城镇污水处理厂改良型交替式工艺运行差异性分析

王 伟，马九利，黄继会，翁佳樑，高闯闯

（苏州市排水有限公司，江苏 苏州 215006）

0 引言

改良型交替式工艺是在交替式生物反应池（UNITANK）的基础上增设了单独的厌氧池和缺氧池，同时增加了内回流点，以强化工艺的脱氮除磷效果。目前国内对改良型交替式生物池工艺的研究报道较少。朱海敏等[1]、夏海波等[2]比较了改良型交替式工艺与UNITANK工艺的实际运行效果，结果均表明，UNITANK工艺因结构上的不足，易出现污泥分布不合理、低负荷释磷不充分等问题，而改良型交替式工艺可以获得更高、更稳定的脱氮除磷能力。而国内外仍缺少对改良型UNITANK 工艺特性的探讨。

目前，对改良型交替式工艺特性研究主要依赖于实验室研究。然而，受进水、环境条件变化、采样代表性等多因素影响，实验研究面临着局限性，无法全面表征污水处理厂复杂工艺面临的实际问题。大量研究[3-4]表明，数学模型可以成功应用于污水处理系统的优化，并指导污水处理系统的运行调控。宋纯金等[5]、董姗燕等[6]、张发根等[7]分别采用数学模拟方法对UNITANK 工艺特性进行了模拟分析，证明采用模型研究复杂的交替式工艺的可行性和可靠性，为工艺特性研究提供了新工具。顾晓丹等[8]利用BioWIN 软件，采用ASMD 模型分析了改良型交替式工艺的周期性运行特征，并通过对活性污泥的微生物种群结构进行分析。研究发现，在冬季优化改良交替式工艺运行模式，可以增加生物微生物多样性，其中Saprospiraceae、Nitrosomonas、Nitrospira 作为冬季活性污泥中的优势菌属，更有利于脱氮除磷。此外，我国城市污水处理厂普遍采用季节性调控策略，大部分污水厂的运行实践表明[9-11]，夏季出水水质稳定达标；而冬季，水温降低影响微生物的活性，导致系统的生物脱氮除磷能力下降，容易出现出水水质浓度波动大、超标等问题。本研究以苏州某两座污水处理厂改良型交替式工艺为研究对象，采用ASDM模型分析了其工艺的运行特征，同时利用高通量测序技术分析了微生物群落组成，分析不同调控策略对脱氮除磷效果的影响，旨在为改良型交替式工艺在污水处理中的运行提供参考。

1 材料与方法

1.1 改良型交替式工艺及处理效果

苏州市FX、LJ两座城镇污水处理厂二期生物池均采用改良型交替式工艺，设计规模分别为12万t/d、8.5万t/d，出水依次进入高效沉淀池、反冲洗滤池、紫外线消毒池，出水执行《GB 18918—2002 城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。每组改良型交替式工艺分隔成5 格顺序连通的矩形反应池，分别为1个厌氧池F，1个缺氧池E，1个连续好氧池A，2个边池B和C（见图1）。FX和LJ改良型交替式工艺设计参数如表1，厌氧池 F 与缺氧池 E、连续好氧池 A 与边池之间通过隔墙底部开孔实现水力连通；缺氧池 E 至连续好氧池 A、缺氧池 E 到厌氧池 F 通过回流泵强制实现混合液流动；边池到缺氧池 E 通过边池末端底部闸阀控制；剩余污泥由边池两侧的剩余污泥泵定期排放。

表1 改良型交替式工艺设计参数

图1 改良型交替式工艺平面图

两座改良型交替式工艺生物池运行周期均为8 h。上半周期(0～3 h)：污水依次进入厌氧池F、缺氧池E、连续好氧池A 和边池B（边池B作为曝气池），边池C作为沉淀池（不曝气），出水从边池C通过空气堰排出，剩余污泥从边池C通过泵排放。过渡周期（3～4 h）：边池B 停止曝气，转换为沉淀模式。污水仍依次进入F、E、A、B，出水从边池C流出。下半周期与上半周期的运行完全一致，通过过渡周期进行衔接。下半周期（4～7 h）：B池和C池功能互相转换，边池B作为沉淀池，出水从边池B通过空气堰排出，边池C作为曝气池。过渡周期（7～8 h）：边池C停止曝气，转换为沉淀模式。

