1 引言
2010年，深圳經(jīng)濟(jì)特區(qū)市場監(jiān)督管理局發(fā)布的《再生水、雨水利用水質(zhì)規(guī)范》，把工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)、城市雜用水標(biāo)準(zhǔn)、景觀環(huán)境用水標(biāo)準(zhǔn)整合到一起，提高了再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，這對污水深度處理回用的工藝也提出了更高的要求.曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)是20世紀(jì)80年代末在歐美發(fā)展起來的新型膜法廢水處理工藝，具有處理效率高、占地面積小、基建費(fèi)用低、流程簡單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在中水回用中展示了廣闊的應(yīng)用前景.然而，在生物濾池應(yīng)用過程中，單級生物濾池脫氮效果不佳，無法達(dá)到提標(biāo)后的要求，因此，BAF進(jìn)一步改造及工藝優(yōu)化研究提到日程上來.
為進(jìn)一步提高曝氣生物濾池脫氮除磷性能，有學(xué)者對傳統(tǒng)的濾池進(jìn)行了改進(jìn)，提出了許多新型工藝形式，如折流式、側(cè)向流、復(fù)合式等曝氣生物濾池.其中，折流式BAF對水質(zhì)提高明顯，但濾池單池數(shù)較多，反沖洗控制繁瑣，運(yùn)行管理具有較大挑戰(zhàn)性(張涵，2005).側(cè)向流BAF可以延長運(yùn)行周期，減少反沖洗次數(shù).復(fù)合式曝氣生物濾池結(jié)合了兩種不同性質(zhì)的濾料，實(shí)現(xiàn)了硝化和反硝化功能分區(qū)，提高了工藝的去除能力.另外，在BAF設(shè)計過程中，濾料反沖洗效果、反沖洗后系統(tǒng)恢復(fù)時間以及操控性等也是需要充分考慮的內(nèi)容.
基于此，本研究設(shè)計了一種新型分格復(fù)合填料曝氣生物濾池(專利號：ZL201320648450.2)，通過分格，創(chuàng)造了缺氧和好氧環(huán)境，進(jìn)而提高了脫氮效率.隔板夾角保持在72°～89°，提高了好氧段曝氣效率.同時采用3種不同粒徑的填料(復(fù)合填料)，提高過濾性能，強(qiáng)化了懸浮物的去除.為進(jìn)一步優(yōu)化工藝運(yùn)行參數(shù)，提高BAF水處理效能，本研究將工藝調(diào)控手段與生物學(xué)研究相結(jié)合，優(yōu)化調(diào)控了BAF的曝氣量、水力負(fù)荷、回流比等工藝參數(shù)，并應(yīng)用微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)探討了BAF好氧區(qū)和缺氧區(qū)的微生物群落結(jié)構(gòu)與組成的差異，在保證出水水質(zhì)達(dá)到深圳市再生水標(biāo)準(zhǔn)的同時，也為該工藝處理效能的進(jìn)一步提升奠定了微生物基礎(chǔ).
2 材料與方法
2.1 試驗(yàn)裝置
本研究設(shè)計的試驗(yàn)裝置如圖 1所示.BAF池身由有機(jī)玻璃組成，寬0.15 m，長0.45 m，高1.50 m，上方開口.池身被中間隔板分隔為左右兩區(qū)，右側(cè)部分為缺氧區(qū)(BAF-A)，截面積下小上大，填有粒徑5~8 mm的陶粒，濾料體積為0.018 m3.左側(cè)為好氧區(qū)(BAF-O)，截面積下大上小，側(cè)面不同高度設(shè)有取樣口，下面裝有粒徑2~4 mm的粗砂，填料體積為0.0076 m3，上面裝有粒徑3~5 mm的陶粒，濾料體積為0.023 m3.
圖 1 分格復(fù)合填料曝氣生物濾池試驗(yàn)裝置及工藝流程圖
污水廠曝氣沉砂池的出水通過管道泵入進(jìn)水桶，進(jìn)水桶中裝有浮球閥用來控制進(jìn)水桶水位.進(jìn)水桶中的污水在蠕動泵作用下與回流的硝化液一起，經(jīng)由BAF缺氧區(qū)底部，經(jīng)過濾板、濾頭進(jìn)入缺氧區(qū)，在缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化脫氮和磷的厭氧釋放;然后通過頂部的聯(lián)通管流入好氧區(qū)，同時氣體經(jīng)由曝氣泵通過砂濾區(qū)底部的穿孔曝氣管進(jìn)入好氧區(qū)，在好氧區(qū)中由下而上，與水流保持逆向，提高曝氣效率.污水在好氧區(qū)中通過陶粒上的生物膜作用進(jìn)行有機(jī)物的降解、氨氮硝化和磷的吸收.從好氧池流出的水進(jìn)入底部砂濾區(qū)，進(jìn)一步去除濁度.排出池外的水一部分經(jīng)蠕動泵回流到缺氧區(qū)底部，與進(jìn)水混合后再次進(jìn)入到系統(tǒng)，另一部分則匯入出水桶，經(jīng)出水桶排出系統(tǒng).
