三段A/O工艺处理发制品产业集聚区综合废水

肖才林,沈建华,杨 洋,李睿华* (.南京大学环境学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,江苏 南京 20046；2.深圳市市政设计研究院有限公司,广东 深圳 58029；.河南省城乡规划设计研究总院有限公司,河南郑州 450000)

发制品产业是一个高污染行业,生产过程中排放的废水经过厂内处理,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准[1]之后排入市政管网,与市政污水混合成发制品产业集聚区综合废水.综合废水碳氮比低、成分复杂及水质波动大[2],对于综合废水的处理,目前采用的卡鲁赛尔氧化沟或者A2/O工艺的稳定性有待验证.

许昌市某污水处理厂采用卡鲁赛尔氧化沟工艺处理综合废水,出水COD和NH4+-N浓度分别为 83.8mg/L和 12.6mg/L,超过规定限值(50mg/L、5mg/L)0.68和 1.52倍.因此,探索多段A/O工艺的技术参数,稳定高效处理综合废水成为保障发制品产业健康发展和生态文明建设的重要课题.

由于多段 A/O工艺基建费用少[3],运行费用低[4-5],抗冲击负荷能力强[6],脱氮效果显著[7],能够合理地分配碳源而更适用于处理低碳氮比污水[8],在市政污水和工业废水处理中已得到成功应用[8].进水流量分配比是多段 A/O工艺的核心参数,影响有机碳源的合理分配和各段容积负荷.多段A/O工艺的各个分段之间存在最佳配水比,在此比例下,进水各段含氮污染物的质量和下一分段有机物的质量成固定比值,满足各段反硝化的碳源需求,工艺达到最大脱氮率[8].污泥回流比(R)影响反应器的污泥浓度(MLSS)和污泥龄(SRT),使反应器对污染物的去除呈现不同的试验结果[8].

为探讨多段 A/O工艺处理发制品产业集聚区综合废水的可行性和稳定性,在许昌市某城镇污水处理厂调控运行了一套三段A/O试验装置,探讨了进水流量分配比和R对多段A/O系统处理污染物效能的影响.同时分析了参数对三段A/O工艺中微生物群落结构的影响,揭示了部分优势菌属在 TN去除过程中的作用,为三段 A/O工艺处理发制品产业集聚区综合废水的实际应用提供依据.

1 材料和方法

1.1 试验装置

用于处理发制品产业集聚区综合废水的试验装置(图1)由进水箱、三段A/O反应器和竖流式沉淀池组成.其中,进水箱和沉淀池的有效容积分别是60和3.2L.

三段 A/O反应器由有机玻璃制成,规格为500×100×250mm(L×B×H),总有效容积 10L.如图1所示,反应器由隔板均分成3个分段,每个分段又由一个隔板按 1:1分成前后两个部分,前端区域为缺氧区(A区),后端区域为好氧区(O区).每个缺氧区域均设置有精密增力电动搅拌机,使活性污泥和污水混合均匀.每个好氧区通过电磁式空气泵充气,微孔曝气头做曝气器,由转子流量计控制风量,以维持DO为2～6mg/L.

系统设置 1台蠕动泵作为污泥回流泵,将沉淀池底部污泥回流至三段 A/O反应器缺氧一区(A1).

图1 三段A/O反应系统流程Fig.1 Schematic diagram of the three step feed A/O process

1.2 试验水质

原水取自许昌市某城镇污水处理厂配水井.该污水处理厂设计进水流量为 3×104t/d,其中混入的发制品产业厂内处理后废水为 1.2×104t/d.由于发制品产业原污水水质波动大,所以综合废水的水质变化也很大,主要指标如表1所示.

表1 三段A/O系统的进水水质Table 1 Influent water quality of the three step feed A/O process

1.3 三段A/O反应器的连续运行与控制

三段A/O反应器接种驯化污泥后连续运行,根据各段进水流量分配比和 R划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个阶段.各阶段的运行控制参数如表 2所示.其中阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ比较了进水流量分配比对三段A/O反应器处理污染物效能的影响.阶段Ⅲ和Ⅳ比较了R对三段A/O反应器处理污染物效能的影响.

