城鎮污水處理廠改良厭氧/缺氧/好氧工藝的兩種碳源補充途徑脫氮效能比較*

黃天寅 王烽圣 許曉毅 張書源 姜永波 張紅春 趙鳴峰 郭 潔

(1.蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.昆山市污水處理有限公司，江蘇 蘇州 215300)

氮是導致水體富營養化的關鍵元素之一。2017年全國廢水排放中，氨氮與總氮排放總量分別高達96.34萬、304.14萬t[1]。因此，強化削減污水中的氮排放已成為我國治理水污染、改善水環境的重要任務之一[2-3]。目前，總氮的去除主要依賴生物過程來實現，而生物過程與污水碳源的有機物類別和含量有密切關系[4]。

近年來，基于外碳源的強化生物脫氮在許多污水處理廠得到應用。付昆明等[5]研究發現，乙酸鈉作為外碳源可以提高反硝化速率。彭永臻等[6]研究表明，碳源的連續投加方式可提高碳源可利用性，從而增強反硝化脫氮效果。張蘭河等[7]采用序批式活性污泥法處理模擬生活污水時發現，分次投加乙酸鈉不僅能夠提高反應速率，還能提高總氮去除率。姚學文等[8]研究發現，當混合液回流比為300%且乙酸鈉投加量增加到理論投加量的1.3倍時，反硝化脫氮效果能顯著提高。實際上，利用原水中內碳源以增強脫氮效果，對于工程實踐節能降耗具有更加重要的意義。因此，本研究在太湖流域某污水處理廠強化脫氮過程中設計了兩種碳源補充途徑，考察生化單元中主要水質指標、污泥性能和微生物特性，旨在探究節能降耗的工程可行碳源補充途徑，以期為城鎮污水處理廠同時實現強化脫氮和節能降耗提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況

污水處理廠位于太湖流域蘇州市，設計規模2.5×104m3/d，實際處理規模為2.0×104～2.8×104m3/d，進水以城鎮污水為主并接納少量電子工業表面清洗廢水，進水主要水質指標見表1。生化單元采用改良厭氧/缺氧/好氧(AAO)工藝，總水力停留時間為15.78 h，其中厭氧池2.60 h、缺氧池3.88 h、好氧池8.80 h、后置缺氧池0.50 h，混合液回流和污泥回流比分別為200%、90%，污泥停留時間為13 d，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A標準。

表1 進水主要水質指標

1.2 實驗方法

污水處理廠的工藝流程見圖1。本研究設計了兩種碳源補充途徑：途徑Ⅰ為外加碳源途徑，在缺氧池補充乙酸鈉溶液(7.94 m3/d)；途徑Ⅱ為利用內碳源途徑，在缺氧池補充原水(補充處理體積的25%)和乙酸鈉溶液(0.88 m3/d)。確保兩種碳源補充途徑的COD相當，運行60 d。

圖1 污水處理廠工藝流程

1.3 水質分析

每天采集旋流沉砂池出水和二沉池出水分別作為生化單元進出水，參考《水和廢水監測分析方法》(第四版)測定水質指標，總氮采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，硝酸鹽氮采用紫外分光光度法，COD采用重鉻酸鉀法；每天采用哈希便攜式溶解氧(DO)測定儀(HQ30d)測定DO。

1.4 活性污泥特性分析

采集好氧池水樣，每天采用重量法測定并計算混合液懸浮固體濃度(MLSS)，采用30 min 沉降法測定并計算污泥容積指數(SVI)；每5天采用呼吸測量法[9]測定并計算比耗氧速率(SOUR)。

另外，還取了一次缺氧池與好氧池的活性污泥樣品，并委托上海某生物基因檢測公司采用Illumina Miseq PE300測序平臺進行微生物測序。

1.5 統計學分析

由于數據符合正態分布，因此本研究采用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析，并進行獨立樣本t檢驗，組間P<0.05時認為具有顯著性差異[10]。

