SBR短程硝化工艺的启动及稳定运行适宜DO探究

卞 伟，李 军，王 盟，侯爱月，张舒燕，阚睿哲，王文啸

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

SBR短程硝化工艺的启动及稳定运行适宜DO探究

卞 伟，李 军，王 盟，侯爱月，张舒燕，阚睿哲，王文啸

（北京工业大学建筑工程学院，北京 100124）

在温度21～23℃时，通过考察溶解氧（DO）对短程硝化快速启动的影响发现，ρ（DO）为0.25～1.25 mg/L时均能启动短程硝化，其中0.25～0.75 mg/L属于实现短程硝化快速启动的 ρ（DO）范围；ρ（DO）为0.25～0.50 mg/L与0.50～0.75 mg/L对快速启动的效果相当，主要是因为当ρ（DO）为0.25～0.50 mg/L时，虽然氨氧化菌（AOB）的竞争优势更加显著，但是AOB自身利用基质倍增所需的时间却会增大.在短程硝化的运行阶段，当ρ（DO）较高（1.50～1.75 mg/L）时，可以通过间歇性大幅降低ρ（DO）至0.50～0.75 mg/L的方法实现短程硝化的长期稳定运行.对稳定运行后期的污泥样品进行微生物分析，总细菌通用引物分析结果表明:AOB、亚硝酸盐氧化菌（NOB）占总细菌的比例分别为22.50%、3.75%，其中，亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas sp.）是AOB的优势菌属，比例高达总细菌的17.50%.

溶解氧；短程硝化；快速启动；稳定运行；分子生物学

无论是异养型的短程脱氮工艺还是自养型的脱氮工艺，短程硝化都是至关重要的环节，因此如何实现短程硝化的快速启动和稳定运行已成为污水处理领域的热点问题.目前，通过高温、低溶解氧（DO）条件实现稳定的短程硝化已经得到了中外学者的一致认可［1-3］，但是，实际工程中，通过升高温度来实现短程硝化并不可取，而由于自控技术的发展趋于成熟，使得通过DO控制实现短程硝化具有较高的可行性.短程硝化实现的关键是将硝化过程控制在NO-2阶段，硝化出水中亚氮的积累率NAR是体现短程硝化效果最直观、最有效的指标，其中NAR= NO-2/（NO-2+NO-3），NO-2、NO-3均是指由NH+4氧化而来的部分.

低DO质量浓度能实现稳定的短程硝化已经毋庸置疑，但是关于ρ（DO）范围的报道还存在一定的差异:Balmelle等［4］和 Laanbroek等［5］认为ρ（DO）应该不高于0.5 mg/L；张朝升等［6］报道的ρ（DO）上限为1.0 mg/L；Ruiz等［7］指出实现短程硝化所需的ρ（DO）应在1.4 mg/L以内.另外，在现有文献报道中［8-11］，SBR工艺中关于短程硝化的快速启动考虑比较多的是完成短程硝化所需的周期数，而缩短的硝化时间（硝化速率的提高）对快速启动的积极作用往往不被量化甚至忽略.关于短程硝化的稳定运行一般通过控制较低的ρ（DO）来实现，而低ρ（DO）导致的效率降低问题同样需要考虑.因此在上述背景下，研究DO对短程硝化的快速启动及稳定运行的影响非常有必要.本实验将着重考察短程硝化快速启动的最适宜ρ（DO）；在此基础上，在ρ（DO）较高时（1.50～1.75 mg/L），通过采取间歇性大幅度降低ρ（DO）的方法成功实现了短程硝化的长期稳定运行.

1　实验材料与方法

1.1实验装置

实验装置主要由SBR反应器、定时搅拌器、DO探头、pH探头、水质分析仪（WTW）、恒温水浴槽、加热棒、精确曝气装置等组成（见图1）.其中，SBR反应器由有机玻璃制成，为立方体结构，总有效容积为5.2 L，长、宽、高分别为18、12、24 cm.进入反应器的实验废水为人工配置，氨氮（NH4Cl）质量浓度为70 mg/L；碱度（CaCO3）为500 mg/L；磷（KH2PO4）的质量浓度为2 mg/L，实验废水中添加适量营养液以提供体系内微生物的生理活动所需的微量元素，各组分的质量浓度分别为:铁（FeSO4·7H2O）1 mg/L，硼（H3BO3）0.2 mg/L，锰（MnCl2·4H2O）0.2 mg/L，锌（ZnSO4·7H2O）0.2 mg/L，铜（CuSO4·5H2O）0.1 mg/L，镁（MgSO4·7H2O）0.1 mg/L，镍（NiCl2· 6H2O）0.2 mg/L，钴（CoCl2·6H2O）0.3 mg/L.反应器内的接种污泥取自北京某污水处理厂曝气池，其硝化性能良好，f值在0.7左右，SVI值在90左右，实验过程中MLSS控制在3 500 mg/L左右，温度为21～23℃，pH为7.9～7.2.

