低溫下分段進水多級A/O工藝脫氮規律分析

邊德軍，李清哲，王 帆，艾勝書，聶澤兵，王 寧

(1.長春工程學院水利與環境工程學院，吉林 長春 130012；2.吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012；3.東北師范大學環境學院，吉林 長春 130117)

0 引言

如何克服低溫對脫氮的影響是污水生物脫氮過程中亟待解決的難題，低溫環境降低了生化系統微生物的活性，顯著影響硝化菌、反硝化菌的生命活動[1-2].楊小麗等[3]研究發現，溫度每降低1℃，硝化菌比增長速率和反硝化速率分別降低10%和9%；李桂平等[4]的研究表明，脫氮菌適宜溫度為30℃，隨著溫度的降低，反硝化速度明顯受到抑制，當溫度低于5℃時，反硝化作用停止.此外，近來由于污水污染物結構的改變[5]，傳統的生化工藝往往因反硝化碳源不足而難以進一步提高脫氮效率.受低溫的影響，我國北方污水處理廠在冬季面臨嚴重的出水總氮(TN)超標問題，嚴重影響了污水處理廠的正常運行，危害水環境.因此，研究高效的低溫脫氮工藝意義重大.

多級A/O工藝是目前應用較多，具有高效脫氮除磷功能的污水處理工藝[6].其具有生物量豐富、負荷均衡、能耗低等優點[7-8].此外，碳源不足是低溫污水脫氮效率低的主要原因之一，而多級A/O工藝污水分段加入各級缺氧段，根據水質條件靈活調整進水流量分配比，操作性較強，為反硝化菌提供了充足的碳源[9]，提高了TN去除效率，有效降低了低溫對脫氮的影響.

近年來，關于分段進水多級A/O工藝處理效能及綜述的研究較多，而有關低溫下裝置內TN沿程轉化及各隔室對TN去除情況的研究較少.此外，針對低溫下的反硝化以及好氧反硝化作用研究證實，低溫條件下生物處理系統仍可獲得良好的反硝化效果，而關于低碳源以及低溫硝化對系統脫氮的復合影響機理研究則處于空白[10].為此，本文研究了分段進水多級A/O工藝處理低溫(10±0.5)℃污水的脫氮效能，探究了低碳源以及低溫硝化對多級A/O工藝脫氮的影響機理，以為北方寒冷冬季城市污水處理廠TN達標排放、運行管理等問題提供幫助.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

研究采用的實驗裝置為三級分段進水多級A/O反應器(見圖1)，由有機玻璃板制成，長×寬×高為60 cm×60 cm×40 cm，有效容積126 L.好氧池與缺氧池體積比為1∶1，且各級好氧池、缺氧池沿池長方向設置，分別記為AX1、AX2、OX1、OX2，共4個格室.其中A，O表示厭氧池和好氧池；X為級數，本實驗中X為1，2，3.缺氧、好氧池底部擋板設有過流孔進行連通.沉淀池為豎流沉淀池，中心管進水、上部溢流堰排水，剩余污泥從底部排空管定期排放.采用蠕動泵分別輸送原水至各級缺氧池并控制污泥回流，且污泥回流至一級缺氧池.曝氣區采用空氣壓縮機為系統好氧格室供氣，通過空氣流量計控制曝氣量.采用機械攪拌方式對缺氧區進行攪拌.

圖1 分段進水多級A/O工藝流程圖

1.2 接種污泥與實驗水質

接種污泥取自長春市某污水處理廠二沉池，持續曝氣恢復活性后均勻加入到各級A，O池中，初始污泥質量濃度約為5 000 mg/L.原水采用人工自配的模擬城市污水，以淀粉、乙酸鈉為主要碳源，相應投加量為80.32，121.56 mg/L；以氯化銨和磷酸二氫鉀為氮源和磷源，具體投加量分別為75.37，52.68 mg/L，并添加適量的牛肉膏、蛋白胨為有機氮源與難降解有機物，具體水質指標見表1.