1.4 水质指标检测

分析项目包括pH值、DO、COD、NH4+-N、TN、NO3--N、NO2--N和 PO43--P等水质指标.DO采用 HQ30d型溶解氧仪(HACH,美国)测定,pH采用 FE28型 pH测定仪(METTLER TOLEDO,瑞士)测定,其他指标检测均采用国家标准方法[9].

表2 三段A/O系统的运行阶段和控制条件Table 2 Operation phases and the control parameters of the three step feed A/O process

1.5 微生物高通量测序

各阶段运行稳定后,即反应器运行第11、31、55和 68d,分别从二沉池沉泥斗底部取活性污泥提取微生物 DNA,供高通量测序使用.采用FastDNA® Spin Kit土壤试剂盒(MP Biomedicals,美国)提取活性污泥微生物的DNA,置于-80℃保存.委托上海美吉生物医药科技有限公司完成PCR扩增,并基于Illumina Miseq平台对扩增产物进行高通量测序.PCR扩增具体参考 Wang等[10]的方法,高通量测序数据处理具体参考徐伟超等[11]的方法,完成可操作分类单元(operational taxonomic units OTU)的计算.根据 OUT 值,统计分析了门、属分类水平的微生物相对丰度,计算公式如下:

门(属)分类水平某类微生物相对丰度(%)=门(属)分类水平某类微生物 OUT值/门(属)分类水平总微生物OUT值*100

2 结果与讨论

2.1 COD的去除

如表2所示,三段A/O反应器在为期68d的运行中,根据进水流量分配比及R划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个阶段.虽然4个阶段进水COD波动较大,但是出水 COD达标率高,4个阶段平均出水COD 质量浓度分别是 34.53、38.37、39.67和30.73mg/L,均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准.

阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ运行过程中,三段A/O反应器不仅出水 COD质量浓度接近(图 2A),并且去除率相差不大,平均值分别为90.70%、89.78%和88.94%.说明进水流量分配比对去除 COD 的影响不大,与该参数影响多段A/O反应器处理其他水质结论相同[12-14].这是因为分段进水工艺的污泥负荷较低[12],系统去除有机污染物容量充足,保证了各个分段进水带入的COD在该段被降解至最低浓度(图3).图3分析了不同进水流量分配比下 COD的沿程变化,3种进水流量分配比下,各缺氧区域和好氧区域出水COD质量浓度相近,均不大于40mg/L,说明各个分段对COD的高效处理是三段A/O反应器对COD有效处理的保障.同时,各个分段出水与最终出水 COD浓度相差不大,这是因为难以生物降解物质在进水中的浓度一定,各分段将可降解的 COD 去除后,剩下的COD基本为难以降解的有机物.

阶段Ⅲ进入阶段Ⅳ后,三段A/O反应器将R从125%调整为75%(表2).结果表明(图2A), R降低以后,三段A/O反应器对COD的去除能力有了轻微提高,出水 COD 质量浓度降低,阶段Ⅲ和Ⅳ中 COD去除率平均值分别为 88.94%和92.08%.R增大会因为冲刷作用造成反应器MLSS下降[15].阶段Ⅲ中平均 MLSS(2452mg/L)小于阶段Ⅳ(2671mg/L),较高的污泥负荷使活性污泥中微生物对有机污染物利用减弱,所以COD去除率略低[16].

图2 三段A/O系统的污染物去除效果Fig.2 Pollutants removal in the three step feed A/O process

2.2 TN的去除

如图2B所示,在三段A/O反应器连续运行过程中,阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ对发制品产业集聚区综合废水中 TN的去除并不理想,均不能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准,阶段Ⅳ达标排放.在阶段Ⅰ,进水TN质量浓度波动大(29.87～55.37mg/L),造成出水浓度变化较大(23.68～44.76mg/L),但是去除率稳定,平均值仅为15.25%.在阶段Ⅱ,进水 TN 平均质量浓度为30.95mg/L,出水是 20.82mg/L,平均去除率32.70%.在阶段Ⅲ后期(第43～55d),进水 TN 质量浓度平均为 31.83mg/L,出水 16.61mg/L,去除率达到46.63%.阶段Ⅳ中,出水稳定,TN出水浓度平均是14.85mg/L,去除率高达53.84%,此时进水平均值为32.75mg/L.

