低温下分段进水多级A/O工艺脱氮规律分析

边德军，李清哲，王 帆，艾胜书，聂泽兵，王 宁

(1.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林 长春 130012；2.吉林省城市污水处理重点实验室，吉林 长春 130012；3.东北师范大学环境学院，吉林 长春 130117)

0 引言

如何克服低温对脱氮的影响是污水生物脱氮过程中亟待解决的难题，低温环境降低了生化系统微生物的活性，显著影响硝化菌、反硝化菌的生命活动[1-2].杨小丽等[3]研究发现，温度每降低1℃，硝化菌比增长速率和反硝化速率分别降低10%和9%；李桂平等[4]的研究表明，脱氮菌适宜温度为30℃，随着温度的降低，反硝化速度明显受到抑制，当温度低于5℃时，反硝化作用停止.此外，近来由于污水污染物结构的改变[5]，传统的生化工艺往往因反硝化碳源不足而难以进一步提高脱氮效率.受低温的影响，我国北方污水处理厂在冬季面临严重的出水总氮(TN)超标问题，严重影响了污水处理厂的正常运行，危害水环境.因此，研究高效的低温脱氮工艺意义重大.

多级A/O工艺是目前应用较多，具有高效脱氮除磷功能的污水处理工艺[6].其具有生物量丰富、负荷均衡、能耗低等优点[7-8].此外，碳源不足是低温污水脱氮效率低的主要原因之一，而多级A/O工艺污水分段加入各级缺氧段，根据水质条件灵活调整进水流量分配比，操作性较强，为反硝化菌提供了充足的碳源[9]，提高了TN去除效率，有效降低了低温对脱氮的影响.

近年来，关于分段进水多级A/O工艺处理效能及综述的研究较多，而有关低温下装置内TN沿程转化及各隔室对TN去除情况的研究较少.此外，针对低温下的反硝化以及好氧反硝化作用研究证实，低温条件下生物处理系统仍可获得良好的反硝化效果，而关于低碳源以及低温硝化对系统脱氮的复合影响机理研究则处于空白[10].为此，本文研究了分段进水多级A/O工艺处理低温(10±0.5)℃污水的脱氮效能，探究了低碳源以及低温硝化对多级A/O工艺脱氮的影响机理，以为北方寒冷冬季城市污水处理厂TN达标排放、运行管理等问题提供帮助.

1 材料与方法

1.1 实验装置

研究采用的实验装置为三级分段进水多级A/O反应器(见图1)，由有机玻璃板制成，长×宽×高为60 cm×60 cm×40 cm，有效容积126 L.好氧池与缺氧池体积比为1∶1，且各级好氧池、缺氧池沿池长方向设置，分别记为AX1、AX2、OX1、OX2，共4个格室.其中A，O表示厌氧池和好氧池；X为级数，本实验中X为1，2，3.缺氧、好氧池底部挡板设有过流孔进行连通.沉淀池为竖流沉淀池，中心管进水、上部溢流堰排水，剩余污泥从底部排空管定期排放.采用蠕动泵分别输送原水至各级缺氧池并控制污泥回流，且污泥回流至一级缺氧池.曝气区采用空气压缩机为系统好氧格室供气，通过空气流量计控制曝气量.采用机械搅拌方式对缺氧区进行搅拌.

图1 分段进水多级A/O工艺流程图

1.2 接种污泥与实验水质

接种污泥取自长春市某污水处理厂二沉池，持续曝气恢复活性后均匀加入到各级A，O池中，初始污泥质量浓度约为5 000 mg/L.原水采用人工自配的模拟城市污水，以淀粉、乙酸钠为主要碳源，相应投加量为80.32，121.56 mg/L；以氯化铵和磷酸二氢钾为氮源和磷源，具体投加量分别为75.37，52.68 mg/L，并添加适量的牛肉膏、蛋白胨为有机氮源与难降解有机物，具体水质指标见表1.

