城镇污水处理厂改良厌氧/缺氧/好氧工艺的两种碳源补充途径脱氮效能比较*

2022-07-08黄天寅王烽圣许晓毅张书源姜永波张红春赵鸣峰

环境污染与防治 2022年6期

黄天寅王烽圣许晓毅张书源姜永波张红春赵鸣峰郭洁

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏苏州 215009；2.昆山市污水处理有限公司，江苏苏州 215300)

氮是导致水体富营养化的关键元素之一。2017年全国废水排放中，氨氮与总氮排放总量分别高达96.34万、304.14万t[1]。因此，强化削减污水中的氮排放已成为我国治理水污染、改善水环境的重要任务之一[2-3]。目前，总氮的去除主要依赖生物过程来实现，而生物过程与污水碳源的有机物类别和含量有密切关系[4]。

近年来，基于外碳源的强化生物脱氮在许多污水处理厂得到应用。付昆明等[5]研究发现，乙酸钠作为外碳源可以提高反硝化速率。彭永臻等[6]研究表明，碳源的连续投加方式可提高碳源可利用性，从而增强反硝化脱氮效果。张兰河等[7]采用序批式活性污泥法处理模拟生活污水时发现，分次投加乙酸钠不仅能够提高反应速率，还能提高总氮去除率。姚学文等[8]研究发现，当混合液回流比为300%且乙酸钠投加量增加到理论投加量的1.3倍时，反硝化脱氮效果能显著提高。实际上，利用原水中内碳源以增强脱氮效果，对于工程实践节能降耗具有更加重要的意义。因此，本研究在太湖流域某污水处理厂强化脱氮过程中设计了两种碳源补充途径，考察生化单元中主要水质指标、污泥性能和微生物特性，旨在探究节能降耗的工程可行碳源补充途径，以期为城镇污水处理厂同时实现强化脱氮和节能降耗提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 污水处理厂概况

污水处理厂位于太湖流域苏州市，设计规模2.5×104m3/d，实际处理规模为2.0×104～2.8×104m3/d，进水以城镇污水为主并接纳少量电子工业表面清洗废水，进水主要水质指标见表1。生化单元采用改良厌氧/缺氧/好氧(AAO)工艺，总水力停留时间为15.78 h，其中厌氧池2.60 h、缺氧池3.88 h、好氧池8.80 h、后置缺氧池0.50 h，混合液回流和污泥回流比分别为200%、90%，污泥停留时间为13 d，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准。

表1 进水主要水质指标

1.2 实验方法

污水处理厂的工艺流程见图1。本研究设计了两种碳源补充途径：途径Ⅰ为外加碳源途径，在缺氧池补充乙酸钠溶液(7.94 m3/d)；途径Ⅱ为利用内碳源途径，在缺氧池补充原水(补充处理体积的25%)和乙酸钠溶液(0.88 m3/d)。确保两种碳源补充途径的COD相当，运行60 d。

图1 污水处理厂工艺流程

1.3 水质分析

每天采集旋流沉砂池出水和二沉池出水分别作为生化单元进出水，参考《水和废水监测分析方法》(第四版)测定水质指标，总氮采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法，氨氮采用纳氏试剂分光光度法，硝酸盐氮采用紫外分光光度法，COD采用重铬酸钾法；每天采用哈希便携式溶解氧(DO)测定仪(HQ30d)测定DO。

1.4 活性污泥特性分析

采集好氧池水样，每天采用重量法测定并计算混合液悬浮固体浓度(MLSS)，采用30 min 沉降法测定并计算污泥容积指数(SVI)；每5天采用呼吸测量法[9]测定并计算比耗氧速率(SOUR)。

另外，还取了一次缺氧池与好氧池的活性污泥样品，并委托上海某生物基因检测公司采用Illumina Miseq PE300测序平台进行微生物测序。

1.5 统计学分析

由于数据符合正态分布，因此本研究采用SPSS 26.0软件进行单因素方差分析，并进行独立样本t检验，组间P<0.05时认为具有显著性差异[10]。

2 结果与讨论

2.1 污染物的去除

2.1.1 COD的去除

两种碳源补充途径下进出水COD及去除率见图2。在进水COD为102.01～254.00 mg/L的情况下，途径Ⅰ与途径Ⅱ的出水COD平均值分别为14.71、15.12 mg/L，均达到GB 18918—2002的一级A标准(≤50 mg/L)，平均去除率分别为89.96%、90.71%，去除效果非常稳定，途径Ⅰ和途径Ⅱ组间差异不显著，说明这两种碳源补充途径不会导致COD去除效果的明显不同。因此，可以考虑乙酸钠减量投加，充分利用原水内碳源。

图2 两种碳源补充途径下进出水COD及去除率

2.1.2 氨氮的去除

两种碳源补充途径下进出水氨氮及去除率见图3。在进水氨氮为16.00～36.80 mg/L的情况下，途径Ⅰ与途径Ⅱ的出水氨氮平均值分别为0.27、0.28 mg/L，也均达到GB 18918—2002的一级A标准(≤5 mg/L)，平均去除率分别为98.87%、99.08%，去除效果亦稳定，途径Ⅰ和途径Ⅱ组间差异不显著。DO的持续监测结果表明，途径Ⅱ好氧池的DO平均值略低于途径Ⅰ，说明这两种碳源补充途径也不会导致氨氮去除效果的明显不同。因此，从氨氮去除的角度看，减少外碳源乙酸钠投加量、利用原水内碳源也是可行的。