1.2实验方案

本实验中采用亚氮积累率NAR作为评价短程硝化启动完成与长期稳定运行效果的重要指标.同时，短程硝化长期稳定运行以期在维持较高水平的亚氮积累率的前提下，最大限度地提高运行的ρ（DO），缩短硝化时间，提高处理能力.

实验主要分为2部分.第1部分通过考察不同ρ（DO）对短程硝化启动的影响，确定短程硝化快速启动的最适宜 ρ（DO）范围，包括 A（0.25～0.50 mg/L）、B（0.50～0.75 mg/L）、C（0.75～1.00 mg/L）、D（1.00～1.25 mg/L）、E（1.25～1.50 mg/L）5个不同ρ（DO）范围，以亚氮积累率达到90%指示短程硝化启动的完成，每隔10个周期测定一次亚氮积累率NAR和硝化时间t，则启动所需总时间的计算公式为:T=10×（0.5t1+t2+…+ tn-1+0.5tn），其中，T为总时间；t1、t2、…、tn-1、tn分别为各次测量确定的硝化时间；n根据NAR的变化确定；总周期数应为10（n-1），以10个周期为一组，各组相应的曝气时间分别为t1、t2、…、tn-1.由硝化时间、污泥浓度以及氨氮浓度确定各测量周期的硝化速率v，v=ρ（NH+4）/（ρ（MLSS）×t）.第2部分选取ρ（DO）为1.50～1.75 mg/L进行短程硝化的长期运行，根据运行效果，采取间歇性大幅度降低ρ（DO）（具体ρ（DO）借鉴第1部分的实验）的方法以期实现短程硝化的长期稳定运行.同样，每隔10个周期测定一次亚氮积累率NAR和硝化时间t，并计算相应的硝化速率v.采集长期稳定运行后期的泥样进行微生物定量分析，为后续的理论研究提供进一步的依据.

1.3常规分析项目与方法

NH4+:纳氏试剂分光光度法；NO2-:N-（1-萘基）-乙二胺光度法；NO-3:麝香草酚分光光度法；DO、pH、温度采用在线探头监测（WTW，德国）；MLSS、MLVSS:质量法［12］；SV:30 min沉降法，100 mL量筒.

1.416SrDNA提取、PCR扩增、克隆测序及系统发育分析

DNA提取采用上海生工生产的试剂盒，采用通用引物27f（AGAGTTTGATCCTGGCTCAG）和1492r （TACGGYTACCTTGTTACGACTT）进行总细菌的PCR扩增.

PCR反应体系（50 μL）为:10×PCR buffer 5 μL，dNTP（各2.5 mmol/L）1 μL，27f（20 μmol/L）1 μL，1 492r（20 μmol/L）1 μL，Taq DNA聚合酶（5U）0.5 μL，DNA模板0.5 μL，加ddH20至50 μL. PCR采用降落式扩增程序，具体反应条件为:首先95℃预变性1.5 min；然后95℃变性0.5 min，60℃退火0.5 min，72℃延伸2 min，5个循环；之后95℃变性0.5 min，55℃退火0.5 min，72℃延伸2 min，5个循环；之后95℃变性0.5 min，50℃退火0.5 min，72℃延伸2 min，15个循环；最后60℃延伸10 min.

对PCR扩增产物进行切胶纯化，将PCR回收产物与pMD18-T载体进行连接后，转入JM109感受态细胞，最后进行蓝白斑筛选.挑取阳性克隆子，送往上海生工进行测序.将所得序列利用BLAST程序与GenBan中已登录的序列进行同源性比较，并利用MEGA4.0软件构建系统发育树.

2　实验结果与讨论

2.1DO对短程硝化快速启动的影响

图2、3所示分别为5个不同ρ（DO）范围下亚氮积累率NAR和硝化速率v随周期的变化.

