不同水平低水量运行对AAO工艺的影响

韩小蒙，白海梅，李明杰，马 艳，宋姗姗

(1. 上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司，上海 200082； 2. 上海城投水务工程项目管理有限公司，上海 201103)

竹园污水片区是上海市中心城区的3大污水片区之一，服务面积约为335 km2，规划服务人口为590万～610万人。目前，竹园污水片区的末端处理厂包括竹园第一污水处理厂、竹园第二污水处理厂和升级补量工程，设计规模总量为220万m3/d[1-2]。根据《水污染防治行动计划》和《上海市水污染防治行动计划实施方案》的要求，为进一步提高城镇污水处理能力及水平，上海市规划新建了设计规模为120万m3/d的竹园污水处理厂四期工程。竹园四期工程设曝气沉砂池，主体生物处理段为厌氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic-oxic, AAO)工艺，去除有机物的同时可脱氮除磷；平流式二沉池具有布置紧凑、水力条件较好的优点；深度处理段为带污泥回流的高效沉淀池加V型滤池，以进一步去除颗粒物和总磷(TP)；尾水经过辅助次氯酸钠的紫外消毒后排放。

由于竹园污水片区内合流制、分流制排水系统并存，降雨时部分雨水也进入末端处理厂，因此，进水量存在较大程度的波动。近年数据统计结果显示，竹园污水片区总进水量可达到188万～461万m3/d。同时，结合竹园第一、第二污水处理厂和升级补量工程的现有运行模式，计算得到竹园污水处理厂四期工程建成后高频进水量为36万～108万m3/d，即实际进水量可能长期处于设计规模的30%～90%。

为明确竹园四期工程在低进水量下AAO生物段的运行情况，本研究设置了进水量为设计规模40%和70%的两组平行运行中试反应器，以模拟竹园四期工程的典型工况。考察了这两组反应器在长期运行过程中对污染物的去除效果和污泥性质，为竹园四期工程和竹园片区的水量调度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 中试反应器设计和运行参数

本研究构建了2套平行运行的AAO中试反应器，进水为竹园片区污水，经过生物段处理和二沉池后出水。由于竹园四期工程的主体生物处理工艺为AAO工艺，总水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)为15.5 h。因此，中试反应器的生物段包括了厌氧池、缺氧池和好氧池3部分，工艺流程如图1所示。设计HRT分别为2.8、3.3、9.4 h，总HRT为15.5 h，相应的进水流量为0.8 m3/h。低流量组按设计进水量的40%运行，即厌氧池、缺氧池和好氧池的HRT分别为7.0、8.2、23.2 h，总HRT为38.4 h；高流量组按设计进水量的70%运行，3段的HRT分别为4.0、4.7、13.3 h，总HRT为22.0 h。

图1 AAO中试装置工艺流程图Fig.1 Flow Diagram of Pilot-Scale AAO Reactor

两组AAO反应器的外回流比为100%，内回流比为400%。低流量组和高流量组的竖流式二沉池表面水力负荷分别为0.31、0.55 m3/(m2·h)。由于进水量偏低，低流量组污泥龄延长至约35 d，高流量组污泥龄延长至约25 d。反应器接种污泥为上海城市污水厂曝气池污泥，待污泥基本达到稳定状态后开始进行水质测试和污泥性质测试。

在2020年9月—11月的53 d运行过程中，进水化学需氧量(COD)平均质量浓度为(201±46)mg/L，进水氨氮平均质量浓度为(22.0±7.7)mg/L，进水总氮(TN)平均质量浓度为(28.8±46)mg/L，进水TP平均质量浓度为(4.1±1.0)mg/L。在试验周期中，曝气池内污泥温度为14～35 ℃，低流量组好氧池、缺氧池和厌氧池的溶解氧(DO)质量浓度分别为8、0.5、0.2 mg/L，高流量组的分别为0.8、0.19、0.12 mg/L。