2 結果與討論

2.1 污染物的去除

2.1.1 COD的去除

兩種碳源補充途徑下進出水COD及去除率見圖2。在進水COD為102.01～254.00 mg/L的情況下，途徑Ⅰ與途徑Ⅱ的出水COD平均值分別為14.71、15.12 mg/L，均達到GB 18918—2002的一級A標準(≤50 mg/L)，平均去除率分別為89.96%、90.71%，去除效果非常穩定，途徑Ⅰ和途徑Ⅱ組間差異不顯著，說明這兩種碳源補充途徑不會導致COD去除效果的明顯不同。因此，可以考慮乙酸鈉減量投加，充分利用原水內碳源。

圖2 兩種碳源補充途徑下進出水COD及去除率

2.1.2 氨氮的去除

兩種碳源補充途徑下進出水氨氮及去除率見圖3。在進水氨氮為16.00～36.80 mg/L的情況下，途徑Ⅰ與途徑Ⅱ的出水氨氮平均值分別為0.27、0.28 mg/L，也均達到GB 18918—2002的一級A標準(≤5 mg/L)，平均去除率分別為98.87%、99.08%，去除效果亦穩定，途徑Ⅰ和途徑Ⅱ組間差異不顯著。DO的持續監測結果表明，途徑Ⅱ好氧池的DO平均值略低于途徑Ⅰ，說明這兩種碳源補充途徑也不會導致氨氮去除效果的明顯不同。因此，從氨氮去除的角度看，減少外碳源乙酸鈉投加量、利用原水內碳源也是可行的。

圖3 兩種碳源補充途徑下進出水氨氮及去除率

2.1.3 硝酸鹽氮的去除

硝化作用生成了硝酸鹽氮，兩種碳源補充途徑下出水硝酸鹽氮見圖4。途徑Ⅰ與途徑Ⅱ的出水硝酸鹽氮平均值分別為7.12、11.52 mg/L 。盡管途徑Ⅰ缺氧區的碳源都為乙酸鈉，易于被微生物快速利用，反硝化菌活性較高，由此與途徑Ⅱ相比，途徑Ⅰ的反硝化能力更強；但是途徑Ⅱ中有觀察到紅斑顠體蟲，可導致好氧區出現局部DO降低甚至缺氧的環境，使生物絮體內部產生DO濃度梯度[11]，從而發生同步硝化反硝化作用，在一定程度上有利于污水處理的反硝化脫氮。因此，盡管途徑Ⅱ出水的硝酸鹽氮會高于途徑Ⅰ，但影響不大，仍可以減少外碳源乙酸鈉投加量、利用原水內碳源。

圖4 兩種碳源補充途徑下出水硝酸鹽氮

2.1.4 總氮的去除

兩種碳源補充途徑下進出水總氮及去除率見圖5。在進水總氮為19.22～40.82 mg/L的情況下，途徑Ⅰ與途徑Ⅱ出水總氮平均值分別為7.99、12.35 mg/L，都達到GB 18918—2002的一級A標準(≤15 mg/L)，平均去除率分別為72.73%、59.72%。因此，途徑Ⅱ在減少外碳源投加的同時，依然可以實現出水總氮達標，說明減少外碳源乙酸鈉投加量、充分利用原水內碳源可行。

