缺氧分段式UCT工藝的脫氮除磷效能

盧瑞朋,孫光溪,徐文江,董 娜,李安峰,*

(1.北京市生態環境保護科學研究院,北京 100037;2.國家環境保護工業廢水污染控制工程技術<北京>中心,北京 100037)

污水中的氮磷如果無法得到有效控制直接排放到自然水體,將會加劇水體的富營養化程度[1]。《2021年中國生態環境狀況公報》[2]顯示,我國仍有27.3%的湖泊呈現富營養狀態,氮磷污染物是入海河流和漁業水域的主要超標指標。污水處理廠排水是水體氮磷污染的重要來源,污水處理廠的氮磷污染物控制對我國水生態環境保護至關重要。部分地區出臺了更為嚴格的地方標準控制污水處理廠出水水質,出水水質要求超過了現行的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準[3]。

基于上述問題,本研究通過增設后段缺氧池將硝化液回流和缺氧池至厭氧回流分開,并結合分段進水的方式,構建了缺氧分段式UCT工藝。通過連續運行小試試驗裝置處理模擬生活污水,考察該工藝的運行效果,并基于氮磷質量平衡分析了各功能單元的脫氮除磷能力。同時利用高通量測序手段,對各功能單元的微生物群落進行分析。本研究考察了新型UCT工藝的脫氮除磷效果,以期為污水處理行業提供新的選擇。

1 試驗材料和方法

1.1 工藝設計思路與試驗運行方式

1.1.1 工藝設計思路

1.1.2 試驗運行方式

圖1為缺氧分段式UCT試驗裝置示意圖。該裝置總有效容積為21 L,其中厭氧池、前段缺氧池和后段缺氧池有效容積為3 L,好氧池有效容積為12 L。試驗裝置運行期間進水總量(Q)為2 L/h,分段進水量配比Q1∶Q2為5∶3。厭氧池DO質量濃度控制在0.2 mg/L以下,前段缺氧池和后段缺氧池DO質量濃度控制在0.5 mg/L以下,好氧池DO質量濃度控制在2～3 mg/L。溫度維持在25 ℃左右,污泥質量濃度(MLSS)為3 000 mg/L左右。整套試驗裝置運行過程中的總水力停留時間(HRT)為10.5 h。AA內回流比(r1)和AO內回流比(r2)設置為200%,污泥回流比(R)為100%。試驗共連續運行80 d,其中1～18 d為啟動適應期,19～80 d為穩定期。

圖1 缺氧分段式UCT工藝試驗裝置示意圖

1.2 試驗用水與接種污泥

采用模擬生活污水作為裝置進水,采用乙酸鈉和丙酸鈉作為混合碳源,質量配比為4∶3;氮源和磷源分別選用氯化銨和磷酸二氫鉀,進水水質如表1所示。此外,投加氯化鎂和氯化鈣滿足微生物對Ca2+和Mg2+的需求,添加微量元素營養液0.6 mL/L滿足微生物生長繁殖需要,微量元素營養液成分如表2所示[10-11]。接種污泥取自于某污水處理廠(AAO工藝)的厭氧池活性污泥。

表1 進水水質

表2 微量元素溶液成分

1.3 水質測定方法

1.4 氮磷質量平衡計算方法

為了明確缺氧分段式UCT工藝各功能單元的脫氮除磷能力,進行了氮磷質量平衡計算,具體計算如式(1)～式(4)。

ΔMAn(N or P)=Q1Sinf (N or P)+r1QSB-A(N or P)-(Q1+r1Q)·SAn(N or P)

(1)

ΔMF-A(N or P)=(Q1+r1Q)SAn(N or P)+r2QSO(N or P)+RQSeff(N or P)-[Q1+(r1+r2+R)·Q]·SF-A(N or P)

(2)

ΔMB-A(N or P)=[Q1+(r1+r2+R)·Q]·SF-A(N or P)+Q2Sinf (N or P)-[Q1+Q2+(r1+r2+R)·Q]·SB-A(N or P)

(3)

ΔMO(N or P)=[Q1+Q2+(r2+R)·Q]·SB-A(N or P)-[Q1+Q2+(r2+R)·Q]·SO(N or P)

(4)

Q——進水總量,L/h;

Q1、Q2——厭氧池、后段缺氧池分段進水量,L/h;

r1——AA內回流比;

r2——AO內回流比;

R——污泥回流比;

1.5 微生物群落分析

第60 d在各功能單元采取污泥樣品后于-20 ℃條件下冷凍保存。凍存的污泥樣品委托上海美吉生物醫藥科技有限公司進行DNA提取并進行16S rRNA高通量測序分析。