表1 進水水質 mg/L

1.3 工藝運行參數

根據實際操作條件及工程應用要求實驗采用三級分段進水方式，整套實驗裝置置于9.5℃～11.5℃的低溫環境模擬運行，通過調節室溫控制水溫在(10±0.5)℃，進水C/N比為7～9，三級缺氧區進水流量分配比為5∶4∶4，裝置進水流量為378 L/d，水力停留時間(Hydraulic retention time，HRT)為8 h，污泥齡控制在40 d左右，污泥回流比為50%.

1.4 MLSS及DO分布

系統運行穩定后，裝置內污泥濃度及溶解氧分布見圖2.各級MLSS平均質量濃度分別為6 668.5，4 650.5，3 732.5 mg/L，污泥濃度呈梯度分布逐級降低，與孫月鵬等[11]的研究結果類似.各級好氧池溶解氧平均質量濃度分別為1.16，4.77，4.29 mg/L，后兩級好氧池溶解氧濃度較高；各級缺氧區平均溶解氧濃度均為0，滿足缺氧反硝化要求.

1.5 分析方法

測定各級缺氧、好氧池內混合液硝化反硝化速率：取各級缺氧池、好氧池混合液2 L，靜沉30 min后棄去上清液，加入二沉池出水至原始體積2 L.人工添加氯化銨/硝酸鉀試劑，使好氧、缺氧的混合液氨氮、硝氮質量濃度分別為35.8，26 mg/L，并保持溶解氧濃度分別為2～4，0～0.5 mg/L條件下間隔取樣.

圖2 MLSS/DO沿程變化

2 結果與討論

2.1 污染物質的去除效果分析

2.1.1 COD的去除

實驗期間控制水溫為(10±0.5)℃，分段進水多級A/O工藝COD去除情況如圖3所示.

圖3 COD去除效果

由圖3可見，進水COD質量濃度為180～280 mg/L，出水COD濃度維持在35 mg/L以下.分段進水使系統對COD濃度變化具有良好的抗沖擊負荷能力，實驗期間COD平均去除率為88.4%.低溫條件下污水以流量分配比例為5∶4∶4加入各級缺氧池中，大部分易降解有機物被反硝化菌攝取利用，反硝化去除了前一級好氧池產生的硝氮，剩余碳源可被好氧池內同步硝化反硝化過程進一步利用，使COD去除較徹底，出水COD濃度穩定維持在35 mg/L以下.

2.1.2 氮的轉化及去除

2.2 各污染物沿程變化分析

2.2.1 COD的沿程變化

裝置內COD沿程變化情況如圖5(a)所示.原水進入實驗裝置各級缺氧池后，COD濃度迅速降低至50 mg/L以下，分析原因：一是裝置內整體處于推流式狀態，原水加入混合液中存在稀釋效應；二是裝置內的易降解有機物被反硝化菌迅速攝取，用于還原回流污泥與上一級好氧段產生的硝酸鹽氮，同時分段進水模式有利于碳源的合理分配，彌補了碳源不足導致的脫氮效果差的現象，進而降低了出水COD值.當缺氧段有大量有機物剩余時，會造成異養菌繁殖，與反硝化菌產生競爭作用，限制反硝化菌的生長，降低脫氮效率.在本實驗中，低溫異養菌繁殖得到了很好的控制，缺氧池內及進水COD中并無剩余，原水中易降解有機物在缺氧池內被反硝化菌快速利用，僅剩余少量難降解有機物進入下一級好氧區.

TN在三級缺氧段均有明顯下降，主要是通過反硝化作用去除，出水TN濃度低于12 mg/L.分段進水模式使碳源合理分配，為反硝化菌攝取足夠的有機物提供了保證.且三級串聯運行模式，使得裝置內pH值穩定在6.5～7，微生物處在適宜的pH環境中，有利于裝置內微生物富集及菌膠團形成.除裝置第二級外，好氧池也有一定的氮損失，這是因為好氧池中存在一定的同步硝化反硝化作用(SND).在保證硝化效果的前提下，強化同步硝化反硝化作用有利于進一步強化分段進水多級A/O工藝脫氮效果[14].

2.3 多級A/O硝化、反硝化速率分析

(a)硝化速率；(b)反硝化速率

2.4 多級A/O污泥性狀分析

分別選取20，30，40，50 d的多級A/O內部混合液，對混合液耗氧速率(OUR)進行測定，結果見圖7.

