城鎮污水處理廠改良型交替式工藝運行差異性分析

王 偉，馬九利，黃繼會，翁佳樑，高闖闖

（蘇州市排水有限公司，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

改良型交替式工藝是在交替式生物反應池（UNITANK）的基礎上增設了單獨的厭氧池和缺氧池，同時增加了內回流點，以強化工藝的脫氮除磷效果。目前國內對改良型交替式生物池工藝的研究報道較少。朱海敏等[1]、夏海波等[2]比較了改良型交替式工藝與UNITANK工藝的實際運行效果，結果均表明，UNITANK工藝因結構上的不足，易出現污泥分布不合理、低負荷釋磷不充分等問題，而改良型交替式工藝可以獲得更高、更穩定的脫氮除磷能力。而國內外仍缺少對改良型UNITANK 工藝特性的探討。

目前，對改良型交替式工藝特性研究主要依賴于實驗室研究。然而，受進水、環境條件變化、采樣代表性等多因素影響，實驗研究面臨著局限性，無法全面表征污水處理廠復雜工藝面臨的實際問題。大量研究[3-4]表明，數學模型可以成功應用于污水處理系統的優化，并指導污水處理系統的運行調控。宋純金等[5]、董姍燕等[6]、張發根等[7]分別采用數學模擬方法對UNITANK 工藝特性進行了模擬分析，證明采用模型研究復雜的交替式工藝的可行性和可靠性，為工藝特性研究提供了新工具。顧曉丹等[8]利用BioWIN 軟件，采用ASMD 模型分析了改良型交替式工藝的周期性運行特征，并通過對活性污泥的微生物種群結構進行分析。研究發現，在冬季優化改良交替式工藝運行模式，可以增加生物微生物多樣性，其中Saprospiraceae、Nitrosomonas、Nitrospira 作為冬季活性污泥中的優勢菌屬，更有利于脫氮除磷。此外，我國城市污水處理廠普遍采用季節性調控策略，大部分污水廠的運行實踐表明[9-11]，夏季出水水質穩定達標；而冬季，水溫降低影響微生物的活性，導致系統的生物脫氮除磷能力下降，容易出現出水水質濃度波動大、超標等問題。本研究以蘇州某兩座污水處理廠改良型交替式工藝為研究對象，采用ASDM模型分析了其工藝的運行特征，同時利用高通量測序技術分析了微生物群落組成，分析不同調控策略對脫氮除磷效果的影響，旨在為改良型交替式工藝在污水處理中的運行提供參考。

1 材料與方法

1.1 改良型交替式工藝及處理效果

蘇州市FX、LJ兩座城鎮污水處理廠二期生物池均采用改良型交替式工藝，設計規模分別為12萬t/d、8.5萬t/d，出水依次進入高效沉淀池、反沖洗濾池、紫外線消毒池，出水執行《GB 18918—2002 城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。每組改良型交替式工藝分隔成5 格順序連通的矩形反應池，分別為1個厭氧池F，1個缺氧池E，1個連續好氧池A，2個邊池B和C（見圖1）。FX和LJ改良型交替式工藝設計參數如表1，厭氧池 F 與缺氧池 E、連續好氧池 A 與邊池之間通過隔墻底部開孔實現水力連通；缺氧池 E 至連續好氧池 A、缺氧池 E 到厭氧池 F 通過回流泵強制實現混合液流動；邊池到缺氧池 E 通過邊池末端底部閘閥控制；剩余污泥由邊池兩側的剩余污泥泵定期排放。

表1 改良型交替式工藝設計參數

圖1 改良型交替式工藝平面圖

兩座改良型交替式工藝生物池運行周期均為8 h。上半周期(0～3 h)：污水依次進入厭氧池F、缺氧池E、連續好氧池A 和邊池B（邊池B作為曝氣池），邊池C作為沉淀池（不曝氣），出水從邊池C通過空氣堰排出，剩余污泥從邊池C通過泵排放。過渡周期（3～4 h）：邊池B 停止曝氣，轉換為沉淀模式。污水仍依次進入F、E、A、B，出水從邊池C流出。下半周期與上半周期的運行完全一致，通過過渡周期進行銜接。下半周期（4～7 h）：B池和C池功能互相轉換，邊池B作為沉淀池，出水從邊池B通過空氣堰排出，邊池C作為曝氣池。過渡周期（7～8 h）：邊池C停止曝氣，轉換為沉淀模式。

