微生物群落组成对颗粒污泥氮素去除效率的影响研究

邹文清，何松珉

海南绿境高科环保有限公司，海南 海口 570311

活性污泥法是处理含碳和氮的污染物的废水时最广泛使用的生物处理方法之一[1-2]。生物脱氮是通过自养硝化和异养反硝化来完成的。本文旨在研究颗粒污泥法中的微生物群落对污水排放中的氮素去除效率的影响；验证了通过控制污水处理系统中的固体保留时间（Solid Retention Time，SRT）和内部循环比参数可以实现出水口中总氮去除率的提高；同时研究了生物脱氮的微生物活性与颗粒污泥氮素去除效率变化的关系。

1 材料和方法

1.1 污水处理系统与污水样本

本文的研究对象为海南某焦炭制造厂中的全规模污水处理系统，该污水处理系统由2 个缺氧罐、4个好氧罐和3 个硝化罐及配套设施组成，如图1 所示。污水处理系统每小时处理的硝化废水约350 m3，其中硝化废水以650 m3/h 的速度从硝化罐循环至缺氧罐，然后经二级澄清池收集其回流颗粒污泥，并以250 m3/h 的速度将颗粒污泥泵回缺氧罐。此外，好氧罐和硝化罐都进行曝气。曝气过程中，强制注入的氧气提供了微生物进行有氧呼吸的必要条件，同时也使含氧量较高的水流可以更好地混合和悬浮污泥，使其与污水中的有机物充分接触，从而提高污水处理效率。曝气的同时，好氧微生物会消耗污水中的有机物质，并将其转化为二氧化碳和水，从而减少污水中有机物质的含量。硝化罐中的曝气则有助于硝化作用的进行，即将氨态氮转化为硝态氮。这是因为硝化作用主要由两类自养微生物完成，而这两类微生物均需要氧气来进行生化反应。本次试验过程中废水中的污染物组成见表1。各罐的温度范围为33～36 ℃。进水池、缺氧罐和硝化罐的pH 分别保持在9.0、7.5 和7.0。好氧罐和硝化罐的溶解氧浓度（Dissolved Oxygen，DO）需大于3.5 mg/L，而缺氧罐的DO 浓度则需保持在0.3 mg/L 以下。系统的功能稳定性通过总氮（total nitrogen，TN）的出口浓度来量化。试验的样品从缺氧罐和硝化罐的底部进行系统混液悬浮物（Mixed-Liquor Suspended Solids，MLSS）的采集，试验持续12 d。

表1 废水污染物组成

图1 污水处理系统

1.2 各成分化学分析法

将收集的样品以3 500 r/min 的离心速率进行分离，持续3 分钟，对上层清液进行分析[3]。根据美国公共卫生协会（APHA）的标准方法——一种通用的水质分析方法，对COD（化学需氧量）和氨使用分光光度计测定浓度；对苯酚和SCN-（硫氰酸盐）使用比色法测定浓度；对上层清液蒸馏后，通过吡啶-吡唑啉酮法（一种用于测定水中氰化物含量的化学分析方法）测定氰化物浓度；使用离子色谱仪测量亚硝酸根和硝酸根离子浓度；使用TOC（总有机碳）/TN（总氮）分析仪测量TOC 和TN 浓度[4]。

1.3 微生物活性测试实验

为了研究污水处理系统反应罐中硝化细菌和反硝化细菌的微生物活动，可以使用含有硝酸盐的合成介质进行批量实验，每天估算一次硝化和反硝化速率。硝化和反硝化活性实验在含有100 mL 的氨（50 mg/L）和硝酸根离子（50 mg/L）的500 mL 锥形瓶中进行。在没有任何预处理的情况下，锥形瓶需要接种含有微生物群落的颗粒污泥（约2 000 mg/L），然后在35 ℃的恒温振荡器上以200 r/min 的速度进行振荡，并保持pH 为7.5。硝化和反硝化速率如公式（1）所示。

式中：FA 为游离氨；T 为温度；pH 为pH 值，Total NH3为氨含量。

2 结果与讨论

2.1 全规模颗粒污泥法的废水净化性能

图2 展示了全规模废水处理系统的净化性能。如图所示，硝化罐的主要作用是将铵离子转化为亚硝酸盐或硝酸盐。进水口中-N 的平均质量浓度约为76～90 mg/L，这是因为细胞裂解和SCN 在缺氧罐和好氧罐的降解过程中产生了氨。在稳定运行期间，硝化罐中-N的出水浓度保持在10 mg/L 以下，而NO2-N的出水浓度在15～20 mg/L，NO3-N的浓度小于3.0 mg/L，这是因为亚硝酸盐/硝酸盐再次循环至缺氧罐，促进了反硝化反应。到第11 天后，缺氧罐中始终进行着反硝化反应，TN 的平均进水浓度为187 mg/L，TN 的平均出水浓度保持在36 mg/L 以下，TN 的平均去除效率为85%。此外，TN 的出口浓度低于40 mg/L，表明在整个试验过程中该污水处理系统的各项功能均稳定运行。

