為30℃，隨著溫度的降低，反硝化速度明顯受到抑制，當溫度低于5℃時，反硝化作用停止.此外，近來由于污水污染物結(jié)構(gòu)的改變[5]，傳統(tǒng)的生化工藝往往因反硝化碳源不足而難以進一步提高脫氮效率.受低溫的影響，我國北方污水處理廠在冬季面臨嚴重的出水總氮(TN)超標問題，嚴重影響了污水處理廠的正常運行，危害水環(huán)境.因此，研究高效的低溫脫氮工藝意義重大.

多級A/O工藝是目前應(yīng)用較多，具有高效脫氮除磷功能的污水處理工藝[6].其具有生物量豐富、負荷均衡、能耗低等優(yōu)點[7-8].此外，碳源不足是低溫污水脫氮效率低的主要原因之一，而多級A/O工藝污水分段加入各級缺氧段，根據(jù)水質(zhì)條件靈活調(diào)整進水流量分配比，操作性較強，為反硝化菌提供了充足的碳源[9]，提高了TN去除效率，有效降低了低溫對脫氮的影響.

近年來，關(guān)于分段進水多級A/O工藝處理效能及綜述的研究較多，而有關(guān)低溫下裝置內(nèi)TN沿程轉(zhuǎn)化及各隔室對TN去除情況的研究較少.此外，針對低溫下的反硝化以及好氧反硝化作用研究證實，低溫條件下生物處理系統(tǒng)仍可獲得良好的反硝化效果，而關(guān)于低碳源以及低溫硝化對系統(tǒng)脫氮的復(fù)合影響機理研究則處于空白[10].為此，本文研究了分段進水多級A/O工藝處理低溫(10±0.5)℃污水的脫氮效能，探究了低碳源以及低溫硝化對多級A/O工藝脫氮的影響機理，以為北方寒冷冬季城市污水處理廠TN達標排放、運行管理等問題提供幫助.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

研究采用的實驗裝置為三級分段進水多級A/O反應(yīng)器(見圖1)，由有機玻璃板制成，長×寬×高為60 cm×60 cm×40 cm，有效容積126 L.好氧池與缺氧池體積比為1∶1，且各級好氧池、缺氧池沿池長方向設(shè)置，分別記為AX1、AX2、OX1、OX2，共4個格室.其中A，O表示厭氧池和好氧池；X為級數(shù)，本實驗中X為1，2，3.缺氧、好氧池底部擋板設(shè)有過流孔進行連通.沉淀池為豎流沉淀池，中心管進水、上部溢流堰排水，剩余污泥從底部排空管定期排放.采用蠕動泵分別輸送原水至各級缺氧池并控制污泥回流，且污泥回流至一級缺氧池.曝氣區(qū)采用空氣壓縮機為系統(tǒng)好氧格室供氣，通過空氣流量計控制曝氣量.采用機械攪拌方式對缺氧區(qū)進行攪拌.

圖1 分段進水多級A/O工藝流程圖

1.2 接種污泥與實驗水質(zhì)

接種污泥取自長春市某污水處理廠二沉池，持續(xù)曝氣恢復(fù)活性后均勻加入到各級A，O池中，初始污泥質(zhì)量濃度約為5 000 mg/L.原水采用人工自配的模擬城市污水，以淀粉、乙酸鈉為主要碳源，相應(yīng)投加量為80.32，121.56 mg/L；以氯化銨和磷酸二氫鉀為氮源和磷源，具體投加量分別為75.37，52.68 mg/L，并添加適量的牛肉膏、蛋白胨為有機氮源與難降解有機物，具體水質(zhì)指標見表1.

表1 進水水質(zhì) mg/L

1.3 工藝運行參數(shù)

根據(jù)實際操作條件及工程應(yīng)用要求實驗采用三級分段進水方式，整套實驗裝置置于9.5℃～11.5℃的低溫環(huán)境模擬運行，通過調(diào)節(jié)室溫控制水溫在(10±0.5)℃，進水C/N比為7～9，三級缺氧區(qū)進水流量分配比為5∶4∶4，裝置進水流量為378 L/d，水力停留時間(Hydraulic retention time，HRT)為8 h，污泥齡控制在40 d左右，污泥回流比為50%.

