移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(movingbedbiofilmreactor，MBBR)根據(jù)微生物相存在形式，分為泥膜復(fù)合MBBR和純膜MBBR工藝2種形式。在21世紀(jì)初期，針對(duì)國(guó)內(nèi)污水廠提標(biāo)改造，采用泥膜復(fù)合MBBR工藝一定程度上解決了污水廠提標(biāo)改造面臨的需新增占地及運(yùn)行不穩(wěn)定等難題，從而得到了大范圍應(yīng)用。有研究表明，泥膜復(fù)合MBBR系統(tǒng)中泥膜兩相存在的泥膜競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系導(dǎo)致生物膜潛力無(wú)法充分發(fā)揮，而純膜MBBR不再富集活性污泥，擺脫了泥膜競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，能夠進(jìn)一步提高生物膜處理能力。
純膜MBBR處理效果與工藝流程密切相關(guān)，采用分段A/O設(shè)置優(yōu)勢(shì)較為明顯，如前段A/O可利用原水碳源脫氮，后段則利用外投碳源脫氮，以破除傳統(tǒng)A2/O工藝中總氮(totalnitrogen，TN)去除受回流比限制的約束，進(jìn)而提高系統(tǒng)整體脫氮效率，滿足國(guó)內(nèi)對(duì)于出水TN需進(jìn)一步降低的需求。此外，通過(guò)單一功能區(qū)的分級(jí)也使得每級(jí)生物系統(tǒng)都能獲得互不干擾、功能相對(duì)獨(dú)立的生境，更利于發(fā)揮MBBR工藝定向培養(yǎng)、專性富集的特點(diǎn)，分別培養(yǎng)特定功能的微生物種群，可進(jìn)一步提升MBBR系統(tǒng)處理效果。相關(guān)研究表明，王雪欣等采用兩點(diǎn)進(jìn)水三段純膜A/O-MBBR中試處理北方生活污水，前2段A/O在缺氧和好氧均設(shè)置2級(jí)工藝，且設(shè)置單獨(dú)的進(jìn)水點(diǎn)和硝化液回流，第3段A/O在缺氧和好氧均設(shè)置單級(jí)工藝，系統(tǒng)出水SCOD、NH4+-N可優(yōu)于類IV類水標(biāo)準(zhǔn)。周小琳等采用兩段純膜A/O-MBBR中試處理北方某城市污水，第1段A/O中，缺氧設(shè)置為兩級(jí)，采用原水碳源脫氮，好氧設(shè)置為3級(jí)；第2段A/O中，缺氧設(shè)置為兩級(jí)，采用外投碳源脫氮，好氧設(shè)置為一級(jí)，系統(tǒng)出水SCOD、NH4+-N同樣可優(yōu)于類IV類水標(biāo)準(zhǔn)。劉婧邈采用兩段式A/O-純膜MBBR進(jìn)行污水脫氮，各功能區(qū)通過(guò)專性富集形成獨(dú)特的菌群結(jié)構(gòu)，在污水處理過(guò)程中聯(lián)合作用，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。ZHOU等建立了一種有效容積為10m3的新型的兩點(diǎn)進(jìn)水三段A/O純膜MBBR中試系統(tǒng)，用于城市污水處理，進(jìn)水點(diǎn)分別設(shè)置于1段和2段A/O缺氧區(qū)，第1和第2段A/O均設(shè)置自好氧向缺氧的硝化液回流，且均為兩級(jí)工藝，三段A/O均為單級(jí)工藝，在HRT僅為10h的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)中TN去除率高達(dá)91.42%�？梢�，純膜MBBR工藝采用多段分級(jí)的設(shè)置，確實(shí)可以達(dá)到較好的處理效果。但目前，關(guān)于純膜MBBR相關(guān)研究仍存在一定缺陷。首先，純膜MBRR技術(shù)的研究和嘗試多局限于中試階段，缺乏大體量工程應(yīng)用；其次，純膜MBRR中試采用分段多級(jí)的布置形式，但這種布置形式仍沒有具體可靠的依據(jù)參考，脫氮機(jī)理還有待研究；最后，目前雖已確定純膜MBBR能進(jìn)行功能菌群的專性富集，但關(guān)于各級(jí)功能菌群的分布特征還缺乏針對(duì)性研究。因此，本文以多級(jí)多段純膜MBBR工藝處理國(guó)內(nèi)北方某污水廠中高基質(zhì)濃度市政污水的工程項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過(guò)工程宏觀運(yùn)行情況結(jié)合微觀菌群結(jié)構(gòu)，分析了純膜MBBR脫氮機(jī)理及分級(jí)合理性，為后續(xù)純膜MBBR工藝的多級(jí)多段設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供參考。
1、材料與方法
1.1 污水處理廠概況及水質(zhì)
北方某污水處理廠設(shè)計(jì)處理量12×104m3·d−1，主體采用基于活性污泥法的改良A2/O工藝，為緩解長(zhǎng)期滿負(fù)荷運(yùn)行壓力，于2021年采用BFM(movingbiofilm&magneticseparation，懸浮載體生物膜-磁分離高效處理工藝)技術(shù)新建1×104m3·d−1的污水處理設(shè)施，對(duì)污水廠進(jìn)水實(shí)現(xiàn)分流處理。BFM生物段為純膜MBBR工藝，實(shí)現(xiàn)主要碳氮污染物的去除，固液分離段為改良磁加載沉淀，實(shí)現(xiàn)主要總磷(totalphosphorus，TP)及懸浮固體(suspendedsolids，SS)的充分去除，從而保證出水全指標(biāo)達(dá)標(biāo)。如圖1所示，新建項(xiàng)目總用地1417.25m2，核算噸水占地面積為0.14m2·(m3·d)−1，僅為現(xiàn)有污水處理廠活性污泥法占地的17.00%。新建項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示，設(shè)計(jì)水溫10℃，出水COD、TP等指標(biāo)需達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)V類水標(biāo)準(zhǔn)，氨氮滿足冬季低于5mg·L−1，夏季低于3mg·L−1，TN需達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