由图2可以看出，A、B、C、D四个ρ（DO）范围均能实现短程硝化的启动，其成功启动短程硝化所需的周期数分别为70、80、100、120；E水平只进行了50个周期的实验，但亚氮积累率几乎无变化，表明E水平不能启动短程硝化.A、B、C、D四个范围所需的周期数依次增大，结合图2中A、B、C、D的平均斜率可以看出，其亚氮积累率的周期变化率依次减小.由图3可以看出，A、B、C、D的硝化时间均逐渐降低，只有E的硝化时间几乎保持不变，原因在于A、B、C、D的亚氮积累率的提高导致其相应硝化时间的降低；同样的，图3中A、B、C、D的平均斜率依次减小，与图2中A、B、C、D的亚氮积累率的平均变化率保持一致，即亚氮积累率提高得越快，硝化速率提高得就越快.由图3中A、B、C、D、E的起始硝化速率可以看出，随着ρ（DO）的升高，硝化速率逐渐提高，但是提高的幅度存在比较明显的差异，A—B、B—C的提高值要高于C—D、D—E，分析其原因应该为AOB、NOB的氧饱和常数不同，且AOB的氧饱和常数低于NOB［13］，全程硝化时硝化时间与AOB、NOB的活性均相关，低ρ（DO）时，NOB活性受抑制比较明显，此时随着ρ（DO）的升高，硝化速率的提高必然比较明显；同样由A、B、C、D实现短程硝化时的硝化速率可以看出，此时只有A—B的提高值明显高于B—C、C—D，原因在于此时硝化速率只受AOB活性的影响，根据氧饱和常数的差异性，短程硝化时DO对硝化速率影响比较显著的浓度范围就会有所降低.

SBR工艺中，在保证出水效果的前提下，短程硝化的快速启动不仅与所需的周期数有关，同时也与各周期的硝化时间有关，各周期硝化时间的累加就是所需的总时间（不包括非反应时间），总时间越小，即短程硝化的启动越快速.每个周期亚氮积累率的提高幅度决定着完成短程硝化启动所需的总周期数；而硝化速率的快慢决定着所需的硝化时间.结合图2、3可以看出，ρ（DO）较低时，完成短程硝化启动所需的周期数较少，但硝化速率也整体偏低（硝化时间偏高）.为了进一步对4个能实现短程硝化的ρ（DO）范围的快速启动效果进行评价，表1列出了A、B、C、D四个ρ（DO）范围下启动短程硝化过程中，每隔10个周期硝化时间的测定结果.

表1　硝化时间的测定结果Table 1 Measurement results about nitrification time min

运用前述的总时间计算公式对A、B、C、D四个范围所需的总时间进行计算，计算结果如表1所示，A、B、C、D对应的总时间分别为12 515、12 540、14 510、16 160 min，考虑到实验的误差，计算结果之间的关系可以表示为A≈B＜C＜D，则亚氮积累率的绝对提高速率关系可以表示成A≈B＞C＞D，由计算结果可以看出，较低的ρ（DO）（A、B）确实能相对快速地启动短程硝化；低ρ（DO）对短程硝化快速启动的优势作用并没有多数报道［14-16］指出的那么显著，最大的差距（A、D）也在30%以内，究其原因是多数研究的水力停留时间（HRT）均为固定值，没有充分考虑到出水的达标，而本实验在研究过程中实际上是模拟的实时控制技术（“氨谷”点），即变化的HRT，计算结果对应用实时控制技术实现短程硝化的快速启动有一定借鉴意义；A、B两个DO水平的总时间几乎一样，表明ρ（DO）过低（A）未必更加有利于短程硝化的快速启动，有研究表明［15］，当ρ（DO）为0.5 mg/L时，AOB的增殖速率为正常的60%，A与B相比，虽然AOB的竞争优势更加显著，但是AOB自身利用基质倍增所需的时间却会增大，这样就会出现A、B两个ρ（DO）范围在实现短程硝化快速启动方面的“势均力敌”作用，0.25～0.75 mg/L均属于短程硝化快速启动的优势ρ（DO）范围.

李凌云等［8］在温度为30℃、ρ（DO）为2.0 mg/ L时通过实时控制系统运行32周期，实现了稳定的短程硝化，亚硝酸盐积累率达到90%以上，所用总硝化时间为9 376 min.与其相比，本实验虽然所用时间偏长，但是综合考虑温度之后，本实验的优势还是比较明显的.李冬等［14］通过控制反应器主要参数为ρ（DO）0.15～0.40 mg/L、pH值7.52～8.30、温度22.3～27.1℃、曝气时间为8 h，采取高、低氨氮质量浓度（245.28、58.08 mg/L）交替进水的方式，经过57个周期的稳定运行成功实现了亚硝化的快速启动，亚硝化率高达100%，所用总硝化时间为27 360 min.对比本实验可以看出，其所用时间偏长的原因可能是ρ（DO）过低以及低氨氮浓度时曝气时间过长.周露等［9］在温度30℃、ρ（DO）0.5～0.7 mg/L时采用实时控制策略，经过129个周期的运行，实现了短程硝化的启动，所用总硝化时间为15 480 min.根据本实验的结论，由于其ρ（DO）属于适宜范围，而温度却比本实验高，所用的时间应该比本实验短，但结果并非如此.分析原因应该是其采用好氧/缺氧的运行方式，进水碳氮比高达8，大量的COD在硝化阶段被异养菌氧化，延长了硝化时间.