FX污水處理廠、LJ污水處理廠改良型交替式工藝2021年生產運行數據見圖2。由圖2（a）可知，在冬季，FX廠改良型交替式的氨氮、TN、TP去除率分別為94.4%、80.8%、69.5%，而LJ廠改良型交替式的氨氮、TN、TP去除率分別為94.4%、80.4%、92%，表明冬季兩廠改良型交替式的脫氮能力基本相同，但是，LJ廠冬季的平均TP去除率顯著高于FX廠。夏季的生產數據分析（見圖2（b））也表明，兩廠的氨氮、TN平均去除率分別保持在96.2%、78.8%以上，脫氮能力基本相同；夏季，FX廠TP的平均去除率為83.4%，LJ廠TP平均去除率可達93.3%。因此，在冬、夏兩季，FX廠和LJ廠改良型交替式的脫氮能力基本相同，但LJ廠的除磷能力顯著高于FX廠。

圖2 FX廠與LJ廠改良型交替式冬、夏兩季去除率比較

1.2 樣品采集

于冬季（2021年2月中旬）、夏季（2021年9月中旬）分別取自FX廠、LJ廠改良型交替式工藝的曝氣池，每個樣本取三次平行樣，以代表FX、LJ改良型交替式工藝冬季、夏季微生物群落的分布特征。樣品經過30 min靜置并離心（4℃、8000 r/min、5 min）后保存于-20℃冰箱內，用于后續的分子生物學測定。

1.3 DNA提取，PCR擴增及Illumina MiSeq高通量測序分析

DNA提取采用PowerSoil? DNA Isolation Kit試劑盒，提取后經1%瓊脂糖凝膠電泳檢測條帶完整性。PCR 擴增所用引物為338F（5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R（5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’）。反應體系為20 μL，PCR擴增管中添加DNA模板10 ng，正反向引物各0.8 μL，滅菌水20 μL，d NTP 2μL，緩沖液4 μL，FastPfu聚合酶0.4 μL。PCR反應程序：首先95℃預變性3 min，然后進行27個循環（95℃變性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸45 s），最后72℃延伸10 min。擴增結束后，采用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物，結果表明，PCR產物條帶大小正確，濃度合適，可進行后續實驗，委托美吉生物進行Illumina MiSeq高通量測序。

高通量測序獲得的原始序列數據經過質控過濾后得到高質量數據，采用序列分析軟件USEARCH進行可操作分類單元（OTU）聚類分析，通過貝葉斯算法在97%相似水平對OTU進行物種分類學注釋。基于OTU數據，對反映微生物群落豐富度（Sobs,Chao,ACE指數）和多樣性（Simpson,Shannon指數）的參數進行統計。

1.4 水質指標與分析方法

1.5 工藝模型的構建

以BioWIN軟件為平臺，ASDM模型為核心機理描述污水處理系統生物碳、氮、磷的去除過程，Takacs一維模型描述二沉池內固液分離過程。依據改良型交替式生物反應池的布置形式（見圖3），采用5個非曝氣CSTR（厭氧池、缺氧段1～缺氧段4）模擬厭氧池和缺氧段，采用3個曝氣CSTR的串聯+并聯模擬連續好氧池的運行，采用等體積的5個CSTR的串聯模擬單組邊池的運行，通過軟件中分離器實現兩組邊池的交替運行。在改良型交替式生物反應池的實際運行過程中，邊池承擔著生物池和沉淀池的雙重功能，在模型中，為了實現邊池的固液分離功能，當邊池4 h曝氣結束后，其出水進入沉淀單元，實現固液分離。采用BioWIN軟件建立的改良型交替式生物反應池模型框架見圖4。

圖3 污水處理廠改良型交替式工藝布置簡圖

圖4 應用BioWIN建立的改良型交替式工藝模型

2 結果與討論

2.1 活性污泥群落結構分析

2.1.1 多樣性分析

通過對兩座污水廠改良型交替式工藝活性污泥微生物群落結構的多樣性分析，可以看出，樣品的Shannon 指數、ACE 指數和 Chao 指數屬于較高水平，Simpson 指數顯著低于文獻報道的平均水平[12-13]，證實了在改良型UNITANK 工藝中生物多樣性較高。同時，由圖5可知，同一季節，FX廠改良型交替式工藝活性污泥樣本sobs、ACE、Chao和Shannon指數均高于LJ，而FX廠Simpson指數低于LJ，說明FX廠改良型交替式內物種數相對較多，且物種分布較均勻，微生物多樣性較高。導致該系統生物多樣性較高的原因可能與改良型交替式工藝獨特的調控方式有關。

