曝气条件对侧流活性污泥水解工艺脱氮性能和微生物的影响

2021-02-14胥鹏海李笑笑王东琦

水资源与水工程学报 2021年6期

胥鹏海, 刘亮, 刘晶，张喆，秦璐, 李笑笑，郑兴，王东琦

(1.中圣环境科技发展有限公司，陕西西安 710054； 2.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048)

1 研究背景

随着城市化的快速发展，水环境受污染的情况越来越严重。其中，因水体富营养化引发的藻类疯长、水生态系统破坏受到了广泛关注[1-2]。我国水体富营养化的主要原因为污水中含有的大量氮、磷营养元素[3-5]。为了解决此问题，国家和各个地区提出了日益严格的污染物排放标准[6-7]，这为常规生物脱氮除磷工艺带来了技术挑战。由于在生物脱氮除磷系统中，反硝化菌与聚磷菌争夺碳源，加之我国许多污水处理厂的进水碳源不足[8]，仅靠生物方法难以稳定达到排放标准，常常需要外加商业碳源或是化学试剂，这也使得生物法较化学法相比失去了原有的经济性和环境友好的优势[9]。近年来，侧流活性污泥水解工艺(side-stream activated sludge hydrolysis, 以下简称SSH工艺)逐渐受到越来越多的关注[10-12]。SSH工艺将部分或者全部回流污泥引入侧流厌氧池，并对其进行水解发酵，产生的挥发性脂肪酸(volatile fatty acid, VFA)可促进微生物生长及提升脱氮除磷效果，充分挖掘工艺内部碳源[13]，在一定程度上缓解了进水碳源低和脱氮除磷功能微生物之间竞争的问题[10]。该工艺具有运行成本低、处理性能稳定的特点，且改造简单、运行灵活，适用于多种污水厂的现有流程[14-15]。

保持高质量的废水排放，同时降低运营成本一直是污水处理厂努力实现的目标。鼓风机作为污水厂最大的单一能耗来源[16]，占总能源成本的75%[17]，故优化曝气条件就成了不可忽视的一项工作。溶解氧(dissolved oxygen, DO)的浓度是影响生物池作用效率和性能的关键参数，因此是研究曝气条件中的关键部分。通常，曝气池的DO浓度必须高于2 mg/L，一般控制在2～3 mg/L[18]，但污水处理厂常常出现DO浓度过高(5～8 mg/L)的运行状况，这不仅浪费能源，还会对污泥结构产生影响[19]。过低的DO(小于0.5 mg/L)虽然可以节约能源，但也可能会使微丝菌大量增殖引发污泥膨胀[20]。然而，有关SSH工艺在不同曝气条件下的处理性能变化规律缺乏系统性研究。该工艺在不同曝气条件下微生物群落结构以及关键功能种群变化的研究也相对较少。因此，本研究通过构建SSH工艺和常规厌氧/缺氧/好氧(anaerobic anoxic-oxic, A2/O)工艺实验室小试反应器，比较在不同曝气条件下A2/O和SSH两组反应器的脱氮性能及其稳定性，并结合微生物的群落结构及相关功能微生物的分析，对SSH工艺的微生物作用机理进行了研究，以期为该工艺在我国城镇污水处理中的工程应用提供一定的理论与技术支持。

2 材料与方法

2.1 试验装置

试验在如图1所示的两套反应器中进行，所采取的工艺分别为A2/O工艺和SSH工艺。反应器的材质主要为透明的有机玻璃。A2/O和SSH工艺的反应格室数量、大小完全相同，均有8个反应格室，除二沉池外，每个反应格室均设有搅拌装置。好氧池底部设有曝气泵，可以通过此设备来调节好氧池的曝气量和DO浓度。每套反应器的总有效容积为30 L，其中预缺氧池有效容积为2 L，其余反应池有效容积为4 L。与A2/O反应器相比，SSH反应器的进水位置不同，进水直接流至缺氧池。除此之外还增加了一路污泥回流，70%的回流污泥直接进入主流缺氧池，其余30%的污泥经侧流反应器水解发酵后再回流到主流。

图1 试验采用的两种工艺反应器试验装置示意图

2.2 试验用水

2.3 试验运行条件

两组反应器中活性污泥均采自西安市某污水处理厂回流段，起始浓度约为8.2 g/L。待污泥驯化结束，对碳、氮、磷等污染物均具有一定的去除效果后开始正式试验。试验分为3个阶段，每个阶段主要运行参数如表1所示。

表1 各阶段试验反应器主要运行参数

2.4 微生物群落结构分析方法

在A2/O和SSH的不同运行阶段，从第4个好氧池采集活性污泥混合液，混合液经过离心沉淀后低温保存，最后将保存样品送至派森诺基因测序公司(上海)委托测序，之后对获得的群落结构数据进行分析。