2 結果與討論

2.1 工藝運行狀況分析

2.1.1 工藝運行效果

如圖2所示,經過18 d的適應期后,試驗裝置出水水質基本保持穩定,進入穩定運行期。

圖2 缺氧分段式UCT工藝的運行效果

CODCr的去除效果如圖2(a)所示。在穩定期內,CODCr平均去除率達到95.85%,CODCr平均質量濃度由進水的355.76 mg/L降低至出水的14.76 mg/L,低于北京市《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11/890—2012)中的A排放限值(20 mg/L)。圖2(b)和圖2(c)分別為氨氮和TN的去除效果。氨氮和TN的平均進水質量濃度分別為58.67 mg/L和59.13 mg/L。在適應期,氨氮和TN的出水濃度逐漸降低,處理效果趨于穩定。進入穩定期后,氨氮平均出水質量濃度為0.37 mg/L,去除率為99.37%;TN平均出水質量濃度為9.98 mg/L,去除率為83.12%。氨氮和TN的平均出水質量濃度均低于DB 11/890—2012中的A排放限值(氨氮為1.00 mg/L;TN為10 mg/L),表明新型UCT工藝具有良好的脫氮效果。缺氧分段式UCT工藝具有良好的除磷效果[圖2(d)],結果表明,在工藝啟動的穩定期TP平均質量濃度由進水的6.06 mg/L降低至出水的0.78 mg/L,TP去除率可達到87.13%。

2.1.2 工藝脫氮除磷能力分析

圖3 各功能單元和濃度及去除量

2.2 微生物群落分析

2.2.1 微生物種群多樣性分析

對污泥樣品的測序結果進行抽平處理,獲得的操作分類單元(OTU)數量、多樣性指數(Shannon、Simpson指數)和豐富度指數(Sobs、Ace、Chao指數)結果如表3所示。Shannon指數數值與微生物多樣性為正相關關系,Simpson指數與微生物多樣性為負相關關系;Sobs、Chao指數和Ace指數的數值越高表明微生物越豐富[12]。由表3可知,4個功能單元微生物的豐富度和多樣性相差不大,前段缺氧池和后段缺氧池較厭氧池和好氧池的微生物多樣性和豐富度更高。

表3 微生物多樣性和豐富度

2.2.2 微生物群落結構分析

圖4表明,變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidota)是主要的優勢菌門,相對豐度分別為41.21%～49.63%和26.76%～35.67%。多數的脫氮除磷功能性微生物都屬于Proteobacteria和Bacteroidota,是活性污泥系統中的典型菌門[13-15]。

圖4 微生物門水平組成

圖5顯示,各功能單元中微生物群落結構并無明顯差異。Candidatus_Competibacter(18.75%～26.43%)、OLB8(7.81%～12.52%)、Terrimonas(3.41%～4.51%)、Norank_f_37-13(3.41%～4.31%)、Norank_f_Saprospiraceae(3.10%～3.96%)、Tetrasphaera(0.97%～4.14%)和Dokdonella(2.97%～3.80%)具有較高的相對豐度,其中Candidatus_Competibacter和OLB8相對豐度明顯高于其他菌屬,是主要的優勢菌屬。

圖5 微生物屬水平組成

Tetrasphaera是一種具有發酵除磷功能的聚磷菌,已經在很多采用強化生物除磷工藝的污水廠中被檢出[21-22]。在新型UCT工藝中,Tetrasphaera呈現出較高的相對豐度。進入缺氧單元后,Tetras-phaera相對豐度由0.97%增加到4.14%,并在隨后的處理單元中保持穩定。Tetrasphaera可以發酵有機物且不釋放磷,同時還可以在好氧條件下消耗糖原發生吸磷反應,這可能是新型UCT工藝能夠有效除磷的原因[16,23]。另外,在新型UCT工藝中還存在具有反硝化除磷功能的聚磷菌Dechloromonas[22]。許多研究[5,10]證實了在UCT工藝中往往存在反硝化除磷菌。雖然本研究中反硝化除磷過程并不明顯,但Dechloromonas的存在表明新型UCT工藝具有反硝化除磷的潛能。

3 結論

(1)缺氧分段式UCT工藝具有穩定的脫氮除磷效果,CODCr、氨氮、TN和TP的平均出水質量濃度分別為14.76、0.37、9.98 mg/L和0.78 mg/L,平均去除率分別為95.85%、99.37%、83.12%和87.13%。

(3)在缺氧分段式UCT工藝體系中,Proteobacteria和Bacteroidota為優勢菌門。該工藝可以很好地富集反硝化菌,反硝化菌Candidatus_Competibacter(18.75%～26.43%)和OLB8(7.81%～12.52%)為主要的優勢菌屬。Tetrasphaera和Dechloromonas是缺氧分段式UCT工藝體系中主要的聚磷菌。