MBR-SNAD工藝處理生活污水效能及微生物特征

張肖靜，李 冬，梁瑜海，張 杰，3

(1.環境污染治理與生態修復河南省協同創新中心 (鄭州輕工業學院)，450001鄭州;2.水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室(北京工業大學)，100124北京;3.城市水資源與水環境國家重點實驗室(哈爾濱工業大學)，150090哈爾濱)

全程自養脫氮工藝(completely nitrogen removal over nitrite，CANON)是近年來在厭氧氨氧化反應的基礎上發展起來的，該工藝將亞硝化反應和厭氧氨氧化反應結合在同一個反應器中，在單一系統內完成總氮的去除［1-2］，其反應式［3］

然而，該工藝的最大總氮去除率僅為89%，無法實現完全脫氮.此外，該工藝完全不消耗COD，而不含任何COD的廢水幾乎是沒有的.因此，在CANON工藝的基礎上，提出了同步亞硝化厭氧氨氧化反硝化(simultaneous partial nitrification，anammox and denitrification，SNAD)工藝［4-5］.該工藝將反硝化反應

耦合進CANON工藝，即將式(2)與式(1)兩種反應結合，去除CANON反應生成的硝氮，同時消耗一部分 COD，實現碳氮的同時去除［4，6］.SNAD 工藝已經在幾個處理高溫高氨氮廢水的實驗室系統中得到成功應用［5，7-10］，目前關于低氨氮廢水的研究還較少，尤其是生活污水的研究未見報道.

本文在MBR內首先啟動了CANON工藝，之后通過逐漸加入COD轉變為SNAD工藝，在其穩定運行后逐步引入生活污水，考察了常溫下MBR-SNAD工藝應用于實際生活污水處理的可行性及系統內的脫氮路徑，利用克隆-測序技術分析了處理生活污水的MBR系統內的微生物特征，以期為該工藝的應用提供技術指導.

1 實 驗

1.1 實驗裝置

以SNAD工藝穩定運行的MBR用于處理生活污水，考察污染物去除效果及相應的微生物特征，MBR反應器裝置見圖1.反應器高40 cm，內徑13 cm，有效體積3 L.內部放置聚偏氟乙烯中空纖維膜組件(廈門，鯤揚)，膜孔徑 0.1μm，有效面積0.2 m2，膜清水通量36 L/h.反應器底部設曝氣環供氧，內部設機械攪拌器混合泥水.連續進水的同時，通過蠕動泵經由膜絲連續抽吸出水.整個反應器置于直徑30 cm的水浴中，保證恒溫25℃運行.實驗過程中曝氣量為0.4 L/min左右，DO 為0.15 mg/L，HRT 為 3.0～3.1 h.

圖1 MBR反應器裝置原理

1.2 實驗用水

首先以1/2生活污水加1/2配水的條件運行，其中配水中以(NH4)2SO4、NaHCO3及葡萄糖為主要基質，并添加少量 KH2PO4、MgSO4·H2O、無水 CaCl2及微量元素溶液［11］，配水中氨氮質量濃度為100 mg/L，COD為400 mg/L.運行1個月之后，將進水改為全部生活污水.該生活污水取自某家屬區化糞池沉淀后廢水，實驗期間生活污水水質見表1.

表1 實驗期間生活污水水質

1.3 分析方法

NH4+-N:納氏試劑分光光度法;NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3--N:紫外分光光度法;COD:5B-3B型COD快速測定儀;堿度:ZDJ-2D電位滴定儀;DO、pH、T:WTW多電極測定儀.

1.4 DNA提取和克隆測序

在實驗的最后1 d從反應器中取污泥，利用DNA提取試劑盒(上海生工)根據說明書步驟提取基因組DNA，提取出的DNA在0.8%的瓊脂糖凝膠中電泳檢測，以檢查純度及長度是否正確.之后利用純化試劑盒對DNA進行純化，以去除蛋白質等雜質.

對純化后的DNA采用正義引物27 F(5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’)和反義引物1492 R(5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’)進行基因組16SrRNA的擴增.PCR擴增條件如下:94℃，5 min;35個循環(94℃，30 s;55℃，40 s;72℃，90 s);72℃，8 min.之后利用純化試劑盒(上海生工)將PCR產物純化回收，采用pMD19-T克隆系統進行克隆，克隆子送至上海生工公司在ABI3730系統上進行測序.共測得22個有效序列，有效序列采用BLAST工具與GenBank數據庫中的注冊序列進行比對.

