隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水體中氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的含量與日俱增，水體富營(yíng)養(yǎng)化和黑臭等水環(huán)境問題也隨之凸顯。為應(yīng)對(duì)水環(huán)境污染問題，不同國(guó)家和地區(qū)的城鎮(zhèn)污水營(yíng)養(yǎng)鹽排放標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)格。然而，常規(guī)污水生物處理工藝常常遇到出水氮、磷難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的技術(shù)難題。除工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備性能、運(yùn)行條件等以外，污水的水質(zhì)特性是影響生物脫氮除磷效果的關(guān)鍵因素之一。我國(guó)污水處理廠進(jìn)水常缺乏足夠的碳源，難以滿足生物脫氮除磷的需求。雖然通過投加外部碳源可以提高處理工藝的生物脫氮除磷性能，但運(yùn)行費(fèi)用高昂且碳足跡會(huì)增加。
近年來提出的側(cè)流活性污泥水解(SSH)工藝通過設(shè)置側(cè)流厭氧反應(yīng)器，將回流污泥引入側(cè)流反應(yīng)器中進(jìn)行水解發(fā)酵產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸（VFAs)，再回流至主流工藝的缺氧/好氧段，從而有效緩解了主流進(jìn)水碳源不足的問題，減少或消除了工藝對(duì)外加碳源的依賴。此外，由于聚磷菌主要在側(cè)流厭氧反應(yīng)器中進(jìn)行厭氧釋磷和底物利用，而反硝化所需碳源主要由進(jìn)水供給，因此反硝化菌和聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)碳源的問題得到有效緩解，SSH工藝的脫氮效果顯著提高。在一項(xiàng)與常規(guī)厭氧/缺氧/好氧（A2/O)工藝的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn)，相同進(jìn)水條件下具有SSH發(fā)酵設(shè)施的工藝有更多的硝酸鹽氮被反硝化去除。目前，關(guān)于SSH工藝的研究主要集中于考察其除磷性能及與除磷相關(guān)的微生物的分布、活性等，但少有文獻(xiàn)對(duì)SSH工藝脫氮性能及其相關(guān)功能微生物進(jìn)行定性定量分析，而關(guān)于SSH工藝與常規(guī)污水處理工藝在脫氮性能方面的比較研究就更少。因此，本研究構(gòu)建了SSH工藝和常規(guī)A2/O工藝實(shí)驗(yàn)室小試反應(yīng)器，在相同配水條件下，比較了不同進(jìn)水負(fù)荷條件下兩組反應(yīng)器的脫氮性能，并結(jié)合污泥脫氮活性和功能微生物的群落結(jié)構(gòu)分析了SSH工藝的作用機(jī)理，以期為該工藝在城鎮(zhèn)污水處理中的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)采用反應(yīng)池?cái)?shù)量、大小完全相同的兩套反應(yīng)器，由無色有機(jī)玻璃制成。兩套反應(yīng)器均由預(yù)缺氧池(2L)、厭氧池(4L)、缺氧池(4L)、好氧池(4L，共4個(gè))和二沉池(4L)組成，總有效容積為30L。兩套反應(yīng)器分別采用A2/O工藝和SSH工藝，工藝流程見圖1。A2/O反應(yīng)器的前端增加了預(yù)缺氧池，用于去除污泥回流液中的硝酸鹽氮。與A2/O反應(yīng)器相比，SSH反應(yīng)器將預(yù)缺氧池和厭氧池放置在側(cè)流上，進(jìn)水直接進(jìn)入缺氧池.70%的回流污泥進(jìn)入主流缺氧池，30%依次進(jìn)入預(yù)缺氧池和厭氧池水解發(fā)酵后再回流到主流。
1.2 實(shí)驗(yàn)用水
模擬廢水以乙酸鈉/丙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀分別作為反應(yīng)器進(jìn)水的碳、氮、磷源。微量元素組分濃度(見文獻(xiàn))在實(shí)驗(yàn)過程中保持不變。
1.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行