图2 污水各指标净化性能

2.2 运行参数对全规模颗粒污泥法脱氮性能的影响

废水中苯酚、SCN、氨和氰化物等污染物的流入导致全规模颗粒污泥法的硝化作用一直不稳定。因此，需要对废水净化系统的运行参数进行调整，以完成对排放浓度的调控。图3 显示了运行参数对全规模颗粒污泥法脱氮的出水浓度的影响。由图3 可知，第1 天TN 浓度低于规定排放水平（即65 mg/L），但硝化副产物NO2-N的浓度仅为7 mg/L，这表明系统的硝化性能不足。为了增加繁殖速度缓慢的硝化微生物量，减少多余污泥，将SRT 从15 小时延长到了22 小时，从而提高了MLSS 浓度。第2 天，硝化罐中的MLSS 浓度从1 500 mg/L 增加到2 000 mg/L，硝化罐中氨的出水浓度低于20 mg/L，NO2-N的浓度增加至17.5 mg/L，TN 浓度始终保持在65 mg/L 以下，这可能是由于SRT 的时间变长，硝化细菌增加，从而增加了系统的硝化性能。

图3 运行参数对氮素去除效率的影响

在第4 天后，硝化罐中氮的出水浓度急剧上升至40 mg/L 以上，从而使TN 浓度超过规定排放水平。与此同时，氨的进水浓度急剧增加到140 mg/L，是正常负荷的两倍多。同时，NO2-N的出水浓度没有降低，说明硝化性能没有受到抑制。为了降低除氨浓度，不断提高SRT，保持高浓度的MLSS 可以实现高容积负荷，在第4 天结束后，MLSS 浓度增加到了3 000 mg/L。由此可知，通过SRT 的增长能够提高系统中MLSS 的浓度，从而确保在氨浓度急剧增加期间全规模颗粒污泥工艺的稳定硝化。因此，SRT 的参数选择对于实现去氮效率至关重要。

然而，全规模颗粒污泥工艺的性能在第9 天突然变差，氨浓度增加到85 mg/L，NO2-N 的浓度在硝化罐中降低到3.5 mg/L。可能是因硝化作用受到抑制，TN 浓度突然增加到140 mg/L。为了防止硝化性能因苯酚抑制而恶化[5]，内部循环比应控制在0.5～1.5，SRT 始终保持在20 h。通过降低内部循环比，提高了缺氧罐中的苯酚去除性能。同时，较长时间的SRT 阻止了硝化微生物群落的消失。第10 天后，苯酚的进水浓度降至500 mg/L 以下，TN 去除效率提高，排放水平低于50 mg/L。

在第12 天时，虽然氨和TN 的出水浓度保持稳定，但NO2-N的浓度下降到9 mg/L。尽管SRT 一致，但系统中的MLSS 浓度攀升至3 400～3 600 mg/L。原因可能是环境中有机物的增加导致了硝化罐中微生物的增殖，造成了微生物群落组成成分的改变，增加了它们生长所需的氨吸收量。因此，全规模颗粒污泥工艺的脱氮性能可能容易受到环境因素的影响，从而造成微生物群落组成成分的改变。

2.3 微生物活性

对微生物活性进行试验可以观察颗粒污泥硝化和反硝化活性的变化。通过氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐浓度的变化，分析每天的硝化和反硝化速率，如图4所示。在第4 天，由于MLSS 浓度突然增加，硝化速率降至3.8 mg-N/g-VSS·h；从第5～8 天，硝化速率逐渐增加到6.3 mg-N/g-VSS·h。全规模颗粒污泥的脱氮效率几乎达到90%。由此可知，硝化细菌具有良好的潜在活性，但难以确定环境因素是否会影响其实际性能，从而导致硝化作用降低。此外，反硝化速率模式与硝化活性的变化相似，与硝化速率的变化一样。反硝化速率在第4 天下降是由于MLSS 浓度显著增加，逐渐增加到4.8 mg-N/g-VSS·h，但反硝化作用受环境因素的影响可能小于硝化作用[6]。无论全规模工艺的氮素去除性能如何，试验中的硝化和反硝化速率基本一致。因此，MLSS 浓度的降低并未导致微生物活性有任何损失，这可能与微生物中的活性细菌种群有关。

图4 硝化和反硝化速率

3 结论

本文通过对微生物群落组成的研究，探究了颗粒污泥氮素去除效率的重要性。在全规模颗粒污泥的脱氮工艺中，选择SRT 和内部循环比作为主要控制参数，以增强TN 的去除效率。通过延长SRT，提高了微生物量浓度，增强了氮素去除效率。特定的操作策略还可以改变颗粒污泥中的微生物群落组成。因此，应制定适当的操作策略，通过持续监测微生物群落组成，保持较高的氮素去除效率。