2 結果與討論

2.1 生活污水中污染物的同時高效去除

在穩定運行的MBR-SNAD系統，第1階段(第6～37天)首先加入1/2的生活污水及1/2的人工配水，第2階段(第38～96天)則改為全部生活污水，總氮去除效果如圖2所示.在反應器引入1/2生活污水后，出水氨氮最初有幾天升高，這可能是由于生活污水中存在的有機物、表面活性劑等，使得微生物不能很快適應水質的變化.同時，總氮去除率和總氮去除負荷(RNR)也有一定程度的下降.然而，生活污水的引入并沒有對該系統造成太大的沖擊，RNR很快開始升高，而且一直呈現升高的趨勢.運行1個月時RNR基本穩定，出水亞氮和硝氮幾乎均檢測不到.這些結果表明，反應器里亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化很好地完成了相互適應的過程，在同一個系統內協同合作，實現了異養脫氮與自養脫氮的耦合.1個月后，將進水改為全部生活污水，進水氨氮質量濃度波動較大，然而在兩個月的運行期間，反應器均能夠保持較高的RNR，基本穩定在0.65 kg/(m3·d)，總氮去除率穩定在93.3%，出水氨氮小于5 mg/L，能夠達到城市污水一級A排放標準.可見，總氮去除率遠遠高于CANON工藝的理論最高去除率，這說明將生活污水引入CANON工藝，實現了反硝化與CANON工藝的耦合，即SNAD工藝，能夠提高總氮去除率，進一步增強脫氮效果.

圖2 生活污水中總氮去除效果

生活污水中COD的去除效果如圖3所示，生活污水中COD在300 mg/L左右，質量濃度波動較大，但是出水COD一般能保持在50 mg/L以下，達到城市污水廠的一級A出水要求，COD去除率最終穩定在87.2%左右.SNAD最大的優勢是能夠利用COD反硝化CANON反應產生的硝氮，既能提高總氮的去除率，又能減少降解COD消耗的溶解氧.之前的一些CANON工藝中，根據反應式理論的最大總氮去除率為89%，實際中都要小于理論值.Chang等［12］的研究得出在常溫CANON生物濾柱中總氮去除率為70.14%，而本文穩定在87.2%.之前的研究均采用先將COD去除，再進行CANON工藝自養脫氮的方式，或者直接對人工配制的不含COD的廢水進行研究，總氮去除率均在80%以下［12-13］.而本文在一個反應器中同時實現了COD和總氮的高效去除，總氮去除率穩定在93.3%，且不需要外加任何物質，具有良好的發展前景.

由圖4可知，該系統對SS具有很好的去除能力，進水濁度在14.1～145 NTU波動，而出水濁度一直保持在1 NTU以下.這是由于膜組件的高效過濾作用，膜孔徑為0.1μm，絕大部分SS均得到有效去除.在城市污水廠中，一般先前設初沉池對SS進行去除，再進行生物反應.本實驗中，只在配水桶中對生活污水進行簡單初沉之后，將大塊雜質去除以免堵塞膜孔，之后即進水反應，得到較好的出水水質.如后續接化學除磷裝置，則可實現生活污水中所有污染物的同時高效去除.實驗結果證明了MBR-SNAD系統是處理生活污水的適宜裝置，可以有效去除生活污水中的多種污染物，達到污水排放標準.該系統可作為小區回用水裝置或者小型工業廢水處理裝置等，為含氮廢水的單獨處理提供了一個新思路.

圖3 生活污水中COD去除效果

圖4 生活污水中濁度去除效果

2.2 脫氮路徑分析

在處理生活污水的過程中，Δρ(硝氮)與Δρ(氨氮)比小于CANON反應的理論值0.11，推斷反應器內存在反硝化反應.為進一步考察反硝化在生活污水處理系統中的作用，對反應器運行的兩個階段進行脫氮路徑分析，其計算基于 CANON反應式(式(1))和反硝化反應式(式(2)).由于之后的微生物檢測中沒有檢測到NOB，假設反應器中不存在硝化過程，也不存在由反硝化生成的亞氮［6，8］.選各階段最后15 d的數據進行分析，進出水水質見表2.

表2 各階段穩定期的平均進出水水質 mg·L-1

在階段1，反應器出水中亞氮和硝氮均有積累，亞氮的積累是由AOB將氨氮氧化而anammox沒有及時轉化所致.因此，在階段I氨氮的轉化量分為兩部分，一部分轉化為亞氮(a)，一部分被anammox(b)利用.而轉化生成的亞氮又可分為殘留在反應器中的部分(c)和被anammox利用的部分(d).由于anammox進行厭氧氨氧化反應消耗氨氮和亞氮的摩爾比為1∶1，被anammox利用的亞氮對應的氨氮為d，其與anammox利用的氨氮之和為參與CANON反應的氨氮量.因此，氨氮的轉化量包括殘留在反應器中的亞氮(c)和參與CANON反應的部分(b+d).

基于以上分析，參與CANON反應的氨氮為

根據式(1)，CANON反應去除的總氮為81.08×0.89=72.16 mg/L;

生成的硝氮為 0.11×81.08=8.92 mg/L;

因此，反硝化消耗的硝氮為 8.92+0.36-0.9=8.38 mg/L;

根據式(2)，反硝化1 g硝氮需消耗2.86 g COD，因此，反硝化消耗的 COD 為 7.4×2.86=21.16 mg/L;

COD 總去除量為 294.94-39.82=255.12 mg/L;

其余的COD去除則由異養菌氧化完成，即255.12-21.16=233.96 mg/L;

總氮去除量為 ρ進水(NH4+)+ρ進水(NO2-)+ ρ進水(NO3-)-(ρ出水(NH4+)+ρ出水(NO2-)+ρ出水(NO3-))=94.62+0.36+0.36-(13.12+0.78+0.9)=80.54 mg/L.