條件反應(yīng)器中活性污泥為西安市某污水處理廠回流污泥，污泥混合液在兩套反應(yīng)裝置里經(jīng)過一段時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行后達(dá)到正式運(yùn)行條件。反應(yīng)器運(yùn)行溫度為（20±5）℃，pH為7.0～8.5，混合液懸浮固體（MLSS）質(zhì)量濃度為3000mg/L，污泥停留時(shí)間（SRT）為10d，污泥回流比為50%，硝化液回流比為400%。實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，分為3個(gè)階段，每個(gè)階段主要運(yùn)行參數(shù)見表1。不同污泥負(fù)荷(以單位質(zhì)量活性污泥每天承受的COD質(zhì)量計(jì)，單位為kg/（kg·d))通過改變進(jìn)水COD濃度和流量實(shí)現(xiàn)。
1.4 污泥脫氮活性序批實(shí)驗(yàn)
為了考察反應(yīng)器中活性污泥的脫氮活性，進(jìn)行了硝化、反硝化活性序批實(shí)驗(yàn)。在階段分別取兩組反應(yīng)器好氧池末段活性污泥至1L小型序批反應(yīng)器內(nèi)，加入40mg/L氨氮作為電子供體.鼓入空氣進(jìn)行180min的硝化反應(yīng);之后停止鼓入空氣并通入氮?dú)庖赃_(dá)到缺氧條件，再加入82mg/L乙酸鈉進(jìn)行90min的反硝化反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)過程中在不同時(shí)間點(diǎn)取樣測(cè)定氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮及COD濃度，并在反應(yīng)初始及結(jié)束時(shí)取樣測(cè)定MLSS和混合液揮發(fā)性懸浮固體（MLVSS)濃度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算氨氧化速率（以每小時(shí)每克MLVSS氧化氨氮的質(zhì)量計(jì)，單位為mg/(g·h)）、反硝化速率（以每小時(shí)每克MLVSS還原硝酸鹽氮的質(zhì)量計(jì)，單位為mg/（g·h））和COD消耗速率（以每小時(shí)每克MLVSS消耗COD的質(zhì)量計(jì)，單位為mg/(g·h)）。
1.5 微生物群落結(jié)構(gòu)分析
分別取3個(gè)階段兩組反應(yīng)器中的活性污泥樣品，經(jīng)過DNA提取、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR)擴(kuò)增、擴(kuò)增產(chǎn)物純化等步驟后，用qPCR儀（BioTekFLx800)和生物分析儀(AgilentBioanalyzer2100)完成質(zhì)控分析。合格的樣品使用IlluminaMiSeq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，并采用Mothur軟件（V1.31.2）和QIIME軟件（V1.8.0）對(duì)結(jié)果進(jìn)行生物信息學(xué)分析。所有樣品測(cè)序序列已提交到國(guó)家微生物科學(xué)數(shù)據(jù)中心，DOI號(hào)為NMDC40010041至NMDC40010046。
1.6 分析方法
水樣COD采用《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測(cè)定鉻酸鹽法》（GB11914-89）測(cè)定；氨氮采用《水質(zhì)銨的測(cè)定納氏試劑比色法》（GB7479—87）測(cè)定；硝酸鹽氮采用《水質(zhì)硝酸鹽氮的測(cè)定紫外分光光度法》（HJ/T346-2007）測(cè)定；亞硝酸鹽氮采用《水質(zhì)亞硝酸鹽氮的測(cè)定分光光度法》（GB7493—87）測(cè)定；總氮采用《水質(zhì)總氮的測(cè)定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（GB11894—89）測(cè)定；污泥濃度(MLSS及MLVSS)采用重量法測(cè)定。
2、結(jié)果與討論
2.1 反應(yīng)器性能
2.1.1 COD處理性能
不同階段的COD的去除效果見圖2。在階段I，A2/O和SSH反應(yīng)器的COD去除效果基本一致，去除率在前7天有一定的波動(dòng)，之后基本維持在80%～90%，出水COD質(zhì)量濃度分別為（24±10）、（23±7）mg/L。在階段Ⅱ和階段Ⅲ，A2/O和SSH反應(yīng)器的COD去除率均高于階段I，去除率整體上維持在90%左右，出水COD質(zhì)量濃度分別為（31±17）、（23±12）mg/L。結(jié)果表明，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的污泥負(fù)荷和進(jìn)水條件下，兩種工藝均對(duì)進(jìn)水中的易降解有機(jī)物有穩(wěn)定而高效的處理能力，88%的出水符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
2.1.2 脫氮性能