(a)OUR；(b)鏡檢照片

由圖7(a)可見，裝置內部除20 d的混合液外，其余混合液耗氧速率基本一致；缺氧池均高于好氧池，且逐級升高.尹軍等[17]的研究發現，活性污泥進行硝化反應后OUR值大幅度降低，降解有機物后OUR值會小幅度降低.好氧池混合液硝化功能和有機物降解能力均高于缺氧池的混合液，OUR值降幅較大，這是各級好氧池OUR值低于缺氧池的原因；污泥濃度呈梯度逐級遞減可能是OUR測定值整體呈升高趨勢的原因.20 d時裝置內微生物并未達到穩定狀態；到30 d，微生物在適應了低溫環境及水量水質后，活性達到最高值；隨著實驗的進行，微生物逐漸趨于穩定，并篩選出適宜低溫環境下生存的菌種，不能適應的菌種則被淘汰，因此裝置內微生物數量不足，導致40 d時OUR測定值偏低；50 d時，裝置內微生物菌群數量及活性得到了很好的恢復，在鏡檢下觀察到大量成熟菌膠團及輪蟲等微生物(見圖7(b))，表示該實驗處理效果穩定，裝置處于良好的運行狀態[18-19].

對三級分段進水多級A/O工藝缺氧區與好氧區活性污泥進行掃描電鏡(SEM)分析，結果見圖8.由圖8可見，污泥絮體的生物相主要由桿菌和球菌組成，絮體表面粗糙，結構開放疏松，活性污泥表面有明顯的空穴，主要作用是為氣體和基質進出提供通道.相對于缺氧污泥絮體，好氧污泥絮體表面存在大量絲狀菌，各種菌落之間被絲狀菌纏繞牽連，結構更加緊湊，表面積較大，有利于截留微生物，減少因曝氣及水流剪切造成的微生物流失.

(a)缺氧區；(b)好氧區

2.5 多級A/O微生物多樣性分析

取多級A/O各隔室污泥混合后進行微生物多樣性分析，共得到樣品優質序列75 944條.活性污泥樣品OTU數目為1 893，說明低溫環境下多級A/O系統微生物多樣性較高.Chaos指數和ACE指數常用來描述群落的豐富度，本實驗中多級A/O系統Chaos和ACE指數分別為2 211.08和2 329.67.Huang等[20]采用A-MAO工藝，在10℃時對系統內微生物群落進行了培養馴化，得到系統內的Chaos和ACE指數分別僅為442和444，表明實驗培養條件下多級A/O系統富集了豐富度較高的微生物群落.Shannon指數體現群落的豐度和稀有OTU，Simpson指數對群落均勻度和優勢OTU更加敏感，本實驗中系統內Shannon和Simpson指數分別為5.27和0.02，表明系統菌群豐度較大，低溫環境的制約使豐富度趨于穩定.

對系統內活性污泥種群在屬水平進行豐度及相關性分析，結果見圖9.由圖9可見，系統樣品中共發現有20種菌屬，其中具有顯著功能特點的菌屬包括Dechloromonas(1.42%)，Flavobacterium(3.99%)，Pseudorhodobacter(9.35%)等，均為污水生物處理過程中具有反硝化功能的菌屬[21-23].Dechloromonas(脫氯單胞菌屬)是已知的主要反硝化功能菌，同時能夠在反硝化的過程中吸收磷[24]，是污泥系統磷去除的主要功能菌群，因此Dechloromonas菌群含量的多少直接影響內碳源的反硝化速率.

圖9 多級A/O污泥微生物屬水平菌群組成和相對豐度

3 結論

(2) 多級A/O系統缺氧池混合液耗氧速率高于好氧池且逐級升高，鏡檢和SEM分析發現系統具有成熟的菌膠團，表明低溫下微生物菌群活性較高且具有穩定性.

(3) A/O系統微生物多樣性指數Chaos和ACE分別為2 211和2 329，說明低溫下多級A/O系統仍具有較高的豐富度.微生物屬水平分析表明，A/O系統內具有大量的反硝化功能菌，這保證了多級A/O系統高效的反硝化速率.