新建項(xiàng)目工藝流程如圖2所示，預(yù)處理段采用原污水廠初沉池及自清洗過(guò)濾器進(jìn)行顆粒物去除，后進(jìn)入純膜MBBR段，純膜MBBR采用兩段A/O工藝流程，其中前缺氧(前A)分三級(jí)(A1-A2-A3)，主好氧(前O)分四級(jí)(O1-O2-O3-O4)，后缺氧(postanoxia，P-A)和后好氧(postaerobic，P-O)均為單級(jí)工藝，在O4與A1之間設(shè)有硝化液回流管路，控制回流比300%~400%。前缺氧利用原水碳源進(jìn)行脫氮，后缺氧設(shè)置碳源投加管路，按照去除8~10mg·L−1的NO3−-N，以ΔCOD/ΔNO3−-N為6，投加乙酸鈉(25%有效COD含量)實(shí)現(xiàn)TN的高標(biāo)準(zhǔn)去除。純膜MBBR缺氧區(qū)懸浮載體填充率均為50%，主好氧區(qū)懸浮載體填充率60%，后好氧區(qū)懸浮載體填充率為50%。純膜MBBR出水進(jìn)入改良磁加載沉淀段進(jìn)行泥水分離，投加聚合氯化鋁(PAC，8%Al2O3有效成分)及陰離子PAM進(jìn)行化學(xué)除磷。系統(tǒng)總水力停留時(shí)間(hydraulicretentiontime，HRT)10.6h，其中純膜MBBR段HRT為10.35h，純膜MBBR前缺氧3.45h，主好氧4.60h，后缺氧和后好氧均為1.15h，改良磁加載沉淀池HRT為0.25h。
1.2 沿程水質(zhì)及微生物群落組成分析
于2022年9月19日—2022年11月29日對(duì)系統(tǒng)沿程各池體進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，取樣點(diǎn)分別為純膜MBBR段進(jìn)水、純膜MBBR段各級(jí)出水、改良磁加載沉淀段出水，取混合樣按已有方法分別測(cè)定各樣品NH4+-N、NO2−-N、NO3−-N、TN、TP、溶解性COD(SolubleCOD，SCOD)等指標(biāo)。污染物去除負(fù)荷按照式(1)計(jì)算。
式中：N為污染物去除負(fù)荷，即單位池容每天所能去除的污染物質(zhì)量，kg·(m3·d)−1；△A為污染物質(zhì)量濃度變化量，mg·L−1，t為反應(yīng)時(shí)間，h。
于研究結(jié)束時(shí)(2022年11月29日)，采集純膜MBBR段各級(jí)懸浮載體樣品，進(jìn)行基于16SrDNA的擴(kuò)增子高通量測(cè)序，此時(shí)懸浮載體生物膜菌群組成更能代表研究期間情況，高通量測(cè)序選用試劑盒(E.Z.N.AMag-BindSoilDNAKit，OMEGA)提取微生物基因組DNA，通過(guò)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提基因組的完整性，利用Qubit3.0DNA試劑盒測(cè)定基因組DNA質(zhì)量濃度。PCR擴(kuò)增所用引物為341F/805R。對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳，并通過(guò)DNA膠回收試劑盒(SanPrep)對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行回收，利用Qubit3.0DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)回收的DNA精確定量，按照1:1的等量混合后測(cè)序；通過(guò)IlluminaMiseq測(cè)序平臺(tái)完成對(duì)樣品的高通量測(cè)序，測(cè)序序列已提交至NCBI(BioProjectID：PRJNA955194)。測(cè)序結(jié)果中有關(guān)物種組成參考已有方法進(jìn)行分析。FISH實(shí)驗(yàn)采用表2所示序列及標(biāo)記物合成熒光探針，對(duì)于缺氧區(qū)，主要關(guān)注厭氧氨氧化菌，對(duì)于好氧區(qū)，則主要關(guān)注硝化菌。
1.3 硝化及反硝化小試
為驗(yàn)證各功能區(qū)懸浮載體在進(jìn)水水質(zhì)升高時(shí)的抗沖擊負(fù)荷能力，進(jìn)行懸浮載體最大負(fù)荷驗(yàn)證小試實(shí)驗(yàn)。搭建有效容積為16L的小試系統(tǒng)，硝化小試采用純膜MBBR主好氧段各級(jí)生物膜，同步考慮進(jìn)水SCOD影響，設(shè)置2組實(shí)驗(yàn)，一組采用純膜MBBR系統(tǒng)A3出水模擬實(shí)際好氧區(qū)進(jìn)水，另一組采用純膜MBBR系統(tǒng)O1出水，以降低缺氧池出水所含SCOD影響，2組小試均通過(guò)投加氯化銨和碳酸氫鈉補(bǔ)充氨氮及堿度至合適質(zhì)量濃度后作為小試用水，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制小試系統(tǒng)水溫和DO與實(shí)際純膜MBBR系統(tǒng)一致。反硝化小試采用前缺氧各級(jí)生物膜和后缺氧生物膜，同步考慮進(jìn)水碳源類型影響，設(shè)置兩組實(shí)驗(yàn)，一組實(shí)驗(yàn)采用原水和O4出水按照實(shí)際平均回流比混合之后作為小試用水。另一組采用O4出水，以降低原水碳源影響，且通過(guò)投加乙酸鈉補(bǔ)充碳源至合適質(zhì)量濃度后作為小試用水，兩種水質(zhì)均通過(guò)投加硝酸鉀補(bǔ)充硝氮至合適質(zhì)量濃度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制小試系統(tǒng)水溫與實(shí)際純膜MBBR系統(tǒng)一致。