圖5 改良型交替式冬、夏兩季微生物多樣性分析

2.1.2 物種組成分析

由圖6可知，冬季，LJ和FX廠改良型交替式工藝總OTU數為5206，共有OTU 2024個，占比38.9%；夏季，LJ和FX廠總OTU數目為5877，共有OTU 2366，占比40.3%。其中，冬季位點特異性OTU數目從478（LJ）到680（FX），夏季位點特異性OTU數目從456（LJ）到689（FX），表明LJ、FX兩廠在微生物物種組成上具有較高的一致性。結合圖7、圖8分析，兩廠的進水水質相近可能是導致微生物物種組成一致性較高的原因。ZHANG等[14]也提出，進水水質差異是導致系統內微生物多樣性的關鍵因素。

圖7 FX和LJ廠冬季進水水質

圖8 FX和LJ廠夏季進水水質

由圖9可以看出，在門水平上，兩廠污泥樣品共檢測到10種物種的豐度高于1%。Proteobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi、Bacteroidetes、Firmicutes、Patescibacteria是兩廠污泥樣品中的主要優勢菌群，其總相對豐度達到87.6%～92.5%。在門水平，兩廠優勢菌相同，但豐度不同。Actinobacteria和Chloroflexi在LJ廠的相對豐度高于FX廠。其中，Actinobacteria多為異養細菌，世代周期短，適合在泥齡相對較短的系統內富集。實際生產數據表明，LJ廠夏季和冬季的泥齡控制均顯著低于FX（見圖10），因此，Actinobacteria在LJ、FX兩廠的分布與兩廠泥齡控制策略相符。Chloroflexi在功能上多與生物除磷有關，LJ廠Chloroflexi相對豐度高于FX，從而導致LJ廠的生物除磷效果優于FX廠。研究表明，以乙酸鈉為碳源時，會促進污泥中Bacteroidetes含量上升，FX廠、LJ廠冬季使用乙酸鈉補充碳源。因此，兩廠的Bacteroidetes豐度均較高。Mycobacterium是一類無芽孢、不運動、細胞呈分枝并具有糠酸性的桿菌，部分具有致病性或可產生抗生素，能夠抵抗并分解污水中的多環芳烴（PHAs）。該菌屬在FX廠中占比較高，在LJ廠相對豐度占比及其微量，可能是由于FX廠進水摻雜部分垃圾滲濾液所致。

屬水平物種組成，從不同樣本看，相對豐度較高的菌屬主要有Caldilineaceae、Saprospiraceae、Trichococcus，其相對豐度分別可達3.62%～5.57%、2.85%～5.03%、0.01%～6.47%。Saprospiracea為主要的聚磷優勢菌屬，夏季LJ廠的PAOs相對豐度（2.9%）低于FX（3.81%）（見表2）；而GAOs在夏季系統內得到了富集，夏季LJ廠的GAOs相對豐度（3.4%）低于FX（4.3%），因此，夏季GAOs在FX廠改良型交替式工藝系統內富集，可能是導致夏季FX除磷效果差的主要原因。此外，還有研究表明，Saprospiraceae是以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化除磷系統中的優勢菌種。因此，FX和LJ改良型交替式工藝內可能有反硝化除磷現象。有研究表明：延長泥齡，反硝化除磷對系統除磷所起的作用增強。因此，從Saprospiraceae在不同樣本中的分布可以推測：兩廠的冬季泥齡大于夏季；同一季節，FX廠泥齡大于LJ。這一推測結果與兩廠不同季節的泥齡控制策略（見圖10）相符。

表2 LJ、FX改良型交替式工藝不同季節活性污泥中功能菌豐度（%）

由表2所示，Nitrosomonas為氨氧化菌（AOB）優勢菌屬，其功能是將氨氮轉化為亞硝酸鹽，該菌屬在LJ、FX廠所占比例分別為0.3%～0.4%、0.3%～0.4%，其相對豐度在兩廠一致。Nitrospira為亞硝酸鹽氧化菌(NOB)優勢菌屬，其作用是將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽，該菌屬在LJ、FX廠所占比例為0.3%～1.2%、0.4%～0.5%。在污水處理系統中，常見的NOB菌屬包括兩類：Nitrospira和Nitrobacter[15]。然而，在兩廠改良型交替式工藝污泥樣品中均未檢測出Nitrobacter。大部分研究[16]已表明，Nitrobacter生長速率高，但與底物之間的親和能力弱，適合生長于基質充足的環境；Nitrospira的生長速率僅為Nitrobacter的1/3，但Nitrospira對基質親和力更大。因此，在氨氮濃度較低的城市污水處理系統中Nitrospira更具優勢。韓文杰等[13]針對長三角地區5座污水廠微生物檢測結果中也指出，在活性污泥系統中Nitrospira為NOB優勢菌，相對豐度達0.25%～3.06%，未檢測到Nitrobacter。張曉紅等[12]在京津冀區域5座城市污水廠的微生物檢測中雖發現了Nitrobacter的存在，但其豐度遠低于Nitrospira。