系統(tǒng)設(shè)有兩套反沖洗裝置.反沖洗缺氧區(qū)時，水從裝置右下角反沖洗管進(jìn)入，從右上角反沖洗排水口排出;反沖洗好氧區(qū)時，先通過左下角反沖洗進(jìn)氣管壓縮空氣，進(jìn)行氣洗，然后通過左下角反沖洗進(jìn)水管排入反沖洗水，進(jìn)行水氣聯(lián)合反沖洗，反沖洗后的水從左上角反沖洗口排出，完成反沖洗過程.
2.2 反應(yīng)器啟動及調(diào)試
反應(yīng)器接種的活性污泥取自 污水廠好氧池，污泥沉降比為23%，混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)為2706 mg · L-1.取活性污泥15 L加入BAF反應(yīng)器，同時加入15 L營養(yǎng)液(成分為曝氣沉砂池出水 : 面粉 : 酸奶=150 : 1.15 : 1)浸沒陶粒載體，開啟氣泵進(jìn)行悶曝.連續(xù)悶曝24 h后再將池體內(nèi)的混合液排空，重復(fù)此操作3次.缺氧區(qū)停止曝氣，從缺氧區(qū)底部的進(jìn)水閥開始小流量連續(xù)進(jìn)水.進(jìn)水直接采用市政污水二級處理廠曝氣沉砂池出水，水質(zhì)參數(shù)如表 1所示，由于進(jìn)水直接取自污水處理廠，水質(zhì)受夏季降水、居民生活習(xí)慣等影響波動較大.進(jìn)水流量為10 L · h-1，水力停留時間(HRT)5 h.同時每天檢測進(jìn)出水COD和氨氮濃度，觀察COD、氨氮的去除狀況和填料表面膜生長情況，并以此來判斷掛膜是否成功.
馴化掛膜成功后，依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014—2006)，結(jié)合現(xiàn)場反應(yīng)器運(yùn)行狀況設(shè)計了不同水力負(fù)荷、回流比、曝氣量，分別探討不同曝氣量、回流比、水力負(fù)荷等操作條件對工藝的影響，分析脫氮的區(qū)域規(guī)律及除磷效果.具體操作如下：①把進(jìn)水流量固定為20 L · h-1，回流流量20 L · h-1，通過氣量計控制曝氣量分別為4.5、3.5、3.0、2.0 L · min-1，考察系統(tǒng)脫氮除磷效果，獲得工藝最佳曝氣量;②把進(jìn)水流量定為20 L · h-1，曝氣量控制在最佳，調(diào)回流比為75%、100%、125%，考察系統(tǒng)脫氮除磷效果，獲得工藝最佳回流比;③將回流比、曝氣量控制在最佳，將水力負(fù)荷分別調(diào)整為40、30、20 m3 · m-3 · d-1，研究水力負(fù)荷與污染物去除規(guī)律及系統(tǒng)的脫氮除磷效果，獲得工藝最佳的水力負(fù)荷.將曝氣量、回流比、水力負(fù)荷均控制在最佳狀態(tài)運(yùn)行反應(yīng)器，采集反應(yīng)器不同區(qū)域水樣，監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行區(qū)域脫氮規(guī)律及除磷研究.同時在反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時獲取缺氧區(qū)和好氧區(qū)填料表面生物膜，用于分析微生物群落特征.
表1 廣西某污水處理廠曝氣沉砂池出水水質(zhì)
2.3 水質(zhì)指標(biāo)測試方法
化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮、總磷(TP)、硝酸鹽、亞硝酸鹽等水質(zhì)指標(biāo)均用哈希公司的HACH試劑來測定，消解儀為DRB200(HACH)，光度計采用DR2800便攜式分光光度計(HACH)，pH、溶解氧(DO)的檢測采用便攜式多參數(shù)分析儀(HQ40D，HACH)，濁度采用便攜式濁度儀(2100Q，HACH)測量.
