北方某污水處理廠抗氯離子沖擊效果分析

更新時間：2020-03-04 11:34 來源：給水排水作者: 閱讀：3641

導讀：北方某污水處理廠規模為10萬m3/d，自2017年以來開始受海水倒灌沖擊，污水處理廠中氯離子濃度和電導率隨著潮汐潮位的變化呈現出波動性變化。污水處理廠采用改良AAO+MBBR工藝，在氯離子濃度頻繁波動的情況下仍保持較高的脫氮除磷效果。通過試驗研究發現，MBBR懸浮載體具有較好的抗沖擊能力，氯離子波動沖擊對于懸浮載體的硝化效果無明顯影響，而對活性污泥的硝化過程具有明顯的抑制作用。在反硝化方面，氯離子沖擊會降低反硝化速率，此時需要延長缺氧區HRT或增大碳源投加量來保證TN的去除。采用改良AAO鑲嵌MBBR工藝，通過好氧區投加懸浮載體，擴大缺氧區HRT。實踐證明該工藝在硝化和反硝化效果上抗沖擊性能良好，適用于高鹽廢水的處理。

0 前言

近年來，隨著淡水資源的短缺，地下水、河湖水的過量開采以及過度采砂等行為會導致海水倒灌，隨著潮汐變化，海水水位的波動，會造成不同程度的海水倒灌進入城市污水管網，進而經各泵站匯集進入城市污水處理廠。海水的典型特征是高鹽，尤其是氯離子濃度高達17 000 mg/L以上。高氯能夠改變活性污泥的胞外滲透壓，使環境中滲透壓高于細菌內部，導致細菌的細胞壁和細胞質膜平衡形態喪失，發生質壁分離，進而對污水生物處理系統產生不同程度的影響。相關研究表明，高濃度氯離子能夠降低與脫氮除磷相關酶的活性，阻止為反應提供進一步的推動力，從而對相關酶促反應造成抑制和毒害作用，最終改變活性污泥中微生物群落結構，抑制硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的生長繁殖，從而對污水處理系統的脫氮除磷性能產生不利影響。此外，在長期影響的情況下，高濃度氯離子能夠引起細胞內的氧化應激反應，從而增強了對微生物的毒性。

本文以北方某沿海污水廠抗氯離子沖擊的效果為例，分析移動床生物膜反應器（Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）鑲嵌于AAO工藝中對持續波動氯離子沖擊的抵抗效果，為城市污水廠抵御氯離子的沖擊提供技術參考。

1 污水處理廠概況

污水處理廠設計規模為10萬m3/d，采用改良AAO-MBBR工藝。生化池自進水端至出水端，分別為預缺氧區、厭氧區、缺氧區、好氧區，HRT分別為1 h、1.6 h、10 h、11.2 h。在好氧區投加SPR-I型懸浮載體，該懸浮載體厚10 mm，直徑25 mm，有效比表面積大于450 m2/m3，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》（CJ/T 461-2014）行業標準，掛膜前其密度略小于水（0.94～0.97 kg/m3），掛膜后密度與水接近（1.000～1.003 kg/m3），填充率為30%。生化池污泥濃度為3.0~3.3 g/L。好氧區的溶解氧實測值為2~3 mg/L，內外回流比分別為250%和100%。污水處理廠設計進出水水質見表1。

自2017年中旬以來，該污水處理廠持續受到海水倒灌沖擊，主要表現為污水處理廠中氯離子濃度電導率隨著每日潮汐潮位的變化呈現出波動性變化。在正常運行時，生化池電導率為2～3μS/cm，氯離子濃度為600～1 000 mg/L；在高潮位時，污水廠受海水倒灌沖擊時，生化池電導率則高達8～16μS/cm，氯離子濃度為3 000～6 000 mg/L。在受高氯波動沖擊過程中，污水處理廠出水并沒有受影響，只是在高潮位的情況下，為保證TN去除效果，碳源多投加近一倍。為了驗證污水處理廠的實際運行效果，對生化段進行了沿程和小試測定。

1.1 試驗方法

1.1.1 氯離子沖擊對硝化的影響

(1)對污泥硝化性能的測定。在低潮位時取缺氧池出水和海水分別配置氯離子濃度為1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L和5 000 mg/L的原水，分析不同氯離子濃度對污泥負荷的影響。

(2)對懸浮載體硝化性能的測定。在低潮位時取缺氧池出水和海水分別配置氯離子濃度為1 000 mg/L、2 500 mg/L、4 000 mg/L和6 000 mg/L的原水，分析不同氯離子濃度對懸浮載體硝化負荷的影響。

