三段A/O工藝處理發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水

肖才林,沈建華,楊 洋,李睿華* (.南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院,污染控制與資源化研究國家重點實驗室,江蘇 南京 20046；2.深圳市市政設(shè)計研究院有限公司,廣東 深圳 58029；.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司,河南鄭州 450000)

發(fā)制品產(chǎn)業(yè)是一個高污染行業(yè),生產(chǎn)過程中排放的廢水經(jīng)過廠內(nèi)處理,達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)[1]之后排入市政管網(wǎng),與市政污水混合成發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水.綜合廢水碳氮比低、成分復(fù)雜及水質(zhì)波動大[2],對于綜合廢水的處理,目前采用的卡魯賽爾氧化溝或者A2/O工藝的穩(wěn)定性有待驗證.

許昌市某污水處理廠采用卡魯賽爾氧化溝工藝處理綜合廢水,出水COD和NH4+-N濃度分別為 83.8mg/L和 12.6mg/L,超過規(guī)定限值(50mg/L、5mg/L)0.68和 1.52倍.因此,探索多段A/O工藝的技術(shù)參數(shù),穩(wěn)定高效處理綜合廢水成為保障發(fā)制品產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的重要課題.

由于多段 A/O工藝基建費用少[3],運行費用低[4-5],抗沖擊負(fù)荷能力強[6],脫氮效果顯著[7],能夠合理地分配碳源而更適用于處理低碳氮比污水[8],在市政污水和工業(yè)廢水處理中已得到成功應(yīng)用[8].進水流量分配比是多段 A/O工藝的核心參數(shù),影響有機碳源的合理分配和各段容積負(fù)荷.多段A/O工藝的各個分段之間存在最佳配水比,在此比例下,進水各段含氮污染物的質(zhì)量和下一分段有機物的質(zhì)量成固定比值,滿足各段反硝化的碳源需求,工藝達(dá)到最大脫氮率[8].污泥回流比(R)影響反應(yīng)器的污泥濃度(MLSS)和污泥齡(SRT),使反應(yīng)器對污染物的去除呈現(xiàn)不同的試驗結(jié)果[8].

為探討多段 A/O工藝處理發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水的可行性和穩(wěn)定性,在許昌市某城鎮(zhèn)污水處理廠調(diào)控運行了一套三段A/O試驗裝置,探討了進水流量分配比和R對多段A/O系統(tǒng)處理污染物效能的影響.同時分析了參數(shù)對三段A/O工藝中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,揭示了部分優(yōu)勢菌屬在 TN去除過程中的作用,為三段 A/O工藝處理發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水的實際應(yīng)用提供依據(jù).

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

用于處理發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水的試驗裝置(圖1)由進水箱、三段A/O反應(yīng)器和豎流式沉淀池組成.其中,進水箱和沉淀池的有效容積分別是60和3.2L.

三段 A/O反應(yīng)器由有機玻璃制成,規(guī)格為500×100×250mm(L×B×H),總有效容積 10L.如圖1所示,反應(yīng)器由隔板均分成3個分段,每個分段又由一個隔板按 1:1分成前后兩個部分,前端區(qū)域為缺氧區(qū)(A區(qū)),后端區(qū)域為好氧區(qū)(O區(qū)).每個缺氧區(qū)域均設(shè)置有精密增力電動攪拌機,使活性污泥和污水混合均勻.每個好氧區(qū)通過電磁式空氣泵充氣,微孔曝氣頭做曝氣器,由轉(zhuǎn)子流量計控制風(fēng)量,以維持DO為2～6mg/L.

系統(tǒng)設(shè)置 1臺蠕動泵作為污泥回流泵,將沉淀池底部污泥回流至三段 A/O反應(yīng)器缺氧一區(qū)(A1).

圖1 三段A/O反應(yīng)系統(tǒng)流程Fig.1 Schematic diagram of the three step feed A/O process

1.2 試驗水質(zhì)

原水取自許昌市某城鎮(zhèn)污水處理廠配水井.該污水處理廠設(shè)計進水流量為 3×104t/d,其中混入的發(fā)制品產(chǎn)業(yè)廠內(nèi)處理后廢水為 1.2×104t/d.由于發(fā)制品產(chǎn)業(yè)原污水水質(zhì)波動大,所以綜合廢水的水質(zhì)變化也很大,主要指標(biāo)如表1所示.

