混合型污水處理廠原位生物強化脫氮中試及微生物群落結構分析研究*

李明智 譚映宇 張 宇 王 睿 任旭鋒 王慧榮

(1. 浙江省生態環境科學設計研究院，浙江 杭州 310007；2. 浙江環科環境研究院有限公司，浙江 杭州 310007)

浙江省普遍存在混合型污水(工業廢水與生活污水混合)處理廠進水水質波動大、難降解污染物多、C/N偏低等問題，對污水處理廠現有處理工藝升級改造是個技術挑戰。根據調研統計，全省城鎮污水處理廠大多數為混合型污水處理廠，工業廢水處理量占比達20%以上，其中嘉興地區占比高達40%。由于工業廢水的可生化性差、BOD低，造成混合型污水處理廠的進水可利用碳源不足、C/N低的水質特點，使得A2/O等傳統的生物脫氮除磷工藝難以實現同時高效脫氮除磷與尾水穩定達標。浙江省2018年出臺了《城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》(DB33/ 2169—2018)，要求出水主要水質指標達到Ⅳ類標準(基于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)評價)。該標準對混合型污水處理廠的水質提出了更高的要求，其中總氮的穩定達標問題更為突出[1-3]。

筆者所在課題組近年持續開展了短程硝化、異養硝化等生物脫氮方面的研究工作[4-6]。針對混合型污水處理廠的進水C/N低、總氮穩定達標困難和提標改造場地受限等共性問題，采用信號分子誘導技術，誘導、富集、篩選貧營養型脫氮菌株，并制備得到適宜于低C/N環境條件下的脫氮菌劑。該菌劑對貧營養等苛刻環境條件的適應性較高，能在C/N為2.4∶1.0(質量比)條件下實現生化系統70%的脫氮效率。為進一步驗證該菌劑對工業和生活混合污水的強化脫氮功能，在嘉興某大型混合型污水處理廠開展現場中試研究，評估功能菌強化對生化系統脫氮的效能提升作用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

主要試驗材料：脫氮功能菌株；酰基高絲氨酸內酯(AHLs)類信號分子；液體培養基(葡萄糖0.1～0.3 g/L、乙酸鈉0.2～0.4 g/L、蛋白胨0.1～0.2 g/L、硫酸銨0.03～0.07 g/L、硝酸鈉0.1～0.5 g/L、尿素0.005～0.015 g/L、磷酸二氫鉀0.02～0.08 g/L、磷酸氫二鉀0.005～0.015 g/L)；兼氧活性污泥；混合污水(水質情況見表1)；DNA提取試劑盒；聚合酶鏈式反應(PCR)試劑盒；PCR純化試劑盒。

表1 某大型混合型污水處理廠混合污水水質情況1)

主要試驗裝置：超凈工作臺(SW-CJ-2FD)；生化培養箱(SHP-350)；超低溫冰箱(Thermo ScientificTM900)，恒溫搖床(ZHWY-2102)；1.5 m3自動化擴大培養裝置(自制)；0.8 m3二級AO中試裝置(自制)；臺式高速離心機(Heraeus PrimoR)；PCR儀(ABI Veriti96)；DNA電泳儀(PowerPac Universal)。

1.2 試驗方法

(1) 脫氮菌劑制備。在1.5 m3自動化擴大培養裝置(見圖1)開展序批式擴大培養，制備工程用高效脫氮菌劑。將經斜面活化的脫氮功能菌株接種于液體培養基中，控溫30～38 ℃，通風比介于1.0∶1.0與1.0∶0.5，培養12～24 h，得液體菌液。在人工配制污水與待處理低C/N廢水的混合水中加入兼氧活性污泥3 000～5 000 mg/L(以混合液懸浮固體(MLSS)計)，同時按5～20 g/L加入上述液體菌液并加入AHLs類信號分子0.1～1.0 mg/L，間隙性曝氣攪拌培養，控制溶解氧(DO)0.1～0.5 mg/L，控溫25～35 ℃。培養1～3 d后靜置沉淀污泥，去除上清液，加入等體積上述混合水，并添加液體菌液及AHLs類信號分子，相同條件下重新攪拌培養，重復若干次直至培養完成。

圖1 1.5 m3脫氮菌自動化擴大培養裝置

(2) 原位強化生物脫氮現場中試。利用制備的低C/N型脫氮菌劑在嘉興某大型混合型污水處理廠開展現場中試研究，評估功能菌強化對生化系統脫氮的效能提升作用。中試采用二級AO生物強化脫氮裝置(見圖2)。該裝置由10格池體組成，尺寸為1 150 mm×450 mm×3 000 mm。第1、4格為兼氧池(A1、A4)，第2、3、5、6格為好氧池(O2、O3、O5、O6)。其中第1、2、3格組成第一級AO，第4、5、6格組成第二級AO，第7、10格為二沉池，第8、9格為補充生物曝氣濾池工段，在本項目研究中未使用。運行參數為：由A1、A4兩端進水，進水比例為70%和30%，水力停留時間為12 h；內回流200%，泥水混合液回流至A1、A4端；外回流100%，泥水混合液回流至A1端；A段DO控制0.2～0.4 mg/L，O段DO控制不高于1.5 mg/L；生物強化菌劑投加量30 mg/L。

圖2 二級AO生物強化脫氮中試裝置

1.3 分析方法

COD采用重鉻酸鉀法測定，氨氮采用納氏試劑分光光度法測定，總氮采用過硫酸鉀氧化分光光度法測定，總磷采用鉬銻抗分光光度法測定，懸浮物(SS)和MLSS用105 ℃烘干稱重法測定。基于反硝化功能基因nirS的高通量分析在Illumina NovaSeq測序平臺完成，并分析活性污泥的反硝化微生物群落結構。