1.1.2 氯離子沖擊對反硝化的影響

(1)不同氯離子濃度的影響。在低潮位時取厭氧池出水，利用海水分別配置氯離子濃度為1 000 mg/L、3 000 mg/L、5 000 mg/L原水，確定氯離子濃度對活性污泥反硝化性能的影響。

(2)不同C/N（COD/氨氮）比的影響。在低潮位時取厭氧池出水，利用海水分別配置兩組氯離子濃度各為800 mg/L和5 000 mg/L的原水進行反硝化小試，通過人為投加乙酸鈉，研究不同C/N比在高、低潮位時對活性污泥反硝化性能的影響。

1.2 水質分析方法

試驗中氨氮采用納氏試劑分光光度法，硝氮采用紫外分光光度法，TN采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，TP采用鉬銻抗分光光度法；pH、DO采用WTW Multi-3430i離線測定；COD的測定通過添加硝酸銀掩蔽氯離子后采用國標法測定。

1.3 高通量測序

高通量測序通過試劑盒(E.Z.N.A Mag-Bind Soil DNA Kit，OMEGA)提取微生物基因組DNA，通過1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提基因組的完整性，利用Qubit3-0 DNA試劑盒檢測基因組DNA濃度。PCR擴增所用引物為341 F/806R。PCR產物進行瓊脂糖電泳，通過DNA膠回收試劑盒(SanPrep)對PCR產物進行回收，利用Qubit3.0 DNA檢測試劑盒對回收的DNA精確定量，按照1∶1的等量混合后測序，等量混合時，每個樣品DNA量取10 ng，最終上機測序濃度為20 pmol，通過Illumina Miseq測序平臺完成對樣品高通量測序。

采用UPARSE 軟件(version 7.1)根據 97%的相似度進行OTU聚類；使用UCHIME軟件剔除嵌合體。利用RDP classifier對每條序列進行物種分類注釋，比對Silva數據庫(SSU123)，設置比對閾值為70%。

2 結果與討論

2.1 生化池處理效果

研究期間，跟蹤了污水處理廠2018年9月至2019年5月經過一個冬季的生化段水質指標，生化池進水COD、NH3-N、TN和TP的濃度分別為403.2±241.4 mg/L、50.4±4.2 mg/L、66.2±12.0 mg/L和5.1±1.2 mg/L，進水濃度高，且波動性大，出水COD、NH3-N、TN和TP的濃度分別為29.7±18.6 mg/L、0.70±0.89 mg/L、8.2±2.0 mg/L和0.3±0.3 mg/L，可以穩定達到GB 18918-2002一級A標準，尤其是氨氮可以達到地表Ⅳ類水標準，去除率達到98.6%。TN去除率87.6%，出水低于10 mg/L，TP去除率94.1%。采用改良AAO鑲嵌MBBR工藝抗高氯波動沖擊效果良好。

2.2 氯離子沖擊對硝化的影響

2.2.1 氯離子沖擊對污泥硝化性能的影響

氯離子沖擊對污泥硝化性能影響如圖1所示，在活性污泥系統下，水溫13~15 ℃、污泥濃度為2.7 g/L時，隨著氯離子濃度由1 000 mg/L增加至5 000 mg/L，氨氮降低至1.5 mg/L以下時，污泥硝化負荷由0.083 kgN/(kgMLSS·d)降低至0.029 kgN/(kgMLSS·d)，下降了65.1%，表明氯離子濃度的增加對污泥的硝化性能產生了不利的影響。氯離子濃度過高會引起活性污泥中細胞脫水，并導致相關生物酶發生鹽析作用失活，從而影響微生物正常的生理代謝。Wang等發現，隨著進水鹽度由0增加至8%，污泥中硝化菌的豐度降低，進而使比氨氧化速率和比亞硝酸鹽氧化速率分別降低了74.0%和82.0%，導致了系統硝化性能的下降。

2.2.2 氯離子沖擊對懸浮載體硝化性能的影響

氯離子沖擊對懸浮載體硝化性能的影響如圖2所示，在懸浮載體系統下，水溫14~15 ℃、填充率為30%時，當氯離子濃度由1 000 mg/L增加至6 000 mg/L時，懸浮載體的硝化容積負荷并無明顯變化，為0.078kgN/(m3·d)。綜上所述，氯離子沖擊對懸浮載體的硝化性能并無明顯影響，表明在抗高鹽特征上，懸浮載體優于活性污泥。相關研究表明，當鹽度上升后，細菌可通過增強EPS分泌來進行自我保護，從而在一定程度上保持細胞生理形態和提升耐鹽能力。而同一生物池內的懸浮載體生物膜EPS的量一般遠大于活性污泥EPS的量，因此導致生物膜的這種保護作用強于活性污泥，從而使懸浮載體生物膜更抗高鹽度沖擊，另外，也有研究發現，懸浮載體生物膜泥齡長，為硝化菌種的富集提供了條件，從而增強了處理效果。