分析认为,本研究中第一分段进水流量分配比的增大提高了三段A/O反应器对TN的去除,与部分已有研究结论一致[17-18].有研究表明[12-13,17],进水流量分配比对三段A/O反应器的硝化效果无明显影响.阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ出水NH4+-N不大于5mg/L,TN主要以NO3--N形态存在(图4),说明进水流量分配比对反硝化效果影响较大.阶段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ最后分段进水流量依次减小,所以最后一个分段好氧区生成的 NO3--N总量减小,这是出水NO3--N在3个阶段中依次降低的原因之一.另外,进水 COD 质量浓度相近,3个阶段缺氧区出水 COD均小于 40mg/L(图 3),阶段Ⅲ缺氧一区可利用更充足的碳源反硝化去除回流污泥带入的 NO3--N,缺氧一区反硝化能力的充分利用有利于提高TN去除率[19].

阶段Ⅲ进入阶段Ⅳ后,MLSS的增大提高了NH4+-N同化量[15],所以出水NH4+-N质量浓度降低(图4).阶段Ⅲ运行第16和21d 3个缺氧区DO分别是0.21, 0.45, 0.67和0.18, 0.51, 0.56mg/L,这2d的TN去除率分别仅有40.79%和40.09%.降低R减弱了缺氧区域脱氧不完全的风险[20],所以阶段Ⅳ形成更加良好的缺氧环境,反硝化能力强,TN去除率高.

图3 不同进水流量分配比下COD沿程的变化Fig.3 Variation of COD along the reactor under different influent flow distribution ratios

图4 出水中氮素形态Fig.4 Nitrogen element forms in effluents

有研究认为第一分段进水流量分配比的增大降低分段A/O反应器对TN的去除[12,21],与本研究结论相悖.这是因为存在最佳配水比,使得多段 A/O工艺任一分段进水带入的有机污染物总量正好满足该分段NOx--N反硝化所需碳源总量,此时工艺反硝化效果最佳,TN去除效率最高.最佳配水比与进水 COD和 TN的质量浓度比值(COD/TN)紧密相关.本研究中采用三段 A/O 工艺处理发制品产业集聚区综合废水,水质波动大(表1),4个阶段COD/TN分别是(10.26±5.48)、(14.94±15.01)、(12.17±7.43)、(12.62±6.26),采用试验试错法[18]、物料守恒法[22]和遗传算法[23]无法获得最佳配水比.在工程实践中建议采用阶段Ⅳ运行参数,此时进水流量分配比接近最佳配水比,TN去除效率高.

2.3 PO43--P的去除

如图2C所示,三段A/O反应器对PO43--P去除率低,阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ平均去除率依次为26.18%、49.18%、41.33%和56.21%.

阶段Ⅱ去除率波动最大,可能是该阶段的MLSS变化最大(表2),导致较大差异的排泥量从而引起生化除磷过程中 PO43--P去除率的变化.阶段Ⅱ的 PO43--P出水平均值为0.44mg/L,低于一级A标准,是因为进水质量浓度低,平均值仅有1.09mg/L.另外,阶段Ⅰ进入阶段Ⅱ后,PO43--P去除率之所以增大是因为出水中低浓度的NO3--N(图 4)减弱了生化除磷的抑制作用[24-25].大量研究发现多段 A/O反应器存在反硝化除磷现象[13-14,26-27],进入阶段Ⅲ后,PO43--P去除率降低,可能是因为不断提高第一分段进水流量分配比降低了反硝化除磷能力[14].阶段Ⅳ中 PO43--P去除率大于阶段Ⅲ,分析认为是低回流比有利于多段A/O反应器形成厌氧条件,有利于聚磷菌合成聚 β羟基烷酸,然后聚磷菌在好氧区提高摄磷量从而强化除磷效果[28].