图3 两种碳源补充途径下进出水氨氮及去除率

2.1.3 硝酸盐氮的去除

硝化作用生成了硝酸盐氮，两种碳源补充途径下出水硝酸盐氮见图4。途径Ⅰ与途径Ⅱ的出水硝酸盐氮平均值分别为7.12、11.52 mg/L 。尽管途径Ⅰ缺氧区的碳源都为乙酸钠，易于被微生物快速利用，反硝化菌活性较高，由此与途径Ⅱ相比，途径Ⅰ的反硝化能力更强；但是途径Ⅱ中有观察到红斑顠体虫，可导致好氧区出现局部DO降低甚至缺氧的环境，使生物絮体内部产生DO浓度梯度[11]，从而发生同步硝化反硝化作用，在一定程度上有利于污水处理的反硝化脱氮。因此，尽管途径Ⅱ出水的硝酸盐氮会高于途径Ⅰ，但影响不大，仍可以减少外碳源乙酸钠投加量、利用原水内碳源。

图4 两种碳源补充途径下出水硝酸盐氮

2.1.4 总氮的去除

两种碳源补充途径下进出水总氮及去除率见图5。在进水总氮为19.22～40.82 mg/L的情况下，途径Ⅰ与途径Ⅱ出水总氮平均值分别为7.99、12.35 mg/L，都达到GB 18918—2002的一级A标准(≤15 mg/L)，平均去除率分别为72.73%、59.72%。因此，途径Ⅱ在减少外碳源投加的同时，依然可以实现出水总氮达标，说明减少外碳源乙酸钠投加量、充分利用原水内碳源可行。

图5 两种碳源补充途径下进出水总氮及去除率的变化

2.2 活性污泥特性

2.2.1 活性与沉降性

两种碳源补充途径下MLSS、SVI见图6，SOUR见图7。途径Ⅰ的MLSS平均值为3 874 mg/L，SOUR平均值为15.90 mg/(g·h)，略高于途径Ⅱ(MLSS和SOUR平均值分别为3 399 mg/L和13.36 mg/(g·h))。乙酸钠作为低分子量外碳源，一方面可以获得较高的反硝化速率，但另一方面污泥产率高，剩余污泥产量也大[12-13]。途径Ⅰ和途径Ⅱ的SVI平均值分别为100.55、93.32 mL/g,也是途径Ⅰ略高于途径Ⅱ。微生物代谢活跃是使得途径Ⅰ污泥活性和沉降性更好[14-15]的重要原因。此外，途径Ⅱ中红斑顠体虫在一定程度上不利于污泥菌胶团的絮凝和生长，会导致菌胶团结构松散，产生的大量细菌小絮体不能为钟虫、轮虫、累枝虫等大型原生动物和微型后生动物提供生长繁殖的场所，会破坏污水生物处理生态系统，从而降低活性污泥沉降性。然而，总体而言，两种碳源补充途径下污泥活性与沉降性对脱氮的影响不大。

图6 两种碳源补充途径下好氧池MLSS和SVI

图7 两种碳源补充途径下好氧池SOUR

2.2.2 微生物特性

(1) 微生物丰度和多样性

样品序列数为65 407～72 374，覆盖率在99%以上，数据可信度高，两种碳源补充途径下缺氧池与好氧池的微生物丰度指数和多样性指数见表2。ACE指数和Chao指数的结果基本一致，途径Ⅱ的微生物丰度与途径Ⅰ基本没有差别。Shannon指数反映的是基于物种数量的微生物种群多样性，指数越大表明群落的复杂程度越高；Simpson指数反映的是优势种群生物量占群落生物总量的比例，指数越大表明优势种群的优势越明显[16]。从两个多样性指数也可以看到，途径Ⅰ与途径Ⅱ的微生物多样性也基本相当。

表2 微生物丰度和多样性指数

(2) 微生物结构特性

变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)依次为第1、2优势菌门，与韩文杰等[17]5042的研究结果相似。变形菌门是参与脱氮、降解有机物的最主要菌种，在绝大部分的污水处理厂中都占有主要地位[18]，本研究中主要检测到的是α-变形菌和γ-变形菌。有报道称，将亚硝酸盐氧化成硝酸盐的亚硝酸盐氧化菌(NOB)大多属于α-变形菌和γ-变形菌[19]。绿弯菌门能降解复杂有机物甚至聚合物，能将死细胞和胞外多糖分解成简单有机物，如乳酸和乙醇等[20]，本研究中主要检测到生丝微菌(Hyphomicrobium)和分枝杆菌(Mycobacterium)。生丝微菌为污水处理厂中较为常见的反硝化菌之一，可利用难降解有机物进行反硝化脱氮[21]。分枝杆菌能够分解污水中的多环芳烃[17]5046。

途径Ⅱ的活性污泥微生物结构与途径Ⅰ相似，说明可以利用原水中的内碳源。

2.3 经济性

在处理水量和进水水质相当的条件下，虽然途径Ⅰ的总氮去除率(72.73%)高于途径Ⅱ(59.72%)，但其外碳源投加量却是途径Ⅱ的约9倍，而且途径Ⅱ的出水总氮也达到了GB 18918—2002的一级A标准。按污水处理厂乙酸钠溶液外购单价和污泥处置费计算，途径Ⅱ的处理成本较途径Ⅰ可降低约0.20元/m3。