楊 哲,周小國,李 彥,王明良,朱 莉,朱 華,毛旭輝②

(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院,湖北 武漢 430079;2.長江生態(tài)環(huán)保集團有限公司,湖北 武漢 430077;3.中國交通建設股份有限公司,北京 100088)

隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實施,農(nóng)家樂和休閑農(nóng)業(yè)等旅游活動在鄉(xiāng)村逐漸興起。為保護鄉(xiāng)村環(huán)境,需要對農(nóng)業(yè)休閑和旅游活動產(chǎn)生的污水進行妥善處理。與傳統(tǒng)村鎮(zhèn)污水相比,休閑旅游村鎮(zhèn)污水具有以下特點:(1)污染物濃度更高且成分更復雜[1]。旅游村莊污水中COD、氮和磷等指標均明顯增高,餐飲廢水中動植物油類和脂肪較多,產(chǎn)品加工廢水中氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)較多。(2)水量、水質(zhì)波動大。傳統(tǒng)村鎮(zhèn)污水總體排放量較小,排放系數(shù)變化較大。而有旅游活動的村鎮(zhèn)污水瞬間排放量大,且晝夜變化系數(shù)和季節(jié)變化系數(shù)均很大。不同地區(qū)旅游旺季不同,旅游開發(fā)項目也不同,這導致不同時段污水水量和水質(zhì)有著較大差別[2]。村鎮(zhèn)旅游污水的特點,要求污水處理設施削減有機負荷和脫氮除磷能力較強,能夠適應較大的沖擊負荷。目前,農(nóng)村地區(qū)常見的生活污水處理設施包括化糞池、人工濕地、生態(tài)濾池、土壤滲濾、穩(wěn)定塘和小型一體化設施等[3]。其中,小型一體化處理裝置將各種生化處理技術組合,把預處理、生物處理、深度處理、沉淀及消毒等工藝集成到一個反應器上,具有占地面積小、污水處理效率高、出水穩(wěn)定、運行成本低和易遠程管理等優(yōu)點,適合村鎮(zhèn)休閑旅游污水的處理。

針對村鎮(zhèn)旅游污水水量、水質(zhì)波動大的特點,對一體化裝置實施短期停運(或低功耗運行)是一種節(jié)能降耗的管理模式,但目前有關微曝/重啟對生化處理過程性能影響的探究較少,無法指導實際的設備運維管理。因此,筆者在實驗室搭建兩級缺氧-好氧生物反應器(AO-MBR)小試裝置,配制模擬污水進行微曝/重啟試驗,探究這種運行模式對于裝置處理效果的影響,并通過污泥活性指標檢測和微生物測序探究這種運行模式對于裝置內(nèi)微生物菌群變化的影響。該研究對于村鎮(zhèn)旅游污水一體化處理裝置的設計及運行管理具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

兩級AO-MBR裝置主要由缺氧Ⅰ池、好氧Ⅰ池、缺氧Ⅱ池和好氧Ⅱ池組成(圖1)。模擬污水通過蠕動泵的作用由進水罐進入缺氧Ⅰ池,然后分別經(jīng)過缺氧Ⅰ池、好氧Ⅰ池和缺氧Ⅱ池,在好氧Ⅱ池中通過蠕動泵和MBR膜的作用進行泥水分離后進入出水罐。

圖1 兩級缺氧-好氧生物反應器(AO-MBR)小試裝置示意

兩級AO-MBR裝置總有效容積約為17.98 L,厭氧池尺寸為Ф110 mm×210 mm,超高為30 mm;缺氧I池有效容積約為3.5 L,尺寸為100 mm×140 mm×250 mm,超高為40 mm;好氧I池有效容積約為4.35 L,尺寸為135 mm×140 mm×230 mm,超高為60 mm;缺氧Ⅱ池有效容積約為3.53 L,尺寸為120 mm×140 mm×210 mm,超高為60 mm;好氧Ⅱ池有效容積約為5.32 L,尺寸為200 mm×140 mm×190 mm,超高為80 mm;其中,厭氧池采用聚氨酯泡沫填料填充,填充率為40%,同時在其中內(nèi)置加熱棒(30 ℃)和有機玻璃攪拌槳。缺氧Ⅰ池和缺氧Ⅱ池采用懸掛型益菌生填料,體積填充率為40%,在上端采用頂置式電動攪拌器攪拌;好氧Ⅰ池內(nèi)裝入移動床生物膜(MBBR)填料,填充率為40%;好氧Ⅱ池內(nèi)置自制環(huán)形中空纖維MBR膜進行泥水分離;在好氧Ⅰ池和好氧Ⅱ池下部采用自制微孔曝氣管曝氣流化,池內(nèi)溫度用加熱棒控溫到25 ℃。好氧Ⅰ池與缺氧Ⅱ池之間通過微孔進水,好氧Ⅱ池前端設置折流擋板防止短流。進水與反硝化液回流采用步進蠕動泵控制流速,裝置圖見圖1。

