稀土礦區(qū)低碳氨氮廢水短程硝化SBR過程研究

劉佛財(cái) ， 羅玲 ， 李丹 ， 鐘常明 ，2

（1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

稀土素有“工業(yè)黃金”美譽(yù)，在高新技術(shù)等新興領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。中國(guó)的稀土資源位于世界前列，我國(guó)特有的南方離子型稀土礦儲(chǔ)量、產(chǎn)量均位于世界第一位[1]，其大面積分布于我國(guó)江西、廣東等地。江西贛州被冠于“稀土王國(guó)”之稱，坐擁全國(guó)30%以上的離子型稀土資源。正因?yàn)殡x子型稀土礦在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，加速了離子型稀土礦的開采，然而在稀土的開采過程中伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境污染。目前原地浸礦依然用于離子型稀土的開采，浸礦過程中注入大量的硫酸銨，使得開采后的稀土礦區(qū)依然有大量的浸礦液殘留，殘留的浸礦液通過地表徑流、雨水沖刷和滲漏等作用污染礦區(qū)地表水體，因而產(chǎn)生了大量的低碳氨氮廢水，極大地影響了稀土礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)指出，經(jīng)過微生物的硝化和反硝化作用氨氮才能被完全去除[2-5]。其中硝化作用進(jìn)行氨氧化和亞硝酸鹽的氧化；反硝化作用進(jìn)行硝酸鹽和亞硝酸鹽的還原[6-8]。短程硝化反硝化技術(shù)作為新型生物脫氮技術(shù)，其特點(diǎn)在于通過控制反應(yīng)條件將硝化反應(yīng)控制在NO2--N大量累積的過程，緊接著反硝化細(xì)菌經(jīng)反硝化作用以NO2--N作為電子受體，將NO2--N還原為氮?dú)獾倪^程[9-12]。相較于傳統(tǒng)生物脫氮，其優(yōu)勢(shì)有：僅需傳統(tǒng)生物脫氮供氧量的75%，反硝化反應(yīng)所需的碳源（以甲醇計(jì)）僅為傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)的60%；不需經(jīng)過亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽的過程；在硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)階段剩余污泥產(chǎn)量分別減少了33%～35%、55%[13-15]；降低堿度投加量。因SBR工藝在處理低碳氮比廢水上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者青睞。

短程硝化反硝化技術(shù)所具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，促使學(xué)者們對(duì)其過程進(jìn)行研究，研究結(jié)果均表明短程硝化反硝化的難點(diǎn)在于難以保證NO2--N的大量積累，各種操作因素都會(huì)對(duì)NO2--N被進(jìn)一步氧化成NO3--N產(chǎn)生一定影響，因此想要將短程硝化反硝化技術(shù)成熟地應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域，研究將短程硝化反硝化過程穩(wěn)定在大量的NO2--N積累階段是重點(diǎn)[16-18]。參照近年來國(guó)內(nèi)外所做一些研究[19-25]， T、DO、pH、FA、SRT 和有害物質(zhì)等是影響短程硝化的主要因素。本實(shí)驗(yàn)以稀土礦區(qū)低碳氨氮廢水為研究對(duì)象，探究曝氣量、碳氮比、曝氣時(shí)間對(duì)短程硝化系統(tǒng)的影響，優(yōu)化短程硝化過程的控制條件，對(duì)短程硝化過程的穩(wěn)定運(yùn)行具有參考指導(dǎo)意義。

1 裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用自制序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR）；裝置規(guī)格為 250 mm×200 mm×260 mm，液面至反應(yīng)器頂部為20 mm，每天定時(shí)更換進(jìn)出水8 L，通過反應(yīng)器兩側(cè)閥門進(jìn)行排水和排泥操作，同時(shí)具備取樣作用，空氣泵進(jìn)行曝氣，曝氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)手動(dòng)調(diào)節(jié)，反應(yīng)器內(nèi)置攪拌機(jī)，起到缺氧攪拌作用的同時(shí)進(jìn)行泥水混合，恒溫電熱棒調(diào)節(jié)溫度。裝置如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)用水

