两级缺氧-好氧生化装置微曝/重启运行效果及微生物菌群变化特征研究

杨 哲,周小国,李 彦,王明良,朱 莉,朱 华,毛旭辉②

(1.武汉大学资源与环境科学学院,湖北 武汉 430079;2.长江生态环保集团有限公司,湖北 武汉 430077;3.中国交通建设股份有限公司,北京 100088)

随着乡村振兴战略的实施,农家乐和休闲农业等旅游活动在乡村逐渐兴起。为保护乡村环境,需要对农业休闲和旅游活动产生的污水进行妥善处理。与传统村镇污水相比,休闲旅游村镇污水具有以下特点:(1)污染物浓度更高且成分更复杂[1]。旅游村庄污水中COD、氮和磷等指标均明显增高,餐饮废水中动植物油类和脂肪较多,产品加工废水中氮磷等营养物质较多。(2)水量、水质波动大。传统村镇污水总体排放量较小,排放系数变化较大。而有旅游活动的村镇污水瞬间排放量大,且昼夜变化系数和季节变化系数均很大。不同地区旅游旺季不同,旅游开发项目也不同,这导致不同时段污水水量和水质有着较大差别[2]。村镇旅游污水的特点,要求污水处理设施削减有机负荷和脱氮除磷能力较强,能够适应较大的冲击负荷。目前,农村地区常见的生活污水处理设施包括化粪池、人工湿地、生态滤池、土壤渗滤、稳定塘和小型一体化设施等[3]。其中,小型一体化处理装置将各种生化处理技术组合,把预处理、生物处理、深度处理、沉淀及消毒等工艺集成到一个反应器上,具有占地面积小、污水处理效率高、出水稳定、运行成本低和易远程管理等优点,适合村镇休闲旅游污水的处理。

针对村镇旅游污水水量、水质波动大的特点,对一体化装置实施短期停运(或低功耗运行)是一种节能降耗的管理模式,但目前有关微曝/重启对生化处理过程性能影响的探究较少,无法指导实际的设备运维管理。因此,笔者在实验室搭建两级缺氧-好氧生物反应器(AO-MBR)小试装置,配制模拟污水进行微曝/重启试验,探究这种运行模式对于装置处理效果的影响,并通过污泥活性指标检测和微生物测序探究这种运行模式对于装置内微生物菌群变化的影响。该研究对于村镇旅游污水一体化处理装置的设计及运行管理具有指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验装置

两级AO-MBR装置主要由缺氧Ⅰ池、好氧Ⅰ池、缺氧Ⅱ池和好氧Ⅱ池组成(图1)。模拟污水通过蠕动泵的作用由进水罐进入缺氧Ⅰ池,然后分别经过缺氧Ⅰ池、好氧Ⅰ池和缺氧Ⅱ池,在好氧Ⅱ池中通过蠕动泵和MBR膜的作用进行泥水分离后进入出水罐。

图1 两级缺氧-好氧生物反应器(AO-MBR)小试装置示意

两级AO-MBR装置总有效容积约为17.98 L,厌氧池尺寸为Ф110 mm×210 mm,超高为30 mm;缺氧I池有效容积约为3.5 L,尺寸为100 mm×140 mm×250 mm,超高为40 mm;好氧I池有效容积约为4.35 L,尺寸为135 mm×140 mm×230 mm,超高为60 mm;缺氧Ⅱ池有效容积约为3.53 L,尺寸为120 mm×140 mm×210 mm,超高为60 mm;好氧Ⅱ池有效容积约为5.32 L,尺寸为200 mm×140 mm×190 mm,超高为80 mm;其中,厌氧池采用聚氨酯泡沫填料填充,填充率为40%,同时在其中内置加热棒(30 ℃)和有机玻璃搅拌桨。缺氧Ⅰ池和缺氧Ⅱ池采用悬挂型益菌生填料,体积填充率为40%,在上端采用顶置式电动搅拌器搅拌;好氧Ⅰ池内装入移动床生物膜(MBBR)填料,填充率为40%;好氧Ⅱ池内置自制环形中空纤维MBR膜进行泥水分离;在好氧Ⅰ池和好氧Ⅱ池下部采用自制微孔曝气管曝气流化,池内温度用加热棒控温到25 ℃。好氧Ⅰ池与缺氧Ⅱ池之间通过微孔进水,好氧Ⅱ池前端设置折流挡板防止短流。进水与反硝化液回流采用步进蠕动泵控制流速,装置图见图1。

