缺氧分段式UCT工艺的脱氮除磷效能

卢瑞朋,孙光溪,徐文江,董 娜,李安峰,*

(1.北京市生态环境保护科学研究院,北京 100037;2.国家环境保护工业废水污染控制工程技术<北京>中心,北京 100037)

污水中的氮磷如果无法得到有效控制直接排放到自然水体,将会加剧水体的富营养化程度[1]。《2021年中国生态环境状况公报》[2]显示,我国仍有27.3%的湖泊呈现富营养状态,氮磷污染物是入海河流和渔业水域的主要超标指标。污水处理厂排水是水体氮磷污染的重要来源,污水处理厂的氮磷污染物控制对我国水生态环境保护至关重要。部分地区出台了更为严格的地方标准控制污水处理厂出水水质,出水水质要求超过了现行的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准[3]。

基于上述问题,本研究通过增设后段缺氧池将硝化液回流和缺氧池至厌氧回流分开,并结合分段进水的方式,构建了缺氧分段式UCT工艺。通过连续运行小试试验装置处理模拟生活污水,考察该工艺的运行效果,并基于氮磷质量平衡分析了各功能单元的脱氮除磷能力。同时利用高通量测序手段,对各功能单元的微生物群落进行分析。本研究考察了新型UCT工艺的脱氮除磷效果,以期为污水处理行业提供新的选择。

1 试验材料和方法

1.1 工艺设计思路与试验运行方式

1.1.1 工艺设计思路

1.1.2 试验运行方式

图1为缺氧分段式UCT试验装置示意图。该装置总有效容积为21 L,其中厌氧池、前段缺氧池和后段缺氧池有效容积为3 L,好氧池有效容积为12 L。试验装置运行期间进水总量(Q)为2 L/h,分段进水量配比Q1∶Q2为5∶3。厌氧池DO质量浓度控制在0.2 mg/L以下,前段缺氧池和后段缺氧池DO质量浓度控制在0.5 mg/L以下,好氧池DO质量浓度控制在2～3 mg/L。温度维持在25 ℃左右,污泥质量浓度(MLSS)为3 000 mg/L左右。整套试验装置运行过程中的总水力停留时间(HRT)为10.5 h。AA内回流比(r1)和AO内回流比(r2)设置为200%,污泥回流比(R)为100%。试验共连续运行80 d,其中1～18 d为启动适应期,19～80 d为稳定期。

图1 缺氧分段式UCT工艺试验装置示意图

1.2 试验用水与接种污泥

采用模拟生活污水作为装置进水,采用乙酸钠和丙酸钠作为混合碳源,质量配比为4∶3;氮源和磷源分别选用氯化铵和磷酸二氢钾,进水水质如表1所示。此外,投加氯化镁和氯化钙满足微生物对Ca2+和Mg2+的需求,添加微量元素营养液0.6 mL/L满足微生物生长繁殖需要,微量元素营养液成分如表2所示[10-11]。接种污泥取自于某污水处理厂(AAO工艺)的厌氧池活性污泥。

表1 进水水质

表2 微量元素溶液成分

1.3 水质测定方法

1.4 氮磷质量平衡计算方法

为了明确缺氧分段式UCT工艺各功能单元的脱氮除磷能力,进行了氮磷质量平衡计算,具体计算如式(1)～式(4)。

ΔMAn(N or P)=Q1Sinf (N or P)+r1QSB-A(N or P)-(Q1+r1Q)·SAn(N or P)

(1)

ΔMF-A(N or P)=(Q1+r1Q)SAn(N or P)+r2QSO(N or P)+RQSeff(N or P)-[Q1+(r1+r2+R)·Q]·SF-A(N or P)

(2)

ΔMB-A(N or P)=[Q1+(r1+r2+R)·Q]·SF-A(N or P)+Q2Sinf (N or P)-[Q1+Q2+(r1+r2+R)·Q]·SB-A(N or P)

(3)

ΔMO(N or P)=[Q1+Q2+(r2+R)·Q]·SB-A(N or P)-[Q1+Q2+(r2+R)·Q]·SO(N or P)

(4)

Q——进水总量,L/h;

Q1、Q2——厌氧池、后段缺氧池分段进水量,L/h;

r1——AA内回流比;

r2——AO内回流比;

R——污泥回流比;

1.5 微生物群落分析

第60 d在各功能单元采取污泥样品后于-20 ℃条件下冷冻保存。冻存的污泥样品委托上海美吉生物医药科技有限公司进行DNA提取并进行16S rRNA高通量测序分析。