2.5 污水各指标测定方法

3 结果与分析

3.1 COD处理性能比较

图2为不同DO浓度条件下A2/O和SSH工艺两组反应器对COD的去除效果。由图2可知，A2/O反应器在3个阶段的COD出水浓度分别为(27.1±9.4)、(27.8±9.8)和(41.8±11.1) mg/L，平均去除率分别为93%、93%和89%。SSH反应器在3个阶段的COD出水浓度分别为(25.0±10.1)、(22.4±7.8)和(32.1±11.3) mg/L，平均去除率分别为94%、94%和92%。结果表明，两组反应器均对进水中的易降解有机物有稳定而高效的处理能力，COD去除效果在3个阶段基本一致，95%以上的出水符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。与A2/O反应器相比，SSH反应器的出水COD浓度更低，43%的A2/O反应器出水和63%的SSH反应器出水达到了地表水Ⅳ类排放标准(GB 3838—2002)。

图2 A2/O和SSH工艺的两组反应器对COD的去除效果

3.2 脱氮性能比较

图3 A2/O和SSH工艺的两组反应器对和TN的去除效果

总体来看，在相同进水和工艺条件下，SSH反应器表现出比A2/O反应器更好的脱氮性能。出水TN浓度的中位数为9.7 mg/L，均值为(10.8±4.5) mg/L，明显低于A2/O反应器出水(中位数为11.9 mg/L，均值为(13.7±5.9) mg/L)，这可能和SSH反应器特殊的工艺构型有关。在A2/O工艺中，由于大部分有机物在厌氧池被利用，进入缺氧池的有机物少，不利于反硝化作用。SSH工艺侧流厌氧反应器的设置实现了对部分回流污泥的水解发酵，产生的额外内碳源可解决进水碳源不足问题，并缓解聚磷菌和反硝化菌之间的竞争作用，促进同步脱氮除磷能力的提高[10]。另外，侧流反应器延长的厌氧停留时间可能会改变活性污泥中微生物的群落结构，并通过筛选驯化形成特定的功能微生物种群，这也可能是SSH工艺具有高效脱氮性能的原因之一。

3.3 微生物群落结构分析

3.3.1 多样性分析不同阶段两组反应器中微生物的OTU(operational taxonomic unit))数及α多样性指数结果列于表2。由表2中OTUs数量、Chao1和ACE指数结果表明，两组反应器的微生物群落丰富度在阶段Ⅱ均明显降低，部分微生物可能因无法适应较低的DO浓度水平而被淘汰。在阶段Ⅲ的正常DO浓度水平下，A2/O反应器的群落丰富度持续降低，而SSH反应器的微生物群落丰富度基本稳定。除此之外，SSH反应器中微生物的群落多样性在3个阶段始终高于A2/O反应器，这有利于保证反应器对曝气强度和DO浓度变化等冲击的耐受能力。

表2 不同阶段两组反应器中微生物的OTU数及α多样性指数

3.3.2 群落结构组成图4为利用MiSeq高通量测序平台对两组反应器不同阶段污泥样品的群落结构分析结果。

由图4(a)可以看出，Proteobacteria为反应器污泥样品中的主要优势类群，其次为Bacteroidetes和Chloroflexi。其中，许多脱氮功能微生物以及几乎所有类型的AOB均属于Proteobacteria[30-32]，Bacteroidetes和Chloroflexi也被认为是反硝化过程中的主要参与微生物[32-33]。由图4(b)可以发现，对于不同阶段的两组反应器，其属水平上的微生物群落结构发生明显改变。在阶段Ⅰ，A2/O和SSH反应器中主要优势菌属包括Cloacibacterium(相对丰度分别为9.3%和3.1%)、Comamonas(相对丰度分别为7.3%和3.3%)、Aeromonas(相对丰度分别为6.9%和2.3%)和Ca.Competibacter(相对丰度分别为4.8%和9.1%)。在阶段Ⅱ，A2/O反应器的主要优势菌属为Lelliottia(32.3%)和Ca.Competibacter(9.5%)，SSH反应器的主要优势菌属为Thiothrix(11.2%)和Azospira(7.9%)。在阶段Ⅲ，A2/O和SSH反应器中主要优势菌属包括Lelliottia(相对丰度分别为41.6%和14.1%)和Thiothrix(相对丰度分别为8.7%和5.6%)。结果表明，曝气条件和反应器工艺构型改变导致了微生物群落结构发生明显改变。

利用MiDAS数据库[34]筛选高通量测序数据中与脱氮有关的功能微生物信息，两组反应器不同阶段的脱氮功能微生物组成如图5所示。由图5可知，在阶段Ⅰ，除SSH反应器含有少量硝化细菌Nitrospira(1.5%)外，两组反应器中的脱氮功能微生物的相对丰度均低于1%，表明较高的DO浓度和曝气强度不利于脱氮功能微生物的富集。在阶段Ⅱ和Ⅲ，A2/O和SSH反应器的主要脱氮功能微生物为反硝化菌Azospira(相对丰度分别为0.6%～1.2%和2.7%～7.9%)和Thiothrix(相对丰度分别为4.8%～8.7%和5.6%～11.2%)，表明较低或正常的DO浓度更有利于脱氮微生物的生长。另外，SSH反应器的反硝化菌相对丰度较高，是反应器脱氮效果良好的重要原因。