不同階段的氨氮和總氮去除效果見圖3。由圖3(a)可知，在階段I，兩組反應(yīng)器的氨氮去除效果均不穩(wěn)定，A2/O與SSH反應(yīng)器的氨氮平均去除率分別為77%和71%。在階段Ⅱ，SSH反應(yīng)器的氨氮去除性能有所提升，平均去除率達(dá)到92%。總體去除效果較為穩(wěn)定，出水氨氮質(zhì)量濃度為(3.7±2.7)mg/L，72%的出水達(dá)到GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。相比SSH反應(yīng)器，A2/O反應(yīng)器去除率較低且波動(dòng)較大，出水氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到(9.4±9.6)mg/L。在階段初期，隨著進(jìn)水流量和COD負(fù)荷的提高。A2/O與SSH反應(yīng)器的氨氮去除率在70d分別下降到25%和45%。這可能是由于反應(yīng)器好氧池內(nèi)有機(jī)物的濃度升高，會(huì)對(duì)自養(yǎng)型硝化菌的生長(zhǎng)增殖產(chǎn)生一定的抑制作用。另外，進(jìn)水流量的提高還會(huì)增大對(duì)絮狀污泥的水力剪切沖刷作用，也可能會(huì)影響硝化菌的生存與氨氮處理效果。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，氨氮去除率逐漸回升并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(95%~100%)，表明反應(yīng)器的微生物適應(yīng)了進(jìn)水條件的改變。
由圖3(b)可知，在階段I，A2/O和SSH反應(yīng)器的總氮去除效果基本一致且總體水平較低，平均去除率分別為36%和38%，這與進(jìn)水污泥負(fù)荷過低(0.06~0.10kg/(kg·d))，微生物長(zhǎng)期處于內(nèi)源呼吸期有關(guān)。在階段Ⅱ，隨著進(jìn)水負(fù)荷的提高，兩組反應(yīng)器的總氮去除率均明顯升高。其中，SSH反應(yīng)器的總氮去除率(80%左右)提高較多，且去除效果較為穩(wěn)定，出水總氮質(zhì)量濃度為(8.0±3.3)mg/L，80%以上的出水達(dá)到GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。相比SSH反應(yīng)器，A2/O反應(yīng)器出水總氮質(zhì)量濃度為(15.8±6.8)mg/L，去除率在60%左右。同氨氮去除情況相似，兩組反應(yīng)器的總氮去除率在階段Ⅲ進(jìn)水流量提高后有所降低，這可能是由于進(jìn)水負(fù)荷和水力條件的改變對(duì)微生物造成了影響。經(jīng)過十幾天的適應(yīng)后，兩組反應(yīng)器的總氮處理能力均逐漸恢復(fù)到較為穩(wěn)定的狀態(tài)，且SSH反應(yīng)器的恢復(fù)速度明顯更快。
總體來看，SSH反應(yīng)器比A2/O反應(yīng)器具有更好的脫氮性能，A2/O反應(yīng)器出水的波動(dòng)較大。在A/O工藝中，反硝化菌需與聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)水中的碳源，且大部分有機(jī)物在厭氧池被降解，進(jìn)入缺氧池的碳源量少，不利于反硝化作用。在SSH工藝中，進(jìn)水碳源直接進(jìn)入缺氧池，使反硝化菌獲得了更多的可利用碳源。同時(shí)，SSH工藝側(cè)流厭氧池中活性污泥的水解發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生更多的碳源，可以同時(shí)提供給聚磷菌和反硝化菌，在一定程度上緩解或消除了脫氮和除磷之間競(jìng)爭(zhēng)碳源的矛盾，從而達(dá)到了強(qiáng)化脫氮的效果。因此，SSH工藝具有良好的脫氮性能。
2.2 污泥脫氮活性
兩組反應(yīng)器活性污泥脫氮活性序批實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。在好氧條件下，A2/O和SSH污泥的氨氧化速率分別為5.49、3.13mg/(g·h)，氨氮濃度大體呈下降趨勢(shì)，硝酸鹽氮濃度大體呈上升趨勢(shì)。而亞硝酸鹽氮變化趨勢(shì)有所不同，A2/O污泥序批實(shí)驗(yàn)中亞硝酸鹽氮濃度基本維持穩(wěn)定(0.17~0.79mg/L)，SSH污泥序批實(shí)驗(yàn)中亞硝酸鹽氮濃度有升高趨勢(shì)。這表明A2/O污泥在氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的作用下先將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮再全部轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，而SSH污泥只將部分亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，造成了亞硝酸鹽氮的積累。在缺氧條件下，A2/O和SSH污泥的COD消耗速率分別為66.31、63.86mg/(g·h)，反硝化速率分別為8.86、5.78mg/(g·h)，這與王社平等研究分段進(jìn)水缺氧/好氧脫氮工藝測(cè)得的速率接近。這說明兩組反應(yīng)器的污泥在階段均有較好的反硝化活性，其處理性能的差異可能和反應(yīng)器的工藝構(gòu)型與脫氮功能微生物的組成不同有關(guān)。