2、結(jié)果與討論
2.1 污染物去除效果
BFM項(xiàng)目設(shè)計(jì)HRT為10.6h，根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)，該項(xiàng)目HRT僅為相同地區(qū)類似水質(zhì)采用活性污泥法污水廠的43%~56%。在工藝流程上，BFM僅通過(guò)兩段工藝即可實(shí)現(xiàn)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，無(wú)需傳統(tǒng)活性污泥法所需的二沉池和深度處理，工藝流程更短，也減少了所需附屬設(shè)備設(shè)施。綜合HRT和附屬設(shè)備構(gòu)筑物，BFM節(jié)地效果突出。
項(xiàng)目啟動(dòng)成功后，純膜MBBR各池體懸浮載體掛膜情況如圖3所示。在生物膜顏色上，缺氧區(qū)載體生物膜顏色呈現(xiàn)棕黃色，好氧區(qū)生物膜顏色呈現(xiàn)深棕色，在生物膜厚度上，好氧區(qū)生物膜厚度較缺氧區(qū)更厚，前AO生物膜厚度相對(duì)后AO更厚，單一功能區(qū)從前往后生物膜厚度逐漸變薄。
近一年項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)水水量達(dá)到(9148.59±591.55)m3·d−1，核算系統(tǒng)總HRT為(11.60±0.76)h，其中純膜MBBR段HRT為(11.32±0.74)h，接近設(shè)計(jì)值。項(xiàng)目水溫變化幅度較大，夏季可達(dá)20℃以上，冬季可至10℃以下。新建項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)出水水質(zhì)如圖4所示，進(jìn)水COD、NH4+-N、TN、TP及SS分別為(487.60±193.86)、(50.65±13.80)、(58.59±15.51)、(7.29±3.13)和(571.00±250.59)mg·L−1，進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，且存在明顯高于設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，各污染物超標(biāo)率(超標(biāo)天數(shù)/總運(yùn)行天數(shù))分別達(dá)到28.65%、56.43%、21.64%、10.53%和69.59%，但經(jīng)處理后，對(duì)應(yīng)出水COD、NH4+-N、TN、TP及SS依然能夠降至(23.15±7.05)、(0.54±0.67)、(6.59±2.77)、(0.11±0.06)和(4.46±2.76)mg·L−1，穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。且在后期(2022年10月3日-2022年11月29日)通過(guò)提高碳源投加量對(duì)純膜MBBR段運(yùn)行優(yōu)化后，出水TN可進(jìn)一步降至(2.31±1.52)mg·L−1，穩(wěn)定低于5mg·L−1，充分體現(xiàn)了系統(tǒng)強(qiáng)大的脫氮潛力。此外，隨著溫度的降低，以及進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)，出水水質(zhì)始終保持在排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，表明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗低溫能力，保障出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
純膜MBBR可在HRT僅為活性污泥法約50%的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的處理效果，且對(duì)進(jìn)水水質(zhì)間歇超標(biāo)具有較強(qiáng)的抗沖擊能力。基于純膜MBBR的BFM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)污水廠建設(shè)用地的大幅度節(jié)省，國(guó)內(nèi)首座BFM項(xiàng)目于2020年在廣東肇慶落地，該項(xiàng)目BFM占地僅為《城市污水處理工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》(建標(biāo)〔2001〕77號(hào))的最低要求的4%。實(shí)際噸水占地約為常規(guī)污水處理廠的10%~25%；北方首座BFM項(xiàng)目噸水占地指標(biāo)為原廠活性污泥工藝的26%；而本項(xiàng)目采用BFM噸水占地僅為原廠活性污泥系統(tǒng)的17%。
2.2 沿程氮素去除路徑
通過(guò)污染物沿程變化分析氮素去除路徑。2022年9月19日—2022年11月29日，系統(tǒng)水溫為(19.80±2.34)℃。由于系統(tǒng)HRT短，對(duì)于不溶性物質(zhì)的利用效率較低，因此，僅考慮可溶性物質(zhì)的利用。沿程SCOD去除效果如圖5所示，進(jìn)水中SCOD和不溶性COD(VSS-COD)值分別為(356.61±41.83)mg·L−1和(103.95±12.35)mg·L−1，按照實(shí)際回流比核算前缺氧A1實(shí)際進(jìn)水SCOD值為(102.39±11.36)mg·L−1，出水SCOD降至(71.89±11.43)mg·L−1，經(jīng)A2和A3處理后，SCOD值分別降至(59.19±11.51)mg·L−1和(53.26±11.45)mg·L−1。經(jīng)過(guò)主好氧區(qū)后，SCOD值進(jìn)一步降至(34.16±11.84)mg·L−1，主好氧區(qū)SCOD去除主要依賴于O1，O1出水SCOD值已降至(43.38±10.26)mg·L−1，核算占好氧區(qū)SCOD去除的(51.73±7.07)%。后缺氧外投乙酸鈉進(jìn)行反硝化脫氮，核算SCOD投加值為(43.49±13.34)mg·L−1，導(dǎo)致其出水SCOD值微升至(42.11±4.77)mg·L−1，但經(jīng)后好氧和改良磁加載沉淀深度處理后，SCOD值進(jìn)一步降至(36.79±5.22)mg·L−1和(30.56±4.20)mg·L−1，穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