1.2 試驗程序

為研究停運對處理效率的影響以及評估系統(tǒng)處理能力恢復情況,設計了5組停運試驗,停運時間分別為1、2、3、5和8 d。所用進水為模擬生活污水,采用葡萄糖、氯化銨、碳酸氫鈉和磷酸二氫鉀等藥品配制,進水COD為350 mg·L-1,ρ(氨氮)為40 mg·L-1,ρ(總磷)為4.5 mg·L-1,ρ(碳酸氫根)為145 mg·L-1,碳氮比為8.75。在進行停運試驗之前,首先確保裝置處于穩(wěn)定運行狀態(tài)下〔好氧池ρ(DO)為5～6 mg·L-1,缺氧池ρ(DO)為0.2～0.3 mg·L-1,水力停留時間(HRT)為12 h,缺氧池與好氧池之間回流比為50%,出水COD<50 mg·L-1,ρ(NH4+-N)<5 mg·L-1,ρ(TN)<20 mg·L-1的一級A標準〕。停運試驗開始時,同時停止進出水,并且停止回流,將好氧池曝氣量從0.8 L·min-1調(diào)整到0.3 L·min-1,缺氧池保持攪拌并開始計時。到達預定停運時間后重新恢復正常進出水以及曝氣量,以一定時間間隔取裝置進出水分別檢測進出水COD、NH4+-N濃度和TN濃度,探究裝置去除效果隨時間變化趨勢及其所受影響,其中,停運再啟動運行10 h內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)的停運后初始處理效率評價。停運結束后,在重啟前分別對各池污泥活性〔比耗氧速率(SOUR)、脫氫酶活性、比三磷酸腺苷(SATP)〕進行檢測,探究停運和重啟對污泥活性的影響。選取停運5 d作為代表試驗組,取停運結束后各池污泥樣本進行微生物高通量測序,探究微生物種群的變化特征。每組停運試驗完成后,使裝置正常運行保持5 d后再進行下一組停運試驗。

1.3 分析方法

DO濃度測定采用哈希溶氧儀探頭測試法,COD測定采用哈希便攜式光度計法,NH4+-N濃度測定采用納氏試劑分光光度計法,TN濃度測定采用哈希便攜式光度計法。SOUR測定采用曝氣攪拌法,脫氫酶活性測定采用TTC還原法[4]。SATP測定采用熱提取法,以Tris作為提取劑,在煮沸條件下提取ATP后采用紫外分光光度計測定[5]。采用Illumina Miseq PE300(上海美吉生物科技)高通量測序平臺對活性污泥中好氧饑餓前后的微生物菌群結構進行測定。

2 結果與討論

2.1 停運對處理效果影響及恢復時間

由圖2可知,短暫停運期間缺氧池pH有所上升,這是因為其中殘留的硝酸鹽反硝化產(chǎn)生堿度所致。而隨著停運時間的增加,各池pH都呈現(xiàn)下降趨勢,最低下降至5.8左右。由圖3(a)可知,在正常運行狀態(tài)下,COD去除率維持在90%左右,氨氮去除率維持在93%左右,總氮去除率維持在48%左右,這可能是由于模擬裝置體積較小,而曝氣強度較大,缺氧池DO濃度偏高抑制總氮去除效果所致。但是出水COD、氨氮、總氮都能夠達到大部分省份農(nóng)村生活污水處理排放限值的一級A標準〔COD<50 mg·L-1,ρ(NH4+-N)<5 mg·L-1,ρ(TN)<20 mg·L-1〕。

圖2 裝置中各反應池溶液pH隨停運時間的變化特征

(a)正常運行下各指標去除率;(b)COD去除率及恢復時間隨停運時間變化特征;(c)氨氮去除率及恢復時間隨停運時間變化特征;(d)總氮去除率及恢復時間隨停運時間變化特征。