2.4 微生物群落分析
獲取反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時好氧區(qū)生物膜(BAF-O)和缺氧區(qū)生物膜(BAF-A)，梯度稀釋后，采用LB培養(yǎng)基，以平板傾倒法對稀釋菌液進(jìn)行好氧培養(yǎng)，28℃培養(yǎng)2 d后對異養(yǎng)菌進(jìn)行計數(shù).
采用土壤DNA提取試劑盒(Mobio，美國)提取生物膜微生物總DNA.對于微生物群落的結(jié)構(gòu)分析，以總DNA為模板，根據(jù)文獻(xiàn)，采用細(xì)菌16S rDNA通用引物BA101F/BA534R，進(jìn)行PCR擴(kuò)增及PCR產(chǎn)物的DGGE分析.DGGE圖譜中條帶回收并測序后，應(yīng)用RDP(http://rdp.cme.msu.edu/)中的Seq Match程序進(jìn)行分類，測序獲得的條帶已經(jīng)遞交至GenBank，登錄號為JN977418~JN977430.對于微生物群落的組成分析，采用基于Illumina公司Miseq平臺的高通量測序技術(shù)進(jìn)行.PCR擴(kuò)增應(yīng)用16S rDNA V4區(qū)保守引物515f/806r，擴(kuò)增程序及條件參考文獻(xiàn)進(jìn)行.測得的序列通過拼接及篩選后，以相似性97%為標(biāo)準(zhǔn)獲得操作分類單元(OTU)，OTU通過RDP數(shù)據(jù)庫中的Classifer程序進(jìn)行檢索分類，分析群落的微生物種類組成及相對豐度.
3 結(jié)果
3.1 反應(yīng)器填料掛膜及啟動
反應(yīng)器在啟動第8天，COD去除率達(dá)到60%，第9天達(dá)到86%，出水濃度在30.00 mg · L-1以下，之后COD去除率一直維持在85%以上.啟動第6天時，氨氮去除率穩(wěn)定在96%，出水濃度低于1.00 mg · L-1，去除率一直穩(wěn)定在90%以上.填料表面可見附有淺黃色絮體，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，填料表面附著物逐漸增厚致密，至第13天完全覆蓋陶粒表面，綜合表明系統(tǒng)掛膜啟動成功.
3.2 影響工藝效果的因素及調(diào)試
3.2.1 曝氣量對系統(tǒng)脫氮效果的影響
溶解氧含量被認(rèn)為是影響系統(tǒng)脫氮的關(guān)鍵因素之一，它對工藝的硝化過程起著決定作用.圖 2為系統(tǒng)在不同曝氣量條件下COD、氨氮、TN去除率變化情況，由于進(jìn)水直接取自污水處理廠，水質(zhì)水量受夏季降水、居民生活習(xí)慣等影響較大，導(dǎo)致TN去除率在不同曝氣量時有所波動.根據(jù)該圖可以看出，當(dāng)曝氣量為3.0 L · min-1時，系統(tǒng)處理效果穩(wěn)定，效率優(yōu)于其它曝氣量，在此條件下，COD平均去除率為72%，出水COD濃度為19.40 mg · L-1;氨氮去除率為90%，出水氨氮0.47 mg · L-1，TN去除率為54%，出水TN 11.00 mg · L-1.
圖 2 不同曝氣量條件下COD、氨氮、TN的去除特征(a)以及硝酸鹽、亞硝酸鹽的變化(b)
一般情況下，曝氣量越大，單位面積氣體供給量越大，池中溶解氧就越大，越有利于異養(yǎng)細(xì)菌和硝化細(xì)菌生長.如在4.5 L · min-1下，COD去除達(dá)到最大值.異養(yǎng)菌的大量繁殖不僅會抑制硝化細(xì)菌活性，使硝化過程受阻，而且還會與反硝化細(xì)菌爭奪碳源，使碳源快速分解，導(dǎo)致反硝化細(xì)菌無法獲得充足碳源和電子供體，進(jìn)而抑制反硝化進(jìn)程.另外，氧在環(huán)境中的穿透力隨著DO的增加而增強(qiáng)，DO能進(jìn)入微生物絮體內(nèi)部，破壞反硝化環(huán)境，導(dǎo)致硝酸鹽無法有效去除，進(jìn)而使出水硝酸鹽上升(圖 2b).