從沿程SCOD去除效果看，前缺氧存在SCOD未完全利用的現(xiàn)象，致使好氧區(qū)一級(jí)發(fā)生了較為明顯的脫碳效果，但經(jīng)過(guò)好氧一級(jí)之后，SCOD去除效果明顯下降，此后降低的SCOD可認(rèn)為是較難降解的有機(jī)物。由于后缺氧主要依靠外投碳源進(jìn)行脫氮，因此，認(rèn)為原水所攜帶SCOD經(jīng)前A/O已消耗殆盡，核算A1~A3及前O的原水SCOD去除貢獻(xiàn)率均值分別為44.70%、18.61%、8.69%、27.99%，后缺氧區(qū)通過(guò)外投碳源，在實(shí)現(xiàn)TN去除的前提下，也存在少量的SCOD未利用現(xiàn)象，而后好氧區(qū)的設(shè)置，可針對(duì)未利用的SCOD進(jìn)行針對(duì)性去除。改良磁加載沉淀通過(guò)投加絮凝和混凝藥劑，可進(jìn)一步去除(6.23±2.29)mg·L−1的SCOD。周小琳等利用兩段式A/O－MBBR工藝生物脫氮中試處理青島某污水廠一級(jí)處理出水，前A設(shè)置兩級(jí)工藝，合計(jì)HRT為2.8h，SCOD去除貢獻(xiàn)率達(dá)到64.60%。本研究在前缺氧A1-A2合計(jì)HRT為2.3h，SCOD去除貢獻(xiàn)率達(dá)到63.61%，與其差異不大。
系統(tǒng)沿程氮素去除效果如圖6所示，進(jìn)水NH4+-N和TIN質(zhì)量濃度分別為(59.00±5.62)、(61.37±5.82)mg·L−1，按照實(shí)際回流比核算前缺氧區(qū)進(jìn)水NH4+-N和NOx−-N(硝態(tài)氮，取NO3−-N和NO2−-N加和)質(zhì)量濃度分別為(12.42±1.04)、(9.58±0.64)mg·L−1，經(jīng)A1~A3處理后，出水NOx−-N質(zhì)量濃度分別降至(3.98±0.77)、(1.84±0.52)和(0.64±0.47)mg·L−1，前缺氧區(qū)出現(xiàn)了一定程度的NH4+-N下降及NO2−-N積累現(xiàn)象，至A3出水，NH4+-N質(zhì)量濃度略降至(11.16±0.99)mg·L−1，結(jié)合回流比，核算前缺氧區(qū)共去除了(4.20±1.03)mg·L−1的NH4+-N。至A1~A3出水，系統(tǒng)中NO2−-N質(zhì)量濃度分別達(dá)到(1.01±0.31)、(0.66±0.18)、(0.38±0.08)mg·L−1。好氧區(qū)主要發(fā)生硝化反應(yīng)，經(jīng)過(guò)O1~O4后，NH4+-N質(zhì)量濃度分別降至(9.13±1.08)、(5.25±1.03)、(1.41±0.62)、(0.51±0.37)mg·L−1。伴隨著NH4+-N的硝化，NOx−-N隨之上升，至O4出水，NOx−-N質(zhì)量濃度升至(11.46±0.88)mg·L−1，好氧區(qū)NO2−-N積累量明顯降低，O1出水NO2−-N質(zhì)量濃度為(0.22±0.45)mg·L−1，至O4出水，NO2−-N質(zhì)量濃度降至(0.09±0.10)mg·L−1。后缺氧通過(guò)外投碳源的方式，將NOx−-N質(zhì)量濃度進(jìn)一步降至(3.06±2.30)mg·L−1，至后缺氧結(jié)束至改良磁加載沉淀出水，系統(tǒng)氮素變化不再明顯，最終出水NH4+-N和NOx−-N質(zhì)量濃度分別為(0.40±0.38)mg·L−1和(2.94±2.31)mg·L−1。
從沿程TIN去除效果看，前缺氧A1~A3脫氮負(fù)荷分別為(0.53±0.09)、(0.20±0.07)、(0.10±0.03)kg·(m3·d)−1，脫氮貢獻(xiàn)率均值分別為52.27%、19.96%和11.20%。脫氮效率降低的原因一方面與NO3−-N質(zhì)量濃度隨推流下降，生物膜傳質(zhì)梯度弱化有關(guān)，另一方面也與碳源可生化性下降有關(guān)。但該項(xiàng)目前缺氧合計(jì)脫氮貢獻(xiàn)率達(dá)到83.43%，較周小琳研究結(jié)果(48.2%)提高近1倍。原因一方面可能與本項(xiàng)目進(jìn)水COD更高，提供的原水碳源更多有關(guān)，另一方面也與本項(xiàng)目前缺氧設(shè)置三級(jí)工藝并使HRT進(jìn)一步延長(zhǎng)有關(guān)。結(jié)合沿程SCOD變化，核算A1~A3的ΔSCOD/ΔNOx−-N分別為5.15±0.36、5.23±0.11和5.57±0.28，脫氮所需C/N逐漸升高，意味著易生物降解的高質(zhì)量碳源逐漸減少。后缺氧區(qū)脫氮負(fù)荷0.16±0.05kg·(m3·d)−1，ΔSCOD/ΔNOx−-N為4.04±1.55，脫氮貢獻(xiàn)率均值為16.57%。相比前缺氧區(qū)，采用外投碳源進(jìn)行反硝化的后缺氧區(qū)具有更高的脫氮效率，但由于碳源投加量較低，限制了其負(fù)荷的發(fā)揮，這也為應(yīng)對(duì)進(jìn)水沖擊時(shí)，出水TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。至于前缺氧區(qū)NH4+-N下降及NO2−-N積累的原因猜測(cè)為發(fā)生了厭氧氨氧化現(xiàn)象。