如何提高活性污泥系統脫氮除磷效果

　　當前，研究和開(kāi)發(fā)經(jīng)濟高效的生物脫氮除磷技術(shù)，有效去除生活污水中的氮、 磷等營(yíng)養物質(zhì)，是控制水體富營(yíng)養化和保證水質(zhì)安全的關(guān)鍵[1]. 為此，基于A(yíng)BR具有微生物相有效分離且易于形成顆�；�污泥以及MBR具體高污泥截留和出水水質(zhì)好的特點(diǎn)，本課題組將ABR和MBR進(jìn)行優(yōu)化組合構建新型反應器(CAMBR)，并首次將其應用于生活污水的脫氮除磷研究，取得了較好的處理效果[2].

　　溫度是影響活性污泥系統脫氮除磷效果的關(guān)鍵因素之一[3,4]. 微生物在其最適生長(cháng)溫度下活性最強，生長(cháng)速率快，而當溫度高于或低于該溫度時(shí)，其活性均會(huì )下降，影響反應器脫氮除磷效果及其穩定性. 在前期研究基礎上[2]，結合四季溫度變化情況，為CAMBR能在實(shí)際環(huán)境中運行應用，故對其在不同溫度條件下處理實(shí)際污水脫氮除磷性能進(jìn)行研究并結合PCR-DGGE技術(shù)對其內部微生物群落結構進(jìn)行分析，揭示CAMBR脫氮除磷機制. 1 材料與方法 1.1 試驗水質(zhì)

　　試驗進(jìn)水水質(zhì)為蘇州市某高校生活小區污水，一天中水質(zhì)變化如表 1所示.

　　表 1 某高校生活小區污水水質(zhì)

　　1.2 試驗流程及裝置

　　CAMBR由三隔室ABR、 好氧池和膜池組成，有效容積分別為8.6、 2.7 和3.1 L，如圖 1所示. ABR內接種污泥取自蘇州市某城市污水處理廠(chǎng)的重力濃縮池，總接種泥量約為各隔室有效體積的3/5，各隔室懸浮污泥(MLSS) 約為28 g ·L-1; 好氧池和膜池內的接種污泥取自蘇州市某污水處理廠(chǎng)的氧化溝，投入量占各隔室有效體積的1/2，MLSS 約為7.5 g ·L-1，揮發(fā)性懸浮污泥(MLVSS)/MLSS 約為0.45，控制系統總HRT為10 h，用生活污水填滿(mǎn)各隔室，閑置1 d后開(kāi)始連續進(jìn)水. 好氧池中布設穿孔管，通過(guò)曝氣為活性污泥供氧及對膜進(jìn)行擦洗，延緩膜污染. 系統設置兩個(gè)泥水混合液回流(R1為200%，R2為50%)，實(shí)現厭氧反硝化脫氮，厭氧釋磷，反硝化除磷及好氧吸磷和硝化功能，最終通過(guò)排泥實(shí)現除磷. MBR由自吸泵間歇抽吸出水，抽吸周期為12 min(包括10 min 抽吸和2 min反沖洗). 整個(gè)系統采用可編程邏輯控制器(PLC)進(jìn)行恒定水位、 出水泵和反沖洗泵的啟閉的自動(dòng)控制. 通過(guò)在線(xiàn)監測儀實(shí)時(shí)監控ABR和好氧池的DO、 pH值. 試驗選用的膜組件為PVDF簾式中空纖維微濾膜，膜孔徑為0.1 μm，過(guò)濾面積為0.15 m2，采用真空壓力表監測跨膜壓差(TMP)變化，觀(guān)察膜的污染狀況，當TMP增至40 kPa時(shí)對膜組件進(jìn)行化學(xué)清洗.

　　圖 1 CAMBR反應器示意

　　1.3 試驗方案

　　取接種污泥和啟動(dòng)結束后污泥(90 d)，另分別取3個(gè)溫度段最后一天的污泥共5個(gè)污泥樣品用于DGGE分析. 102 d時(shí)(見(jiàn)表 2)，在CAMBR每個(gè)隔室采取污泥樣品用于DGGE分析.

　　表 2 試驗運行條件

　　1.4 監測方法

　　COD、 NH+4-N、 NO-3-N、 NO-2-N、 TN和TP等常規指標均采用國家標準方法[5].