停運不同時間后系統(tǒng)COD初始去除率以及恢復到正常運行去除效率〔以圖3(a)為參照〕所需時間見圖3(b)。由圖3(b)可知,停運初始,COD去除率即快速下降,其隨著停運時間的增加產(chǎn)生一定波動,但總體呈現(xiàn)下降趨勢,隨著停運時間的增加,COD去除率恢復到正常工況所需時間也隨著停運時間的增加而逐步增加。停運系統(tǒng)的氨氮初始去除率和恢復時間見圖3(c)。對比圖3(a)可知,停運初始氨氮去除率快速下降,隨著停運時間的增加而發(fā)生波動,但總體呈現(xiàn)下降趨勢。由圖3(d)可知,停運1～3 d時總氮去除率與初始階段相差不大,停運5 d后總氮去除率急劇下降至36%左右。因此,短時間停運對總氮去除率影響不大,而較長時間的停運會導致總氮去除率顯著降低。停運對總氮去除率的影響規(guī)律與COD和氨氮稍有不同,其主要原因為總氮的去除主要是厭氧反硝化過程,而COD和氨氮主要是好氧過程。

2.2 污泥活性特征

活性污泥比耗氧速率(SOUR)是指單位質(zhì)量活性污泥在單位時間內(nèi)所利用的氧的量[6],SOUR是表征好氧污泥活性的重要指標之一[7-8]。由圖4(a)可知,隨著低曝氣停運時間的增加,兩個好氧池SOUR都呈現(xiàn)逐步下降趨勢,這表明停運對于好氧池中異養(yǎng)菌和硝化細菌活性都有負面影響,且隨著停運時間的增加這種影響逐步擴大。相對于好氧Ⅱ池,好氧Ⅰ池由于添加MBBR填料,其SOUR更高,但這同樣導致其對于停運的反應更大,污泥活性下降幅度更大。

1)活性污泥質(zhì)量以混合液懸浮固體(MLSS)計。

污泥脫氫酶是污泥中微生物在進行氧化作用時所需要的催化酶,可以在一定程度上表征污泥進行氧化作用的能力。由圖4(b)可知,好氧池中污泥氧化作用明顯強于缺氧池,而隨著停運時間的增加,各池的脫氫酶活性都呈現(xiàn)下降趨勢。其中,與缺氧Ⅱ池相比,缺氧Ⅰ池脫氫酶活性下降的響應時間更快,這主要與污水的流經(jīng)次序有關。好氧池中主要是好氧氧化過程,活性污泥脫氫酶活性急速下降,且下降幅度最大。

比三磷酸腺苷(SATP)是指單位質(zhì)量污泥所含ATP量,ATP作為生物生命活動的能量儲備來源,其含量高低可以表征生物生命活動的強弱程度。由圖4(c)可知,隨著停運時間的增加,各池的SATP都呈現(xiàn)下降趨勢,而隨著進水停止,由于營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏以及DO濃度的下降,微生物生命活動速率都大幅度下降,尤其是好氧池中的微生物。對于缺氧池內(nèi)的微生物而言,代謝活動需氧量相對較少,且厭氧菌可利用細胞分解產(chǎn)生的可利用物質(zhì),SATP下降幅度較小。

2.3 污泥微生物群落變化特征

停運前后各反應池微生物種群指數(shù)變化見圖5。

Q1和Q2分別為停運前缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,Q1′和Q2′分別為停運后缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1和H2分別為停運前好氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1′和H2′分別為停運后好氧Ⅰ池和Ⅱ池。

由圖5(a)～(b)可知,相較于停運前,在停運后4個反應池Chao指數(shù)和Ace指數(shù)都有不同程度的增大,這表明停運會導致各反應池內(nèi)微生物種群豐度增大,即微生物種類變多;一般來說,樣本中微生物多樣性主要由微生物種群豐度與微生物種群均勻度兩個指標決定[9]。由圖5(c)可知,缺氧池微生物多樣性大于好氧池,且在停運前后缺氧池微生物多樣性變化幅度不大,而停運后好氧池微生物多樣性急劇上升。結合之前各反應池微生物種群豐度上升情況可知,停運后好氧池內(nèi)微生物種群均勻度大幅下降〔圖5(d)〕,微生物種類雖然有所增加,但優(yōu)勢物種占比變大且集中,這是由于停運期間營養(yǎng)物質(zhì)缺乏以及DO濃度下降所致。

由圖6(a)可知,稀釋曲線較為平滑,即取樣數(shù)量可以代表樣品中的分類單元(OTU)值,檢測所得數(shù)據(jù)具有代表性和說服力。圖6(b)顯示,在停運前后好氧池種群組成差異較大,而缺氧池停運前后種群組成差異較小。由此可見,停運對于好氧池內(nèi)微生物群落產(chǎn)生較大影響,其中的微生物種類、豐度、均勻度以及優(yōu)勢種群都發(fā)生較大變化。