試驗(yàn)初期，自配稀土礦區(qū)低碳氨氮模擬廢水進(jìn)行污泥馴化，污泥馴化完成后，以實(shí)際廢水為研究對(duì)象，對(duì)不同操作條件下系統(tǒng)去除污染物的能力進(jìn)行考察。稀土礦區(qū)低碳氨氮模擬廢水由C6H12O6提供C源、KH2PO4提供P源、NH4Cl提供N源，同時(shí)添加Mn2+、Co2+、Mo7+、Na+、Zn2+等離子為微生物所需微量元素[26]，試驗(yàn)過程中用NaHCO3調(diào)節(jié)廢水pH值至8左右。實(shí)際廢水水質(zhì)見表1，自配模擬廢水具體成分見表2，微量元素溶液組成見表3。

表1 廢水水質(zhì)主要情況（pH為無量綱）Table 1 Main conditions of wastewater quality

表2 模擬廢水組成Table 2 Table 1 Main conditions of wastewater quality

表3 微量元素溶液組成Table 3 Conditions of trace element solution

1.2.2 接種污泥馴化培養(yǎng)

以贛州市白塔污水處理廠二沉池污泥為試驗(yàn)接種污泥，經(jīng)測(cè)定生物活性很好，并且具備良好的沉降性能。試驗(yàn)首先對(duì)所取活性污泥進(jìn)行馴化培養(yǎng)，為期25天的全程硝化污泥培養(yǎng)作為污泥馴化過程第1步，隨后在此基礎(chǔ)上，通過將溫度設(shè)置為（28±1）℃、曝氣量為65 L/h，NaHCO3調(diào)節(jié)pH至8的條件下，經(jīng)69 d的馴化周期后，成功馴化出短程硝化反硝化污泥。

1.2.3 分析方法

NH4+-N：納氏試劑比色法；NO2--N：N-l-萘基乙二胺比色法；NO3--N：紫外分光光度法；COD：快速消解法；DO：Metller-Told D04100型在線DO監(jiān)控儀；pH采用starter3c型實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)定。

微生物多樣性：采用高通量測(cè)序，DNA提取與純化：200 g污泥樣品離心15 min，從底部沉淀物中提取DNA。二輪PCR擴(kuò)增和純化操作，PCR所用引物為Misep測(cè)序平臺(tái)V3-V4通用引物 341F （CCTACGGGNGGCWGCAG） 和 805R（GACTACHVGGGTATCAATCC）引物，引物 16S的PCR擴(kuò)增條件為：95℃預(yù)變性30 s，95℃變性10 s，55℃退火20 s，72℃延伸20 s，最后完成45個(gè)循環(huán)，將擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行電泳，數(shù)據(jù)軟件對(duì)熒光PCR數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物多樣性分析

馴化完成時(shí)的污泥樣品送至上海生工生物工程股份有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序分析，其中全程硝化污泥樣品對(duì)應(yīng)編號(hào)R0，短程硝化污泥樣品編號(hào)對(duì)應(yīng)R1，根據(jù)單樣本的多樣性分析結(jié)果用于評(píng)價(jià)菌群豐度以及多樣性，具體情況見表4。

表4 樣品的生物多樣性Table 4 Microbial diversity of different samples

通過OUT數(shù)值分析，一定程度上可以反映系統(tǒng)中微生物菌群的豐富度，OUT數(shù)與ACE指數(shù)和Chao指數(shù)密切相關(guān)，通常來說ACE指數(shù)和Chao指數(shù)越大，表明其物種豐富度越高。此外，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)也是評(píng)價(jià)微生物多樣性的指標(biāo)之一，Shannon指數(shù)與微生物多樣性呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系；Simpson指數(shù)則相反，其數(shù)值越大說明微生物多樣性越低，但其與優(yōu)勢(shì)菌種數(shù)量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

通過表4數(shù)據(jù)可以看出，R0和R1覆蓋度均高達(dá)99%，可以認(rèn)為此次測(cè)序結(jié)果能夠較為全面地描述SBR系統(tǒng)中的微生物群落結(jié)構(gòu)，具備真實(shí)性。其中短程硝化污泥樣品（R1）中的ACE指數(shù)和Chao指數(shù)相比于全程硝化污泥樣品（R0）略有降低，而Simpson指數(shù)則有所提高，說明由全程硝化污泥馴化培養(yǎng)轉(zhuǎn)為短程硝化污泥馴化培養(yǎng)過程中，某些微生物無法適應(yīng)該環(huán)境，逐漸被淘汰，導(dǎo)致微生物多樣性降低。