　　PCR-DGGE分析方法：污泥樣品的預處理、 DNA提取和PCR擴增：將10 mL污泥樣品離心10 min (轉速3500 r ·min-1)后棄去上清液，然后保存于-20℃的環(huán)境用于后續分析使用. 采用蛋白酶K-CTAB法破碎、 裂解細胞對樣品中DNA進(jìn)行提取，具體方法見(jiàn)文獻[6]. 用于PCR擴增的細菌16S rDNA通用引物為 GC341f(5′-CGCCCGCCGCG CCCCGCGCCCGGCCCGCCGCCCCCGCCCGCCTACG GGAGGCAGCAG-3′) 和 907r (5′-CCGTCAATTCCT TTGAGT TT-3′)，PCR擴增條件為：首先95℃變性5 min，然后95℃變性40 s，55℃退火50 s，72℃延伸50 s，循環(huán)35次，最后在72℃保持10 min，最終于4℃保溫[7]. DGGE分析：取30 μL PCR擴增產(chǎn)物在DCode System (Bio-Rad,USA)上進(jìn)行電泳，詳細步驟見(jiàn)文獻[7]. 2 結果與討論 2.1 對COD的去除效果

　　整個(gè)試驗過(guò)程中進(jìn)水COD為260~330 mg ·L-1，COD隨時(shí)間變化的去除效果如圖 2所示. 中溫階段，ABR對COD去除率達60%，其出水COD濃度低于112 mg ·L-1. CAMBR對COD的去除率達到90%以上，系統出水COD濃度低于26 mg ·L-1. 當溫度降低至低溫階段，ABR對COD的去除效果驟降，COD去除率僅有40%，出水濃度高達166 mg ·L-1，系統對COD的去除能力也顯著(zhù)降低，COD去除率僅有66%，出水濃度高達90 mg ·L-1，這與溫度的驟降導致微生物活性降低，其生長(cháng)代謝能力減弱有關(guān)[8]. 隨著(zhù)反應器的運行，微生物逐漸適應了環(huán)境溫度的變化，系統對COD的去除效果有所好轉并趨于穩定，最終穩定在89%左右，出水濃度在31 mg ·L-1左右. 當溫度突然升高到35℃，由于微生物沒(méi)有適應環(huán)境溫度的突變，ABR對COD的去除效果顯著(zhù)降低，其出水COD濃度高達160 mg ·L-1，系統對COD的去除率也僅有75%，出水濃度達到了75 mg ·L-1. 隨著(zhù)微生物對環(huán)境的適應，ABR對COD的去除效果逐漸增強，系統對COD的去除能力也逐漸增強并趨于穩定，最終COD平均去除率穩定在90%，出水平均濃度為28 mg ·L-1. 由試驗可知，CAMBR對溫度變化的適應能力較強，并能較快地恢復有機物去除能力.

　　圖 2 COD濃度及其去除率隨時(shí)間的變化

　　2.2 對NH+4-N的去除效果

　　整個(gè)試驗過(guò)程中系統隨時(shí)間變化對NH+4-N的去除效果如圖 3所示. 系統進(jìn)水NH+4-N濃度為17~30 mg ·L-1. 中溫階段，雖然進(jìn)水NH+4-N濃度波動(dòng)較大，但是系統出水NH+4-N濃度維持在0.7 mg ·L-1以下，去除效果良好，去除率達96%. 這與中溫階段最適合硝化細菌的生長(cháng)繁殖，活性強，硝化速率高[9]，可有效利用NH+4-N有關(guān)，所以能取得很好的去除效果.

　　圖 3 NH+4-N濃度及其去除率隨時(shí)間的變化

　　當溫度驟降進(jìn)入低溫階段，由于低溫環(huán)境不利于硝化細菌的生長(cháng)，其活性明顯受到抑制[10]，系統出水NH+4-N濃度顯著(zhù)上升，高達10.9 mg ·L-1，其去除效果明顯降低，去除率僅有60%. 隨著(zhù)反應器的運行，硝化細菌逐漸適應低溫環(huán)境，其活性有所增強. 另外，由于SRT較長(cháng)及MBR膜組件對污泥的截留作用，系統內污泥維持在較高濃度，有利于硝化菌的生長(cháng)富集[11]，使得NH+4-N去除率有所上升，達到71%左右，出水NH+4-N平均濃度為7 mg ·L-1.

　　當溫度突然上升至高溫階段，由于硝化細菌對于環(huán)境溫度的突變極度不適應，其活性受到抑制，系統出水NH+4-N濃度明顯上升，達11 mg ·L-1，其去除率顯著(zhù)降低，僅有58%. 隨著(zhù)微生物對高溫環(huán)境的適應，系統對NH+4-N的去除能力顯著(zhù)增強并趨于穩定，最終NH+4-N去除率達到89%左右，出水NH+4-N平均濃度為2.5 mg ·L-1.