在曝氣量4.5 L · min-1時，出水硝酸鹽大于9.00 mg · L-1，高于其它曝氣條件.有研究認(rèn)為，曝氣量過大，回流缺氧區(qū)溶解氧增大，反硝化過程將受到抑制(徐亞明和蔣彬，2002)，但本工藝沒有出現(xiàn)這樣的問題，缺氧區(qū)的硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度均比較低，COD也得到很好的降解，整個過程COD去除率為76%.在曝氣量為2.0 L · min-1時，池中DO在2.5 mg · L-1以下，低DO不利于硝化細(xì)菌生長，阻礙了硝化過程的進(jìn)行，氨氮去除效果下降，平均出水濃度為3.4 mg · L-1，高于其他曝氣情況.另外，曝氣量低，氣體傳質(zhì)速率降低，異養(yǎng)菌利用DO降解有機(jī)物過程受到限制，表現(xiàn)為COD去除率的下降(圖 2a).也有研究(Puznava et al., 2001)通過調(diào)整曝氣量將曝氣生物濾池反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度控制在0.50~3.00 mg · L-1，從而控制溶解氧不擴(kuò)散到生物膜內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化.但本研究降低曝氣量后，TN去除并沒有提高，同步硝化反硝化過程沒有得到強(qiáng)化.從圖 2b還可以看出，曝氣量為3.0 L · min-1時，缺氧區(qū)亞硝酸鹽出現(xiàn)積累，反硝化不徹底，但系統(tǒng)最終TN去除仍達(dá)54%，說明好氧區(qū)仍然存在反硝化作用.
3.2.2 不同水力負(fù)荷條件下的脫氮效果
分別對水力負(fù)荷為40、30、20 m3 · m-3 · d-1條件下的工藝的運(yùn)行效果進(jìn)行了監(jiān)測分析(圖未給出).結(jié)果表明，水力負(fù)荷為20 m3 · m-3 · d-1時，系統(tǒng)有較好的脫氮效果，總氮去除率達(dá)到48%，氨氮88%.而在水力負(fù)荷為40 m3 · m-3 · d-1時，COD、氨氮、TN去除均不穩(wěn)定，波動范圍大，其中COD去除率為50%~85%，氨氮為43%~ 92%，TN為10%~64%.水力負(fù)荷降低到30 m3 · m-3 · d-1，COD，氨氮和TN的去除均有提高，其中COD去除率穩(wěn)定的保持在83%，氨氮波動大，但平均去除率也在83%上，TN去除極不穩(wěn)定，在20%~56%間波動，平均去除率為39%.這是因?yàn)榻档退ω?fù)荷，水力停留時間延長，濾速降低，使微生物與有機(jī)物接觸更加充分，有利于有機(jī)物的降解.特別是對一些世代周期長，生長速率慢的微生物，如硝化細(xì)菌，反硝化細(xì)菌，延長水力停留時間，可增加生物膜生物量，提高氨氮和TN的去除率.為此，進(jìn)一步降低水力負(fù)荷，使水力負(fù)荷維持在20 m3 · m-3 · d-1下，無論是去除率還是去除率穩(wěn)定性均得到進(jìn)一步提高，特別是TN的去除，由最低時10%升高到53%，并穩(wěn)定在50%左右.水力負(fù)荷的進(jìn)一步降低，降低了濾速，減輕了污水對載體表面生物膜的沖刷，生物膜不斷增厚，阻擋了DO進(jìn)入膜內(nèi)，于是在膜內(nèi)部形成了缺氧環(huán)境，有利于同步硝化反硝化發(fā)生，提高了TN在好氧區(qū)的去除效果.從工程角度講，過低的水力負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)上和時間方面缺乏合理性，在滿足水處理要求時，應(yīng)盡量提高其水力負(fù)荷，以降低單位污水處理能耗.本研究中水力負(fù)荷維持在20 m3 · m-3 · d-1下時，出水即已經(jīng)達(dá)到出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，故未進(jìn)一步降低水力負(fù)荷.
研究表明，水力負(fù)荷提高，易沖刷掉填料表面微生物，微生物與底物的接觸反應(yīng)時間減少，不利于有機(jī)物的降解(蔣軼鋒等，2010; Liu et al., 2010).但在一定的容積負(fù)荷范圍內(nèi)，濾速的提高不但不會降低BAF的去除能力，而且還可提高硝化效率(王舜和和郭淑琴，2008; Pujol，2010).主要原因是高濾速一方面可以提高內(nèi)部的傳質(zhì)效率，另一方面還可以加快生物膜的更新，促進(jìn)生物活性.就本工藝而言，20 m3 · m-3 · d-1的水力負(fù)荷為較佳的負(fù)荷，過高的濾速將增加水流速度和水力剪切力，易洗脫生物膜及破壞膜內(nèi)缺氧環(huán)境，縮短污水在系統(tǒng)中的停留時間，限制有機(jī)物的降解.