FX污水处理厂、LJ污水处理厂改良型交替式工艺2021年生产运行数据见图2。由图2（a）可知，在冬季，FX厂改良型交替式的氨氮、TN、TP去除率分别为94.4%、80.8%、69.5%，而LJ厂改良型交替式的氨氮、TN、TP去除率分别为94.4%、80.4%、92%，表明冬季两厂改良型交替式的脱氮能力基本相同，但是，LJ厂冬季的平均TP去除率显著高于FX厂。夏季的生产数据分析（见图2（b））也表明，两厂的氨氮、TN平均去除率分别保持在96.2%、78.8%以上，脱氮能力基本相同；夏季，FX厂TP的平均去除率为83.4%，LJ厂TP平均去除率可达93.3%。因此，在冬、夏两季，FX厂和LJ厂改良型交替式的脱氮能力基本相同，但LJ厂的除磷能力显著高于FX厂。

图2 FX厂与LJ厂改良型交替式冬、夏两季去除率比较

1.2 样品采集

于冬季（2021年2月中旬）、夏季（2021年9月中旬）分别取自FX厂、LJ厂改良型交替式工艺的曝气池，每个样本取三次平行样，以代表FX、LJ改良型交替式工艺冬季、夏季微生物群落的分布特征。样品经过30 min静置并离心（4℃、8000 r/min、5 min）后保存于-20℃冰箱内，用于后续的分子生物学测定。

1.3 DNA提取，PCR扩增及Illumina MiSeq高通量测序分析

DNA提取采用PowerSoil® DNA Isolation Kit试剂盒，提取后经1%琼脂糖凝胶电泳检测条带完整性。PCR 扩增所用引物为338F（5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R（5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’）。反应体系为20 µL，PCR扩增管中添加DNA模板10 ng，正反向引物各0.8 µL，灭菌水20 µL，d NTP 2µL，缓冲液4 µL，FastPfu聚合酶0.4 µL。PCR反应程序：首先95℃预变性3 min，然后进行27个循环（95℃变性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸45 s），最后72℃延伸10 min。扩增结束后，采用2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物，结果表明，PCR产物条带大小正确，浓度合适，可进行后续实验，委托美吉生物进行Illumina MiSeq高通量测序。

高通量测序获得的原始序列数据经过质控过滤后得到高质量数据，采用序列分析软件USEARCH进行可操作分类单元（OTU）聚类分析，通过贝叶斯算法在97%相似水平对OTU进行物种分类学注释。基于OTU数据，对反映微生物群落丰富度（Sobs,Chao,ACE指数）和多样性（Simpson,Shannon指数）的参数进行统计。

1.4 水质指标与分析方法

1.5 工艺模型的构建

以BioWIN软件为平台，ASDM模型为核心机理描述污水处理系统生物碳、氮、磷的去除过程，Takacs一维模型描述二沉池内固液分离过程。依据改良型交替式生物反应池的布置形式（见图3），采用5个非曝气CSTR（厌氧池、缺氧段1～缺氧段4）模拟厌氧池和缺氧段，采用3个曝气CSTR的串联+并联模拟连续好氧池的运行，采用等体积的5个CSTR的串联模拟单组边池的运行，通过软件中分离器实现两组边池的交替运行。在改良型交替式生物反应池的实际运行过程中，边池承担着生物池和沉淀池的双重功能，在模型中，为了实现边池的固液分离功能，当边池4 h曝气结束后，其出水进入沉淀单元，实现固液分离。采用BioWIN软件建立的改良型交替式生物反应池模型框架见图4。

图3 污水处理厂改良型交替式工艺布置简图

图4 应用BioWIN建立的改良型交替式工艺模型

2 结果与讨论

2.1 活性污泥群落结构分析

2.1.1 多样性分析

通过对两座污水厂改良型交替式工艺活性污泥微生物群落结构的多样性分析，可以看出，样品的Shannon 指数、ACE 指数和 Chao 指数属于较高水平，Simpson 指数显著低于文献报道的平均水平[12-13]，证实了在改良型UNITANK 工艺中生物多样性较高。同时，由图5可知，同一季节，FX厂改良型交替式工艺活性污泥样本sobs、ACE、Chao和Shannon指数均高于LJ，而FX厂Simpson指数低于LJ，说明FX厂改良型交替式内物种数相对较多，且物种分布较均匀，微生物多样性较高。导致该系统生物多样性较高的原因可能与改良型交替式工艺独特的调控方式有关。