2.4 微生物群落结构分析

高通量测序结果表明,Proteobacteria在三段A/O工艺处理发制品产业集聚区综合废水中占主导地位,阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ中相对丰度依次为 49.86%、58.90%、45.63%和 60.13%.Bacteroidetes是第二优势门,相对丰度分别是16.65%、22.85%、30.55%和20.87%.其他优势门(图 5)主要有 Acidobacteria、Chloroflexi、Nitrospirae、Gemmatimonadetes、Planctomycetes、Cyanobacteria、Chlorobi和 Parcubacteria.4个阶段中,相对丰度小于 1%的菌群总和依次占比6.04%、3.27%、2.00%和 4.27%.说明进水流量分配比和 R对微生物门水平群落结构影响小,三段 A/O工艺是一个稳定的微生物系统,这是发制品产业集聚区综合废水稳定达标排放的有效保障.

表3统计分析了三段A/O工艺中微生物属水平的组成,结果表明,调节进水流量分配比(表2),优势菌属中 uncultured-f-Saprospiraceae、norank-o-Obscuribacterales、SM1AO2、uncultured- f-Gemmatimonadaceae、uncultured-f-Hydrogenophilaceae、Denitratisoma和unclassified-p-Bacteroidetes的相对丰度从阶段Ⅰ至Ⅲ呈现增长趋势(表 3),与TN 去除率增减趋势一致(图 2B). uncultured-f-Saprospiraceae[29]和uncultured-f-Gemmatimonadaceae[30-31]降解糖类和蛋白质,为反硝化过程提供更多可利用的有机碳源;uncultured-f-Hydrogenophilaceae[32]和Denitratisoma[32-33]是反硝化菌属.推断认为这些菌属相对丰度的增长是 TN去除率随第一分段进水流量分配比增大而提高的本质体现.阶段Ⅲ进入阶段Ⅳ后,相对丰度增长率超过 100%的优势菌属有 uncultured-f-Nitrosomonadaceae、Thauera、Denitratisoma、Sulfuritalea、unculturedf-Anaerolineaceae和Phaeodactylibacter.unculturedf-Nitrosomonadaceae[34]、Thauera[35]和 Denitratisoma是典型的反硝化菌属; Sulfuritalea[36]、unculturedf-Anaerolineaceae[37]和 Phaeodactylibacter[29,38]降解有机污染物为反硝化过程提供可利用的有机碳源.推断认为这些微生物相对丰度的增长是TN去除率随R降低而提高的根本原因.

图5 三段A/O工艺中微生物门水平群落分布(相对丰度＞1%)Fig.5 Community distribution of microorganism on phylum level in the three step feed A/O process(relative abundance＞1%)

表3 三段A/O工艺中微生物属水平上的组成(相对丰度≥1%)Table 3 Composition of microorganism on genus level in the three step feed A/O process (relative abundance≥1%)

续表3

3 结论

3.1 三段A/O工艺对发制品产业集聚区综合废水中COD处理率不低于88.94%,出水COD质量浓度低于40mg/L.

3.2 在进水流量分配比60%:25%:15%、污泥回流比75%、缺氧区与好氧区容积比1:1、SRT 20d、HRT 16h条件下,三段A/O工艺对综合废水的TN处理率为53.84%,出水TN平均浓度14.85mg/L,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准;此时 PO43--P去除率也达到最大值,为56.21%.

3.3 三段A/O工艺可用于发制品产业集聚区综合废水的生物处理单元.参与处理综合废水的主要门水平微生物Proteobacteria和Bacteroidetes的相对丰度是 45.63%～60.13%和 16.65%～30.55%,受进水流量分配比和污泥回流比影响小.优势菌属中Denitratisoma、uncultured-f- Saprospiracea、Thauerae和Sulfuritalea等相对丰度的增加,是TN去除率随第一分段进水流量分配比增大或污泥回流比降低而提高的本质体现.

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