通過在 “門”和“屬”水平上對(duì)系統(tǒng)中微生物菌種相對(duì)豐度進(jìn)行分析，以期更直觀地反映不同馴化期間SBR處理稀土礦區(qū)低碳氨氮廢水微生物群落結(jié)構(gòu)變化情況，分析結(jié)果如圖2、圖3所示。結(jié)果表明，在兩個(gè)不同馴化階段，變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和酸桿菌門(Acidobacteria)等共同構(gòu)成了SBR短程硝化系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)組成，其中變形菌門相對(duì)豐度達(dá)到了20.4%～42%，擬桿菌門相對(duì)豐度達(dá)到了4%～34.5%，逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌門。

此外，短程硝化污泥樣品（R1）中被檢測(cè)出浮霉菌門（Planctomycete）相對(duì)豐度為0.9%，在全球氮循環(huán)過程中，浮霉菌門具有一定的促進(jìn)作用，趙志瑞等[27]研究認(rèn)為，通過浮霉菌門的相對(duì)豐度可以預(yù)判系統(tǒng)中DO值和NH4+-N濃度，當(dāng)兩者濃度處于較低水平時(shí)，該環(huán)境適宜浮霉菌門生長(zhǎng)繁殖。通過設(shè)定溫度為（28±1）℃、曝氣量為65 L/h、pH值為8的操作條件，成功馴化出短程硝化污泥，同時(shí)該條件下為浮霉菌門提供了良好的生存環(huán)境。硝化螺旋菌門（Nitrospirae）相對(duì)豐度為1.8%，在有關(guān)硝化螺旋菌門的研究中發(fā)現(xiàn)[28-29]，歸屬于該門的硝化螺菌屬（Nitrospira）在污水處理中起著重要作用，是一類硝酸菌（NOB），具有很強(qiáng)的硝化能力，能夠?qū)喯跛猁}氧化為硝酸鹽。檢測(cè)結(jié)果顯示，全程硝化污泥樣品中NOB相對(duì)豐度為4.5%，經(jīng)過短程硝化污泥馴化過程，短程硝化污泥樣品中NOB相對(duì)豐度僅為0.5%，說明通過設(shè)置溫度為（28±1）℃、曝氣量為65 L/h、pH為8的操作條件下，NOB無法適應(yīng)該環(huán)境，在競(jìng)爭(zhēng)中逐步被淘汰。

“屬”水平分析結(jié)果表明，全程硝化污泥中norank_p_Saccharibacteria和分支桿菌（Mycobacterium）是優(yōu)勢(shì)菌種，經(jīng)過短程硝化馴化后，微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）相對(duì)豐度由0.05%增加至11.5%，亞硝化單胞菌屬和亞硝化螺旋菌屬是一類AOB細(xì)菌，具有很強(qiáng)的氨氧化能力，然而在短程硝化污泥樣品中并未檢測(cè)出亞硝化螺旋菌屬存在，表明亞硝化單胞菌屬逐漸成為AOB優(yōu)勢(shì)菌種，而亞硝化螺旋菌屬遭到淘汰，這與污水處理中AOB以亞硝化單胞菌屬?gòu)V泛存在的結(jié)論相吻合[30]，從對(duì)全程硝化污泥和短程硝化污泥樣品進(jìn)行高通量測(cè)序結(jié)果表明，經(jīng)過馴化培養(yǎng)，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中AOB的大量富集。

2.2 系統(tǒng)短程硝化性能

在成功馴化培養(yǎng)出短程硝化污泥后，用實(shí)際廢水進(jìn)一步啟動(dòng)短程硝化實(shí)驗(yàn)，由圖4可以看出，實(shí)際廢水并未對(duì)系統(tǒng)造成沖擊影響，在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行至第5天后，系統(tǒng)對(duì)NH4+-N具有良好的去除能力，去除率始終維持在90%以上，亞硝酸鹽積累率在95%左右，與此同時(shí)出水NH4+-N濃度穩(wěn)定維持在2.07～4.01 mg/L，此時(shí)系統(tǒng)具有良好的短程硝化能力。