3.2.3 不同回流比對工藝運(yùn)行效果的影響
探討了回流比為125%、100%、75%條件對COD、TN的去除效果(圖未給出)，結(jié)果表明各回流比條件下，TN的去除無顯著差異，去除率分別為48%、49%、50%.氨氮在回流比125%下有高且穩(wěn)定的去除率，平均去除率為91%，平均出水濃度為1.19 mg · L-1，而回流比100%、75%下氨氮去除不穩(wěn)定，在60%~99%間波動，平均去除率分別為75%、80%.COD在125%回流比下去除率為81%，高于其它回流比.
回流比75%下，大部分氨氮被去除并在好氧區(qū)經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，好氧區(qū)末端硝酸鹽平均濃度為7.70 mg · L-1.好氧區(qū)末端的硝酸鹽回流至缺氧區(qū)，在缺氧區(qū)利用進(jìn)水碳源，以硝酸根為電子受體發(fā)生反硝化作用，但反硝化不徹底，缺氧池仍剩余1.92 mg · L-1的硝酸鹽.回流比升高到100%，氨氮去除率為75%，好氧區(qū)末端硝酸鹽升高至9.40 mg · L-1，氨氮濃度僅為0.34 mg · L-1，氨氮基本上分部轉(zhuǎn)為硝酸鹽.然而，此時反硝化作用并沒有明顯提高，導(dǎo)致缺氧區(qū)硝酸鹽升高(2.13 mg · L-1).到回流比調(diào)整為125%時，氨氮平均去除率90%以上，出水濃度為1.19 mg · L-1，說明該回流比下，硝化細(xì)菌活性好，但反硝化作用卻不理想，缺氧區(qū)剩余硝酸鹽濃度平均為3.30 mg · L-1.由此可知，硝酸鹽不是反硝化的限制因子，監(jiān)測結(jié)果顯示，該時段進(jìn)水COD只有87.00 mg · L-1，碳源不足是反硝化進(jìn)行不徹底的主要原因.另外，回流越大，會把好氧末端DO帶到缺氧段，影響反硝化作用，使缺氧段不能把回流的硝酸鹽全部反硝化，最終導(dǎo)致TN平均去除率低于50%.一般而言，回流比越大，從好氧區(qū)回流至缺氧區(qū)的硝酸鹽就越多，回流液和進(jìn)水硝酸鹽就被缺氧區(qū)反硝化細(xì)菌反硝化而去除，從而去除總氮.就本工藝而言，回流比過高并不有利于脫氮，主要原因是會導(dǎo)致缺氧區(qū)反硝化作用不徹底，還有一部分硝酸鹽沒有去除，TN去除受到制約.但較大的回流比卻能提高COD的去除，回流比從75%升高到125%，COD去除率從74%升高到81%，這是由于回流比提高一方面可以更新生物膜，維持系統(tǒng)內(nèi)微生物較高活性，另一方面，更多的硝酸鹽回流到缺氧區(qū)，反硝化菌就需要更多碳源來進(jìn)行反硝化作用，這就強(qiáng)化了有機(jī)物在缺氧段的降解.
3.3 有機(jī)物去除規(guī)律
設(shè)置反應(yīng)器曝氣量為3.0 L · min-1，水力負(fù)荷為10 m3 · m-3 · d-1，回流比為125%，運(yùn)行反應(yīng)器至穩(wěn)定.采集裝置中不同區(qū)段水樣，檢測水質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果如圖 3所示.根據(jù)該圖發(fā)現(xiàn)，COD、TN、硝酸鹽去除主要發(fā)生在缺氧區(qū).進(jìn)水和回流液在池底混合后流入到缺氧區(qū)，其中COD由混合后的36.50 mg · L-1下降到18.00 mg · L-1，去除率達(dá)50%，TN由混合后的22.00 mg · L-1下降到13.00 mg · L-1，去除率為41%，硝酸鹽由混合液的4.30 mg · L-1下降到2.30 mg · L-1.這是因?yàn)槿毖鯀^(qū)中的反硝化細(xì)菌利用進(jìn)水中的碳源來反硝化回流液和進(jìn)水中的硝酸鹽，生成N2或N2O，從而去除氮，降解有機(jī)物，同時生成了堿度，pH值升高.但反硝化過程不徹底，還有部分硝酸鹽未去除，剩余2.30 mg · L-1，亞硝酸鹽積累為1.25 mg · L-1.此外，聚磷菌利用進(jìn)水中的可揮發(fā)性脂肪酸來合成儲能物質(zhì)，同時水解胞內(nèi)聚磷產(chǎn)生正磷酸鹽，表現(xiàn)為釋磷.試驗(yàn)過程中檢測到TP在缺氧區(qū)升高0.75 mg · L-1，這也證實(shí)了在缺氧區(qū)伴隨磷的釋放.