1.4 MLSS及DO分布

系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，裝置內(nèi)污泥濃度及溶解氧分布見圖2.各級MLSS平均質(zhì)量濃度分別為6 668.5，4 650.5，3 732.5 mg/L，污泥濃度呈梯度分布逐級降低，與孫月鵬等[11]的研究結(jié)果類似.各級好氧池溶解氧平均質(zhì)量濃度分別為1.16，4.77，4.29 mg/L，后兩級好氧池溶解氧濃度較高；各級缺氧區(qū)平均溶解氧濃度均為0，滿足缺氧反硝化要求.

1.5 分析方法

測定各級缺氧、好氧池內(nèi)混合液硝化反硝化速率：取各級缺氧池、好氧池混合液2 L，靜沉30 min后棄去上清液，加入二沉池出水至原始體積2 L.人工添加氯化銨/硝酸鉀試劑，使好氧、缺氧的混合液氨氮、硝氮質(zhì)量濃度分別為35.8，26 mg/L，并保持溶解氧濃度分別為2～4，0～0.5 mg/L條件下間隔取樣.

圖2 MLSS/DO沿程變化

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物質(zhì)的去除效果分析

2.1.1 COD的去除

實驗期間控制水溫為(10±0.5)℃，分段進水多級A/O工藝COD去除情況如圖3所示.

圖3 COD去除效果

由圖3可見，進水COD質(zhì)量濃度為180～280 mg/L，出水COD濃度維持在35 mg/L以下.分段進水使系統(tǒng)對COD濃度變化具有良好的抗沖擊負荷能力，實驗期間COD平均去除率為88.4%.低溫條件下污水以流量分配比例為5∶4∶4加入各級缺氧池中，大部分易降解有機物被反硝化菌攝取利用，反硝化去除了前一級好氧池產(chǎn)生的硝氮，剩余碳源可被好氧池內(nèi)同步硝化反硝化過程進一步利用，使COD去除較徹底，出水COD濃度穩(wěn)定維持在35 mg/L以下.

2.1.2 氮的轉(zhuǎn)化及去除

2.2 各污染物沿程變化分析

2.2.1 COD的沿程變化

裝置內(nèi)COD沿程變化情況如圖5(a)所示.原水進入實驗裝置各級缺氧池后，COD濃度迅速降低至50 mg/L以下，分析原因：一是裝置內(nèi)整體處于推流式狀態(tài)，原水加入混合液中存在稀釋效應(yīng)；二是裝置內(nèi)的易降解有機物被反硝化菌迅速攝取，用于還原回流污泥與上一級好氧段產(chǎn)生的硝酸鹽氮，同時分段進水模式有利于碳源的合理分配，彌補了碳源不足導(dǎo)致的脫氮效果差的現(xiàn)象，進而降低了出水COD值.當缺氧段有大量有機物剩余時，會造成異養(yǎng)菌繁殖，與反硝化菌產(chǎn)生競爭作用，限制反硝化菌的生長，降低脫氮效率.在本實驗中，低溫異養(yǎng)菌繁殖得到了很好的控制，缺氧池內(nèi)及進水COD中并無剩余，原水中易降解有機物在缺氧池內(nèi)被反硝化菌快速利用，僅剩余少量難降解有機物進入下一級好氧區(qū).

TN在三級缺氧段均有明顯下降，主要是通過反硝化作用去除，出水TN濃度低于12 mg/L.分段進水模式使碳源合理分配，為反硝化菌攝取足夠的有機物提供了保證.且三級串聯(lián)運行模式，使得裝置內(nèi)pH值穩(wěn)定在6.5～7，微生物處在適宜的pH環(huán)境中，有利于裝置內(nèi)微生物富集及菌膠團形成.除裝置第二級外，好氧池也有一定的氮損失，這是因為好氧池中存在一定的同步硝化反硝化作用(SND).在保證硝化效果的前提下，強化同步硝化反硝化作用有利于進一步強化分段進水多級A/O工藝脫氮效果[14].

2.3 多級A/O硝化、反硝化速率分析

(a)硝化速率；(b)反硝化速率

2.4 多級A/O污泥性狀分析

分別選取20，30，40，50 d的多級A/O內(nèi)部混合液，對混合液耗氧速率(OUR)進行測定，結(jié)果見圖7.