2.3 曝氣量對(duì)短程硝化過程的影響

曝氣量與溶解氧濃度存在一定關(guān)系，通過改變曝氣量，進(jìn)而改變?nèi)芙庋鯘舛?。試?yàn)通過設(shè)置不同曝氣量條件，以氮濃度變化趨勢(shì)反映短程硝化進(jìn)程在此過程中的變化情況。在維持其他條件不變的情況下，于一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分別進(jìn)行曝氣量為90 L/h和120 L/h的單因素條件實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)分別運(yùn)行了15 d，運(yùn)行工況如下：進(jìn)水15 min→好氧曝氣300 min以內(nèi)→靜置沉淀1 h→排水15 min→周期循環(huán)。

圖5 所列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在曝氣量為90 L/h條件下，系統(tǒng)運(yùn)行至第7天時(shí)，此時(shí)可認(rèn)為系統(tǒng)已處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)該運(yùn)行狀態(tài)下的系統(tǒng)短程硝化性能進(jìn)行考察，結(jié)果表明210 min為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，反應(yīng)至210 min的過程中系統(tǒng)內(nèi)NO2--N濃度持續(xù)上升，此后NO2--N濃度開始下降，取而代之的是NO3--N濃度開始升高；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第8天時(shí)，考察曝氣量為120 L/h時(shí)系統(tǒng)短程硝化進(jìn)程，轉(zhuǎn)折點(diǎn)較90 L/h時(shí)提前出現(xiàn)，在180 min時(shí)NO2--N濃度達(dá)到最大值。并且可以發(fā)現(xiàn)兩種不同曝氣量運(yùn)行期間，曝氣量更大時(shí)，NO2--N濃度增長(zhǎng)速率更快，由此可以得出短程硝化進(jìn)程的加快可以通過在一定范圍內(nèi)提高曝氣量來實(shí)現(xiàn)。180 min后NO2--N濃度和NO3--N濃度呈現(xiàn)與90 L/h曝氣量時(shí)相同變化趨勢(shì)。

綜上所述，曝氣量是SBR短程硝化過程穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)的重要影響因素，為此通過固定其他因素不變，在90、120 L/h曝氣量條件下系統(tǒng)各運(yùn)行7天，深入研究曝氣量在其中所產(chǎn)生的影響。由圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，90 L/h曝氣量條件下，系統(tǒng)內(nèi)NO2--N積累率隨運(yùn)行時(shí)間增加呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，并且始終維持在較高水平，硝化類型為短程硝化；實(shí)驗(yàn)至第8天將曝氣量調(diào)至120 L/h，第8天至第11天系統(tǒng)內(nèi)NO2--N積累率呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)；系統(tǒng)運(yùn)行至第14天，NO2--N積累率降至82%，說明過高的曝氣量會(huì)破壞短程硝化系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)內(nèi)硝化類型發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此，想要獲得穩(wěn)定的短程硝化過程，曝氣量的嚴(yán)格控制是重要舉措之一。

2.4 C/N對(duì)短程硝化的影響

試驗(yàn)考察了在不同 C/N（濃度比，C/N=5、5.6、7.4）條件下，系統(tǒng)短程硝化過程變化情況，在此基礎(chǔ)上考察了短程硝化進(jìn)程在持續(xù)的高C/N的環(huán)境下的變化情況，具體運(yùn)行工況見表5。

表5 不同C/N系統(tǒng)運(yùn)行工況Table 5 System operating conditions under different C/N

圖7所示數(shù)據(jù)顯示，3種不同C/N條件下，系統(tǒng)內(nèi)NO2--N積累率均呈現(xiàn)出相同變化趨勢(shì)。運(yùn)行條件為 C/N＝3.5、C/N＝5.6 和 C/N＝7.4 時(shí)， 三者對(duì)應(yīng)的NO2--N積累率最高值分別為97.37%、98.07%和當(dāng)98.15%，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，NO2--N積累率達(dá)到最高值后均開始下降，相比于其他兩種C/N條件，當(dāng)C/N＝7.4時(shí)，最先出現(xiàn)NO2--N積累率的下降過程。分析反應(yīng)后期NO2--N積累率降低的原因可能是：一是由于反應(yīng)器存在曝氣盲區(qū)，存在一定空間的缺氧區(qū)域，缺氧環(huán)境下有利于反硝化進(jìn)行，導(dǎo)致NO2--N濃度下降；二是由于持續(xù)的曝氣使部分NO2--N被氧化成NO3--N，但總體而言系統(tǒng)仍處于較低DO環(huán)境下，在此環(huán)境下NO2--N被氧化成 NO3--N的量非常有限，因此仍能獲得NO2--N的大量積累。至反應(yīng)結(jié)束時(shí)，3種C/N下系統(tǒng)NO2--N積累率仍維持在較高水平，分析認(rèn)為C/N不是影響NO2--N積累的影響因素。由圖8可知，繼續(xù)讓系統(tǒng)在高C/N（C/N=7.4）環(huán)境下運(yùn)行15 d，NO2--N積累率隨時(shí)間而下降。分析其原因是可能由于反應(yīng)初期，底物充足，加快了異養(yǎng)菌降解氨氮過程，同時(shí)在曝氣時(shí)間不變情況下導(dǎo)致DO值過高，NOB受到抑制，NO2--N積累率出現(xiàn)下降。