根據(jù)NO2−-N來(lái)源的2種可能，一種可能是前缺氧區(qū)產(chǎn)生了短程反硝化現(xiàn)象，將NO3−-N轉(zhuǎn)化為NO2−-N，另一種則是由于硝化液回流攜帶溶解氧，導(dǎo)致在缺氧區(qū)產(chǎn)生了短程硝化，將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2−-N。本研究采用蒸餾水作為小試實(shí)驗(yàn)進(jìn)水，以排除有機(jī)物影響，以氯化銨和硝酸鉀補(bǔ)充NH4+-N和NO3−-N至BFM前缺氧區(qū)實(shí)際進(jìn)水質(zhì)量濃度一致，以BFM前缺氧區(qū)A1懸浮載體進(jìn)行反硝化小試，通過(guò)缺氧攪拌控制系統(tǒng)DO與BFM缺氧區(qū)A1一致，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)明顯的NH4+-N氧化及NO2−-N積累現(xiàn)象，因此，確定系統(tǒng)中的NO2−-N主要來(lái)源于短程反硝化過(guò)程。主好氧O1~O4硝化負(fù)荷分別為(0.23±0.04)、(0.40±0.10)、(0.39±0.09)、(0.11±0.08)kg·(m3·d)−1，硝化貢獻(xiàn)率均值分別為23.04%、33.11%和25.94%、8.79%，O1和O4分別受前缺氧COD剩余和基質(zhì)過(guò)低影響，導(dǎo)致硝化負(fù)荷偏低。后好氧區(qū)硝化貢獻(xiàn)率僅為0.03%，與硝化效果相關(guān)性不大。根據(jù)周小琳等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，純膜MBBR系統(tǒng)主好氧區(qū)氨氮去除負(fù)荷隨進(jìn)水SCOD的升高而呈明顯下降趨勢(shì)，因此，為保證主好氧區(qū)硝化效果，前缺氧A3的設(shè)置仍然起到一定的有益效果，可降低直接進(jìn)入主好氧氣區(qū)的SCOD值。
綜上所述，在脫氮方面，純膜MBBR脫氮的主要承擔(dān)者在于前缺氧A1~A2，兩者合計(jì)脫氮貢獻(xiàn)率超過(guò)75%。A3的設(shè)置則可進(jìn)一步降低進(jìn)入主好氧區(qū)的SCOD值，雖然該工況下仍然存在部分SCOD未完全利用，但由于出水硝氮已經(jīng)降至1mg·L−1以下，而繼續(xù)上調(diào)回流比會(huì)導(dǎo)致回流液所含DO過(guò)多影響原水碳源利用，因此，并無(wú)延長(zhǎng)HRT及設(shè)置四級(jí)的必要。從硝化的角度，主要承擔(dān)者在于主好氧區(qū)O1~O3，三者合計(jì)硝化貢獻(xiàn)率超過(guò)80%。O3出水氨氮已降至設(shè)計(jì)出水標(biāo)準(zhǔn)之下，若要達(dá)到更嚴(yán)格的出水標(biāo)準(zhǔn)，則可考慮增設(shè)四級(jí)工藝。P-A可以通過(guò)外投碳源的方式，彌補(bǔ)原水碳源不足缺陷，實(shí)現(xiàn)TN的進(jìn)一步去除。而P-O的設(shè)置則主要針對(duì)P-A過(guò)量的外投碳源，保證出水COD的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，不具備硝化效果。
2.3 水質(zhì)沖擊影響驗(yàn)證
硝化小試結(jié)果如圖7所示，以NH4+-N下降速率明顯降低的時(shí)間點(diǎn)認(rèn)為硝化效果受基質(zhì)限制，硝化負(fù)荷以初始NH4+-N和基質(zhì)受限之前的NH4+-N質(zhì)量濃度變化進(jìn)行核算。當(dāng)采用O1出水作為小試進(jìn)水時(shí)，主好氧區(qū)各級(jí)硝化負(fù)荷依次為0.28、0.47、0.44和0.25kg·(m3·d)−1，對(duì)比BFM工程中主好氧區(qū)各級(jí)實(shí)際硝化負(fù)荷均值分別為0.23、0.40、0.39、0.11kg·(m3·d)−1，各級(jí)小試硝化負(fù)荷分別提升至工程的1.22、1.17、1.13、2.27倍。而采用A3出水時(shí)，各好氧功能區(qū)負(fù)荷分別為0.25、0.42、0.41和0.23kg·(m3·d)−1，各級(jí)小試硝化負(fù)荷分別提升至工程的1.09、1.05、1.05、2.09倍，略低于采用O1出水時(shí)的小試負(fù)荷。
小試中基質(zhì)的升高會(huì)提升其他好氧各級(jí)硝化效果，且工程中的硝化負(fù)荷越小，高基質(zhì)下的負(fù)荷提升效果越明顯。瞬時(shí)的基質(zhì)提升能夠快速提高負(fù)荷，說(shuō)明懸浮載體生物膜中存在一定基數(shù)的功能菌群，在正常條件下，生物膜僅表層功能菌發(fā)揮作用，當(dāng)受進(jìn)水基質(zhì)沖擊時(shí)，生物膜傳質(zhì)梯度升高時(shí)，內(nèi)層生物膜上富集的功能菌可以發(fā)揮處理潛力，提高處理效率，這也是純膜MBBR系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗沖擊能力，保持出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的主要原因。前缺氧區(qū)由于存在部分未降解完全的SCOD，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中O1硝化效果不佳，而采用A3出水進(jìn)行小試時(shí)發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)的SCOD升高會(huì)對(duì)各級(jí)懸浮載體硝化負(fù)荷均造成抑制，抑制率(由于SCOD升高導(dǎo)致的硝化負(fù)荷下降比例)在6.80%~10.64%。所以在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意在前缺氧區(qū)盡可能充分利用原水碳源，防止過(guò)多SCOD進(jìn)入好氧區(qū)抑制硝化效果。對(duì)于本項(xiàng)目，O1的設(shè)置去除了絕大部分進(jìn)入主好氧區(qū)的可生化SCOD，保證了O2~O4的硝化環(huán)境。另外，從小試SCOD與NH4+-N的變化趨勢(shì)可以看出，純膜MBBR系統(tǒng)SCOD和NH4+-N同步去除，不同于活性污泥法先降COD再降NH4+-N的分步去除，表明純膜MBBR能夠一定程度上減弱COD的硝化抑制程度。