表1 进水水质 mg/L

1.3 工艺运行参数

根据实际操作条件及工程应用要求实验采用三级分段进水方式，整套实验装置置于9.5℃～11.5℃的低温环境模拟运行，通过调节室温控制水温在(10±0.5)℃，进水C/N比为7～9，三级缺氧区进水流量分配比为5∶4∶4，装置进水流量为378 L/d，水力停留时间(Hydraulic retention time，HRT)为8 h，污泥龄控制在40 d左右，污泥回流比为50%.

1.4 MLSS及DO分布

系统运行稳定后，装置内污泥浓度及溶解氧分布见图2.各级MLSS平均质量浓度分别为6 668.5，4 650.5，3 732.5 mg/L，污泥浓度呈梯度分布逐级降低，与孙月鹏等[11]的研究结果类似.各级好氧池溶解氧平均质量浓度分别为1.16，4.77，4.29 mg/L，后两级好氧池溶解氧浓度较高；各级缺氧区平均溶解氧浓度均为0，满足缺氧反硝化要求.

1.5 分析方法

测定各级缺氧、好氧池内混合液硝化反硝化速率：取各级缺氧池、好氧池混合液2 L，静沉30 min后弃去上清液，加入二沉池出水至原始体积2 L.人工添加氯化铵/硝酸钾试剂，使好氧、缺氧的混合液氨氮、硝氮质量浓度分别为35.8，26 mg/L，并保持溶解氧浓度分别为2～4，0～0.5 mg/L条件下间隔取样.

图2 MLSS/DO沿程变化

2 结果与讨论

2.1 污染物质的去除效果分析

2.1.1 COD的去除

实验期间控制水温为(10±0.5)℃，分段进水多级A/O工艺COD去除情况如图3所示.

图3 COD去除效果

由图3可见，进水COD质量浓度为180～280 mg/L，出水COD浓度维持在35 mg/L以下.分段进水使系统对COD浓度变化具有良好的抗冲击负荷能力，实验期间COD平均去除率为88.4%.低温条件下污水以流量分配比例为5∶4∶4加入各级缺氧池中，大部分易降解有机物被反硝化菌摄取利用，反硝化去除了前一级好氧池产生的硝氮，剩余碳源可被好氧池内同步硝化反硝化过程进一步利用，使COD去除较彻底，出水COD浓度稳定维持在35 mg/L以下.

2.1.2 氮的转化及去除

2.2 各污染物沿程变化分析

2.2.1 COD的沿程变化

装置内COD沿程变化情况如图5(a)所示.原水进入实验装置各级缺氧池后，COD浓度迅速降低至50 mg/L以下，分析原因：一是装置内整体处于推流式状态，原水加入混合液中存在稀释效应；二是装置内的易降解有机物被反硝化菌迅速摄取，用于还原回流污泥与上一级好氧段产生的硝酸盐氮，同时分段进水模式有利于碳源的合理分配，弥补了碳源不足导致的脱氮效果差的现象，进而降低了出水COD值.当缺氧段有大量有机物剩余时，会造成异养菌繁殖，与反硝化菌产生竞争作用，限制反硝化菌的生长，降低脱氮效率.在本实验中，低温异养菌繁殖得到了很好的控制，缺氧池内及进水COD中并无剩余，原水中易降解有机物在缺氧池内被反硝化菌快速利用，仅剩余少量难降解有机物进入下一级好氧区.

TN在三级缺氧段均有明显下降，主要是通过反硝化作用去除，出水TN浓度低于12 mg/L.分段进水模式使碳源合理分配，为反硝化菌摄取足够的有机物提供了保证.且三级串联运行模式，使得装置内pH值稳定在6.5～7，微生物处在适宜的pH环境中，有利于装置内微生物富集及菌胶团形成.除装置第二级外，好氧池也有一定的氮损失，这是因为好氧池中存在一定的同步硝化反硝化作用(SND).在保证硝化效果的前提下，强化同步硝化反硝化作用有利于进一步强化分段进水多级A/O工艺脱氮效果[14].

2.3 多级A/O硝化、反硝化速率分析

(a)硝化速率；(b)反硝化速率

2.4 多级A/O污泥性状分析

分别选取20，30，40，50 d的多级A/O内部混合液，对混合液耗氧速率(OUR)进行测定，结果见图7.