2.3 氯離子沖擊對反硝化的影響

從污水處理廠實際運行看，氯離子沖擊時，需要多投碳源，從而保障缺氧區脫氮效果，在此基礎上分析了高氯沖擊對反硝化的影響。

2.3.1 氯離子沖擊對反硝化效果的影響

氯離子沖擊對活性污泥反硝化效果的影響如圖3所示，在水溫19~21 ℃、污泥濃度為2.9~3.1 g/L的情況下，當氯離子濃度由1 000 mg/L增加至 5 000 mg/L，經過4 h后，反硝化速率由0.017 kgN/(kgMLSS·d)下降至0.014 kgN/(kgMLSS·d)，氯離子濃度提升5倍后，反硝化速率降低18%，表明氯離子濃度對污泥的反硝化效果產生不利的影響。相關研究表明，高氯條件能夠抑制反硝化過程中硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性，引起N2O的積累，導致了反硝化速率的降低。

當氯離子濃度分別為1 000 mg/L、3 000mg/L和5 000 mg/L的情況下，硝氮分別降低8.54 mg/L、7.97 mg/L、7.08 mg/L，COD分別消耗52.8 mg/L、55.2 mg/L、53.6 mg/L，ΔCOD/ΔNO3-分別為6.18、6.93、7.57，結果表明隨著氯離子濃度的升高，去除單位濃度硝氮所消耗的COD越多。可能的原因有兩個：①氯離子沖擊的情況下，微生物的胞外聚合物分泌量有所增加。胞外聚合物以多糖和蛋白質為主，且來源于外界的有機物。在氯離子反復沖擊的情況下，系統中胞外聚合物含量的增加，增大了對外界有機物的需求量；②相關研究表明，當氯離子的濃度不超過30 000 mg/L時，對活性污泥中轉化酶的活性具有促進作用，增多了碳源的無效利用。

2.3.2 不同C/N比對氯離子沖擊的情況下反硝化性能的影響

不同C/N比對氯離子沖擊情況下反硝化性能的影響如表2和圖4所示。當試驗的水溫為19~21 ℃，在不添加醋酸鈉且氯離子濃度分別為800 mg/L和5 000 mg/L的情況下，反硝化速率分別為0.018 kgN/(kgMLSS·d)和0.014 kgN/(kgMLSS·d)，從而表明了氯離子沖擊對于反硝化過程的抑制性。該結果與2.3.1中結果一致。在添加醋酸鈉且氯離子濃度分別為800 mg/L和5 000 mg/L的情況下，反硝化速率分別增加至0.052 kgN/(kgMLSS·d)和0.036 kgN/(kgMLSS·d)。C/N比由10.6提高至16.6后，反硝化速率分別提高2.9倍、2.6倍。上述結果表明，即使在有外加碳源的情況下，氯離子對反硝化過程的影響依然存在；但無論在低氯離子濃度和高氯離子濃度條件下，乙酸鈉的投加均能夠大幅提高反硝化速率。研究表明醋酸鈉是易降解有機物，更易于被反硝化菌吸收利用，這是其導致反硝化速率大幅提高的原因。與此同時，該現象也解釋了廠方在高潮位的情況下，可以通過增大碳源投加量應對氯離子沖擊的原因。

在該污水處理廠的升級改造中，采用改良AAO鑲嵌MBBR工藝實現了原池改造，利用MBBR工藝強化硝化的原理，縮小了好氧池容，擴大了缺氧池容，增加了缺氧區的HRT，所以在高氯波動沖擊的情況下，即使反硝化速率降低，通過延長缺氧區的HRT和投加碳源，保障了整體了TN的穩定達標。

2.4 MBBR工藝對功能微生物的選擇作用

分別取該污水處理廠MBBR區掛膜懸浮載體和好氧池污泥進行高通量測定，從而判定微生物群落結構。

樣品中優勢微生物組成如圖5所示，懸浮載體和污泥中豐度較高的微生物包括Nitrospira（硝化螺菌屬）、Nitrosomonas（亞硝化單胞菌屬）、Candidatus Microthrix、Hyphomicrobium（生絲微菌屬）、Trichococcus（明串珠菌屬）、Thermomonas（熱單胞菌屬）、Mycobacterium（分支桿菌屬）、Ornithinibacter、Terrimonas和Nitrolancea等。