反硝化小試結(jié)果如圖8所示，以NO3−-N下降速率明顯降低的時(shí)間點(diǎn)認(rèn)為脫氮效果受基質(zhì)限制，脫氮負(fù)荷以初始NO3−-N和基質(zhì)受限之前的質(zhì)量濃度變化進(jìn)行核算。當(dāng)采用原水碳源時(shí)，A1~A3及P-A脫氮負(fù)荷依次分別為0.62、0.32、0.18和0.14kg·(m3·d)−1，消耗的C/N分別為5.17、5.59、5.73和5.61，對(duì)比純膜MBBR工程各缺氧區(qū)實(shí)際脫氮負(fù)荷均值分別為0.53、0.20、0.10、0.16kg·(m3·d)−1，前缺氧區(qū)各級(jí)小試脫氮負(fù)荷分別提升至系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷的1.17、1.60、1.80倍。而在原水碳源下，P-A小試負(fù)荷出現(xiàn)降低，為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷的0.88倍。采用外投碳源時(shí)，各缺氧區(qū)對(duì)應(yīng)脫氮負(fù)荷分別升至1.27、0.55、0.31和0.29kg·(m3·d)-1，達(dá)到實(shí)際運(yùn)行的2.40、2.75、3.10、1.81倍，是采用原水碳源的2.05、1.72、1.72、2.07倍，脫氮消耗的C/N分別降至4.56、4.66、5.13和4.56。
當(dāng)采用原水碳源時(shí)，在碳源與硝氮基質(zhì)充足時(shí)，前缺氧各級(jí)懸浮載體脫氮負(fù)荷均較系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行得到提升，且與硝化一致，工程中脫氮負(fù)荷越小，高基質(zhì)下的負(fù)荷提升效果越明顯。原因也與生物膜傳質(zhì)梯度有關(guān)，基質(zhì)的升高使生物膜處理潛力進(jìn)一步得到釋放。而P-A由于在實(shí)際運(yùn)行時(shí)采用外投碳源的方式，小試采用原水碳源出現(xiàn)負(fù)荷降低的原因主要與原水碳源利用效率更低有關(guān)。采用外投碳源時(shí)，由于含有更多易生物降解的優(yōu)質(zhì)碳源，較小試原水碳源具有更強(qiáng)的可利用性，有利于促進(jìn)反硝化速率，致使缺氧各級(jí)懸浮載體脫氮負(fù)荷均出現(xiàn)更大幅提升，且提升效果遠(yuǎn)高于原水碳源，說(shuō)明當(dāng)進(jìn)水TN負(fù)荷超標(biāo)或原水碳源不足時(shí)，臨時(shí)通過(guò)外投碳源的方式可以顯著提升系統(tǒng)脫氮負(fù)荷，提高系統(tǒng)抗沖擊性，保證出水氮素穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。而P-A在外投碳源條件下小試負(fù)荷高于工程實(shí)際運(yùn)行的原因則主要與硝氮和碳源質(zhì)量濃度更高有關(guān)，強(qiáng)化了生物膜傳質(zhì)效果，進(jìn)而增強(qiáng)了脫氮效率。
純膜MBBR系統(tǒng)在進(jìn)水沖擊時(shí)可以顯著提升污染物去除負(fù)荷，但受限于各級(jí)HRT較短，在沖擊時(shí)仍存在基質(zhì)在不同分級(jí)之間穿透的情況，從而使系統(tǒng)中各級(jí)懸浮載體生物膜都富集一定基數(shù)的功能菌，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行面臨進(jìn)水沖擊時(shí)，生物膜傳質(zhì)梯度增加，可以使前期富集的功能菌得到利用，進(jìn)一步釋放生物膜處理潛力，提高系統(tǒng)抗沖擊性，保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。為保證硝化效果，應(yīng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)盡可能在前缺氧區(qū)將原水碳源利用殆盡，為保證脫氮效果，在面臨大幅度進(jìn)水沖擊時(shí)，可以通過(guò)臨時(shí)投加外投碳源的方式，使系統(tǒng)脫氮效率顯著提升，以保證出水達(dá)標(biāo)。
2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析
對(duì)純膜MBBR系統(tǒng)不同分級(jí)的脫氮功能菌組成進(jìn)行分析，對(duì)于好氧區(qū)，各級(jí)生物膜優(yōu)勢(shì)硝化菌組成相同，但相對(duì)豐度存在差異。如圖9所示，優(yōu)勢(shì)硝化菌屬包括Nitrosomonas(亞硝化單胞菌)和Nitrospira(硝化螺旋菌)。其中，Nitrosomonas為亞硝化菌(ammoniaoxidizingbacteria，AOB)，能夠?qū)?/span>NH4+-N氧化為NO3−-N，在O1~O3及P-O中相對(duì)豐度分別為1.73%、1.69%、3.27%、3.11%和1.65%。Nitrospira為NOB(亞硝酸鹽氧化菌)，將NO2−-N氧化為NO3−-N，部分菌屬也具備直接將氨氮氧化為硝酸鹽氮的能力，其在O1~O4及P-O中的相對(duì)豐度分別為5.50%、11.44%、10.96%、5.65%和1.91%，因此，純膜MBBR系統(tǒng)O1~O3及P-O中硝化菌合計(jì)相對(duì)豐度分別可達(dá)7.23%、13.13%、14.23%、8.76%、3.56%。ZHOU等通過(guò)研究?jī)杉?jí)AO純膜MBBR工藝生物膜微生物多樣性時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物膜中硝化菌主要菌屬Nitrosomonas和Nitrospira在前好氧2級(jí)中相對(duì)豐度同樣高于一級(jí)，可能也與前缺氧區(qū)出水存在部分未利用的有機(jī)物導(dǎo)致對(duì)好氧一級(jí)硝化效果造成了一定抑制導(dǎo)致。