氨氮在缺氧區(qū)也有去除，由混合后的7.50 mg · L-1 下降到4.50 mg · L-1，去除率為40%.分析認(rèn)為，在缺氧區(qū)存在厭氧氨氧化細(xì)菌氧化氨氮，DGGE指紋圖譜分析證實(shí)了缺氧段存在氨氧化細(xì)菌.進(jìn)入好氧區(qū)后，氨氮進(jìn)一步去除，由4.50 mg · L-1降到0.50 mg · L-1，去除率達(dá)88.8%，且氨氮去除主要集中在4#至曝氣管這一區(qū)域，這是因?yàn)樵浇咏貧夤埽芙庋踉匠渥�，填料表面布滿了大量硝化螺菌(Nitrospira spp.)，豐度可達(dá)8%，它能氧化氨氮為亞硝酸鹽和硝酸鹽，從而去除氨氮.
試驗(yàn)過程中，硝酸鹽濃度沿著池體由上而下增大，3#是2.80 mg · L-1，4#升高到5.00 mg · L-1，至出水時達(dá)到7.20 mg · L-1，硝酸鹽的升高源于氨氮的硝化，這說明硝化過程主要發(fā)生在靠近曝氣管區(qū)域.TN進(jìn)入好氧池，在池頂部至3#區(qū)域有下降，主要是因?yàn)殡x曝氣管越遠(yuǎn)，氣泡在上升過程中越容易受到填料的阻擋，氣體傳質(zhì)受到影響，氣體很難穿過生物膜進(jìn)入膜內(nèi)，容易在膜內(nèi)形成缺氧環(huán)境，構(gòu)成了同步硝化反硝化環(huán)境.此外，監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)整個好氧段中氨氮轉(zhuǎn)化量要比硝酸鹽和亞硝酸鹽生成量大(圖 3)，Wang等認(rèn)為這部分氮損失一方面可能微生物用于自身代謝，另一方面有可能是發(fā)生了同步硝化反硝化.pH監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域并沒有因?yàn)榘l(fā)生硝化作用消耗堿度而使得pH值下降，pH值不但沒有降低反而有所升高，由7.32升高到7.45，產(chǎn)生了堿度，綜合證實(shí)好氧區(qū)域發(fā)生了同步硝化反硝化作用.但同步硝化反硝化效率比較低，這主要是受碳源限制，COD經(jīng)過缺氧區(qū)后下降到18.00 mg · L-1，碳源嚴(yán)重不足，微生物只能靠內(nèi)源呼吸進(jìn)行反硝化作用，但內(nèi)源呼吸率低，這就決定了同步硝化反硝化效率低.在4#至曝氣管區(qū)域還檢測到TN的升高，這可能是由于池底死亡的微生物不能及時排出系統(tǒng)，微生物發(fā)生解體而釋放出N，導(dǎo)致局部TN值高.COD沿著池體由上而下得到降解，表現(xiàn)為缺氧區(qū)>3#>4#>出水，最后出水COD為10.00 mg · L-1，COD在好氧區(qū)去除率為44.4%，一方面同步硝化反硝化過程消耗了部分COD，另一方面是好氧區(qū)中的異養(yǎng)菌利用池中DO氧化有機(jī)物，降解了COD.此外，系統(tǒng)對濁度有很好的去除能力，平均去除率為91%，出水濁度在2.0 NTU以下，其中缺氧區(qū)去除大部分濁度，貢獻(xiàn)了84%.濁度去除主要是通過填料物理截留作用和生物膜的生物絮凝、吸附和降解作用，最后經(jīng)過反沖洗過程排出系統(tǒng)外.