1.2 试验程序

为研究停运对处理效率的影响以及评估系统处理能力恢复情况,设计了5组停运试验,停运时间分别为1、2、3、5和8 d。所用进水为模拟生活污水,采用葡萄糖、氯化铵、碳酸氢钠和磷酸二氢钾等药品配制,进水COD为350 mg·L-1,ρ(氨氮)为40 mg·L-1,ρ(总磷)为4.5 mg·L-1,ρ(碳酸氢根)为145 mg·L-1,碳氮比为8.75。在进行停运试验之前,首先确保装置处于稳定运行状态下〔好氧池ρ(DO)为5～6 mg·L-1,缺氧池ρ(DO)为0.2～0.3 mg·L-1,水力停留时间(HRT)为12 h,缺氧池与好氧池之间回流比为50%,出水COD<50 mg·L-1,ρ(NH4+-N)<5 mg·L-1,ρ(TN)<20 mg·L-1的一级A标准〕。停运试验开始时,同时停止进出水,并且停止回流,将好氧池曝气量从0.8 L·min-1调整到0.3 L·min-1,缺氧池保持搅拌并开始计时。到达预定停运时间后重新恢复正常进出水以及曝气量,以一定时间间隔取装置进出水分别检测进出水COD、NH4+-N浓度和TN浓度,探究装置去除效果随时间变化趋势及其所受影响,其中,停运再启动运行10 h内监测数据用于系统的停运后初始处理效率评价。停运结束后,在重启前分别对各池污泥活性〔比耗氧速率(SOUR)、脱氢酶活性、比三磷酸腺苷(SATP)〕进行检测,探究停运和重启对污泥活性的影响。选取停运5 d作为代表试验组,取停运结束后各池污泥样本进行微生物高通量测序,探究微生物种群的变化特征。每组停运试验完成后,使装置正常运行保持5 d后再进行下一组停运试验。

1.3 分析方法

DO浓度测定采用哈希溶氧仪探头测试法,COD测定采用哈希便携式光度计法,NH4+-N浓度测定采用纳氏试剂分光光度计法,TN浓度测定采用哈希便携式光度计法。SOUR测定采用曝气搅拌法,脱氢酶活性测定采用TTC还原法[4]。SATP测定采用热提取法,以Tris作为提取剂,在煮沸条件下提取ATP后采用紫外分光光度计测定[5]。采用Illumina Miseq PE300(上海美吉生物科技)高通量测序平台对活性污泥中好氧饥饿前后的微生物菌群结构进行测定。

2 结果与讨论

2.1 停运对处理效果影响及恢复时间

由图2可知,短暂停运期间缺氧池pH有所上升,这是因为其中残留的硝酸盐反硝化产生碱度所致。而随着停运时间的增加,各池pH都呈现下降趋势,最低下降至5.8左右。由图3(a)可知,在正常运行状态下,COD去除率维持在90%左右,氨氮去除率维持在93%左右,总氮去除率维持在48%左右,这可能是由于模拟装置体积较小,而曝气强度较大,缺氧池DO浓度偏高抑制总氮去除效果所致。但是出水COD、氨氮、总氮都能够达到大部分省份农村生活污水处理排放限值的一级A标准〔COD<50 mg·L-1,ρ(NH4+-N)<5 mg·L-1,ρ(TN)<20 mg·L-1〕。

图2 装置中各反应池溶液pH随停运时间的变化特征

(a)正常运行下各指标去除率;(b)COD去除率及恢复时间随停运时间变化特征;(c)氨氮去除率及恢复时间随停运时间变化特征;(d)总氮去除率及恢复时间随停运时间变化特征。