高晨晨等研究表明，在長(zhǎng)三角和華北地區(qū)9座城市污水處理廠中，活性污泥中硝化菌同樣為Nitrosomonas和Nitrospira，但兩者相對(duì)豐度均值合計(jì)僅為3.27%。有研究表明，在與本項(xiàng)目距離及水質(zhì)相近的青島某污水廠活性污泥系統(tǒng)中，AOB與NOB相對(duì)豐度合計(jì)僅為1.58%。而同樣位于青島的某污水廠活性污泥系統(tǒng)中，AOB與NOB在半年內(nèi)合計(jì)相對(duì)豐度僅為0.33%~0.96%。可見對(duì)于活性污泥法，不同項(xiàng)目受具體水質(zhì)及運(yùn)行條件影響，硝化菌相對(duì)豐度并不相同，純膜MBBR工藝中硝化菌類型與活性污泥法較為相似，但主要硝化區(qū)硝化菌相對(duì)豐度顯著高于活性污泥法。
通過(guò)伯杰細(xì)菌鑒定手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)描述的具有普遍脫氮屬性的菌屬作為脫氮菌。缺氧區(qū)脫氮菌組成如圖10所示。其中優(yōu)勢(shì)脫氮菌屬主要包括Denitratisoma、Flavobacterium、Hyphomicrobium、Terrimonas、Rhodobacter等，DNB_others為相對(duì)豐度低于1%的脫氮菌相對(duì)豐度加和。Denitratisoma為革蘭氏陰性反硝化菌，能夠利用不同類型的碳源進(jìn)行反硝化，根據(jù)生長(zhǎng)環(huán)境差異，其反硝化產(chǎn)物包括N2O、N2等多種形式。該菌屬在A1~A3及P-A中相對(duì)豐度逐漸由6.14%降至1.69%，分析原因主要有兩點(diǎn)，首先，其相對(duì)豐度下降與基質(zhì)質(zhì)量濃度逐漸降低有關(guān)；其次，前后缺氧雖然碳源類型不同，但該菌屬在P-A中基質(zhì)充足的基礎(chǔ)上仍維持在較低豐度，表明其或許更適合利用原水大分子有機(jī)碳源進(jìn)行脫氮。Flavobacterium為常見異養(yǎng)反硝化菌，屬于擬桿菌門，能降解羥基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)。在低氧或無(wú)氧條件下，能利用NO3−-N或NO2−-N作為最終電子受體進(jìn)行無(wú)氧呼吸，同時(shí)具備將多種大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物的能力，該菌屬在不同缺氧區(qū)相對(duì)豐度維持在1.43%~2.60%，無(wú)明顯變化，其對(duì)不同碳源的利用能力可能相似。Hyphomicrobium屬于變形菌門，可利用有毒難降解有機(jī)物進(jìn)行反硝化脫氮，如二氯甲烷、甲胺磷、二甲基硫醚和甲醇等，還可參與多環(huán)芳烴(polycyclicaromatichydrocarbons，PAHs)污染水體中菲的降解。該菌屬在前缺氧區(qū)中相對(duì)豐度逐漸由4.62%降至2.13%，在后缺氧區(qū)中則升至3.12%，其相對(duì)豐度與脫氮負(fù)荷呈明顯正相關(guān)，該菌屬的出現(xiàn)及較高的相對(duì)豐度或許說(shuō)明了進(jìn)水中含有部分難降解有毒物質(zhì)。Terrimonas屬于擬桿菌門，部分菌種屬于嚴(yán)格好氧化能異養(yǎng)菌，不僅能夠進(jìn)行好氧反硝化，還可以參與蒽類物質(zhì)，包括苯并芘和布洛芬的降解。該菌屬在前缺氧區(qū)中的相對(duì)豐度逐漸由3.67%降至1.31%，而在P-A中則升至5.29%，說(shuō)明該菌屬更容易利用乙酸鈉等小分子有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化脫氮，但同時(shí)也能進(jìn)行原水中大分子有機(jī)物的降解。Rhodobacter為兼性厭氧菌，屬于變形菌門，在污水處理系統(tǒng)中較為常見，多可通過(guò)光合作用進(jìn)行獲得能量，進(jìn)行自養(yǎng)或異養(yǎng)生長(zhǎng)，具有較為顯著的代謝多樣性。該菌屬在A1~A3及P-A中相對(duì)豐度維持在2.71%~5.68%，但無(wú)明顯變化規(guī)律。綜合來(lái)看，脫氮菌在A1~A3及P-A中合計(jì)合計(jì)相對(duì)豐度分別達(dá)到16.52%、13.61%、10.85%、12.65%，與脫氮效果具有一定正相關(guān)性，保障了出水氮素的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。此外，缺氧區(qū)還存在CandidatusBrocadia類型厭氧氨氧化菌，在A1和A2中的相對(duì)豐度分別達(dá)到1.25%和1.53%，該菌屬能夠在缺氧條件下利用NH4+-N和NO2−-N反應(yīng)生成N2，實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)脫氮，一方面能夠強(qiáng)化系統(tǒng)TN去除，另一方面能夠彌補(bǔ)進(jìn)水碳源的不足，減少外投碳源量。厭氧氨氧化菌的存在也也為前缺氧氨氮去除提供了微觀支撐。該項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氧化菌屬與西安第四污水處理廠缺氧區(qū)懸浮載體生物膜中發(fā)現(xiàn)的主要厭氧氨氧化菌類型一致，但相對(duì)豐度較之(0.043%)提高了30倍以上，NEJIDAT等研究了城市污水處理廠高碳氮比下不同隔間內(nèi)的厭氧氨氧化菌的豐度和多樣性，結(jié)果表示，高碳氮比的主流城市污水處理廠中，厭氧氨氧化菌優(yōu)勢(shì)菌屬同樣為CandidatusBrocadia，說(shuō)明其相比其他厭氧氨氧化菌屬更能適應(yīng)城市污水高碳氮比水質(zhì)環(huán)境。至于厭氧氨氧化菌所需基質(zhì)NO2−-N的來(lái)源，則可能是在較低的進(jìn)水C/N下，結(jié)合純膜MBBR較低的HRT，為短程反硝化的發(fā)生提供了條件，也為厭氧氨氧化脫氮提供了基質(zhì)。