1.2 水质测试方法

两组AAO反应器进、出水的COD、TN、氨氮、TP浓度使用标准方法进行测定[3]。

1.3 污泥性质测试方法

活性污泥的混合液悬浮固体(mixed liquid suspended solids, MLSS)浓度和混合液挥发性悬浮固体(mixed liquid volatile suspended solids, MLVSS)浓度使用标准方法进行测试[3]。

污泥体积指数(sludge volume index, SVI)为1 L曝气池污泥样品沉淀30 min后，泥水分界面对应的体积读数(mL)除以MLSS质量浓度(g/L)。

污泥粒径使用激光粒度仪(Mastersizer 3000, Malvern)进行测试。

污泥胞外聚合物(extracellular polymeric substa-nces, EPS)使用加热方法提取，蛋白质浓度使用BCA蛋白质浓度试剂盒(P0010, 碧云天)进行测试。

耗氧速率(oxygen uptake rate, OUR)测试为取AAO反应器的好氧池污泥150 mL，静沉去除上清液后，使用0.05% NaCl溶液洗泥2次，最终加入0.05% NaCl溶液使样品体积仍为150 mL。将污泥样品置于锥形瓶中，使用曝气器向污泥充氧，当DO质量浓度达到7.5 mg/L后停止曝气。当测试内源OUR时，直接插入溶解氧仪探头并密封，间隔30 s记录DO读数；当测试外源OUR时，加入乙酸钠溶液使混合液中乙酸钠质量浓度为100 mg/L，然后插入溶解氧仪探头并密封，间隔30 s记录DO读数[4]。最终对DO值和时间进行线性拟合，斜率为污泥样品的OUR。

比耗氧速率(Specific oxygen uptake rate, SOUR)为OUR除以MLVSS的计算值。

8月20日，由雷邦斯生物技术（北京）有限公司及雷邦斯集团成员企业爱必施农业技术（北京）有限公司主办、中国农资传媒独家策划的世界橙油共享发布会暨微生物工艺提取活性腐殖酸发布会在北京举行，雷邦斯生物技术（北京）有限公司总经理冉峰、常务副总经理褚晖，雷邦斯集团企业、合作伙伴及多家行业媒体代表等出席活动。发布会上，与会嘉宾就橙油的应用与发展、微生物工艺提取活性腐殖酸的工艺和应用优势等内容进行了分享和交流。

1.4 污泥微生物多样性测试方法

本研究使用高通量测序平台 Hiseq对高流量组和低流量组的曝气池污泥进行16S rDNA测序，步骤如下。首先使用试剂盒提取DNA，并利用NanoDrop One 检测DNA 的浓度和纯度。以基因组DNA 为模板，选择16S V4区引物(515F 和806R)，使用带barcode的引物及Premix Taq(TaKaRa)进行PCR 扩增。PCR扩增过程包括：①94 ℃保持5 min；②94 ℃保持30 s，52 ℃保持30 s，72 ℃保持30 s；③步骤②循环30次；④72 ℃保持10 min；⑤保存在4 ℃下。用1%琼脂糖凝胶电泳检测PCR 产物的片段长度和浓度，主带长度在正常范围内的样品可用于进一步的试验。PCR纯化后使用Illumina Hiseq2500平台对构建的扩增子文库进行测序。使用Trimmomatic、FLASH、Mothur等软件对测序数据进行质量过滤和拼接等操作，得到最终测序结果。

2 结果与讨论

2.1 AAO反应器进出水水质

2.1.1 COD去除情况

由图2可知，在约2倍污泥龄的运行周期中，低流量(low-flow-rate,LFR)组和高流量(high-flow-rate,HFR)组的出水CODCr质量浓度均稳定低于50 mg/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。低流量组出水CODCr质量浓度均值为(18±5)mg/L，高流量组出水CODCr质量浓度均值为(17±4)mg/L，去除率约为91%。刘新超等[5]和凌宇等[6]的研究也显示了近似的结果，当HRT满足去除有机物所需的最短时间后，延长总HRT对COD的去除无明显影响。结合污泥浓度可知，低流量组和高流量组的污泥负荷仅为0.107 kg COD/(kg MLSS·d)和0.066 kg COD/(kg MLSS·d)，均处于较低水平，因此，两组对COD均有良好的去除效果。