停运不同时间后系统COD初始去除率以及恢复到正常运行去除效率〔以图3(a)为参照〕所需时间见图3(b)。由图3(b)可知,停运初始,COD去除率即快速下降,其随着停运时间的增加产生一定波动,但总体呈现下降趋势,随着停运时间的增加,COD去除率恢复到正常工况所需时间也随着停运时间的增加而逐步增加。停运系统的氨氮初始去除率和恢复时间见图3(c)。对比图3(a)可知,停运初始氨氮去除率快速下降,随着停运时间的增加而发生波动,但总体呈现下降趋势。由图3(d)可知,停运1～3 d时总氮去除率与初始阶段相差不大,停运5 d后总氮去除率急剧下降至36%左右。因此,短时间停运对总氮去除率影响不大,而较长时间的停运会导致总氮去除率显著降低。停运对总氮去除率的影响规律与COD和氨氮稍有不同,其主要原因为总氮的去除主要是厌氧反硝化过程,而COD和氨氮主要是好氧过程。

2.2 污泥活性特征

活性污泥比耗氧速率(SOUR)是指单位质量活性污泥在单位时间内所利用的氧的量[6],SOUR是表征好氧污泥活性的重要指标之一[7-8]。由图4(a)可知,随着低曝气停运时间的增加,两个好氧池SOUR都呈现逐步下降趋势,这表明停运对于好氧池中异养菌和硝化细菌活性都有负面影响,且随着停运时间的增加这种影响逐步扩大。相对于好氧Ⅱ池,好氧Ⅰ池由于添加MBBR填料,其SOUR更高,但这同样导致其对于停运的反应更大,污泥活性下降幅度更大。

1)活性污泥质量以混合液悬浮固体(MLSS)计。

污泥脱氢酶是污泥中微生物在进行氧化作用时所需要的催化酶,可以在一定程度上表征污泥进行氧化作用的能力。由图4(b)可知,好氧池中污泥氧化作用明显强于缺氧池,而随着停运时间的增加,各池的脱氢酶活性都呈现下降趋势。其中,与缺氧Ⅱ池相比,缺氧Ⅰ池脱氢酶活性下降的响应时间更快,这主要与污水的流经次序有关。好氧池中主要是好氧氧化过程,活性污泥脱氢酶活性急速下降,且下降幅度最大。

比三磷酸腺苷(SATP)是指单位质量污泥所含ATP量,ATP作为生物生命活动的能量储备来源,其含量高低可以表征生物生命活动的强弱程度。由图4(c)可知,随着停运时间的增加,各池的SATP都呈现下降趋势,而随着进水停止,由于营养物质的缺乏以及DO浓度的下降,微生物生命活动速率都大幅度下降,尤其是好氧池中的微生物。对于缺氧池内的微生物而言,代谢活动需氧量相对较少,且厌氧菌可利用细胞分解产生的可利用物质,SATP下降幅度较小。

2.3 污泥微生物群落变化特征

停运前后各反应池微生物种群指数变化见图5。

Q1和Q2分别为停运前缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,Q1′和Q2′分别为停运后缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1和H2分别为停运前好氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1′和H2′分别为停运后好氧Ⅰ池和Ⅱ池。

由图5(a)～(b)可知,相较于停运前,在停运后4个反应池Chao指数和Ace指数都有不同程度的增大,这表明停运会导致各反应池内微生物种群丰度增大,即微生物种类变多;一般来说,样本中微生物多样性主要由微生物种群丰度与微生物种群均匀度两个指标决定[9]。由图5(c)可知,缺氧池微生物多样性大于好氧池,且在停运前后缺氧池微生物多样性变化幅度不大,而停运后好氧池微生物多样性急剧上升。结合之前各反应池微生物种群丰度上升情况可知,停运后好氧池内微生物种群均匀度大幅下降〔图5(d)〕,微生物种类虽然有所增加,但优势物种占比变大且集中,这是由于停运期间营养物质缺乏以及DO浓度下降所致。

由图6(a)可知,稀释曲线较为平滑,即取样数量可以代表样品中的分类单元(OTU)值,检测所得数据具有代表性和说服力。图6(b)显示,在停运前后好氧池种群组成差异较大,而缺氧池停运前后种群组成差异较小。由此可见,停运对于好氧池内微生物群落产生较大影响,其中的微生物种类、丰度、均匀度以及优势种群都发生较大变化。

