0 引 言
反硝化除磷菌(denitrifying polyphosphate accumulating organisms, DNPAOs)以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮作为电子受体，细胞内聚羟基烷酸(PHAs)为电子供体。相对于传统的好氧生物处理，DNPAOs理论上可节约50%的碳源、减少30%的曝气量，同时减少50%的剩余污泥产量[1,2]。
王建龙等[3]以厌氧-好氧-缺氧-好氧模式运行SBR反应器，成功实现了反硝化除磷；王晓莲等[4]通过控制部分运行参数在A2/O反应器中成功富集了反硝化除磷菌。但无论是SBR还是A2/O工艺都属于单污泥系统，系统中的功能微生物如硝化菌、反硝化除磷菌等在碳源、HRT和SRT等因素上存在竞争，很难在一个系统中同时实现氮磷的高效去除。而ABR具有微生物相分离等特征[5]，且在生物产氢-产甲烷方面具有显著优势，马天楠等[6]采用Andrews模型建立了ABR处理效能与能量回收率之间的内在联系。MBR反应器具有良好的截流作用，可保留世代周期较长的微生物，实现对污水的深度净化。通过反硝化除磷“一碳两用”的特性将厌氧ABR与好氧MBR耦合起来，可实现低耗经济的脱氮除磷。
近年来，通过ABR-MBR耦合工艺实现反硝化除磷的研究[7-9]，虽然都取得了良好的脱氮除磷效果，但由于在ABR中主动回流污泥，并通过搅拌等措施使污泥在ABR中循环流动，丧失了ABR相分离的优点。同时，由于ABR自身良好的水利条件，使得系统内易于形成颗粒污泥，但回流污泥采用的蠕动泵及搅拌等措施，会对颗粒污泥的形成造成不利影响，而颗粒污泥因其内外层存在溶氧梯度，硝态氮可由颗粒污泥外部扩散进入颗粒内使得DPAOs积聚磷酸盐[10]。故污泥回流影响了ABR自身具有的许多优势。
本研究在不回流污泥的情况下，维持ABR自身的特点，探究系统在该状态下的氮、磷及COD的去除规律，以及反硝化除磷的影响因素和机理。
1 试验部分
1.1 研究装置
试验装置如图1所示，反应器总有效容积为14.8 L，进水先经ABR后进入好氧MBR，其中ABR和MBR的有效容积比约为2∶1，ABR的5个格室依次称为A1至A5格室。反应器温度控制在31 ℃左右。采用可编程逻辑控制器(PLC)控制膜组件出水泵和反冲洗泵的启闭，一个周期为10 min(8 min出水，2 min反冲洗)。采用真空压力表来测量跨膜压差(TMP)以表征膜的污染状况，当TMP增加至30 kPa时，对膜组件进行清洗。
图1 ABR-MBR耦合工艺示意
Figure 1 Schematic diagram of ABR-MBR coupling process
1.2 进水和接种污泥
试验用水采用生活污水进行人工配制，见表1所示。接种的污泥取自苏州城市污水处理厂的A2/O工艺的二沉池污泥。经闷曝24 h后接种至反应器中，ABR反应器各格室接种高浓度污泥至ρ(MLSS)约为30000 mg/L，MBR反应器中接种污泥至ρ(MLSS)约为4000 mg/L。
表1 进水水质
Table 1 Characteristics of the raw wastewater mg/L(pH除外)
水质指标范围均值ρ(COD)200～400300ρ(NH+4-N)45～7057.5ρ(NO-2-N)0～0.010.005ρ(NO-3-N)0.05～10.5ρ(PO3-4-P)6～108pH7.1～7.37.2
1.3 试验方案
研究运行共分为3个阶段：第1阶段为污泥适应期，待ABR实现高效去碳，MBR稳定硝化后开始回流硝化液至ABR；第2阶段通过提升硝化液回流比的方式来富集反硝化除磷菌；第3阶段在上阶段研究的最优情况下，提升负荷，考察对反应器去碳及脱氮除磷效能的影响，各阶段具体的运行参数见表2所示。
表2 试验过程及参数控制
Table 2 Schemes of experimental process and parameter control