2.2短程硝化长期稳定运行的实现

图4所示为短程硝化运行210个周期的效果图，其中，第60～80、160～180周期的 ρ（DO）为0.50～0.75 mg/L，其余周期均为1.50～1.75 mg/L.

由图4可以看出，当 ρ（DO）为 1.50～1.75 mg/L（第0～60周期）时，随着长期运行的进行，亚氮积累率在第0～30周期维持相对稳定，然后出现较为明显的下降；当 ρ（DO）为0.50～0.75 mg/L（第60～80周期）时，亚氮积累率出现了明显的上升，在后续的运行周期中，存在着同样的规律.由亚氮积累率的周期性变化可以看出，在运行阶段的ρ（DO）较高（1.50～1.75 mg/L）时，采取间歇性大幅降低ρ（DO）至0.50～0.75 mg/L的方法能较好地实现短程硝化的长期稳定运行，这样既能保证硝化速率，又能节省碳源.基于上述研究可以发现，间歇性大幅降低ρ（DO）的方法的使用还存在一定的弊端，即何时降低ρ（DO）的问题，因为亚氮积累率并非一个可以简单实时监控的指标.根据图4中硝化时间的变化可以看出，硝化时间与亚氮积累率之间存在比较高的协同性，即亚氮积累率降低，硝化时间升高.目前，SBR工艺中以pH值作为指标的实时控制技术能较好地指示氨氧化的结束（“氨谷”点）［17］，等效于硝化时间，连接电脑能对各周期的硝化时间进行记录，当硝化时间出现较大幅度提高时，表明亚氮积累率出现了较大的降低，此时应将ρ（DO）调低，当硝化时间回归到原始水平附近时，将ρ（DO）调节至正常水平.间歇性大幅降低ρ（DO）的方法与实时控制技术的结合能简单易行地实现氮素的高效、低耗去除.

本实验中短程硝化的稳定运行共进行了210个周期，2个月左右.实验过程中出现了2次短程硝化的部分破坏，均通过大幅降低 ρ（DO）至0.50～0.75 mg/L的方法实现了短程硝化的恢复.周露等［9］通过控制适宜的ρ（DO）和适度的曝气时间，经过11 d的运行成功实现了SBR系统短程硝化的完全恢复.王淑莹等［18］采用实际的生活污水，在SBR反应器内分别考察了DO对短程硝化系统的短期和长期影响，结果表明:DO对短程硝化的影响是可恢复的.综合上述分析可以看出，间歇性大幅降低ρ（DO）的方法与实时控制技术的结合能实现短程硝化更长时间的稳定运行，不限于本实验中的210个周期.

2.3微生物菌群结构分析

污泥样品取自稳定运行阶段（第210周期）.表2所示为总细菌克隆序列测序比对后的信息. GenBank中注册的登录号为KP411846-KP411869.

由表2可见，该污泥样品中微生物多样性丰富，主要有十大类群，其中，β-变形菌（β-Proteobacteria）类群、未培养菌（uncultured bacterium）类群和拟杆菌（Bacteroidetes）类群在文库中所占比例最大，分别为32.50%、28.75%、17.50%；酸杆菌（Acidobacteria）、硝化螺旋菌（Nitrospirae）、螺旋体（Spirochaetes）、疣微菌（Verrucomicrobia）、α-变形菌（α-Proteobacteria）、δ-变形菌（δ-Proteobacteria）和绿弯菌（Chloroflexi）类群所占比例相对较小，分别为7.50%、3.75%、3.75%、2.50%、1.25%、1.25%、1.25%.金浩等［19］研究结果表明:污水处理活性污泥的微生物以变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门为主.该污泥样品中未检测到厚壁菌门原因在于其主要作用是纤维素降解、有机物水解、长链脂肪酸降解，生成小分子物质［20］，而该实验为人工配水，添加物质以小分子量为主.该污泥样品中包含部分未培养菌，证实了传统纯种分离、培养等微生物学分析测定技术难以真实准确地反映微生物的群落结构及数量，而分子生物学技术能有效、快速地得到样品中原有的微生物信息［21］.