图6 样品稀释曲线和主成分分析结果

2.3.1COD降解菌变化特征

分别采集正常运行装置和停运5 d的装置中污泥作为样品,针对细菌16S rRNA V4-V5区对各活性污泥样品进行PCR扩增,分析检测得出各样品中主要菌群组成(图7)。

Q1和Q2分别为停运前缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,Q1′和Q2′分别为停运后缺氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1和H2分别为停运前好氧Ⅰ池和Ⅱ池,H1′和H2′分别为停运后好氧Ⅰ池和Ⅱ池。

从门分类水平〔图7(a)〕上看,无论是缺氧池还是好氧池,污泥样品中主要优势细菌种类均为变形菌门,拟杆菌门、放线菌门和厚壁菌门等细菌种类同样存在于污泥样品中且占比较大,这与ZHANG等[10]的研究结论一致。停运前,好氧池中变形菌门占比(达到95%)很高,而拟杆菌门和厚壁菌门等细菌占比很小。这是因为变形菌门中存在大量对COD降解起到主要作用的异养菌,在DO浓度较高、碳源充足的环境下大量繁殖,因此占据优势地位。在缺氧池中变形菌门所占比例则远低于好氧池。停运后,好氧池中变形菌门丰度大幅下降,由于停运期间DO浓度下降,且碳源逐渐消耗而不足,因此其中的对COD降解起主体作用的变形菌门好氧异养菌大幅度减少,导致停运后装置对COD的去除率明显下降;拟杆菌门等细菌丰度明显上升。有研究表明,拟杆菌门部分细菌存在特殊的鞘脂结构,其体内可以富集聚羟基脂肪酸(PHA)等高能物质,因此对于好氧饥饿环境有着较强的抵抗能力,可以在长期好氧饥饿环境中生存[11]。缺氧池中由于本身DO浓度较低,因此短期内停运对于其细菌种类组成影响相对较小,多数细菌可以依靠残存的少量碳源以及自身储能抵抗饥饿影响。

从纲分类水平〔图7(b)〕来看,变形菌门中γ-变形菌纲和α-变形菌纲在样品中占据主要地位。停运前,γ-变形菌纲在好氧池中占据主导地位,可见其在变形菌门的变化中起主导作用。但也有研究表明,活性污泥中变形菌门占据主导地位的为β-变形菌纲[12],但在该样品中β-变形菌纲菌群丰度很低,可见不同的活性污泥中变形菌门虽都占据主导地位,但是在纲水平上主导菌群不同。停运后,好氧池γ-变形菌纲占比大幅度降低,α-变形菌纲和拟杆菌纲占比呈现上升趋势。可见,α-变形菌纲和拟杆菌纲对于这种低DO浓度的饥饿环境具有更好的适应能力。梭菌纲和杆菌纲是活性污泥中厚壁菌门中的主要细菌种类,有研究表明其对于污泥好氧消化具有积极作用[13]。硝化螺旋菌纲作为传统的硝化细菌,起到脱氮作用,但是由于其世代较长,在污泥样品中丰度较低。

2.3.2硝化与反硝化细菌变化特征

在活性污泥中,氮的去除主要通过硝化作用和反硝化作用共同完成。硝化作用通过硝化细菌实现,传统的硝化细菌包括亚硝酸菌(AOB)和硝酸菌(NOB)。在硝化作用第一阶段,在AOB作用下氨氮被氧化成亚硝酸盐,再通过第二阶段在NOB作用下亚硝酸盐被氧化为硝酸盐。大部分AOB和NOB是化能自养型细菌,生长极其缓慢,并且很容易受到pH值、温度等外界条件的影响。传统意义上认为,活性污泥中优势AOB主要包括亚硝化单胞菌属和亚硝化螺菌属[14],优势NOB主要包括硝化螺旋菌属和硝化杆菌属[15]。而在笔者试验中,检测到的污泥样品中AOB只有亚硝化单胞菌属,检测到的NOB只有硝化螺旋菌属,且丰度相对较低。