表1 三段A/O系統(tǒng)的進水水質(zhì)Table 1 Influent water quality of the three step feed A/O process

1.3 三段A/O反應(yīng)器的連續(xù)運行與控制

三段A/O反應(yīng)器接種馴化污泥后連續(xù)運行,根據(jù)各段進水流量分配比和 R劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個階段.各階段的運行控制參數(shù)如表 2所示.其中階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ比較了進水流量分配比對三段A/O反應(yīng)器處理污染物效能的影響.階段Ⅲ和Ⅳ比較了R對三段A/O反應(yīng)器處理污染物效能的影響.

1.4 水質(zhì)指標(biāo)檢測

分析項目包括pH值、DO、COD、NH4+-N、TN、NO3--N、NO2--N和 PO43--P等水質(zhì)指標(biāo).DO采用 HQ30d型溶解氧儀(HACH,美國)測定,pH采用 FE28型 pH測定儀(METTLER TOLEDO,瑞士)測定,其他指標(biāo)檢測均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法[9].

表2 三段A/O系統(tǒng)的運行階段和控制條件Table 2 Operation phases and the control parameters of the three step feed A/O process

1.5 微生物高通量測序

各階段運行穩(wěn)定后,即反應(yīng)器運行第11、31、55和 68d,分別從二沉池沉泥斗底部取活性污泥提取微生物 DNA,供高通量測序使用.采用FastDNA? Spin Kit土壤試劑盒(MP Biomedicals,美國)提取活性污泥微生物的DNA,置于-80℃保存.委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成PCR擴增,并基于Illumina Miseq平臺對擴增產(chǎn)物進行高通量測序.PCR擴增具體參考 Wang等[10]的方法,高通量測序數(shù)據(jù)處理具體參考徐偉超等[11]的方法,完成可操作分類單元(operational taxonomic units OTU)的計算.根據(jù) OUT 值,統(tǒng)計分析了門、屬分類水平的微生物相對豐度,計算公式如下:

門(屬)分類水平某類微生物相對豐度(%)=門(屬)分類水平某類微生物 OUT值/門(屬)分類水平總微生物OUT值*100

2 結(jié)果與討論

2.1 COD的去除

如表2所示,三段A/O反應(yīng)器在為期68d的運行中,根據(jù)進水流量分配比及R劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4個階段.雖然4個階段進水COD波動較大,但是出水 COD達(dá)標(biāo)率高,4個階段平均出水COD 質(zhì)量濃度分別是 34.53、38.37、39.67和30.73mg/L,均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn).

階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ運行過程中,三段A/O反應(yīng)器不僅出水 COD質(zhì)量濃度接近(圖 2A),并且去除率相差不大,平均值分別為90.70%、89.78%和88.94%.說明進水流量分配比對去除 COD 的影響不大,與該參數(shù)影響多段A/O反應(yīng)器處理其他水質(zhì)結(jié)論相同[12-14].這是因為分段進水工藝的污泥負(fù)荷較低[12],系統(tǒng)去除有機污染物容量充足,保證了各個分段進水帶入的COD在該段被降解至最低濃度(圖3).圖3分析了不同進水流量分配比下 COD的沿程變化,3種進水流量分配比下,各缺氧區(qū)域和好氧區(qū)域出水COD質(zhì)量濃度相近,均不大于40mg/L,說明各個分段對COD的高效處理是三段A/O反應(yīng)器對COD有效處理的保障.同時,各個分段出水與最終出水 COD濃度相差不大,這是因為難以生物降解物質(zhì)在進水中的濃度一定,各分段將可降解的 COD 去除后,剩下的COD基本為難以降解的有機物.

階段Ⅲ進入階段Ⅳ后,三段A/O反應(yīng)器將R從125%調(diào)整為75%(表2).結(jié)果表明(圖2A), R降低以后,三段A/O反應(yīng)器對COD的去除能力有了輕微提高,出水 COD 質(zhì)量濃度降低,階段Ⅲ和Ⅳ中 COD去除率平均值分別為 88.94%和92.08%.R增大會因為沖刷作用造成反應(yīng)器MLSS下降[15].階段Ⅲ中平均 MLSS(2452mg/L)小于階段Ⅳ(2671mg/L),較高的污泥負(fù)荷使活性污泥中微生物對有機污染物利用減弱,所以COD去除率略低[16].