运行工况运行时间/dOLR/[kgCOD/(m3·d)]温度/℃ρ(DO)/(mg/L)回流比/%HRT/h第一阶段A(1～20)0.5031±11.0～2.0—24B(21～45)0.5031±11.0～2.010024第二阶段C(46～65)0.9031±11.0～2.010012D(66～85)0.9031±11.0～2.020012E(86～95)0.9031±11.0～2.030012第三阶段F(96～120)1.3031±11.0～2.02008
1.4 分析测定方法
水样经过0.45 μm中性滤纸过滤，以去除悬浮物的影响，水样按照标准方法测定COD、NH+4-N、NO-2-N、NO-3-N、PO3-4-P[11]。试验中检测项目及其分析方法详见表3。
2 结果与讨论
2.1 污泥适应期对碳氮去除特性
反应运行1～20 d为接种污泥的适应阶段，ABR的HRT设置为16 h，MBR为8 h，为避免由于回流造成的局部水力停留时间缩短，使得ABR尚未去碳完全就进入MBR，影响MBR内的自养硝化，先不进行回流。污水流经ABR第1和第2格室，经水解酸化以及在产酸菌的作用下，将污水中的复杂大分子有机物分解为VFAs，为反硝化除磷提供优质碳源[12], 系统启动初期COD的去除情况见图2a。系统进水ρ(COD)为350 mg/L左右，因接种的污泥为污水厂性能良好的A2/O二沉池污泥，启动初期系统出水COD去除率可达70%左右。适应期后，系统出水的COD去除率稳定在90%左右。ABR第2格室的出水ρ(COD)从初期的250 mg/L以下降到了100 mg/L左右，为后续除磷提供了足够的优质碳源的同时，也避免了硝化液回流后，COD与硝态氮优先发生反硝化反应[13]，消耗反硝化除磷所需的电子供体。适应期末期，第5格室的出水ρ(COD)稳定在50 mg/L以下，ABR反应器对有机物的高效去除，保证了后端MBR硝化过程的顺利进行，为硝化菌生长富集提供条件。韦佳敏等[14]的研究也指出ABR后段对残余COD的去除，可保证反硝化除磷菌处于最佳的富集条件，有利于DPBs淘汰异养反硝化菌成为优势菌群。
表3 检测项目分析方法
Table 3 Test indexes and analytical methods of water quality
检测项目分析方法COD快速消解法NH+4-N纳氏试剂光度法NO-2-NN-(1-基)-乙二胺分光光度法NO-3-N紫外分光光度法PO3-4-P钼锑抗分光光度法pH便携式pH计DO便携式DO测定仪温度温度计ORP便携式ORP测定仪
图2 启动初期反应器碳氮去除特性
Figure 2 Carbon and nitrogen removal characteristics of reactor at initial startup
系统启动运行初期MBR好氧区具有良好的氨氮去除效果，氨氮转化率逐步从30%上升到80%,详见图2b。当MBR中存在外碳源时，会导致异养菌增殖，削弱生长速率较慢的自养硝化菌，影响硝化性能。随着培养过程的进行，MBR中硝态氮的浓度逐步增加，ABR对有机物的高效去除也加速了后端MBR中硝化细菌的生长富集，使硝化作用有效发挥。
2.2 各运行工况下ABR-MBR耦合系统脱氮除磷去除特性
所有运行工况下ABR-MBR系统对磷的去除特性见图3a，系统进水的磷酸盐质量浓度为7～10 mg/L，在污泥适应期A工况下，污泥具有一定的吸磷能力，说明该接种污泥中就含有一定量的PAOs。随着在B工况下开始进行硝化液回流，回流比为100%时，PAOs中反硝化除磷菌活性增强，磷酸盐的去除率得到一定提高，但此时因有机负荷较低，可供DPBs利用的碳源有限。在第二阶段，将负荷提升到0.9 kg/(m3·d)时，除磷效率稳定在20%左右。运行一段时间后A4、A5格室出现了磷反释现象，根据Comeau等[15]的研究，ρ(NO-3-N)>5 mg/L时可抑制磷反释的现象。故在D阶段将回流比提高至200%，保证A5格室ρ(NO-3-N)>5 mg/L，系统稳定后出水的磷浓度下降到2 mg/L左右，去除率稳步提升至65%以上。随后进一步提升了回流比至300%，除磷效果出现了下降，分析是由于过高的回流比携带了大量的溶解氧至ABR中，影响了ABR中厌氧缺氧环境，导致DPBs活性的下降。