　　雖然ABR內有機氮被轉化為NH+4-N，由于混合液的回流稀釋作用，ABR出水NH+4-N濃度仍有所降低. 3個(gè)階段中，中溫階段系統NH+4-N去除效果最好，高溫階段次之，低溫階段最差，表明為取得較好的NH+4-N去除效果，系統應維持在10℃以上，盡量減小低溫對硝化菌的抑制作用. 2.3 對TN的去除效果

　　整個(gè)試驗過(guò)程中隨時(shí)間變化CAMBR對TN的去除效果如圖 4所示. 可知系統進(jìn)水TN為28~41 mg ·L-1. 由于中溫條件最適合硝化細菌的生長(cháng)繁殖，其活性也較高，系統內NH+4-N在好氧池和膜池內幾乎被完全轉化為NO-3-N和NO-2-N，系統出水TN平均濃度為9.3 mg ·L-1，TN平均去除率為71%. 膜池內泥水混合液經(jīng)回流至ABR1號隔室，NO-3-N和NO-2-N經(jīng)ABR內反硝化細菌作用轉化為N2而得以去除. ABR出水TN濃度為14 mg ·L-1左右，TN去除率平均為58%. 由此可知，ABR去除了大部分TN. 另外，好氧池和膜池對TN的去除率約為13%，這可能由于膜組件高效截留污泥的作用，膜池內維持了較高的污泥濃度，并且混合不均勻產(chǎn)生了同步硝化反硝化作用[12]，強化了TN的去除. 另外，膜池內好氧微生物利用氮源生長(cháng)代謝合成自身細胞吸收部分TN，通過(guò)排泥也減少了部分TN.

　　圖 4 TN濃度及其去除率隨時(shí)間的變化

　　當溫度降到低溫階段，由于低溫條件對硝化菌活性產(chǎn)生抑制作用，NH+4-N轉化為NO-3-N和NO-2-N的效果很不理想，回流混合液中NO-3-N和NO-2-N濃度很低，并且低溫條件下反硝化速率顯著(zhù)降低[13]，導致反硝化效果較差，進(jìn)而導致系統TN去除效果也很差. 另外，微生物在低溫條件下生長(cháng)繁殖緩慢，氮素代謝合成利用減緩. 隨反應器的運行，微生物對低溫環(huán)境也逐漸適應，隨NH+4-N轉化率的提高，TN去除率也有所提高，最終穩定在57%左右，出水濃度為15 mg ·L-1左右，其中，ABR對TN的去除率達53%.

　　由于溫度的驟升，高溫階段初期隨NH+4-N轉化率的驟降，系統TN去除效果明顯降低，TN去除率僅有40%，出水TN濃度高達19 mg ·L-1. 隨著(zhù)反應器的運行，微生物對溫度的驟變逐漸適應，NH+4-N轉化率逐漸提高，系統出水TN去除率也逐步提高，最終升高至70%左右，出水濃度為9 mg ·L-1左右，其中，ABR對TN的去除率達60%.

　　整個(gè)試驗過(guò)程中，TN和NH+4-N的去除率變化趨勢基本類(lèi)似. 中溫和高溫階段TN去除效果相差不大，而低溫階段較差. 好氧池和膜池在不同階段對TN的去除貢獻為：中溫>高溫>低溫，同樣表明為取得較好的TN去除效果，CAMBR應維持在10℃以上，減小低溫對微生物的抑制作用. 2.4 對TP的去除效果

　　整個(gè)試驗過(guò)程中CAMBR隨時(shí)間變化對TP的去除效果如圖 5所示. 系統進(jìn)水TP濃度為2.4~3.3 mg ·L-1. 整個(gè)運行過(guò)程中，系統TP去除率與厭氧釋磷量呈良好的正相關(guān)性; ABR2號隔室TP濃度顯著(zhù)高于進(jìn)水濃度，表明ABR2號隔室內聚磷菌釋磷充分; ABR出水TP濃度顯著(zhù)降低表明ABR3號隔室內反硝化除磷菌吸收了部分TP，有效保證了系統的除磷效果[14,15]，但仍顯著(zhù)高于進(jìn)水濃度; 在好氧池和膜池內聚磷菌進(jìn)一步過(guò)量吸磷后，最終以剩余污泥的形式排出系統，實(shí)現磷的去除.