图2 低流量组和高流量组的进出水CODCr浓度Fig.2 CODCr Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

2.1.2 氮去除情况

如图3所示，低流量组出水氨氮虽然发生了小幅波动，但是在运行周期中始终低于2 mg/L,高流量组出水氨氮稳定低于1 mg/L,因此，总体上可以稳定达到一级A标准。这反映了当AAO装置长期处于低水平进水量时，可以具有较好的硝化效果。这一方面是由于本研究延长了污泥龄，有利于硝化菌生长；另一方面低流量组和高流量组的好氧池HRT长达23.2 h和13.3 h，硝化菌可以进行较为充分的硝化反应[6]。

图3 低流量组和高流量组的进出水氨氮浓度Fig.3 Ammonia Nitrogen Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

由图4可知，高流量组出水TN质量浓度稳定低于15 mg/L，低流量组出水TN存在一定波动，在第15～21 d中超过了15 mg/L，其他时候均满足一级A标准。低流量组和高流量组出水TN平均质量浓度分别为(12.9±2.3)、(10.4±1.9)mg/L。低流量组出水TN浓度略高的原因可能是反应器单位体积的有机物负荷低于高流量组，存在反硝化碳源不足的问题，因此，低流量组反硝化能力下降[7]。

图4 低流量组和高流量组的进出水TN浓度Fig.4 TN Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

在运行周期中，进水TP有上升趋势，相应的低流量组和高流量组出水TP也有所上升，而且基本高于0.5 mg/L，无法达到一级A标准。低流量组出水TP平均质量浓度为(1.6±0.7)mg/L，略低于高流量组[(1.8±0.6)mg/L]。因此，建议对二沉池出水进行混凝沉淀和过滤的深度处理，例如高效混凝沉淀池与V型滤池联用，通过化学除磷达到排放标准。结合图5以及聚磷菌和反硝化菌对碳源的竞争关系分析[8]，推测在低流量组中聚磷菌占据优势，因此，除磷效果略优；在高流量组中反硝化菌占据优势，因此，脱氮效果较好。

图5 低流量组和高流量组的进出水TP浓度Fig.5 TP Concentration of Influent and Effluent in LFR and HFR Reactor

2.2 AAO反应器污泥性质

2.2.1 污泥浓度和SVI值

低流量组和高流量组的MLSS质量浓度分别为(1.1±0.7)、(3.5±1.1)g/L，MLVSS质量浓度分别为(0.6±0.3)、(1.9±0.6)g/L。这可能是因为低流量组HRT过长，污泥长期处于超低负荷状态，因此，MLSS和MLVSS浓度无法维持正常水平。低流量组和高流量组的SVI分别为(68±11)、(92±19)mL/g，低流量组的SVI同样处于偏低范围。这反映了AAO反应器长期处于设计规模的40%低进水量时，可能给污泥性质带来不利影响。

2.2.2 污泥粒径

污泥结构受到进水条件影响，同时与AAO反应器运行效果有关，因此，本研究测试了低流量组和高流量组的污泥粒径分布。由图6可知，两组反应器的污泥颗粒大部分集中在200 μm以下，且总体上低流量组污泥粒径高于高流量组。提取两组污泥样品的EPS并测试其蛋白质浓度，发现低流量组和高流量组EPS中蛋白质质量浓度分别为8.9、17.9 mg/g。研究同样显示，提高进水有机物负荷会使EPS含量升高[9-10]，同时，李振亮等[11]和陈翰[12]认为，EPS可以提升污泥絮凝效果，这是因为EPS中的蛋白质可以提高细菌表面疏水性并且降低表面电荷，从而降低静电排斥并促进污泥絮体聚集。由此推测，本研究中高流量组的较高负荷使得污泥EPS含量更高，并且污泥絮体团聚从而粒径变小。

图6 低流量组和高流量组的污泥粒径Fig.6 Particle Size Distribution of Sludge in LFR and HFR Reactor