整个运行期间系统对氮的去除情况见图3b。启动初期，MBR就具有良好的氨氮去除率，A工况后期，出水的氨氮基本维持在1～2 mg/L左右，出水的TN基本以NO-3-N的形式存在，启动初期出水TN的去除是依靠MBR内部存在的DO浓度梯度，通过同步硝化反硝化去除的[16]。在工况B下回流硝化液后，因启动初期DPBs尚未在系统中处于优势地位，在硝酸盐与碳源同时存在的情况下，会存在异养反硝化的情况，使得TN去除率进一步提升至50%左右。随着负荷的提升，TN去除率稍有下降，在工况D下取得了最优的TN去除率，约为65%左右，继续提升回流比时，由于磷的去除受到了影响，导致DPBs的活性受到了抑制，TN去除率也呈下降趋势。
图3 各运行阶段不同工况下氮磷去除特性
Figure 3 Nitrogen and phosphorus removal characteristics under different operating conditions in each operation stage
2.3 影响因素分析
2.3.1 不同硝化液回流比对磷去除效能的影响
将MBR的硝化液回流至ABR的第2格室出水区，设置不同回流比(100%、200%、300%)考察反应器除磷效果的影响。磷的去除效能及其延程变化见图4。可知：当进水平均浓度在硝化液回流比分别为100%、200%、300%时，ABR进水的PO3-4-P浓度平均分别为7.65，7.74，7.87 mg/L，MBR出水的PO3-4-P浓度则分别为5.05，2.72，4.41 mg/L。当硝化液回流比为200%时效果最佳。系统沿程变化的分析见图4a，当回流比较低时，反硝化除磷可利用的电子受体较少，A3格室缺氧吸磷量仅有1.12 mg/L，当回流比上升至200%时，A3格室吸磷量达到3.19 mg/L，且出水保持在2～3 mg/L，电子供体的增加刺激了反硝化除磷菌的代谢活性。王聪等[17]对A2/O-BCO工艺中硝化液回流比对反硝化除磷特效的影响研究中，也发现随着回流比的增加，总磷的去除率呈现出上升。当回流比继续增加至300%时，系统的除磷效果受到了影响，分析是由于较高的回流比将MBR中大量溶解氧带入缺氧段，破坏了ABR中缺氧(厌氧)环境，抑制了DPB的缺氧吸磷能力，同时过高的硝态氮浓度也抑制了反硝化除磷菌的生长代谢。回流比的增大，间接使得缺氧段负荷增加，水力停留时间缩短。杨小梅等[18]通过对A2/O-MBBR工艺反硝化除磷下的研究也发现，缺氧吸磷量会随着硝化液回流比的增大呈现出先上升后下降的趋势。
图4 不同回流比下系统对磷的去除特性
Figure 4 Phosphorus removal characteristics of systems under different reflux rates
2.3.2 反硝化除磷与反硝化之间的竞争
传统的反硝化除磷工艺将厌氧与缺氧区域分隔开，故污水中的优质碳源先在厌氧区通过DPB转化为PHB等，以内碳源的方式贮存在细胞内，避免了发生在硝化液回流位置与异养反硝化菌竞争碳源的情况[19]。本研究并未设置污泥回流，故反硝化菌与反硝化除磷菌存在竞争碳源的情况。但有研究指出[20]，当碳源足够时，反硝化除磷菌比反硝化菌更占优势，故本研究了考察了3个有机负荷下有机物的沿程变化情况。通过调节水力停留时间，将系统进水容积负荷控制在0.5，0.9，1.3 kg/(m3·d)，考察了3个工况下有机物、磷的去除及亚硝态氮生成情况。