图5 改良型交替式冬、夏两季微生物多样性分析

2.1.2 物种组成分析

由图6可知，冬季，LJ和FX厂改良型交替式工艺总OTU数为5206，共有OTU 2024个，占比38.9%；夏季，LJ和FX厂总OTU数目为5877，共有OTU 2366，占比40.3%。其中，冬季位点特异性OTU数目从478（LJ）到680（FX），夏季位点特异性OTU数目从456（LJ）到689（FX），表明LJ、FX两厂在微生物物种组成上具有较高的一致性。结合图7、图8分析，两厂的进水水质相近可能是导致微生物物种组成一致性较高的原因。ZHANG等[14]也提出，进水水质差异是导致系统内微生物多样性的关键因素。

图7 FX和LJ厂冬季进水水质

图8 FX和LJ厂夏季进水水质

由图9可以看出，在门水平上，两厂污泥样品共检测到10种物种的丰度高于1%。Proteobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi、Bacteroidetes、Firmicutes、Patescibacteria是两厂污泥样品中的主要优势菌群，其总相对丰度达到87.6%～92.5%。在门水平，两厂优势菌相同，但丰度不同。Actinobacteria和Chloroflexi在LJ厂的相对丰度高于FX厂。其中，Actinobacteria多为异养细菌，世代周期短，适合在泥龄相对较短的系统内富集。实际生产数据表明，LJ厂夏季和冬季的泥龄控制均显著低于FX（见图10），因此，Actinobacteria在LJ、FX两厂的分布与两厂泥龄控制策略相符。Chloroflexi在功能上多与生物除磷有关，LJ厂Chloroflexi相对丰度高于FX，从而导致LJ厂的生物除磷效果优于FX厂。研究表明，以乙酸钠为碳源时，会促进污泥中Bacteroidetes含量上升，FX厂、LJ厂冬季使用乙酸钠补充碳源。因此，两厂的Bacteroidetes丰度均较高。Mycobacterium是一类无芽孢、不运动、细胞呈分枝并具有糠酸性的杆菌，部分具有致病性或可产生抗生素，能够抵抗并分解污水中的多环芳烃（PHAs）。该菌属在FX厂中占比较高，在LJ厂相对丰度占比及其微量，可能是由于FX厂进水掺杂部分垃圾渗滤液所致。

属水平物种组成，从不同样本看，相对丰度较高的菌属主要有Caldilineaceae、Saprospiraceae、Trichococcus，其相对丰度分别可达3.62%～5.57%、2.85%～5.03%、0.01%～6.47%。Saprospiracea为主要的聚磷优势菌属，夏季LJ厂的PAOs相对丰度（2.9%）低于FX（3.81%）（见表2）；而GAOs在夏季系统内得到了富集，夏季LJ厂的GAOs相对丰度（3.4%）低于FX（4.3%），因此，夏季GAOs在FX厂改良型交替式工艺系统内富集，可能是导致夏季FX除磷效果差的主要原因。此外，还有研究表明，Saprospiraceae是以亚硝酸盐为电子受体的反硝化除磷系统中的优势菌种。因此，FX和LJ改良型交替式工艺内可能有反硝化除磷现象。有研究表明：延长泥龄，反硝化除磷对系统除磷所起的作用增强。因此，从Saprospiraceae在不同样本中的分布可以推测：两厂的冬季泥龄大于夏季；同一季节，FX厂泥龄大于LJ。这一推测结果与两厂不同季节的泥龄控制策略（见图10）相符。

表2 LJ、FX改良型交替式工艺不同季节活性污泥中功能菌丰度（%）

由表2所示，Nitrosomonas为氨氧化菌（AOB）优势菌属，其功能是将氨氮转化为亚硝酸盐，该菌属在LJ、FX厂所占比例分别为0.3%～0.4%、0.3%～0.4%，其相对丰度在两厂一致。Nitrospira为亚硝酸盐氧化菌(NOB)优势菌属，其作用是将亚硝酸盐转化为硝酸盐，该菌属在LJ、FX厂所占比例为0.3%～1.2%、0.4%～0.5%。在污水处理系统中，常见的NOB菌属包括两类：Nitrospira和Nitrobacter[15]。然而，在两厂改良型交替式工艺污泥样品中均未检测出Nitrobacter。大部分研究[16]已表明，Nitrobacter生长速率高，但与底物之间的亲和能力弱，适合生长于基质充足的环境；Nitrospira的生长速率仅为Nitrobacter的1/3，但Nitrospira对基质亲和力更大。因此，在氨氮浓度较低的城市污水处理系统中Nitrospira更具优势。韩文杰等[13]针对长三角地区5座污水厂微生物检测结果中也指出，在活性污泥系统中Nitrospira为NOB优势菌，相对丰度达0.25%～3.06%，未检测到Nitrobacter。张晓红等[12]在京津冀区域5座城市污水厂的微生物检测中虽发现了Nitrobacter的存在，但其丰度远低于Nitrospira。