圖5 兩種碳源補充途徑下進出水總氮及去除率的變化

2.2 活性污泥特性

2.2.1 活性與沉降性

兩種碳源補充途徑下MLSS、SVI見圖6，SOUR見圖7。途徑Ⅰ的MLSS平均值為3 874 mg/L，SOUR平均值為15.90 mg/(g·h)，略高于途徑Ⅱ(MLSS和SOUR平均值分別為3 399 mg/L和13.36 mg/(g·h))。乙酸鈉作為低分子量外碳源，一方面可以獲得較高的反硝化速率，但另一方面污泥產率高，剩余污泥產量也大[12-13]。途徑Ⅰ和途徑Ⅱ的SVI平均值分別為100.55、93.32 mL/g,也是途徑Ⅰ略高于途徑Ⅱ。微生物代謝活躍是使得途徑Ⅰ污泥活性和沉降性更好[14-15]的重要原因。此外，途徑Ⅱ中紅斑顠體蟲在一定程度上不利于污泥菌膠團的絮凝和生長，會導致菌膠團結構松散，產生的大量細菌小絮體不能為鐘蟲、輪蟲、累枝蟲等大型原生動物和微型后生動物提供生長繁殖的場所，會破壞污水生物處理生態系統，從而降低活性污泥沉降性。然而，總體而言，兩種碳源補充途徑下污泥活性與沉降性對脫氮的影響不大。

圖6 兩種碳源補充途徑下好氧池MLSS和SVI

圖7 兩種碳源補充途徑下好氧池SOUR

2.2.2 微生物特性

(1) 微生物豐度和多樣性

樣品序列數為65 407～72 374，覆蓋率在99%以上，數據可信度高，兩種碳源補充途徑下缺氧池與好氧池的微生物豐度指數和多樣性指數見表2。ACE指數和Chao指數的結果基本一致，途徑Ⅱ的微生物豐度與途徑Ⅰ基本沒有差別。Shannon指數反映的是基于物種數量的微生物種群多樣性，指數越大表明群落的復雜程度越高；Simpson指數反映的是優勢種群生物量占群落生物總量的比例，指數越大表明優勢種群的優勢越明顯[16]。從兩個多樣性指數也可以看到，途徑Ⅰ與途徑Ⅱ的微生物多樣性也基本相當。

表2 微生物豐度和多樣性指數

(2) 微生物結構特性

變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)依次為第1、2優勢菌門，與韓文杰等[17]5042的研究結果相似。變形菌門是參與脫氮、降解有機物的最主要菌種，在絕大部分的污水處理廠中都占有主要地位[18]，本研究中主要檢測到的是α-變形菌和γ-變形菌。有報道稱，將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的亞硝酸鹽氧化菌(NOB)大多屬于α-變形菌和γ-變形菌[19]。綠彎菌門能降解復雜有機物甚至聚合物，能將死細胞和胞外多糖分解成簡單有機物，如乳酸和乙醇等[20]，本研究中主要檢測到生絲微菌(Hyphomicrobium)和分枝桿菌(Mycobacterium)。生絲微菌為污水處理廠中較為常見的反硝化菌之一，可利用難降解有機物進行反硝化脫氮[21]。分枝桿菌能夠分解污水中的多環芳烴[17]5046。

途徑Ⅱ的活性污泥微生物結構與途徑Ⅰ相似，說明可以利用原水中的內碳源。

2.3 經濟性

在處理水量和進水水質相當的條件下，雖然途徑Ⅰ的總氮去除率(72.73%)高于途徑Ⅱ(59.72%)，但其外碳源投加量卻是途徑Ⅱ的約9倍，而且途徑Ⅱ的出水總氮也達到了GB 18918—2002的一級A標準。按污水處理廠乙酸鈉溶液外購單價和污泥處置費計算，途徑Ⅱ的處理成本較途徑Ⅰ可降低約0.20元/m3。

3 結 論

(1) 兩種碳源補充途徑下，COD、氨氮的去除效果相當，盡管途徑Ⅱ出水硝酸鹽氮、總氮高于途徑Ⅰ，但影響不大，并且都達到GB 18918—2002的一級A標準。

(2) 兩種碳源補充途徑下，污泥活性與沉降性對脫氮的影響也不大。途徑Ⅰ與途徑Ⅱ的微生物多樣性相當，微生物結構相似。

(3) 雖然途徑Ⅰ的總氮去除率(72.73%)高于途徑Ⅱ(59.72%)，但其外碳源投加量卻是途徑Ⅱ的約9倍，途徑Ⅱ的污水處理成本較途徑Ⅰ可降低約0.20元/m3。因此，減少外碳源乙酸鈉投加量、利用原水內碳源是可行的。