在已确定的菌群中，T-14、T-84、T-85属于AOB，占总细菌的比例为22.50%；T-109属于NOB，占总细菌的比例为3.75%，可以看出，AOB呈现明显的优势作用，其中T-14、T-85均为亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas sp.），比例高达17.50%.曾薇等［22］采用 PCR-DGGE对 SBR大型中试反应器、UASB-A/O小型反应器和A/O中试反应器的污泥样品中的AOB做初步定性分析，结果显示3种短程脱氮系统中的AOB均以Nitrosomonas-like为主；王晓慧等［23］通过对功能基因amoA的系统发育分析表明，污水处理系统中优势AOB均为Nitrosomonas sp.，而非Nitrosospira sp..T-38、T-66属于红环菌科，占总细菌的比例为10%，毛巍［24］的研究指出红环菌科具有反硝化性能，而实验并未单独设置反硝化过程，也没有添加碳源，分析其原因可能是反应器为立方体结构，空间上存在一定的死区，形成局部缺氧；有机碳源可能来自微生物自身，属内源反硝化［25］.

表2　总细菌16SrDNA克隆文库分析结果Table 2 Data of total bacteria 16SrDNA clone library

3　结论

1）SBR工艺中，温度在21～23℃时，A（0.25～0.50 mg/L）、B（0.50～0.75 mg/L）、C（0.75～1.00 mg/L）、D（1.0～1.25 mg/L）、E（1.25～1.50 mg/L）5个不同DO质量浓度中，A、B、C、D能启动短程硝化，而E却不能；经过计算，亚氮积累率的绝对提高速率关系可以表示成A≈B＞C＞D，即0.25～0.75 mg/L属于短程硝化快速启动的优势DO质量浓度范围.

2）在短程硝化的运行阶段，当运行DO质量浓度较高时（1.5～1.75 mg/L），可以通过间歇性大幅降低DO质量浓度至0.50～0.75 mg/L的方法实现短程硝化的长期稳定运行；间歇性大幅降低DO质量浓度的方法与实时控制技术的结合将会是实现氮素高效、低耗去除的简单易行的方法.

3）稳定运行阶段的总细菌通用引物分析结果表明，AOB、NOB占总细菌的比例分别为22.50%、3.75%，直观展示了AOB的优势作用，从微生物角度证明了短程硝化的实现；AOB中亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas sp.）的比例高达总细菌的17.50%，占到AOB的77.80%.

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（责任编辑 张 蕾）

Suitable Dissolved Oxygen（DO）for Startup and Steady Operation of SBR Partial Nitrification Process

BIAN Wei，LI Jun，WANG Meng，HOU Aiyue，ZHANG Shuyan，KAN Ruizhe，WANG Wenxiao
（College of Architecture and Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In SBR process，rapid startup of partial nitrification was not only associated with the number of cycles needed for startup，but also with nitrification time（nitrification rate）of each cycle.When temperature was 21～23℃，the effect of dissolved oxygen（DO）on partial nitrification indicated that DO mass concentration of 0.25～1.25 mg/L was beneficial to startup of partial nitrification in which ρ（DO）of 0.25～0.75 mg/L was superior for rapid startup.The effects of ρ（DO）of 0.25～0.50 and 0.50～0.75 mg/L on rapid startup of partial nitrification were fair，mainly because when ρ（DO）was 0.25～0.50 mg/L，although competitive advantage of AOB was more significant，doubling time of AOB increased.During the operation of partial nitrification in which ρ（DO）was about 1.50～1.75 mg/L，long-term steady operation achieved by reducing ρ（DO）to 0.50～0.75 mg/L at intervals.Molecular biology was used to analyze the sludge sample taken from steady operation period.Results of general primers analysis showed that the proportion of AOB and NOB in total bacteria was 22.50%and 3.75% respectively，especially，Nitrosomonas sp.was the dominant bacterial genus in AOB，and its proportion of the total bacteria was 17.50%.

dissolved oxygen（DO）；partial nitrification；rapid startup；steady operation；molecular biology

X 703.1

A

0254-0037（2016）02-0269-08

10.11936/bjutxb2015040076

2015-04-24

国家科技重大专项资助项目（2014ZX07201-011）；北京工业大学研究生科技基金资助项目（ykj-2013-10459）

卞 伟（1989—），男，博士研究生，主要从事污水深度脱氮、污水资源化利用方面的研究，E-mail:yangzhoubw@ 126.com