圖6 樣品稀釋曲線和主成分分析結果

2.3.1COD降解菌變化特征

分別采集正常運行裝置和停運5 d的裝置中污泥作為樣品,針對細菌16S rRNA V4-V5區(qū)對各活性污泥樣品進行PCR擴增,分析檢測得出各樣品中主要菌群組成(圖7)。

Q1和Q2分別為停運前缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,Q1′和Q2′分別為停運后缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1和H2分別為停運前好氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1′和H2′分別為停運后好氧Ⅰ池和Ⅱ池。

從門分類水平〔圖7(a)〕上看,無論是缺氧池還是好氧池,污泥樣品中主要優(yōu)勢細菌種類均為變形菌門,擬桿菌門、放線菌門和厚壁菌門等細菌種類同樣存在于污泥樣品中且占比較大,這與ZHANG等[10]的研究結論一致。停運前,好氧池中變形菌門占比(達到95%)很高,而擬桿菌門和厚壁菌門等細菌占比很小。這是因為變形菌門中存在大量對COD降解起到主要作用的異養(yǎng)菌,在DO濃度較高、碳源充足的環(huán)境下大量繁殖,因此占據(jù)優(yōu)勢地位。在缺氧池中變形菌門所占比例則遠低于好氧池。停運后,好氧池中變形菌門豐度大幅下降,由于停運期間DO濃度下降,且碳源逐漸消耗而不足,因此其中的對COD降解起主體作用的變形菌門好氧異養(yǎng)菌大幅度減少,導致停運后裝置對COD的去除率明顯下降;擬桿菌門等細菌豐度明顯上升。有研究表明,擬桿菌門部分細菌存在特殊的鞘脂結構,其體內(nèi)可以富集聚羥基脂肪酸(PHA)等高能物質(zhì),因此對于好氧饑餓環(huán)境有著較強的抵抗能力,可以在長期好氧饑餓環(huán)境中生存[11]。缺氧池中由于本身DO濃度較低,因此短期內(nèi)停運對于其細菌種類組成影響相對較小,多數(shù)細菌可以依靠殘存的少量碳源以及自身儲能抵抗饑餓影響。

從綱分類水平〔圖7(b)〕來看,變形菌門中γ-變形菌綱和α-變形菌綱在樣品中占據(jù)主要地位。停運前,γ-變形菌綱在好氧池中占據(jù)主導地位,可見其在變形菌門的變化中起主導作用。但也有研究表明,活性污泥中變形菌門占據(jù)主導地位的為β-變形菌綱[12],但在該樣品中β-變形菌綱菌群豐度很低,可見不同的活性污泥中變形菌門雖都占據(jù)主導地位,但是在綱水平上主導菌群不同。停運后,好氧池γ-變形菌綱占比大幅度降低,α-變形菌綱和擬桿菌綱占比呈現(xiàn)上升趨勢。可見,α-變形菌綱和擬桿菌綱對于這種低DO濃度的饑餓環(huán)境具有更好的適應能力。梭菌綱和桿菌綱是活性污泥中厚壁菌門中的主要細菌種類,有研究表明其對于污泥好氧消化具有積極作用[13]。硝化螺旋菌綱作為傳統(tǒng)的硝化細菌,起到脫氮作用,但是由于其世代較長,在污泥樣品中豐度較低。

2.3.2硝化與反硝化細菌變化特征

在活性污泥中,氮的去除主要通過硝化作用和反硝化作用共同完成。硝化作用通過硝化細菌實現(xiàn),傳統(tǒng)的硝化細菌包括亞硝酸菌(AOB)和硝酸菌(NOB)。在硝化作用第一階段,在AOB作用下氨氮被氧化成亞硝酸鹽,再通過第二階段在NOB作用下亞硝酸鹽被氧化為硝酸鹽。大部分AOB和NOB是化能自養(yǎng)型細菌,生長極其緩慢,并且很容易受到pH值、溫度等外界條件的影響。傳統(tǒng)意義上認為,活性污泥中優(yōu)勢AOB主要包括亞硝化單胞菌屬和亞硝化螺菌屬[14],優(yōu)勢NOB主要包括硝化螺旋菌屬和硝化桿菌屬[15]。而在筆者試驗中,檢測到的污泥樣品中AOB只有亞硝化單胞菌屬,檢測到的NOB只有硝化螺旋菌屬,且豐度相對較低。