　　圖 5 TP濃度及其去除率隨時(shí)間的變化

　　中溫階段，系統內微生物活性最高，有機物能充分降解為小分子有機酸，ABR內聚磷菌釋磷充分，反硝化除磷菌也能充分吸磷，好氧池和膜池聚磷菌過(guò)量吸磷能力最強，TP可被有效去除，系統出水TP平均濃度為0.4 mg ·L-1，去除率達到87%左右.

　　當溫度降低到低溫階段，微生物活性受到抑制，ABR內聚磷菌釋磷能力減弱[16]，反硝化除磷菌吸磷能力降低，好氧池和膜池內聚磷菌過(guò)量吸磷能力也受到抑制，系統除磷效果明顯下降，去除率驟降至38%. 隨著(zhù)反應器的運行，系統內微生物對低溫環(huán)境逐漸適應，ABR內聚磷菌釋磷能力、 反硝化除磷菌吸磷能力和好氧池、 膜池內聚磷菌過(guò)量吸磷能力同步有所增強，TP的去除率也穩步回升，最終系統TP去除率穩定在67%左右，出水TP平均濃度為1 mg ·L-1. 系統在低溫環(huán)境下能夠較好地除磷，與低溫條件下PAOs相比聚糖菌(GAOs)能較多地利用VFAs、 抑制聚糖菌對除磷系統的不利影響密切相關(guān)[17]. 另外，缺氧反硝化除磷也提高了系統的除磷效能[18]. 此外，復合系統對于環(huán)境變化有較強的抗沖擊能力，也使得CAMBR在低溫環(huán)境能取得較好的除磷效果.

　　當溫度從低溫階段急劇上升至高溫階段，由圖 5可知，ABR內聚磷菌釋磷能力、 反硝化除磷菌吸磷能力、 好氧池和膜池內聚磷菌過(guò)量吸磷能力均顯著(zhù)下降、 系統TP去除率驟降至38%，出水TP濃度高達1.9 mg ·L-1，其原因是環(huán)境溫度的驟變導致微生物活性下降; 雖然溫度上升，PAOs 釋磷速率增加但吸磷速率降低[19]. 系統經(jīng)過(guò)24 d的運行，其內部微生物逐漸適應了高溫環(huán)境，ABR內聚磷菌釋磷能力、 反硝化除磷菌吸磷能力、 好氧池和膜池內聚磷菌過(guò)量吸磷能力均得到不同程度的回升，但仍低于中溫條件下的除磷效果，這與高溫條件下GAOs在吸收基質(zhì)方面相比PAOs更具優(yōu)勢有關(guān)[17]，最終系統TP去除率達到73%，出水TP平均濃度為0.8 mg ·L-1. 相比其他高溫條件下強化除磷系統除磷效率急劇下降，甚至崩潰的研究[20]，CAMBR在高溫環(huán)境仍具有穩定較好的出水. 其原因是ABR特殊的結構具有相分離的功能[21]，使不同厭氧微生物在不同的隔室最適條件下生長(cháng)，并呈現出了良好的種群分布，強化其原有功能，有利于A(yíng)BR內聚磷菌釋磷能力，反硝化除磷菌吸磷能力，好氧池和膜池內聚磷菌過(guò)量吸磷能力的充分發(fā)揮.