2.5 固定曝氣時(shí)間對(duì)短程硝化的影響

文獻(xiàn)[31]表明，短程硝化過程可以通過人為的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)，本節(jié)考察了固定曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)短程硝化過程的影響，通過時(shí)間繼電器固定控制曝氣時(shí)長(zhǎng)，結(jié)合前文，為保證硝化反應(yīng)進(jìn)行完全，將曝氣時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為330 min，其余操作條件不變，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行8 d，結(jié)果如圖9。

根據(jù)圖9可以看出，NO2--N濃度變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，NO3--N濃度變化則相反，并且前4天NO2--N濃度下降趨勢(shì)和NO3--N濃度上升趨勢(shì)并不明顯，第5天后NO2--N濃度加速下降，NO3--N濃度大幅升高。直至第8天時(shí)NO2--N積累率僅為48.89%，表明此時(shí)系統(tǒng)短程硝化性能受到抑制。依照此趨勢(shì)可以預(yù)見，系統(tǒng)持續(xù)在330 min的曝氣時(shí)長(zhǎng)條件下運(yùn)行，短程硝化過程將被全程硝化所取代。分析認(rèn)為，反應(yīng)初期在溶解氧充足的條件下，系統(tǒng)中存在小部分NOB充分利用多余的DO，該環(huán)境適于NOB的生長(zhǎng)，NO2--N作為短程硝化反應(yīng)的產(chǎn)物，在NOB的作用下逐漸向NO3--N轉(zhuǎn)化。通過實(shí)時(shí)控制曝氣時(shí)長(zhǎng)來保證短程硝化過程穩(wěn)定運(yùn)行，在此過程中不僅能獲得NO2--N的大量積累，成本的節(jié)約也是經(jīng)濟(jì)效益的體現(xiàn)。

3 結(jié) 論

1）在用模擬廢水對(duì)活性污泥進(jìn)行馴化培養(yǎng)后，以實(shí)際稀土礦區(qū)低碳氨氮廢水為研究對(duì)象，考察了系統(tǒng)短程硝化反硝化性能，結(jié)果表明：實(shí)際廢水未對(duì)系統(tǒng)造成沖擊影響，NH4+-N去除率仍可達(dá)90%以上，亞硝酸鹽積累率在95%左右，出水NH4+-N濃度穩(wěn)定維持在2.07～4.01 mg/L。

2）短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)短程硝化過程的穩(wěn)定性不受曝氣量提高的影響。90 L/h的曝氣量條件下，系統(tǒng)在仍具有較好的短程硝化性能；曝氣量提高至120 L/h，NO2--N的積累率降至82%左右，全程硝化逐漸取代短程硝化，硝化類型發(fā)生轉(zhuǎn)化。

3）當(dāng)C/N在3.5～7.4時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)NO2--N積累率仍處于較高水平，提高C/N在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)對(duì)短程硝化過程產(chǎn)生明顯影響。但長(zhǎng)時(shí)間的高C/N環(huán)境會(huì)使系統(tǒng)內(nèi)NO2--N積累率降低，一定程度上破壞了短程硝化穩(wěn)定性和污泥性能。短程硝化反硝化過程在低C/N環(huán)境下更加穩(wěn)定。

4）曝氣時(shí)長(zhǎng)會(huì)影響短程硝化過程，系統(tǒng)中多余的DO被NOB利用，NOB生長(zhǎng)迅速，短程硝化逐漸被全程硝化取代。通過實(shí)時(shí)控制曝氣時(shí)長(zhǎng)有助于短程硝化過程的穩(wěn)定，在一定程度上也能達(dá)到節(jié)約成本的目的。