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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)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(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的關(guān)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(dá)96.34萬、304.14萬t[1]。因此，強(qiáng)化削減污水中的氮排放已成為我國治理水污染、改善水環(huán)境的重要任務(wù)之一[2-3]。目前，總氮的去除主要依賴生物過程來實(shí)現(xiàn)，而生物過程與污水碳源的有機(jī)物類別和含量有密切關(guān)系[4]。

近年來，基于外碳源的強(qiáng)化生物脫氮在許多污水處理廠得到應(yīng)用。付昆明等[5]研究發(fā)現(xiàn)，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(xù)投加方式可提高碳源可利用性，從而增強(qiáng)反硝化脫氮效果。張?zhí)m河等[7]采用序批式活性污泥法處理模擬生活污水時發(fā)現(xiàn)，分次投加乙酸鈉不僅能夠提高反應(yīng)速率，還能提高總氮去除率。姚學(xué)文等[8]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(shí)際上，利用原水中內(nèi)碳源以增強(qiáng)脫氮效果，對于工程實(shí)踐節(jié)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(qiáng)化脫氮過程中設(shè)計了兩種碳源補(bǔ)充途徑，考察生化單元中主要水質(zhì)指標(biāo)、污泥性能和微生物特性，旨在探究節(jié)能降耗的工程可行碳源補(bǔ)充途徑，以期為城鎮(zhèn)污水處理廠同時實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化脫氮和節(jié)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(shè)計規(guī)模2.5×104m3/d，實(shí)際處理規(guī)模為2.0×104～2.8×104m3/d，進(jìn)水以城鎮(zhèn)污水為主并接納少量電子工業(yè)表面清洗廢水，進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)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(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

表1 進(jìn)水主要水質(zhì)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

污水處理廠的工藝流程見圖1。本研究設(shè)計了兩種碳源補(bǔ)充途徑：途徑Ⅰ為外加碳源途徑，在缺氧池補(bǔ)充乙酸鈉溶液(7.94 m3/d)；途徑Ⅱ?yàn)槔脙?nèi)碳源途徑，在缺氧池補(bǔ)充原水(補(bǔ)充處理體積的25%)和乙酸鈉溶液(0.88 m3/d)。確保兩種碳源補(bǔ)充途徑的COD相當(dāng)，運(yùn)行60 d。

圖1 污水處理廠工藝流程

1.3 水質(zhì)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(jìn)出水，參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)測定水質(zhì)指標(biāo)，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(shù)(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(jìn)行微生物測序。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

由于數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，因此本研究采用SPSS 26.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，并進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，組間P<0.05時認(rèn)為具有顯著性差異[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物的去除

2.1.1 COD的去除

兩種碳源補(bǔ)充途徑下進(jìn)出水COD及去除率見圖2。在進(jìn)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(dá)到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)(≤50 mg/L)，平均去除率分別為89.96%、90.71%，去除效果非常穩(wěn)定，途徑Ⅰ和途徑Ⅱ組間差異不顯著，說明這兩種碳源補(bǔ)充途徑不會導(dǎo)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(nèi)碳源。

圖2 兩種碳源補(bǔ)充途徑下進(jìn)出水COD及去除率

2.1.2 氨氮的去除

兩種碳源補(bǔ)充途徑下進(jìn)出水氨氮及去除率見圖3。在進(jìn)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(dá)到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)(≤5 mg/L)，平均去除率分別為98.87%、99.08%，去除效果亦穩(wěn)定，途徑Ⅰ和途徑Ⅱ組間差異不顯著。DO的持續(xù)監(jiān)測結(jié)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(bǔ)充途徑也不會導(dǎo)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(nèi)碳源也是可行的。

圖3 兩種碳源補(bǔ)充途徑下進(jìn)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(bǔ)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(qū)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(qiáng)；但是途徑Ⅱ中有觀察到紅斑顠體蟲，可導(dǎo)致好氧區(qū)出現(xiàn)局部DO降低甚至缺氧的環(huán)境，使生物絮體內(nèi)部產(chǎn)生DO濃度梯度[11]，從而發(fā)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(nèi)碳源。

圖4 兩種碳源補(bǔ)充途徑下出水硝酸鹽氮

2.1.4 總氮的去除

兩種碳源補(bǔ)充途徑下進(jìn)出水總氮及去除率見圖5。在進(jìn)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(dá)到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)(≤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(shí)現(xiàn)出水總氮達(dá)標(biāo)，說明減少外碳源乙酸鈉投加量、充分利用原水內(nèi)碳源可行。

圖5 兩種碳源補(bǔ)充途徑下進(jìn)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(bǔ)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(chǎn)率高，剩余污泥產(chǎn)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(tuán)的絮凝和生長，會導(dǎo)致菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)松散，產(chǎn)生的大量細(xì)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(tài)系統(tǒng)，從而降低活性污泥沉降性。然而，總體而言，兩種碳源補(bǔ)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(bǔ)充途徑下好氧池MLSS和SVI

圖7 兩種碳源補(bǔ)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(shù)為65 407～72 374，覆蓋率在99%以上，數(shù)據(jù)可信度高，兩種碳源補(bǔ)充途徑下缺氧池與好氧池的微生物豐度指數(shù)和多樣性指數(shù)見表2。ACE指數(shù)和Chao指數(shù)的結(jié)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(shù)反映的是基于物種數(shù)量的微生物種群多樣性，指數(shù)越大表明群落的復(fù)雜程度越高；Simpson指數(shù)反映的是優(yōu)勢種群生物量占群落生物總量的比例，指數(shù)越大表明優(yōu)勢種群的優(yōu)勢越明顯[16]。從兩個多樣性指數(shù)也可以看到，途徑Ⅰ與途徑Ⅱ的微生物多樣性也基本相當(dāng)。

表2 微生物豐度和多樣性指數(shù)

(2) 微生物結(jié)構(gòu)特性

變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)依次為第1、2優(yōu)勢菌門，與韓文杰等[17]5042的研究結(jié)果相似。變形菌門是參與脫氮、降解有機(jī)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(fù)雜有機(jī)物甚至聚合物，能將死細(xì)胞和胞外多糖分解成簡單有機(jī)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(jī)物進(jìn)行反硝化脫氮[21]。分枝桿菌能夠分解污水中的多環(huán)芳烴[17]5046。

途徑Ⅱ的活性污泥微生物結(jié)構(gòu)與途徑Ⅰ相似，說明可以利用原水中的內(nèi)碳源。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

在處理水量和進(jìn)水水質(zhì)相當(dāng)?shù)臈l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(dá)到了GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。按污水處理廠乙酸鈉溶液外購單價和污泥處置費(fèi)計算，途徑Ⅱ的處理成本較途徑Ⅰ可降低約0.20元/m3。

3 結(jié) 論

(1) 兩種碳源補(bǔ)充途徑下，COD、氨氮的去除效果相當(dāng)，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(dá)到GB 18918—2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 兩種碳源補(bǔ)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(dāng)，微生物結(jié)構(gòu)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(nèi)碳源是可行的。