　　3 CAMBR反應器DGGE圖譜分析

　　脫氮除磷反應器中微生物菌群結構復雜，呈多樣性分布[22,23]. 采用一些非培養的研究方法(如DGGE、 FISH、 T-RFLP、 醌譜和克隆文庫技術(shù)等方法)對生物脫氮除磷反應器中菌群的研究表明：反應器內微生物菌群呈高度多樣性分布，并且多種脫氮除磷功能菌群共同發(fā)揮脫氮除磷的功效. DGGE圖譜中每一個(gè)條帶代表著(zhù)一個(gè)細菌種屬，而同一圖譜中的對應條帶的密度則可代表此菌種的豐度. 由圖 6可知，CAMBR在不同運行條件下，能夠維持多種微生物的存在，使其共同發(fā)揮脫氮除磷的功能. 另外，根據生態(tài)學(xué)中的“多樣性導致穩定性原理”，物種多樣化具有穩定生態(tài)系統的功能特征[24]，可知CAMBR中微生物菌群呈多樣性分布有利于反應器獲得穩定的脫氮除磷效果. 生物脫氮除磷反應器中微生物菌群呈多樣性分布的同時(shí)優(yōu)勢菌群突出[25]. 微生物菌群的多樣性有利于系統的穩定，同時(shí)反應器中優(yōu)勢菌群的種類(lèi)、 數量則可能直接關(guān)系到反應器功能的強弱. 從圖 6可以看出CAMBR在不同運行條件下菌群結構有所變化，微生物菌群呈多樣性分布的同時(shí)，優(yōu)勢菌群也格外明顯. 部分在接種污泥中存在的微生物，隨著(zhù)反應器運行條件的改變而逐漸被淘汰，A泳道內優(yōu)勢細菌5號和11號在啟動(dòng)過(guò)程中逐漸減弱，最終失去優(yōu)勢地位，并且11號優(yōu)勢細菌在后面4個(gè)時(shí)期內幾乎不存在. 條帶6和14在接種污泥內并非優(yōu)勢菌種，經(jīng)過(guò)不同運行條件的適應，在后期逐漸演替為優(yōu)勢菌種，說(shuō)明這些細菌能很好地適應系統環(huán)境. 同時(shí)，15號條帶對應的細菌種屬隨著(zhù)反應器的運行逐漸成為頂級優(yōu)勢菌種，對提高污水處理效果起到了至關(guān)重要的作用. 伴隨CAMBR內菌群結構的不斷變化，不同條件下其脫氮除磷效果也不斷得到增強，最終系統運行穩定，出水水質(zhì)較好. 由此可見(jiàn)，CAMBR內菌群結構的變化直接關(guān)系到反應器脫氮除磷功能的發(fā)揮. 當反應器從中溫變?yōu)榈蜏睾透邷睾螅?、 6、 14和15號條帶對應的細菌種屬隨著(zhù)反應器的運行逐漸處于優(yōu)勢地位. 由于反應器溫度從恒溫(25℃)變?yōu)橹袦?25℃±5℃)，運行過(guò)程中溫度出現明顯波動(dòng)，此時(shí)10號條帶所代表的菌種在C泳道顯示的信號特別強，說(shuō)明10號菌種在中溫(25℃±5℃)條件下得到了大量繁殖和富集. 同時(shí)1、 2、 3和15號相對較穩定的功能菌群使得CAMBR功能得到了穩定地發(fā)揮.

　　A. 接種污泥; B. 啟動(dòng); C. 中溫; D. 低溫; E. 高溫 圖 6 污泥樣品的DGGE凝膠圖譜

　　4 CAMBR不同區域菌群結構分析

　　CAMBR不同區域菌群結構如圖 7所示. 可知，各隔室之間相似性較高，均具有1、 2、 3、 5、 6和7號優(yōu)勢菌屬. 這與整個(gè)系統存在污泥回流現象、 使得各個(gè)隔室內菌群在同一時(shí)期能夠保持較高的相似性、 微生物菌群結構在相對較短的時(shí)間內改變不明顯有關(guān). 而ABR內特有的微環(huán)境促使各微生物種屬的生理狀態(tài)發(fā)生改變，使得不同微生物在不同隔室內發(fā)揮不同的功能：ABR1號隔室內反硝化細菌反硝化脫氮、 ABR2號隔室內聚磷菌厭氧釋磷、 ABR3號隔室內反硝化除磷菌利用硝酸鹽反硝化除磷; 而MBR發(fā)揮聚磷菌好氧吸磷及硝化細菌硝化作用. 另外，ABR內特有的4號優(yōu)勢菌種與ABR底部尺寸較大的顆粒污泥不參與整個(gè)系統的污泥回流有關(guān)，進(jìn)一步穩定了ABR各隔室的原有功能. 可知各優(yōu)勢菌群功能的耦合有效保證了系統的脫氮除磷效果.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　A. ABR1; B. ABR2; C. ABR3; D. 好氧池; E. 膜池 圖 7 第102 d不同隔室污泥樣品的DGGE凝膠圖譜

　　5 結論

　　(1)CAMBR在不同溫度條件下能對實(shí)際生活污水進(jìn)行有效處理，防止環(huán)境溫度的突變(采取保溫措施等)有利于系統獲得穩定的除污性能. 環(huán)境溫度的變化對系統去除COD的影響很小，出水COD均優(yōu)于《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準，出水TN優(yōu)于一級A標準，出水TP滿(mǎn)足一級B標準. 試驗過(guò)程中，系統內微生物類(lèi)群保持多樣性分布，同時(shí)優(yōu)勢菌群突出.

　　(2)在同一時(shí)期內，各個(gè)反應池菌群相似性較高，但各隔室微環(huán)境的改變使得ABR和MBR內微生物菌群結構仍存在明顯差異，強化了ABR和MBR的各自功能，有效保證了系統脫氮除磷效果.(來(lái)源及作者：蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 吳鵬、陸爽君、徐樂(lè )中、劉捷、沈耀良)