圖 3 BAF不同區(qū)段污染物去除特征及pH變化
3.4 磷的去除
對反應(yīng)器TP去除效果進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)裝置對磷的平均去除率只有14.3%，出水TP濃度均在0.50 mg · L-1以上，這與凌霄等(2006)研究結(jié)果相似.主要是因?yàn)橄到y(tǒng)不能及時將好氧吸收的磷排出，只能依靠反沖洗將磷排出系統(tǒng).BAF工藝對磷的去除主要有兩個途徑，一是物理過濾，即填料對顆粒態(tài)磷酸鹽截留吸附，除磷效果最高可達(dá)35%(Clark et al., 1997)，二是微生物生長代謝消耗磷酸鹽、生物絮凝吸附最后經(jīng)過反沖洗排出系統(tǒng)，研究表明反沖洗能去除50%以上的磷(Westermman et al., 2000).由于工藝限制，BAF除磷效果較差，完全用生物除磷很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，同時脫氮除磷會使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜，需要結(jié)合化學(xué)藥劑來強(qiáng)化除磷(Clark et al., 1997; Rogalla et al., 1990).Clark等(1997)研究表明，曝氣生物濾池中采用化學(xué)除磷要比工藝本身生物除磷效率要高，而且要比其它污水處理工藝在化學(xué)強(qiáng)化與生物協(xié)同除磷方面更具優(yōu)勢.
為使出水達(dá)到水質(zhì)排放的要求，向反應(yīng)器出水中投加一定量聚合氯化鋁(PAC)，其有效含量為30%(以氧化鋁表示)，用攪拌機(jī)快速混合1 min，慢慢攪拌15 min，沉淀30 min，取上清液測TP含量，結(jié)果如圖 4所示.
圖 4 PAC投加量與TP去除量的關(guān)系
未投加PAC上清液TP為1.75 mg · L-1，投加5.00 mg · L-1PAC后TP下降至1.25 mg · L-1，隨著投加量的加大，TP去除量快速上升，當(dāng)投加量加到16.60 mg · L-1時，總磷下降至0.45 mg · L-1，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，再提高投加量，TP去除緩慢.如圖 4所示，投加量從16.60 mg · L-1提高到23.30 mg · L-1TP下降了0.20 mg · L-1，而投加量從23.30 mg · L-1提高到30.00 mg · L-1時，TP只下降了0.05 mg · L-1.所以在用PAC進(jìn)行化學(xué)除磷時要確定最少投加量，就本試驗(yàn)而言，投加16.60 mg · L-1的PAC就能去除1.30 mg · L-1 TP，使出水TP < 0.50 mg · L-1，達(dá)到城鎮(zhèn)污水一級A排放標(biāo)準(zhǔn).
3.5 微生物學(xué)群落組成與結(jié)構(gòu)分析
異養(yǎng)菌計數(shù)結(jié)果顯示，BAF好氧段(BAF-O)中異養(yǎng)菌總數(shù)為(1.39±0.04)×106 CFU · mL-1，BAF缺氧段(BAF-A)中異養(yǎng)菌總數(shù)為(8.30±1.39)×105 CFU · mL-1，二者在量級上無顯著差異.異養(yǎng)菌利用區(qū)域中的溶解氧，能夠有效去除有機(jī)物，降解COD，從而保證COD在缺氧段和好氧段均被有效去除(圖 3)墊定了微生物基礎(chǔ).BAF缺氧段存在大量異養(yǎng)菌，一方面說明缺氧段仍有溶解氧存在，異養(yǎng)菌在降解COD時可降低溶解氧濃度，維持缺氧段中氧平衡;另一方面，異養(yǎng)菌降解COD，減少反硝化作用的碳源供應(yīng)，使異養(yǎng)反硝化過程受影響，這也從微生物角度解釋了缺氧段反硝化過程進(jìn)行不徹底的原因.
比較兩段微生物群落結(jié)構(gòu)(圖 5a，表 2)，發(fā)現(xiàn)二者微生物種類無顯著差異，但相對數(shù)量差異明顯，這主要是兩段間是連通的，但微生物生存環(huán)境持續(xù)改變所致.條帶X1、X5、X6、X7、X8、X12、X13所代表的微生物是好氧段中的優(yōu)勢種群，而條帶X2、X9、X10則是缺氧段的優(yōu)勢種群，主要為β變形菌綱(Betaproteobacteria)細(xì)菌.條帶X2為缺氧條件下的優(yōu)勢菌群，測序發(fā)現(xiàn)其與脫氯單胞菌(Dechloromonas sp. DQ413167)的相似性達(dá)99%.研究表明，脫氯單胞菌為兼性厭氧革蘭氏陰性細(xì)菌，ClO3-、NO3-均可作為電子受體，能夠高效還原氯酸鹽和硝酸鹽，是重要的反硝化聚磷菌.X9和X10均為β變形菌綱中細(xì)菌，這些微生物的大量富集，可能與反應(yīng)器的反硝化過程具有重要因果關(guān)系.