2 結果與分析

2.1 低C/N型脫氮菌劑的制備

圖3 1.5 m3脫氮菌擴大培養裝置中和脫氮負荷變化情況

2.2 原位生物強化脫氮現場中試運行效果分析

利用制備的低C/N型脫氮菌劑在嘉興某混合型污水處理廠開展現場中試研究，評估脫氮菌強化對生化系統脫氮的效能提升作用。試驗分兩個階段進行，第一階段從2019年8月開始，調試二級AO生化脫氮裝置，優化DO、污泥濃度、回流比等運行參數后，9月開始系統穩定運行；第二階段從2020年開始，采用低C/N型脫氮菌劑不斷馴化A1、A4活性污泥，強化生物脫氮，逐步提高生化系統的脫氮負荷。試驗持續運行到2020年5月，對出水總氮進行檢測，結果見圖4。

圖4 二級AO原位生物強化脫氮現場中試出水水質

第一階段進水平均總氮33.6 mg/L，出水平均總氮16.4 mg/L；第二階段進水平均總氮33.5 mg/L，出水平均總氮13.5 mg/L。試驗表明，經過脫氮菌強化后生化系統的脫氮效率從51.2%提升到59.7%，提高8.5百分點，出水平均總氮較第一階段下降約3 mg/L，出水水質穩定性明顯提高，生物強化效果顯著。原位生物強化深度脫氮裝置的出水總氮穩定在11～14 mg/L，在不補加碳源條件下，出水總氮完全達到GB 18918—2002一級A排放標準。而污水處理廠需要補加30 mg/L的碳源才能達到同等的出水水質，說明在生化系統投加脫氮菌劑具有顯著的強化脫氮效果。

2.3 活性污泥的微生物群落結構分析

通過脫氮菌原位生物強化作用，活性污泥性狀得到明顯改善，脫氮負荷大幅提高，出水水質得到大幅提升。為從微觀層面上更直觀地了解生物強化過程中微生物的演變情況，采用高通量測序法分析工程實施前后活性污泥微生物群落的結構變化。分別在中試第一階段末期、第二階段中期與后期留取活性污泥樣(分別記為1#、2#和3#樣品)送檢。

根據nirS基因序列和拷貝數，經過操作分類單元(OUT)聚類后進行Alpha多樣性分析，可以測算樣品的反硝化群落多樣性。從表2可以看出，2#樣品的反硝化群落多樣性最高，其次是3#樣品，表明經過第二階段脫氮菌強化后，活性污泥系統的反硝化群落多樣性得到提高。

表2 基于nirS功能基因的Alpha多樣性指數

基于nirS功能基因高通量測序，可識別樣品中主要的反硝化微生物。1#、2#、3#樣品在屬水平上的反硝化微生物占比分別為1.03%、2.03%和4.42%，脫氮菌強化后，反硝化微生物明顯增加。由表3可知，1#樣品中的反硝化微生物主要為脫氯單胞菌屬(25.16%)、銅綠假單胞菌屬(22.30%)、陶厄氏菌屬(17.36%)、磁螺菌屬(13.22%)以及紅長命菌屬(10.03%)；2#樣品中的反硝化微生物主要是紅長命菌屬(62.30%)；而3#樣品中的反硝化微生物則主要是紅長命菌屬(59.79%)、脫氮嗜脂環物菌屬(13.51%)以及假絲酵母菌屬(11.47%)。

表3 基于nirS功能基因高通量測序識別的反硝化微生物群落相對豐度

根據以上檢測數據，經過第二階段脫氮菌強化后，生化系統的反硝化微生物群落多樣性呈現升高趨勢，且含有關鍵功能基因nirS、能夠注釋到的已知反硝化微生物群落明顯增加，說明群落向著更加典型和高效的方向演替[7-8]。例如，3#樣品中高度富集的紅長命菌屬反硝化菌數量增加了200倍以上，該菌可以高效利用亞硝酸鹽氮作為電子受體；其次是親環狀脂類有機物的脫氮嗜脂環物菌屬和具有聚磷功能的假絲酵母菌屬增加了20倍以上。以上結果表明，經過原位生物強化后，生化系統的生物脫氮功能得到顯著加強。

3 結論與展望

(1) 采用信號分子誘導、富集，高效制備得到活菌濃度109cfu/mL、脫氮負荷0.5 kg/(m3·d)以上的生物脫氮菌劑。該菌劑適宜在低C/N、貧營養等苛刻環境條件下實現生化系統高效脫氮。

(2) 現場中試表明，經過脫氮菌強化后，原生化系統的脫氮效率提升8.5百分點，出水平均總氮較強化前下降約3 mg/L，出水水質穩定性明顯提高，生物強化效果顯著。在不補加碳源條件下，深度處理出水總氮完全達到GB 18918—2002一級A排放標準。

(3) 活性污泥的微生物群落結構分析表明，經過脫氮菌強化后，生化系統的反硝化微生物群落多樣性呈現升高趨勢，且含有關鍵功能基因nirS、能夠注釋到的已知反硝化微生物群落明顯增加，說明群落向著更加典型和高效的方向演替，系統的生物脫氮能力得到加強。可見，向活性污泥系統中投加脫氮菌劑的原位生物強化脫氮技術切實有效。

(4) 由于不需要改變污水處理原有工藝，不需要新增構筑物，可在低投資成本和運行成本條件下實現生化系統氮污染物的深度減排目的，以低C/N型脫氮菌劑為核心的原位生物強化脫氮技術在混合型污水處理廠清潔排放提標改造中具有良好的應用前景。