2.3 脫氮功能微生物分析
通過高通量測(cè)序獲得了兩組反應(yīng)器活性污泥在不同實(shí)驗(yàn)階段的微生物群落結(jié)構(gòu)，再利用MiDAS數(shù)據(jù)庫進(jìn)一步篩選其中與脫氮有關(guān)的功能微生物信息進(jìn)行比較分析。由圖5可知，在階段I，A2/O和SSH反應(yīng)器中主要的脫氮功能微生物為反硝化菌脫氯單胞菌屬(相對(duì)豐度分別為2.8%和5.4%）、陶厄氏菌屬(相對(duì)豐度分別為0.8%和1.1%）和硝化菌硝化螺菌屬（相對(duì)豐度分別為0.8%和2.3%）。除此之外，SSH反應(yīng)器中還存在一定豐度的反硝化菌脫氮單胞菌屬(0.7%）、嗜鹽囊菌（0.9%）和Sulfuritalea（0.9%）。在低負(fù)荷條件下，僅有能夠適應(yīng)碳源競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境的微生物能夠占據(jù)生態(tài)位，而SSH反應(yīng)器的工藝條件有利于緩解碳源缺乏問題，因此促進(jìn)了更多種類脫氮微生物的生長(zhǎng)。在階段Ⅱ、Ⅲ，隨著進(jìn)水負(fù)荷和水力條件的改變，兩組反應(yīng)器中脫氮微生物的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。A2/O反應(yīng)器中脫氮微生物的相對(duì)豐度顯著降低，而階段ⅢSSH反應(yīng)器中絲硫菌屬和固氮螺菌屬的相對(duì)豐度升高至23.2%和4.7%，成為優(yōu)勢(shì)菌屬。絲硫菌屬可以在缺氧條件下利用硫化物提供能量還原硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，而固氮螺菌屬是一種具有反硝化、厭氧發(fā)酵和固氮能力的多功能菌屬。兩種反硝化菌相對(duì)豐度的升高可能是SSH反應(yīng)器具備良好脫氮性能的重要原因之一。在碳源較為充足的條件下，各類異養(yǎng)微生物(包括反硝化菌、聚磷菌和普通異養(yǎng)菌等)的生長(zhǎng)均得到促進(jìn)，更加適應(yīng)新環(huán)境的脫氮微生物易形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這可能是導(dǎo)致原有群落發(fā)生變化的原因。
與A2/O反應(yīng)器相比，SSH反應(yīng)器活性污泥中脫氮微生物的種類更多，某些微生物(如紅育菌屬)僅在SSH反應(yīng)器中被發(fā)現(xiàn)或占據(jù)優(yōu)勢(shì)，且各脫氮微生物的相對(duì)豐度均高于A2/O反應(yīng)器。這表明，在相同進(jìn)水情況下，活性污泥經(jīng)過SSH工藝特定條件的篩選與馴化形成了獨(dú)特而豐富的脫氮微生物群落。一般來說，廢水生物脫氮主要依賴于AOB、NOB及反硝化菌等多種功能微生物的共同作用。因此，有更高豐富度和多樣性的SSH反應(yīng)器微生物群落具有更好的功能冗余性與互補(bǔ)性，可促進(jìn)反應(yīng)器脫氮效果和耐沖擊負(fù)荷能力的提高，這與前述反應(yīng)器脫氮性能的結(jié)果一致。
3、結(jié)論
(1)提高進(jìn)水污泥負(fù)荷可促進(jìn)兩個(gè)反應(yīng)器的脫氮性能提升，水力條件的改變會(huì)造成出水氨氮和總氮濃度的波動(dòng)。在相同進(jìn)水條件下，SSH反應(yīng)器具有更好的脫氮性能，72%的出水可穩(wěn)定達(dá)到GB18918-2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
(2)SSH反應(yīng)器中脫氮功能微生物的多樣性和相對(duì)豐度均高于A2/O反應(yīng)器，是反應(yīng)器脫氮性能較好且穩(wěn)定的原因之一。SSH反應(yīng)器的脫氮功能微生物群落特征可能和其特殊的工藝構(gòu)型有關(guān)。（來源：中圣環(huán)境科技發(fā)展有限公司，西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西省水資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
