混合型污水处理厂原位生物强化脱氮中试及微生物群落结构分析研究*

李明智 谭映宇 张 宇 王 睿 任旭锋 王慧荣

(1. 浙江省生态环境科学设计研究院，浙江 杭州 310007；2. 浙江环科环境研究院有限公司，浙江 杭州 310007)

浙江省普遍存在混合型污水(工业废水与生活污水混合)处理厂进水水质波动大、难降解污染物多、C/N偏低等问题，对污水处理厂现有处理工艺升级改造是个技术挑战。根据调研统计，全省城镇污水处理厂大多数为混合型污水处理厂，工业废水处理量占比达20%以上，其中嘉兴地区占比高达40%。由于工业废水的可生化性差、BOD低，造成混合型污水处理厂的进水可利用碳源不足、C/N低的水质特点，使得A2/O等传统的生物脱氮除磷工艺难以实现同时高效脱氮除磷与尾水稳定达标。浙江省2018年出台了《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》(DB33/ 2169—2018)，要求出水主要水质指标达到Ⅳ类标准(基于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)评价)。该标准对混合型污水处理厂的水质提出了更高的要求，其中总氮的稳定达标问题更为突出[1-3]。

笔者所在课题组近年持续开展了短程硝化、异养硝化等生物脱氮方面的研究工作[4-6]。针对混合型污水处理厂的进水C/N低、总氮稳定达标困难和提标改造场地受限等共性问题，采用信号分子诱导技术，诱导、富集、筛选贫营养型脱氮菌株，并制备得到适宜于低C/N环境条件下的脱氮菌剂。该菌剂对贫营养等苛刻环境条件的适应性较高，能在C/N为2.4∶1.0(质量比)条件下实现生化系统70%的脱氮效率。为进一步验证该菌剂对工业和生活混合污水的强化脱氮功能，在嘉兴某大型混合型污水处理厂开展现场中试研究，评估功能菌强化对生化系统脱氮的效能提升作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料与装置

主要试验材料：脱氮功能菌株；酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子；液体培养基(葡萄糖0.1～0.3 g/L、乙酸钠0.2～0.4 g/L、蛋白胨0.1～0.2 g/L、硫酸铵0.03～0.07 g/L、硝酸钠0.1～0.5 g/L、尿素0.005～0.015 g/L、磷酸二氢钾0.02～0.08 g/L、磷酸氢二钾0.005～0.015 g/L)；兼氧活性污泥；混合污水(水质情况见表1)；DNA提取试剂盒；聚合酶链式反应(PCR)试剂盒；PCR纯化试剂盒。

表1 某大型混合型污水处理厂混合污水水质情况1)

主要试验装置：超净工作台(SW-CJ-2FD)；生化培养箱(SHP-350)；超低温冰箱(Thermo ScientificTM900)，恒温摇床(ZHWY-2102)；1.5 m3自动化扩大培养装置(自制)；0.8 m3二级AO中试装置(自制)；台式高速离心机(Heraeus PrimoR)；PCR仪(ABI Veriti96)；DNA电泳仪(PowerPac Universal)。

1.2 试验方法

(1) 脱氮菌剂制备。在1.5 m3自动化扩大培养装置(见图1)开展序批式扩大培养，制备工程用高效脱氮菌剂。将经斜面活化的脱氮功能菌株接种于液体培养基中，控温30～38 ℃，通风比介于1.0∶1.0与1.0∶0.5，培养12～24 h，得液体菌液。在人工配制污水与待处理低C/N废水的混合水中加入兼氧活性污泥3 000～5 000 mg/L(以混合液悬浮固体(MLSS)计)，同时按5～20 g/L加入上述液体菌液并加入AHLs类信号分子0.1～1.0 mg/L，间隙性曝气搅拌培养，控制溶解氧(DO)0.1～0.5 mg/L，控温25～35 ℃。培养1～3 d后静置沉淀污泥，去除上清液，加入等体积上述混合水，并添加液体菌液及AHLs类信号分子，相同条件下重新搅拌培养，重复若干次直至培养完成。

图1 1.5 m3脱氮菌自动化扩大培养装置

(2) 原位强化生物脱氮现场中试。利用制备的低C/N型脱氮菌剂在嘉兴某大型混合型污水处理厂开展现场中试研究，评估功能菌强化对生化系统脱氮的效能提升作用。中试采用二级AO生物强化脱氮装置(见图2)。该装置由10格池体组成，尺寸为1 150 mm×450 mm×3 000 mm。第1、4格为兼氧池(A1、A4)，第2、3、5、6格为好氧池(O2、O3、O5、O6)。其中第1、2、3格组成第一级AO，第4、5、6格组成第二级AO，第7、10格为二沉池，第8、9格为补充生物曝气滤池工段，在本项目研究中未使用。运行参数为：由A1、A4两端进水，进水比例为70%和30%，水力停留时间为12 h；内回流200%，泥水混合液回流至A1、A4端；外回流100%，泥水混合液回流至A1端；A段DO控制0.2～0.4 mg/L，O段DO控制不高于1.5 mg/L；生物强化菌剂投加量30 mg/L。

图2 二级AO生物强化脱氮中试装置

1.3 分析方法

COD采用重铬酸钾法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，总氮采用过硫酸钾氧化分光光度法测定，总磷采用钼锑抗分光光度法测定，悬浮物(SS)和MLSS用105 ℃烘干称重法测定。基于反硝化功能基因nirS的高通量分析在Illumina NovaSeq测序平台完成，并分析活性污泥的反硝化微生物群落结构。