圖2 三段A/O系統(tǒng)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

如圖2B所示,在三段A/O反應(yīng)器連續(xù)運行過程中,階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ對發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水中 TN的去除并不理想,均不能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn),階段Ⅳ達(dá)標(biāo)排放.在階段Ⅰ,進水TN質(zhì)量濃度波動大(29.87～55.37mg/L),造成出水濃度變化較大(23.68～44.76mg/L),但是去除率穩(wěn)定,平均值僅為15.25%.在階段Ⅱ,進水 TN 平均質(zhì)量濃度為30.95mg/L,出水是 20.82mg/L,平均去除率32.70%.在階段Ⅲ后期(第43～55d),進水 TN 質(zhì)量濃度平均為 31.83mg/L,出水 16.61mg/L,去除率達(dá)到46.63%.階段Ⅳ中,出水穩(wěn)定,TN出水濃度平均是14.85mg/L,去除率高達(dá)53.84%,此時進水平均值為32.75mg/L.

分析認(rèn)為,本研究中第一分段進水流量分配比的增大提高了三段A/O反應(yīng)器對TN的去除,與部分已有研究結(jié)論一致[17-18].有研究表明[12-13,17],進水流量分配比對三段A/O反應(yīng)器的硝化效果無明顯影響.階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ出水NH4+-N不大于5mg/L,TN主要以NO3--N形態(tài)存在(圖4),說明進水流量分配比對反硝化效果影響較大.階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ最后分段進水流量依次減小,所以最后一個分段好氧區(qū)生成的 NO3--N總量減小,這是出水NO3--N在3個階段中依次降低的原因之一.另外,進水 COD 質(zhì)量濃度相近,3個階段缺氧區(qū)出水 COD均小于 40mg/L(圖 3),階段Ⅲ缺氧一區(qū)可利用更充足的碳源反硝化去除回流污泥帶入的 NO3--N,缺氧一區(qū)反硝化能力的充分利用有利于提高TN去除率[19].

階段Ⅲ進入階段Ⅳ后,MLSS的增大提高了NH4+-N同化量[15],所以出水NH4+-N質(zhì)量濃度降低(圖4).階段Ⅲ運行第16和21d 3個缺氧區(qū)DO分別是0.21, 0.45, 0.67和0.18, 0.51, 0.56mg/L,這2d的TN去除率分別僅有40.79%和40.09%.降低R減弱了缺氧區(qū)域脫氧不完全的風(fēng)險[20],所以階段Ⅳ形成更加良好的缺氧環(huán)境,反硝化能力強,TN去除率高.

圖3 不同進水流量分配比下COD沿程的變化Fig.3 Variation of COD along the reactor under different influent flow distribution ratios

圖4 出水中氮素形態(tài)Fig.4 Nitrogen element forms in effluents

有研究認(rèn)為第一分段進水流量分配比的增大降低分段A/O反應(yīng)器對TN的去除[12,21],與本研究結(jié)論相悖.這是因為存在最佳配水比,使得多段 A/O工藝任一分段進水帶入的有機污染物總量正好滿足該分段NOx--N反硝化所需碳源總量,此時工藝反硝化效果最佳,TN去除效率最高.最佳配水比與進水 COD和 TN的質(zhì)量濃度比值(COD/TN)緊密相關(guān).本研究中采用三段 A/O 工藝處理發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水,水質(zhì)波動大(表1),4個階段COD/TN分別是(10.26±5.48)、(14.94±15.01)、(12.17±7.43)、(12.62±6.26),采用試驗試錯法[18]、物料守恒法[22]和遺傳算法[23]無法獲得最佳配水比.在工程實踐中建議采用階段Ⅳ運行參數(shù),此時進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

如圖2C所示,三段A/O反應(yīng)器對PO43--P去除率低,階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ平均去除率依次為26.18%、49.18%、41.33%和56.21%.

階段Ⅱ去除率波動最大,可能是該階段的MLSS變化最大(表2),導(dǎo)致較大差異的排泥量從而引起生化除磷過程中 PO43--P去除率的變化.階段Ⅱ的 PO43--P出水平均值為0.44mg/L,低于一級A標(biāo)準(zhǔn),是因為進水質(zhì)量濃度低,平均值僅有1.09mg/L.另外,階段Ⅰ進入階段Ⅱ后,PO43--P去除率之所以增大是因為出水中低濃度的NO3--N(圖 4)減弱了生化除磷的抑制作用[24-25].大量研究發(fā)現(xiàn)多段 A/O反應(yīng)器存在反硝化除磷現(xiàn)象[13-14,26-27],進入階段Ⅲ后,PO43--P去除率降低,可能是因為不斷提高第一分段進水流量分配比降低了反硝化除磷能力[14].階段Ⅳ中 PO43--P去除率大于階段Ⅲ,分析認(rèn)為是低回流比有利于多段A/O反應(yīng)器形成厭氧條件,有利于聚磷菌合成聚 β羥基烷酸,然后聚磷菌在好氧區(qū)提高攝磷量從而強化除磷效果[28].