2 结果与讨论

2.1 工艺运行状况分析

2.1.1 工艺运行效果

如图2所示,经过18 d的适应期后,试验装置出水水质基本保持稳定,进入稳定运行期。

图2 缺氧分段式UCT工艺的运行效果

CODCr的去除效果如图2(a)所示。在稳定期内,CODCr平均去除率达到95.85%,CODCr平均质量浓度由进水的355.76 mg/L降低至出水的14.76 mg/L,低于北京市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 11/890—2012)中的A排放限值(20 mg/L)。图2(b)和图2(c)分别为氨氮和TN的去除效果。氨氮和TN的平均进水质量浓度分别为58.67 mg/L和59.13 mg/L。在适应期,氨氮和TN的出水浓度逐渐降低,处理效果趋于稳定。进入稳定期后,氨氮平均出水质量浓度为0.37 mg/L,去除率为99.37%;TN平均出水质量浓度为9.98 mg/L,去除率为83.12%。氨氮和TN的平均出水质量浓度均低于DB 11/890—2012中的A排放限值(氨氮为1.00 mg/L;TN为10 mg/L),表明新型UCT工艺具有良好的脱氮效果。缺氧分段式UCT工艺具有良好的除磷效果[图2(d)],结果表明,在工艺启动的稳定期TP平均质量浓度由进水的6.06 mg/L降低至出水的0.78 mg/L,TP去除率可达到87.13%。

2.1.2 工艺脱氮除磷能力分析

图3 各功能单元和浓度及去除量

2.2 微生物群落分析

2.2.1 微生物种群多样性分析

对污泥样品的测序结果进行抽平处理,获得的操作分类单元(OTU)数量、多样性指数(Shannon、Simpson指数)和丰富度指数(Sobs、Ace、Chao指数)结果如表3所示。Shannon指数数值与微生物多样性为正相关关系,Simpson指数与微生物多样性为负相关关系;Sobs、Chao指数和Ace指数的数值越高表明微生物越丰富[12]。由表3可知,4个功能单元微生物的丰富度和多样性相差不大,前段缺氧池和后段缺氧池较厌氧池和好氧池的微生物多样性和丰富度更高。

表3 微生物多样性和丰富度

2.2.2 微生物群落结构分析

图4表明,变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)是主要的优势菌门,相对丰度分别为41.21%～49.63%和26.76%～35.67%。多数的脱氮除磷功能性微生物都属于Proteobacteria和Bacteroidota,是活性污泥系统中的典型菌门[13-15]。

图4 微生物门水平组成

图5显示,各功能单元中微生物群落结构并无明显差异。Candidatus_Competibacter(18.75%～26.43%)、OLB8(7.81%～12.52%)、Terrimonas(3.41%～4.51%)、Norank_f_37-13(3.41%～4.31%)、Norank_f_Saprospiraceae(3.10%～3.96%)、Tetrasphaera(0.97%～4.14%)和Dokdonella(2.97%～3.80%)具有较高的相对丰度,其中Candidatus_Competibacter和OLB8相对丰度明显高于其他菌属,是主要的优势菌属。

图5 微生物属水平组成

Tetrasphaera是一种具有发酵除磷功能的聚磷菌,已经在很多采用强化生物除磷工艺的污水厂中被检出[21-22]。在新型UCT工艺中,Tetrasphaera呈现出较高的相对丰度。进入缺氧单元后,Tetras-phaera相对丰度由0.97%增加到4.14%,并在随后的处理单元中保持稳定。Tetrasphaera可以发酵有机物且不释放磷,同时还可以在好氧条件下消耗糖原发生吸磷反应,这可能是新型UCT工艺能够有效除磷的原因[16,23]。另外,在新型UCT工艺中还存在具有反硝化除磷功能的聚磷菌Dechloromonas[22]。许多研究[5,10]证实了在UCT工艺中往往存在反硝化除磷菌。虽然本研究中反硝化除磷过程并不明显,但Dechloromonas的存在表明新型UCT工艺具有反硝化除磷的潜能。

3 结论

(1)缺氧分段式UCT工艺具有稳定的脱氮除磷效果,CODCr、氨氮、TN和TP的平均出水质量浓度分别为14.76、0.37、9.98 mg/L和0.78 mg/L,平均去除率分别为95.85%、99.37%、83.12%和87.13%。

(3)在缺氧分段式UCT工艺体系中,Proteobacteria和Bacteroidota为优势菌门。该工艺可以很好地富集反硝化菌,反硝化菌Candidatus_Competibacter(18.75%～26.43%)和OLB8(7.81%～12.52%)为主要的优势菌属。Tetrasphaera和Dechloromonas是缺氧分段式UCT工艺体系中主要的聚磷菌。