2 结果与分析

2.1 低C/N型脱氮菌剂的制备

图3 1.5 m3脱氮菌扩大培养装置中和脱氮负荷变化情况

2.2 原位生物强化脱氮现场中试运行效果分析

利用制备的低C/N型脱氮菌剂在嘉兴某混合型污水处理厂开展现场中试研究，评估脱氮菌强化对生化系统脱氮的效能提升作用。试验分两个阶段进行，第一阶段从2019年8月开始，调试二级AO生化脱氮装置，优化DO、污泥浓度、回流比等运行参数后，9月开始系统稳定运行；第二阶段从2020年开始，采用低C/N型脱氮菌剂不断驯化A1、A4活性污泥，强化生物脱氮，逐步提高生化系统的脱氮负荷。试验持续运行到2020年5月，对出水总氮进行检测，结果见图4。

图4 二级AO原位生物强化脱氮现场中试出水水质

第一阶段进水平均总氮33.6 mg/L，出水平均总氮16.4 mg/L；第二阶段进水平均总氮33.5 mg/L，出水平均总氮13.5 mg/L。试验表明，经过脱氮菌强化后生化系统的脱氮效率从51.2%提升到59.7%，提高8.5百分点，出水平均总氮较第一阶段下降约3 mg/L，出水水质稳定性明显提高，生物强化效果显著。原位生物强化深度脱氮装置的出水总氮稳定在11～14 mg/L，在不补加碳源条件下，出水总氮完全达到GB 18918—2002一级A排放标准。而污水处理厂需要补加30 mg/L的碳源才能达到同等的出水水质，说明在生化系统投加脱氮菌剂具有显著的强化脱氮效果。

2.3 活性污泥的微生物群落结构分析

通过脱氮菌原位生物强化作用，活性污泥性状得到明显改善，脱氮负荷大幅提高，出水水质得到大幅提升。为从微观层面上更直观地了解生物强化过程中微生物的演变情况，采用高通量测序法分析工程实施前后活性污泥微生物群落的结构变化。分别在中试第一阶段末期、第二阶段中期与后期留取活性污泥样(分别记为1#、2#和3#样品)送检。

根据nirS基因序列和拷贝数，经过操作分类单元(OUT)聚类后进行Alpha多样性分析，可以测算样品的反硝化群落多样性。从表2可以看出，2#样品的反硝化群落多样性最高，其次是3#样品，表明经过第二阶段脱氮菌强化后，活性污泥系统的反硝化群落多样性得到提高。

表2 基于nirS功能基因的Alpha多样性指数

基于nirS功能基因高通量测序，可识别样品中主要的反硝化微生物。1#、2#、3#样品在属水平上的反硝化微生物占比分别为1.03%、2.03%和4.42%，脱氮菌强化后，反硝化微生物明显增加。由表3可知，1#样品中的反硝化微生物主要为脱氯单胞菌属(25.16%)、铜绿假单胞菌属(22.30%)、陶厄氏菌属(17.36%)、磁螺菌属(13.22%)以及红长命菌属(10.03%)；2#样品中的反硝化微生物主要是红长命菌属(62.30%)；而3#样品中的反硝化微生物则主要是红长命菌属(59.79%)、脱氮嗜脂环物菌属(13.51%)以及假丝酵母菌属(11.47%)。

表3 基于nirS功能基因高通量测序识别的反硝化微生物群落相对丰度

根据以上检测数据，经过第二阶段脱氮菌强化后，生化系统的反硝化微生物群落多样性呈现升高趋势，且含有关键功能基因nirS、能够注释到的已知反硝化微生物群落明显增加，说明群落向着更加典型和高效的方向演替[7-8]。例如，3#样品中高度富集的红长命菌属反硝化菌数量增加了200倍以上，该菌可以高效利用亚硝酸盐氮作为电子受体；其次是亲环状脂类有机物的脱氮嗜脂环物菌属和具有聚磷功能的假丝酵母菌属增加了20倍以上。以上结果表明，经过原位生物强化后，生化系统的生物脱氮功能得到显著加强。

3 结论与展望

(1) 采用信号分子诱导、富集，高效制备得到活菌浓度109cfu/mL、脱氮负荷0.5 kg/(m3·d)以上的生物脱氮菌剂。该菌剂适宜在低C/N、贫营养等苛刻环境条件下实现生化系统高效脱氮。

(2) 现场中试表明，经过脱氮菌强化后，原生化系统的脱氮效率提升8.5百分点，出水平均总氮较强化前下降约3 mg/L，出水水质稳定性明显提高，生物强化效果显著。在不补加碳源条件下，深度处理出水总氮完全达到GB 18918—2002一级A排放标准。

(3) 活性污泥的微生物群落结构分析表明，经过脱氮菌强化后，生化系统的反硝化微生物群落多样性呈现升高趋势，且含有关键功能基因nirS、能够注释到的已知反硝化微生物群落明显增加，说明群落向着更加典型和高效的方向演替，系统的生物脱氮能力得到加强。可见，向活性污泥系统中投加脱氮菌剂的原位生物强化脱氮技术切实有效。

(4) 由于不需要改变污水处理原有工艺，不需要新增构筑物，可在低投资成本和运行成本条件下实现生化系统氮污染物的深度减排目的，以低C/N型脱氮菌剂为核心的原位生物强化脱氮技术在混合型污水处理厂清洁排放提标改造中具有良好的应用前景。