(a)OUR；(b)镜检照片

由图7(a)可见，装置内部除20 d的混合液外，其余混合液耗氧速率基本一致；缺氧池均高于好氧池，且逐级升高.尹军等[17]的研究发现，活性污泥进行硝化反应后OUR值大幅度降低，降解有机物后OUR值会小幅度降低.好氧池混合液硝化功能和有机物降解能力均高于缺氧池的混合液，OUR值降幅较大，这是各级好氧池OUR值低于缺氧池的原因；污泥浓度呈梯度逐级递减可能是OUR测定值整体呈升高趋势的原因.20 d时装置内微生物并未达到稳定状态；到30 d，微生物在适应了低温环境及水量水质后，活性达到最高值；随着实验的进行，微生物逐渐趋于稳定，并筛选出适宜低温环境下生存的菌种，不能适应的菌种则被淘汰，因此装置内微生物数量不足，导致40 d时OUR测定值偏低；50 d时，装置内微生物菌群数量及活性得到了很好的恢复，在镜检下观察到大量成熟菌胶团及轮虫等微生物(见图7(b))，表示该实验处理效果稳定，装置处于良好的运行状态[18-19].

对三级分段进水多级A/O工艺缺氧区与好氧区活性污泥进行扫描电镜(SEM)分析，结果见图8.由图8可见，污泥絮体的生物相主要由杆菌和球菌组成，絮体表面粗糙，结构开放疏松，活性污泥表面有明显的空穴，主要作用是为气体和基质进出提供通道.相对于缺氧污泥絮体，好氧污泥絮体表面存在大量丝状菌，各种菌落之间被丝状菌缠绕牵连，结构更加紧凑，表面积较大，有利于截留微生物，减少因曝气及水流剪切造成的微生物流失.

(a)缺氧区；(b)好氧区

2.5 多级A/O微生物多样性分析

取多级A/O各隔室污泥混合后进行微生物多样性分析，共得到样品优质序列75 944条.活性污泥样品OTU数目为1 893，说明低温环境下多级A/O系统微生物多样性较高.Chaos指数和ACE指数常用来描述群落的丰富度，本实验中多级A/O系统Chaos和ACE指数分别为2 211.08和2 329.67.Huang等[20]采用A-MAO工艺，在10℃时对系统内微生物群落进行了培养驯化，得到系统内的Chaos和ACE指数分别仅为442和444，表明实验培养条件下多级A/O系统富集了丰富度较高的微生物群落.Shannon指数体现群落的丰度和稀有OTU，Simpson指数对群落均匀度和优势OTU更加敏感，本实验中系统内Shannon和Simpson指数分别为5.27和0.02，表明系统菌群丰度较大，低温环境的制约使丰富度趋于稳定.

对系统内活性污泥种群在属水平进行丰度及相关性分析，结果见图9.由图9可见，系统样品中共发现有20种菌属，其中具有显著功能特点的菌属包括Dechloromonas(1.42%)，Flavobacterium(3.99%)，Pseudorhodobacter(9.35%)等，均为污水生物处理过程中具有反硝化功能的菌属[21-23].Dechloromonas(脱氯单胞菌属)是已知的主要反硝化功能菌，同时能够在反硝化的过程中吸收磷[24]，是污泥系统磷去除的主要功能菌群，因此Dechloromonas菌群含量的多少直接影响内碳源的反硝化速率.

图9 多级A/O污泥微生物属水平菌群组成和相对丰度

3 结论

(2) 多级A/O系统缺氧池混合液耗氧速率高于好氧池且逐级升高，镜检和SEM分析发现系统具有成熟的菌胶团，表明低温下微生物菌群活性较高且具有稳定性.

(3) A/O系统微生物多样性指数Chaos和ACE分别为2 211和2 329，说明低温下多级A/O系统仍具有较高的丰富度.微生物属水平分析表明，A/O系统内具有大量的反硝化功能菌，这保证了多级A/O系统高效的反硝化速率.