图11为LJ、FX两厂改良型交替式工艺污泥样本RDA分析。RDA分析可以揭示污水水质特性、运行控制条件等对优势微生物群落的影响。其中，RDA1、RAD2列：表示环境因子与排序轴之间的相关性。r2值表示环境因子与物种分布的决定系数，r2值越小则该环境因子对物种/功能/基因分布的影响越小。P值＜0.05表示显著相关。

图11 两厂改良型交替式污泥样本RAD分析

由图11可知，DO (r2=0.6579,P=0.013)、HRT（r2=0.7853,P=0.004）、温度（r2=0.9442,P=0.002）、COD (r2=0.5688,P=0.011)与微生物群落结构具有显著相关性；其他环境因子与微生物群落结构没有显著的相关性（P＞0.05）。其中，LJ和FX两厂进水COD浓度相近；两厂均处于同一地区，因此温度也不是影响两厂处理效果差异的原因。结合RAD分析结果，接下来采用模型模拟方法分析HRT和DO对两厂运行效果的影响。

2.2 基于模型的模拟分析

2.2.1 水力停留时间（HRT）

有研究表明，通过调整HRT可以筛选出不同功能的微生物，导致微生物种群发生改变。Deng等[17]研究表明，若厌氧阶段HRT非常长，将会使得系统进行二次释磷；若好氧阶段的HRT很长，将导致聚磷菌自身生长的能量减少，会失去竞争优势，因此在除磷系统中必先调控好好氧及厌氧水力停留时间。实际生产数据（见图12）表明：FX厂改良型交替式工艺全年HRT控制在21～33 h，而LJ厂HRT控制在16～26 h，FX厂HRT显著高于LJ厂。LJ厂模型的模拟结果（图13）表明，延长HRT，LJ厂改良型交替式工艺出水TP浓度不断升高，而延长HRT对LJ厂出水氨氮、TN、COD浓度的影响不大。因此，LJ厂除磷效果优于FX的主要原因可能是其较短的HRT。

图12 两厂改良型交替式水力停留时间

图13 HRT对LJ厂改良型交替式工艺的影响

2.2.2 溶解氧（DO）

曝气池内DO浓度对改良型交替式工艺出水水质的影响见表3，随着DO浓度的增加，出水COD、N H4+-N浓度变化不大，出水TN、TP浓度逐渐升高。由于硝化完成的较为彻底，在这种情况下，曝气阶段DO过高，会导致DO随混合液和污泥回流到缺氧段和厌氧段，影响缺氧段的反硝化和厌氧段的释磷，因此出水TN、TP浓度不断升高。两厂的生产数据表明，冬季，FX厂改良型UNITAK工艺DO浓度控制范围略高于LJ厂；而夏季，FX和LJ厂DO浓度控制值相近（见图14）。因此，DO浓度不是LJ除磷效果优于FX的主要原因。

表3 曝气池内DO浓度对出水水质的影响（mg/L）

图14 FX、LJ厂改良型交替式溶解氧浓度控制

3 结论

（1）基于OTU数据，对反映微生物群落丰富度（Sobs,Chao,ACE指数）和多样性（Simpson,Shannon指数）的参数进行统计分析，苏州FX、LJ两座污水处理厂进水水质相近导致微生物物种组成一致性较高。在门水平，两厂优势菌相同，但丰度不同。Actinobacteria和Chloroflexi在LJ厂的相对丰度高于FX厂。Chloroflexi在功能上多与生物除磷有关，LJ厂Chloroflexi相对丰度高于FX厂，从而导致LJ厂的生物除磷效果优于FX厂。属水平物种组成，相对丰度较高的菌属主要有Caldilineaceae、Saprospiraceae、Trichococcus，其相对丰度分别可达3.62%～5.57%、2.85%～5.03%、0.01%～6.47%。

（2）结合RAD分析结果，采用模型模拟方法分析HRT和DO对两厂运行效果的影响，LJ厂除磷效果优于FX厂的主要原因可能是其较短的HRT。