圖 5 BAF不同區(qū)段中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)(a)與組成(b)分析(BAF-O，BAF好氧段;BAF-A，BAF缺氧段; X1~X13，切取測序的條帶)
表2 DGGE圖譜中優(yōu)勢條帶序列相似性檢索結(jié)果
對BAF好氧段、缺氧段生物膜微生物群落組成和豐度分析發(fā)現(xiàn)，兩者在群落豐度上存在顯著差異(圖 5B).其中藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria，BAF-O中9.90%，BAF-A中0.90%)、硝化螺菌門(Nitrospirae，8.00%，1.70%)、浮霉菌門(Planctomycete，3.50%，0.90%)、α變形菌綱(Alphaproteobacteria，5.80%，1.80%)、γ變形菌綱(Gammaproteobacteria，14.30%，3.70%)在好氧段生物膜上占有明顯優(yōu)勢;而與之相比，擬桿菌門(Bacteroidetes，15.10%，19.10%)、綠彎菌門(Chloroflexi，6.00%，13.10%)、β變形菌綱(Betaproteobacteria，14.80%，29.40%)、δ變形菌綱(Deltaproteobacteria，2.90%，6.40%)是缺氧段中的優(yōu)勢類群.
微生物分布與生境是密切相關(guān)的，反應(yīng)器兩段的功能效率是該段中重要功能微生物共同作用的結(jié)果.硝化螺旋菌門(Nitrospirae)細(xì)菌序列在好氧段中的含量高達(dá)8.00%，而在缺氧段中僅為1.70%，好氧段中這些細(xì)菌序列均為硝化螺菌屬(Nitrospira).硝化螺菌屬是重要的硝化細(xì)菌類群，在廢水處理過程中廣泛存在，它可在好氧狀態(tài)下以丙酮酸為碳源完成硝化過程，或通過固定CO2自養(yǎng)生長.硝化細(xì)菌的這種分布特征，決定了該反應(yīng)器好氧段較好的硝化效率.β變形菌綱在缺氧段中含量豐富，占群落總量的29.40%，其中紅環(huán)菌科(Rhodocyclaceae)序列占群落的16.9%，而其下的脫氯單胞菌屬(Dechloromonas)序列即占到整個群落的1.5%，脫氯單胞菌屬中某些菌種能夠高效還原氯酸鹽和硝酸鹽，是重要的反硝化聚磷菌，這一結(jié)果與DGGE圖譜相一致.調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，β變形菌綱中動膠菌屬(Zoogloea)序列在好氧、缺氧段中所占比例均較高，分別占全部序列的0.5%、0.7%，它們是活性污泥形成的主要菌屬，同時在生物膜形成與維持中也具有重要作用.
通過對兩段中微生物群落的分析，發(fā)現(xiàn)好氧段中與硝化過程中密切相關(guān)的微生物類群豐富，而在缺氧段，與反硝化相關(guān)的微生物較多，微生物種群的分布存在明顯的區(qū)域性特征.這種分布方式?jīng)Q定了該反應(yīng)器較高的脫氮效率，是反應(yīng)器高效運(yùn)行的基礎(chǔ).具體參見污水寶商城資料或http://m.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
1)通過對本研究設(shè)計的分格復(fù)合填料曝氣生物濾池的調(diào)試，確定最佳曝氣量為3.0 L · min-1，最佳水力負(fù)荷為20 m3 · m-3 · d-1，最佳回流比為125%，在此條件下，對COD、TN、氨氮、濁度的平均去除率分別為81%、48%、91%、91%.結(jié)合化學(xué)方式進(jìn)行除磷，可去除86%總磷，達(dá)到城鎮(zhèn)污水一級A排放標(biāo)準(zhǔn).
2)好氧段中與硝化過程中密切相關(guān)的微生物類群豐富，如硝化螺菌屬;而在缺氧段，與反硝化相關(guān)的微生物較多，如脫氯單胞菌屬.這種分布方式?jīng)Q定了該反應(yīng)器較高的脫氮效率，是反應(yīng)器高效運(yùn)行的基礎(chǔ).