由图8可知,停运后,AOB丰度衰减至几乎难以检测到,这是由于一方面DO浓度降低导致AOB难以利用系统中残余的氮源以及其他细菌分解产生的新氮源,另一方面随着停运时间的增加,系统pH逐渐降低,对于硝化细菌的生长具有抑制作用。而与AOB相比,NOB丰度占比反而有所上升,这是因为NOB可以利用AOB在较弱代谢中产生的少量NO2--N作为氮源,因此其衰减速率较慢,甚至短期内有所上升[16];BOLLMANN等[17]研究表明,AOB能在饥饿条件下利用自身核糖体供给自身代谢所需。因为AOB特有的代谢过程使其能够更好地应对饥饿环境,所以在不利的条件下处于预备休眠状态,一旦重新供给营养物质,可以快速进行细胞复苏,细胞内的酶重新被激活从而促进细胞繁殖进而恢复脱氮效果。

各分图中数据为属水平不同物种丰度占比。

反硝化作用的实现主要通过反硝化细菌的作用,反硝化细菌广泛存在于自然界中且数量巨大,其通过反硝化作用将NO3--N或NO2--N还原成N2或N2O。反硝化细菌可以分为厌氧反硝化细菌和好氧反硝化细菌两类。一般认为反硝化是严格厌氧过程,O2会阻碍硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体,还会抑制反硝化还原酶活性[18]。但是,近些年许多好氧反硝化菌被发现,包括假单胞菌属[19]、陶厄氏菌属[20]、副球菌属[21]、芽孢杆菌属[22]和不动杆菌属[23]等等。在笔者试验中,污泥样品中可检测出丰度相对较高的反硝化细菌(图8)。可以看到,大部分反硝化细菌菌属丰度在停运之后不降反升,这可能是由于大部分反硝化细菌都具有合成胞内储能物质的能力[24],在停运短期可以利用储能物质抵抗饥饿带来的影响,同时好氧异养菌丰度大幅下降,反硝化菌在缺氧条件下竞争力加强,丰度上升。有研究表明,好氧反硝化菌使得在同一条件和装置内同步硝化反硝化成为可能,但同步硝化反硝化限制条件较为严格,当ρ(DO)<2 mg·L-1,C/N约为8时,同步硝化反硝化效率最高[25]。因此,短期停运情况下总氮去除率不变且重启快速恢复的原因,一方面是各类反硝化细菌具有一定的抵抗饥饿能力,使得停运时其丰度仍能维持在一定水平上;另一方面,在较低DO浓度条件下,重启恢复时碳源的补充使得同步硝化反硝化反应发生,促进恢复。

3 结论与展望

该文探讨了在微曝/重启条件下两级缺氧-好氧装置对村镇生活污水处理效果的变化,主要结论包括:(1)停运对于两级AO-MBR装置的运行效果具有一定影响,且运行效果变化程度与恢复时间和停运时间有较为明显的相关性。在低曝气量状态下短期停运1～2 d,COD和氨氮的初始去除率下降在10个百分点以内,总氮去除率不受影响,且系统会在1 d左右恢复到正常工作状态。停运时间延长至5～8 d,COD、氨氮及总氮的初始去除率分别下降10、20和15个百分点左右,恢复时间为5 d左右。(2)随着停运时间的延长,SOUR、脱氢酶活性、SATP等污泥活性指标都相应有所下降,相对于缺氧池,好氧池由于供氧减少,其中的好氧异养菌活性都有所下降。(3)活性污泥中主要优势细菌种类为变形菌门,停运会导致好氧池中变形菌门丰度大幅下降,对于降解COD起到主要作用的γ-变形菌纲中的好氧异养菌数量大幅减少,拟杆菌门等适应低DO浓度、低碳源的菌属成为新的优势菌种。停运导致DO浓度和pH均有所下降,硝化细菌数量减少,氨氮去除率下降。反硝化细菌由于受自身代谢特性的影响,其丰度有所上升,因此,短期停运使总氮去除率变化较小。根据以上结果,可形成一种低能耗的农村旅游生活污水处理设施运维方法,即在设施因缺少来水而停运的情况下,可对装置进行微曝处理(曝气量下降到原来的1/3左右),能够保持生化污泥的大部分活性,使装置在恢复进水后能快速重启并达到停运前的正常运行处理效果。