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

高通量測序結(jié)果表明,Proteobacteria在三段A/O工藝處理發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水中占主導(dǎo)地位,階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ中相對豐度依次為 49.86%、58.90%、45.63%和 60.13%.Bacteroidetes是第二優(yōu)勢門,相對豐度分別是16.65%、22.85%、30.55%和20.87%.其他優(yōu)勢門(圖 5)主要有 Acidobacteria、Chloroflexi、Nitrospirae、Gemmatimonadetes、Planctomycetes、Cyanobacteria、Chlorobi和 Parcubacteria.4個階段中,相對豐度小于 1%的菌群總和依次占比6.04%、3.27%、2.00%和 4.27%.說明進水流量分配比和 R對微生物門水平群落結(jié)構(gòu)影響小,三段 A/O工藝是一個穩(wěn)定的微生物系統(tǒng),這是發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的有效保障.

表3統(tǒng)計分析了三段A/O工藝中微生物屬水平的組成,結(jié)果表明,調(diào)節(jié)進水流量分配比(表2),優(yōu)勢菌屬中 uncultured-f-Saprospiraceae、norank-o-Obscuribacterales、SM1AO2、uncultured- f-Gemmatimonadaceae、uncultured-f-Hydrogenophilaceae、Denitratisoma和unclassified-p-Bacteroidetes的相對豐度從階段Ⅰ至Ⅲ呈現(xiàn)增長趨勢(表 3),與TN 去除率增減趨勢一致(圖 2B). uncultured-f-Saprospiraceae[29]和uncultured-f-Gemmatimonadaceae[30-31]降解糖類和蛋白質(zhì),為反硝化過程提供更多可利用的有機碳源;uncultured-f-Hydrogenophilaceae[32]和Denitratisoma[32-33]是反硝化菌屬.推斷認(rèn)為這些菌屬相對豐度的增長是 TN去除率隨第一分段進水流量分配比增大而提高的本質(zhì)體現(xiàn).階段Ⅲ進入階段Ⅳ后,相對豐度增長率超過 100%的優(yōu)勢菌屬有 uncultured-f-Nitrosomonadaceae、Thauera、Denitratisoma、Sulfuritalea、unculturedf-Anaerolineaceae和Phaeodactylibacter.unculturedf-Nitrosomonadaceae[34]、Thauera[35]和 Denitratisoma是典型的反硝化菌屬; Sulfuritalea[36]、unculturedf-Anaerolineaceae[37]和 Phaeodactylibacter[29,38]降解有機污染物為反硝化過程提供可利用的有機碳源.推斷認(rèn)為這些微生物相對豐度的增長是TN去除率隨R降低而提高的根本原因.

圖5 三段A/O工藝中微生物門水平群落分布(相對豐度＞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工藝中微生物屬水平上的組成(相對豐度≥1%)Table 3 Composition of microorganism on genus level in the three step feed A/O process (relative abundance≥1%)

續(xù)表3

3 結(jié)論

3.1 三段A/O工藝對發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水中COD處理率不低于88.94%,出水COD質(zhì)量濃度低于40mg/L.

3.2 在進水流量分配比60%:25%:15%、污泥回流比75%、缺氧區(qū)與好氧區(qū)容積比1:1、SRT 20d、HRT 16h條件下,三段A/O工藝對綜合廢水的TN處理率為53.84%,出水TN平均濃度14.85mg/L,達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn);此時 PO43--P去除率也達(dá)到最大值,為56.21%.

3.3 三段A/O工藝可用于發(fā)制品產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)綜合廢水的生物處理單元.參與處理綜合廢水的主要門水平微生物Proteobacteria和Bacteroidetes的相對豐度是 45.63%～60.13%和 16.65%～30.55%,受進水流量分配比和污泥回流比影響小.優(yōu)勢菌屬中Denitratisoma、uncultured-f- Saprospiracea、Thauerae和Sulfuritalea等相對豐度的增加,是TN去除率隨第一分段進水流量分配比增大或污泥回流比降低而提高的本質(zhì)體現(xiàn).

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