Candidatus Microthrix屬是活性污泥中常見的微絲菌屬，常與污泥膨脹有關，其在活性污泥和懸浮載體上的相對豐度分別為21.25%和6.33%。該菌屬比表面積大，有利于活性污泥細胞攝取低濃度底物，減少水流對細胞的沖刷。在懸浮載體中，Candidatus Microthrix的存在有利于構成生物膜的骨架結構，為微生物提供附著生長的場所。

Ornithinibacter在懸浮載體生物膜和污泥中的豐度分別為3.01%和10.87%。研究表明，該菌屬在污水處理當中能夠抗病毒、產生胞外聚合物，從而維持微生物群落的骨架結構，保證了系統的穩定運行。

Hyphomicrobium屬在懸浮載體生物膜和污泥中的豐度分別為1.07%和1.36%，其在溶解氧充足的情況下具有好氧反硝化的功能。此外，相關研究表明，該菌屬對二氯甲烷、甲胺磷、二甲基硫醚和甲醇等具有降解功能，李繼兵利用穩定同位素探針技術發現了該菌屬可參與PAHs污染水體中菲的降解，并驗證了該菌屬具有降解菲的功能。

Terrimonas、Thermomonas、Trichococcus、Thauera和Defluviimonas屬為污水處理系統當中常見的反硝化菌屬。其中Terrimonas屬能夠降解蒽類物質，在懸浮載體和活性污泥中的相對豐度分別為0.35%和0.76%。Thermomonas和Trichococcus在懸浮載體中的相對豐度為0.20%和0.74%，在活性污泥中的相對豐度分別為0.75%、和6.96%。Thauera和Defluviimonas對高濃度氯離子具有耐受性，在活性污泥中的相對豐度分別為0.44%和0.78%，兩者的存在為高氯條件下反硝化過程的順利進行提供了微觀保障。

Nitrosomonas在懸浮載體生物膜和活性污泥中的相對豐度分別達到了0.39%和0.04%，而Nitrospira的相對豐度則分別為9.74%和0.32%。Nitrolancea是一種新型的桿狀硝化菌屬，在污泥中并未檢測到該菌屬，在懸浮載體上其相對豐度達到0.43%。綜上所述，與活性污泥相比，懸浮載體更能夠富集硝化菌屬，對Nitrospira的富集效果更為顯著。研究表明Nitrospira兼具有亞硝化和硝化的功能，雖然該菌屬的比增長速率較低，但對基質的親和力大，在低濃度氨氮的環境中更具競爭優勢，因此Nitrospira通常出現在氨氮濃度相對較低的情況下。懸浮載體的加入使得Nitrospira成為主要的硝化菌屬，其相對豐度為活性污泥中的30倍，從微觀角度上反映了懸浮載體對于系統硝化性能的強化作用，這也是懸浮載體對氯離子沖擊抵抗性強的原因。

為了進一步研究亞硝化菌（ammonia oxidizing bacteria，簡稱AOB）和硝化菌（nitrite oxidizing bacteria，簡稱NOB）在污泥中的分布情況，采用熒光原位雜交技術，以AOB和NOB特有的核酸序列為探針進行染色，其結果如圖6所示。在懸浮載體中，AOB和NOB的占比相當，且分布均勻廣泛（圖6a和6b）。然而在活性污泥中，AOB和NOB的含量極少，幾乎無法辨別其存在（圖6c和6d）。上述結果表明懸浮載體上AOB和NOB的含量遠高于活性污泥，這與圖5的結果相一致，從而進一步證明了懸浮載體對于系統硝化性能的強化以及抗氯離子沖擊的原因。

為研究群落生態學中微生物多樣性，通過單樣品的多樣性分析 (Alpha多樣性) 可以反映微生物群落的豐度和多樣性。本研究中測定了一系列統計學分析指數，用以估計環境群落的物種豐度和多樣性。其中，Chao 1算法用以估計群落中含OTU數目，進而在生態學中估計物種總數。Shannon多樣性指數與Simpson多樣性指數為較常見的用于反映Alpha多樣性的指數。Shannon值越大，說明群落多樣性越高，Simpson指數值越大，說明群落多樣性越低。如表3所示，對懸浮載體生物膜和活性污泥高通量結果進行多樣性分析，由Chao 1指數可知，相較于活性污泥，懸浮載體生物膜的微生物群落相對豐度降低，Shannon指數略微降低，Simpson指數升高，表明MBBR生物膜在長期富集過程中逐漸淘汰了其他雜菌，導致微生物群落豐富度及多樣性略微上升，而物種均一化程度則略微下降。