圖11為LJ、FX兩廠改良型交替式工藝污泥樣本RDA分析。RDA分析可以揭示污水水質特性、運行控制條件等對優勢微生物群落的影響。其中，RDA1、RAD2列：表示環境因子與排序軸之間的相關性。r2值表示環境因子與物種分布的決定系數，r2值越小則該環境因子對物種/功能/基因分布的影響越小。P值＜0.05表示顯著相關。

圖11 兩廠改良型交替式污泥樣本RAD分析

由圖11可知，DO (r2=0.6579,P=0.013)、HRT（r2=0.7853,P=0.004）、溫度（r2=0.9442,P=0.002）、COD (r2=0.5688,P=0.011)與微生物群落結構具有顯著相關性；其他環境因子與微生物群落結構沒有顯著的相關性（P＞0.05）。其中，LJ和FX兩廠進水COD濃度相近；兩廠均處于同一地區，因此溫度也不是影響兩廠處理效果差異的原因。結合RAD分析結果，接下來采用模型模擬方法分析HRT和DO對兩廠運行效果的影響。

2.2 基于模型的模擬分析

2.2.1 水力停留時間（HRT）

有研究表明，通過調整HRT可以篩選出不同功能的微生物，導致微生物種群發生改變。Deng等[17]研究表明，若厭氧階段HRT非常長，將會使得系統進行二次釋磷；若好氧階段的HRT很長，將導致聚磷菌自身生長的能量減少，會失去競爭優勢，因此在除磷系統中必先調控好好氧及厭氧水力停留時間。實際生產數據（見圖12）表明：FX廠改良型交替式工藝全年HRT控制在21～33 h，而LJ廠HRT控制在16～26 h，FX廠HRT顯著高于LJ廠。LJ廠模型的模擬結果（圖13）表明，延長HRT，LJ廠改良型交替式工藝出水TP濃度不斷升高，而延長HRT對LJ廠出水氨氮、TN、COD濃度的影響不大。因此，LJ廠除磷效果優于FX的主要原因可能是其較短的HRT。

圖12 兩廠改良型交替式水力停留時間

圖13 HRT對LJ廠改良型交替式工藝的影響

2.2.2 溶解氧（DO）

曝氣池內DO濃度對改良型交替式工藝出水水質的影響見表3，隨著DO濃度的增加，出水COD、N H4+-N濃度變化不大，出水TN、TP濃度逐漸升高。由于硝化完成的較為徹底，在這種情況下，曝氣階段DO過高，會導致DO隨混合液和污泥回流到缺氧段和厭氧段，影響缺氧段的反硝化和厭氧段的釋磷，因此出水TN、TP濃度不斷升高。兩廠的生產數據表明，冬季，FX廠改良型UNITAK工藝DO濃度控制范圍略高于LJ廠；而夏季，FX和LJ廠DO濃度控制值相近（見圖14）。因此，DO濃度不是LJ除磷效果優于FX的主要原因。

表3 曝氣池內DO濃度對出水水質的影響（mg/L）

圖14 FX、LJ廠改良型交替式溶解氧濃度控制

3 結論

（1）基于OTU數據，對反映微生物群落豐富度（Sobs,Chao,ACE指數）和多樣性（Simpson,Shannon指數）的參數進行統計分析，蘇州FX、LJ兩座污水處理廠進水水質相近導致微生物物種組成一致性較高。在門水平，兩廠優勢菌相同，但豐度不同。Actinobacteria和Chloroflexi在LJ廠的相對豐度高于FX廠。Chloroflexi在功能上多與生物除磷有關，LJ廠Chloroflexi相對豐度高于FX廠，從而導致LJ廠的生物除磷效果優于FX廠。屬水平物種組成，相對豐度較高的菌屬主要有Caldilineaceae、Saprospiraceae、Trichococcus，其相對豐度分別可達3.62%～5.57%、2.85%～5.03%、0.01%～6.47%。

（2）結合RAD分析結果，采用模型模擬方法分析HRT和DO對兩廠運行效果的影響，LJ廠除磷效果優于FX廠的主要原因可能是其較短的HRT。