(a)OUR；(b)鏡檢照片

由圖7(a)可見，裝置內(nèi)部除20 d的混合液外，其余混合液耗氧速率基本一致；缺氧池均高于好氧池，且逐級升高.尹軍等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，活性污泥進行硝化反應(yīng)后OUR值大幅度降低，降解有機物后OUR值會小幅度降低.好氧池混合液硝化功能和有機物降解能力均高于缺氧池的混合液，OUR值降幅較大，這是各級好氧池OUR值低于缺氧池的原因；污泥濃度呈梯度逐級遞減可能是OUR測定值整體呈升高趨勢的原因.20 d時裝置內(nèi)微生物并未達到穩(wěn)定狀態(tài)；到30 d，微生物在適應(yīng)了低溫環(huán)境及水量水質(zhì)后，活性達到最高值；隨著實驗的進行，微生物逐漸趨于穩(wěn)定，并篩選出適宜低溫環(huán)境下生存的菌種，不能適應(yīng)的菌種則被淘汰，因此裝置內(nèi)微生物數(shù)量不足，導(dǎo)致40 d時OUR測定值偏低；50 d時，裝置內(nèi)微生物菌群數(shù)量及活性得到了很好的恢復(fù)，在鏡檢下觀察到大量成熟菌膠團及輪蟲等微生物(見圖7(b))，表示該實驗處理效果穩(wěn)定，裝置處于良好的運行狀態(tài)[18-19].

對三級分段進水多級A/O工藝缺氧區(qū)與好氧區(qū)活性污泥進行掃描電鏡(SEM)分析，結(jié)果見圖8.由圖8可見，污泥絮體的生物相主要由桿菌和球菌組成，絮體表面粗糙，結(jié)構(gòu)開放疏松，活性污泥表面有明顯的空穴，主要作用是為氣體和基質(zhì)進出提供通道.相對于缺氧污泥絮體，好氧污泥絮體表面存在大量絲狀菌，各種菌落之間被絲狀菌纏繞牽連，結(jié)構(gòu)更加緊湊，表面積較大，有利于截留微生物，減少因曝氣及水流剪切造成的微生物流失.

(a)缺氧區(qū)；(b)好氧區(qū)

2.5 多級A/O微生物多樣性分析

取多級A/O各隔室污泥混合后進行微生物多樣性分析，共得到樣品優(yōu)質(zhì)序列75 944條.活性污泥樣品OTU數(shù)目為1 893，說明低溫環(huán)境下多級A/O系統(tǒng)微生物多樣性較高.Chaos指數(shù)和ACE指數(shù)常用來描述群落的豐富度，本實驗中多級A/O系統(tǒng)Chaos和ACE指數(shù)分別為2 211.08和2 329.67.Huang等[20]采用A-MAO工藝，在10℃時對系統(tǒng)內(nèi)微生物群落進行了培養(yǎng)馴化，得到系統(tǒng)內(nèi)的Chaos和ACE指數(shù)分別僅為442和444，表明實驗培養(yǎng)條件下多級A/O系統(tǒng)富集了豐富度較高的微生物群落.Shannon指數(shù)體現(xiàn)群落的豐度和稀有OTU，Simpson指數(shù)對群落均勻度和優(yōu)勢OTU更加敏感，本實驗中系統(tǒng)內(nèi)Shannon和Simpson指數(shù)分別為5.27和0.02，表明系統(tǒng)菌群豐度較大，低溫環(huán)境的制約使豐富度趨于穩(wěn)定.

對系統(tǒng)內(nèi)活性污泥種群在屬水平進行豐度及相關(guān)性分析，結(jié)果見圖9.由圖9可見，系統(tǒng)樣品中共發(fā)現(xiàn)有20種菌屬，其中具有顯著功能特點的菌屬包括Dechloromonas(1.42%)，F(xiàn)lavobacterium(3.99%)，Pseudorhodobacter(9.35%)等，均為污水生物處理過程中具有反硝化功能的菌屬[21-23].Dechloromonas(脫氯單胞菌屬)是已知的主要反硝化功能菌，同時能夠在反硝化的過程中吸收磷[24]，是污泥系統(tǒng)磷去除的主要功能菌群，因此Dechloromonas菌群含量的多少直接影響內(nèi)碳源的反硝化速率.

圖9 多級A/O污泥微生物屬水平菌群組成和相對豐度

3 結(jié)論

(2) 多級A/O系統(tǒng)缺氧池混合液耗氧速率高于好氧池且逐級升高，鏡檢和SEM分析發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有成熟的菌膠團，表明低溫下微生物菌群活性較高且具有穩(wěn)定性.

(3) A/O系統(tǒng)微生物多樣性指數(shù)Chaos和ACE分別為2 211和2 329，說明低溫下多級A/O系統(tǒng)仍具有較高的豐富度.微生物屬水平分析表明，A/O系統(tǒng)內(nèi)具有大量的反硝化功能菌，這保證了多級A/O系統(tǒng)高效的反硝化速率.