純膜MBBR系統(tǒng)FISH檢測(cè)結(jié)果如圖11所示，對(duì)于缺氧區(qū)，在A1和A2中同樣檢測(cè)出厭氧氨氧化菌(紅色部分)的存在，而在A3和P-A中則含量很少。對(duì)于好氧區(qū)，O1~O3中硝化菌(綠色+淺紅色)含量較高，而O4中硝化菌含量明顯降低。另外，同高通量測(cè)序結(jié)果類似，系統(tǒng)中硝化菌主要為NOB，而AOB含量很少。整體上，FISH檢測(cè)結(jié)果與高通量測(cè)序結(jié)果較為一致。
純膜MBBR各主要功能區(qū)懸浮載體功能菌相對(duì)豐度及最大污染物去除負(fù)荷如表4所示，對(duì)于好氧區(qū)，功能菌相對(duì)豐度指硝化菌相對(duì)豐度(圖9)，對(duì)于缺氧區(qū)，功能菌相對(duì)豐度指脫氮菌相對(duì)豐度(圖10)。最大污染物去除負(fù)荷指在基質(zhì)充足條件下且最能反映實(shí)際運(yùn)行效果的小試負(fù)荷，對(duì)于硝化，則以O1作為進(jìn)水的小試結(jié)果，對(duì)于脫氮，則以原水碳源下A1~A3小試負(fù)荷及外投碳源下P-A負(fù)荷進(jìn)行表征。整體上，功能菌相對(duì)豐度與最大污染物去除負(fù)荷呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。另外，在工程運(yùn)行中污染物去除效果不明顯的A3與O4，既有污染物去除負(fù)荷也有一定的功能菌相對(duì)豐度，驗(yàn)證了實(shí)際運(yùn)行時(shí)，存在水質(zhì)基質(zhì)穿透從而為功能菌的富集提供了條件。
TORRESI等通過(guò)三級(jí)純膜MBBR反硝化研究，觀察到幾種藥物的去除率與相關(guān)反硝化基因的豐度呈正相關(guān)，但與生物多樣性無(wú)關(guān)。本研究對(duì)缺氧區(qū)和好氧區(qū)污染物最大去除負(fù)荷與功能菌相對(duì)豐度之間進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖12所示。缺氧區(qū)和好氧區(qū)污染物最大去除負(fù)荷與功能菌相對(duì)豐度之間呈顯著正相關(guān)。可見，純膜MBBR高效處理效果的前提為功能菌群的強(qiáng)化富集，通過(guò)線性擬合方程結(jié)合高通量測(cè)序結(jié)果，可以近似得到各功能區(qū)最佳污染物去除負(fù)荷，從而為工程中系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力提供數(shù)據(jù)參考。
3、結(jié)論
1)純膜MBBR耦合改良磁加載沉淀工藝具有更高的污染物去除負(fù)荷，HRT可節(jié)省約50%，基于純膜MBBR的BFM工藝在進(jìn)水水質(zhì)間歇超標(biāo)的前提下仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的處理效果，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。
2)采用前缺氧3級(jí)、主好氧4級(jí)、后缺氧和后好氧均為單級(jí)的多段分級(jí)A/O設(shè)置，純膜MBBR系統(tǒng)氨氮去除率超過(guò)80%發(fā)生在O1~O3，系統(tǒng)TN去除率超過(guò)75%發(fā)生在前缺氧A1~A2，O4和A3的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力。
3)純膜MBBR優(yōu)勢(shì)硝化菌為Nitrospira和Nitrosomonas，在主好氧區(qū)相對(duì)豐度分別達(dá)到3.50%~6.91%和0.65%~2.28%，優(yōu)勢(shì)反硝化菌屬(Denitratisoma、Flavobacterium、Hyphomicrobium、Terrimonas和Rhodobacter等)的合計(jì)相對(duì)豐度10.85%~16.52%。純膜MBBR在前缺氧區(qū)提高了CandidatusBrocadia型厭氧氨氧化菌富集效率，相對(duì)豐度達(dá)到1.21%~1.56%，為主流厭氧氨氧化的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。
4)純膜MBBR缺氧區(qū)與好氧區(qū)不同分級(jí)之間，最大污染物去除負(fù)荷與功能菌相對(duì)豐度均呈現(xiàn)正相關(guān)性，并分別滿足y=0.078x-0.069(R2=0.94)和y=0.031x+0.029(R2=0.78)。純膜MBBR通過(guò)多級(jí)多段設(shè)計(jì)，優(yōu)化脫氮路徑，充分發(fā)揮MBBR處理優(yōu)勢(shì)，具備節(jié)地效果好，抗沖擊能力高等優(yōu)勢(shì)。（來(lái)源：青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司，青島思普潤(rùn)水處理股份有限公司，青島市綠色低碳生物膜與水環(huán)境恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，煙臺(tái)市城市排水服務(wù)中心，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司）