所以，反硝化占總氮去除的比例為8.38/80.54=10.4%;厭氧氨氧化所占的比例為 72.16/80.54=89.6%.

在階段2，出水中亞氮和硝氮均為0.進水中的亞氮由CANON反應轉化，CANON反應生成的硝氮及進水中的硝氮則均由反硝化反應轉化.

因此，參與CANON反應的氨氮和亞氮總和為

根據式(1)，CANON反應去除的總氮為81.66×0.89=72.68 mg/L;

生成的硝氮為 0.11×81.66=8.98 mg/L.

因此，反硝化消耗的硝氮為 8.98+1.06-0.06=9.98 mg/L;

反硝化消耗的 COD 為 9.98×2.86=28.55 mg/L;COD 總去除量為 262.43-32.88=229.55 mg/L;

其余的COD去除則由異養菌氧化，即229.55-28.55=201 mg/L;

總氮去除量為ρ進水(NH4+)+ ρ進水(NO2

-)+ρ進水(NO3

-)-(ρ出水(NH4+)+ρ出水(NO2

-)+ρ出水(NO3

-))=84.96+0.11+1.06-(3.41+0+0.06)=82.66 mg/L.

所以，反硝化占總氮去除的比例為 9.98/82.66=12.07%;厭氧氨氧化所占的比例為 72.68/82.66=87.93%.

由上述結果可知，在處理全部生活污水階段，反應器中反硝化比例高達12.44%，而SNAD工藝中反硝化的理論最大比例僅為11%.出現該差異的原因是進水中含有少量硝氮，而這部分硝氮也被反硝化轉化，因此增加了反硝化比例.同時，該階段的結果說明，系統內的COD大多通過好氧氧化去除，經反硝化去除的COD不足30 mg.因此，在實際應用中，可以首先前接厭氧產能工藝，將生活污水中大部分COD轉化為能源，出水進入MBR-SNAD系統進行氨氮去除和COD的進一步去除，從而實現能源回收和低耗脫氮.

2.3 生活污水處理系統中的微生物特征

該生活污水處理系統運行穩定后，取泥樣進行微生物群落組成分析，克隆測序結果見表3.可以看出，克隆 1、2、3均 屬于亞 硝化 單 胞菌(Nitrosomonas)，屬于AOB，在該系統內主要負責氨氮的好氧氧化.而克隆 4為厭氧氨氧化庫氏菌(Candidatus Kuenenia stuttgartiensis)，屬于 anammox菌［14］，主要負責將AOB生成的亞氮和剩余的氨氮轉化為氮氣排放.克隆5和6屬于反硝化菌，同時克隆7也具有反硝化功能［15］，負責將anammox生成的硝氮轉化為氮氣，實現TN的進一步去除.由此可見，在測得的22個有效序列中包含有1/3的脫氮功能菌，因此，脫氮菌仍然是系統內的優勢微生物，該系統是以脫氮為主體的反應系統，這與反應器表現出高效的脫氮性能一致.另一方面，3個AOB的序列均屬于亞硝化單胞菌，說明AOB群落較單一，從側面也證明了是自養脫氮為主體的工藝，因為自養脫氮系統對于亞硝化單胞菌具有優先選擇性.同時，3種脫氮菌的共存也證明了反硝化與CANON工藝的成功耦合，即SNAD工藝的成功實現.3種微生物在該系統內協同作用，完成了COD和TN的同時去除.

反應器內COD的去除主要是由好氧異養菌和厭氧反硝化菌兩類細菌完成.由2.2節的計算過程可知，通過反硝化去除的COD很少，COD的去除大部分由好氧異養菌完成.好氧異養菌的分類很多，且很多細菌均具有該能力，因此，目前沒有很好的微生物學方法對其進行鑒定或者劃分.在這22個序列中，有12個序列屬于變形菌門，證明了變形菌門的優勢地位，此外還包含一些與未培養的序列相似度較高的序列.克隆22為菌膠團，證明反應器內主要是以活性污泥法為主體的生態系統.

表3 16S rRNA的克隆－測序結果

3 結論

1)MBR-SNAD工藝適宜處理生活污水，可實現C、N及 SS的同時高效去除.總氮去除負荷達到0.65 kg/(m3·d)，出水氨氮小于 5 mg/L;COD 去除率達87%，出水COD小于50 mg/L;濁度去除率達99%，出水濁度小于1 NTU.

2)處理生活污水的MBR-SNAD工藝中主要存在好氧氨氧化、厭氧氨氧化和反硝化多種脫氮路徑，其中自養脫氮比例為88%，異養反硝化比例為12%.

3)系統內脫氮微生物為亞硝化單胞菌、厭氧氨氧化庫氏菌和反硝化菌，3種微生物協同作用完成了COD和TN的同時去除.

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