由圖8可知,停運后,AOB豐度衰減至幾乎難以檢測到,這是由于一方面DO濃度降低導致AOB難以利用系統(tǒng)中殘余的氮源以及其他細菌分解產(chǎn)生的新氮源,另一方面隨著停運時間的增加,系統(tǒng)pH逐漸降低,對于硝化細菌的生長具有抑制作用。而與AOB相比,NOB豐度占比反而有所上升,這是因為NOB可以利用AOB在較弱代謝中產(chǎn)生的少量NO2--N作為氮源,因此其衰減速率較慢,甚至短期內(nèi)有所上升[16];BOLLMANN等[17]研究表明,AOB能在饑餓條件下利用自身核糖體供給自身代謝所需。因為AOB特有的代謝過程使其能夠更好地應對饑餓環(huán)境,所以在不利的條件下處于預備休眠狀態(tài),一旦重新供給營養(yǎng)物質(zhì),可以快速進行細胞復蘇,細胞內(nèi)的酶重新被激活從而促進細胞繁殖進而恢復脫氮效果。

各分圖中數(shù)據(jù)為屬水平不同物種豐度占比。

反硝化作用的實現(xiàn)主要通過反硝化細菌的作用,反硝化細菌廣泛存在于自然界中且數(shù)量巨大,其通過反硝化作用將NO3--N或NO2--N還原成N2或N2O。反硝化細菌可以分為厭氧反硝化細菌和好氧反硝化細菌兩類。一般認為反硝化是嚴格厭氧過程,O2會阻礙硝酸鹽和亞硝酸鹽作為電子受體,還會抑制反硝化還原酶活性[18]。但是,近些年許多好氧反硝化菌被發(fā)現(xiàn),包括假單胞菌屬[19]、陶厄氏菌屬[20]、副球菌屬[21]、芽孢桿菌屬[22]和不動桿菌屬[23]等等。在筆者試驗中,污泥樣品中可檢測出豐度相對較高的反硝化細菌(圖8)?？梢钥吹?大部分反硝化細菌菌屬豐度在停運之后不降反升,這可能是由于大部分反硝化細菌都具有合成胞內(nèi)儲能物質(zhì)的能力[24],在停運短期可以利用儲能物質(zhì)抵抗饑餓帶來的影響,同時好氧異養(yǎng)菌豐度大幅下降,反硝化菌在缺氧條件下競爭力加強,豐度上升。有研究表明,好氧反硝化菌使得在同一條件和裝置內(nèi)同步硝化反硝化成為可能,但同步硝化反硝化限制條件較為嚴格,當ρ(DO)<2 mg·L-1,C/N約為8時,同步硝化反硝化效率最高[25]。因此,短期停運情況下總氮去除率不變且重啟快速恢復的原因,一方面是各類反硝化細菌具有一定的抵抗饑餓能力,使得停運時其豐度仍能維持在一定水平上;另一方面,在較低DO濃度條件下,重啟恢復時碳源的補充使得同步硝化反硝化反應發(fā)生,促進恢復。

3 結論與展望

該文探討了在微曝/重啟條件下兩級缺氧-好氧裝置對村鎮(zhèn)生活污水處理效果的變化,主要結論包括:(1)停運對于兩級AO-MBR裝置的運行效果具有一定影響,且運行效果變化程度與恢復時間和停運時間有較為明顯的相關性。在低曝氣量狀態(tài)下短期停運1～2 d,COD和氨氮的初始去除率下降在10個百分點以內(nèi),總氮去除率不受影響,且系統(tǒng)會在1 d左右恢復到正常工作狀態(tài)。停運時間延長至5～8 d,COD、氨氮及總氮的初始去除率分別下降10、20和15個百分點左右,恢復時間為5 d左右。(2)隨著停運時間的延長,SOUR、脫氫酶活性、SATP等污泥活性指標都相應有所下降,相對于缺氧池,好氧池由于供氧減少,其中的好氧異養(yǎng)菌活性都有所下降。(3)活性污泥中主要優(yōu)勢細菌種類為變形菌門,停運會導致好氧池中變形菌門豐度大幅下降,對于降解COD起到主要作用的γ-變形菌綱中的好氧異養(yǎng)菌數(shù)量大幅減少,擬桿菌門等適應低DO濃度、低碳源的菌屬成為新的優(yōu)勢菌種。停運導致DO濃度和pH均有所下降,硝化細菌數(shù)量減少,氨氮去除率下降。反硝化細菌由于受自身代謝特性的影響,其豐度有所上升,因此,短期停運使總氮去除率變化較小。根據(jù)以上結果,可形成一種低能耗的農(nóng)村旅游生活污水處理設施運維方法,即在設施因缺少來水而停運的情況下,可對裝置進行微曝處理(曝氣量下降到原來的1/3左右),能夠保持生化污泥的大部分活性,使裝置在恢復進水后能快速重啟并達到停運前的正常運行處理效果。