2.2.3 污泥活性

为进一步明晰低流量组和高流量组的污泥活性差异，本研究对两组曝气池污泥样品的OUR和SOUR进行了测试。由图7(a)可知，高流量组内源呼吸OUR略高于低流量组，当加入乙酸钠后，外源呼吸OUR达到了0.426 mg/(L·min)，远远高于低流量组的0.084 mg/(L·min)。这反映了高流量组单位体积污泥的活性高于低流量组，其原因可能是低流量组长期处于超低负荷状态，因此，单位体积污泥活性偏低[13-14]。由图7(b)可知，低流量组和高流量组的SOUR对比与OUR完全相反，即低流量组的内源呼吸和外源呼吸SOUR均高于高流量组。推测这可能是在长期运行过程中，低流量组单位质量污泥承担的有机物负荷为0.107 kg COD/(kg MLSS·d)，高于高流量组的0.066 kg COD/(kg MLSS·d)，因此，低流量组污泥的SOUR高于高流量组。

图7 低流量组和高流量组污泥对比 (a)OUR; (b)SOURFig.7 Comparison of Sludge in LFR and HFR Reactor (a) OUR; (b) SOUR

2.3 AAO反应器污泥菌群分析

为深入阐明不同水平低水量运行对AAO反应器活性污泥系统的影响，本研究对低流量组和高流量组的活性污泥细菌菌群进行了测试。表1为部分与反应器运行效果有关的细菌在“属”水平上的相对丰度。曾薇等[15]研究表明，Nitrosomonas(亚硝化单胞菌属)和Nitrospira(硝化螺旋菌属)分别是典型的氨氧化菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)和亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizing bacteria, NOB)，同时，Pseudomonas(假单胞菌属)也具有硝化功能[16]。

表1 低流量组和高流量组部分菌属的相对丰度及功能Tab.1 Relative Abundance and Function of Some Genus in LFR and HFR Reactor

低流量组亚硝化单胞菌属和假单胞菌属的相对丰度高于高流量组，而硝化螺旋菌属的相对丰度低于高流量组。推测整体上两组污泥的硝化效率接近，并且均具有较长的HRT，因此，出水氨氮浓度均较低。Dechloromonas、Terrimonas(发菌属)、Thauera(陶厄氏菌属)和Hyphomicrobium(生丝微菌属)可以发挥反硝化作用[17-19]。虽然上述4种菌属的相对丰度在低流量组中高于高流量组，但是可能低流量组的污泥MLSS浓度和有机物负荷低于高流量组，不利于反应器进行充分的反硝化，因此，低流量组的出水TN平均浓度略高于高流量组。低流量组Azospira(固氮螺菌属)和Thiothrix(丝硫菌属)的相对丰度高于高流量组，丝硫菌属为丝状菌，固氮螺菌属也与污泥膨胀有关[20]，因此，推测低流量组中这2种菌属相对丰度较高可能是其污泥粒径高于高流量组的原因之一。

3 结论

低流量组和高流量组出水COD和氨氮浓度均能稳定达到一级A标准；高流量组出水TN浓度能稳定达到一级A标准，低流量组出水TN浓度基本达到一级A标准，且低流量组出水TN浓度平均值高于高流量组；低流量组和高流量组出水TP浓度均无法达到一级A标准，建议对二沉池出水进行混凝沉淀和过滤的深度处理，通过化学除磷达到排放标准。

考察两组污泥性质和菌群，发现低流量组污泥的MLSS、MLVSS和SVI低于高流量组，MLSS质量浓度为(1.1±0.7)g/L，SVI为(68±11)mL/g，均低于正常值；单位体积污泥的外源呼吸OUR为0.084 mg/(L·min)，远低于高流量组的0.426 mg/(L·min)；且低流量组的部分丝状菌相对丰度高于高流量组，这可能是其污泥絮体粒径较大的原因之一。因此，推测AAO反应器的进水量长期处于40%设计规模时，对污泥性质可能产生不利影响。建议竹园片区污水厂应通过总进水调度，协调各厂进水量，尽量避免某厂长期在极低进水量下运行。此外，还可通过例如减少曝气量、降低内回流量等工艺参数调整[21-22]，提高AAO段在低水量运行时的处理效果。