由图5a可知，当负荷为0.5 kg/(m3·d)时，A1格室对系统COD的去除贡献占到了70%左右，同时由图5b可知，经过第1第2格室后，剩余的可生化降解的有机物已经很少，可供发生反硝化反应利用的碳源已经很有限，亚硝态氮积累量处在较低的水平，同时也受碳源限制，磷的去除也仅有1 mg/L左右。随着负荷的提升，水力停留时间缩短，有机物的去除开始向后面格室推移，0.9 kg/(m3·d)时A1格室的去除较第1阶段有所下降，A2格室对COD去除贡献率较第1阶段下明显提升，A3格室对COD的去除占比约为20%左右。该阶段中，磷的去除效果也较好，且亚硝态氮的积累量在1 mg/L以下。在此负荷下，碳源大部分被反硝化除磷菌吸收为内碳源贮存在细胞体内，反硝化反应也较适宜[21]。
图5 不同负荷下系统对碳去除变化及亚硝态氮积累情况
Figure 5 Changes in carbon removal and nitrous accumulation in different systems under different loads
2.3.3 颗粒污泥的形成及强化处理效能
反应器内污泥性状的变化见图6，在显微镜下观察接种污泥，基本呈现絮状。运行40 d后，取A3格室反硝化除磷功能区的污泥进行观察，发现絮状污泥中有颗粒污泥出现，但较细小，形状不规则；第90 d时，A3格室的污泥呈亮黑色，粒径在0.2 mm以上，且部分颗粒聚集在一起，小颗粒正逐渐聚合成大颗粒。反硝化除磷的污泥颗粒化，不仅能实现反硝化除磷低耗的特点，还能利用颗粒污泥内外环境差异强化系统厌氧缺氧环境，进一步提高了反应器处理效能[22]。
2.4 除磷机理分析
从整体上看，本工艺只存在ABR厌氧和MBR好氧两个状态，但当考察局部单个格室ORP时如图7所示，底部的ORP数值稳定在-200 EV左右，明显大于格室内中部的ORP，推测是因为硝化液回流附带了一定的溶解氧，在ABR内形成了下部缺氧中部厌氧微环境，同时由于水力冲刷、产气扰动作用以及重力沉降等使得污泥在厌氧缺氧区域内循环流动，此环境中反硝化除磷菌实现厌氧释磷，缺氧吸磷。在微观上，ABR易于形成颗粒污泥，颗粒污泥内外存在溶解氧梯度，也强化了这种厌氧缺氧交替的环境[23]。随着颗粒污泥的逐渐形成，在一定程度上促进了反硝化除磷效能的提高。反硝化除磷颗粒污泥除了生物除磷作用外，还具有磷酸盐固化于污泥颗粒方式除磷[24]。因ABR具有良好的相分离特性，保证了微生物的多样性，使得微生物在各自适宜的环境中生存。故在A3格室反硝化除磷功能区也可能存在适宜该类环境而可直接除磷的新型PAOs，未来还需通过高通量测序等分子生物学手段对此进行进一步论证。
图6 不同运行天数ABR第3格室污泥照片
Figure 6 Sludge photo of different running days in third format of ABR
图7 单个格室中ORP的变化及除磷机理
Figure 7 Changes of OPR and phosphorus removal mechanism in single cell
3 结 论
1)采用低C/N生活污水为研究对象，考察了ABR-MBR耦合工艺脱氮除磷的可行性。控制容积负荷为0.9 kg/(m3·d)，MBR中溶解氧为1～2 mg/L，在硝化液回流比为200%的情况下，磷及总氮的去除率近70%。
2)硝化液回流比对磷的去除有显著影响，硝化液回流比从100%逐渐增加至300%时，ABR缺氧吸磷量呈现出先增大后减小的趋势，A3格室平均缺氧吸磷量分别为1.12，3.19，2.23 mg/L。
3)本研究证明了在无污泥回流情况下，利用ABR-MBR耦合工艺实现了反硝化除磷。宏观上，硝化液回流为ABR创造了厌氧缺氧的环境，同时又由于水力、微生物产气、重力等综合作用使得活性污泥在厌氧缺氧环境中循环流动；微观上，逐渐形成的颗粒污泥内外存在着溶解氧梯度，进一步强化了厌氧缺氧的微环境。
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