1 引言(Introduction)

传统活性污泥法(Conventional Activated Sludge, CAS)是目前主流的污水处理工艺, 污泥龄(SRT)通常为8~15 d, 但由于处理过程中能耗物耗高、资源利用率低等原因, 其革新路径在近来一直在被广泛讨论.

基于资源回收的角度, 碳、氮、磷的分步去除是其中一种改进的设想, 降低系统泥龄是实现该设想的可行方式.目前, 较为成熟的工艺是高速活性污泥法(High Rate Activated Sludge, HRAS), 其泥龄一般在1 d以下, 旨在快速除碳并同步实现能源回收.但HRAS并不关注氮、磷的分析, 并且, HRAS虽然能在极短的SRT和HRT条件下快速去除COD, 但其进水是未经初沉、含大量颗粒物的污水(魏小松, 2002), 其工艺的实质更接近通过曝气沉淀池去除, 与活性污泥法通过生物氧化去除COD的方式存在本质不同.

泥龄设置为5 d以下的超短泥龄活性污泥法(USSAS), 有可能同时实现污水中碳、磷污染物的快速分离、能源节约和资源回收(Meerburg et al., 2015; Shao et al., 2020), 且短泥龄已被证实是更利于除磷的处理方式(Valverde et al., 2016; Chan et al., 2017).超短泥龄活性污泥法具有良好的应用前景, 但这一工艺尚未得到系统性研究.

对于短泥龄活性污泥系统, 已有研究主要集中在污染物去除能力和资源回收潜力方面, 去除效果普遍较好, 除磷效率保持在90%以上(Ge et al., 2015; Trzcinski et al., 2016), 但高去除率的获得是建立在较高的HRT条件下的(HRT通常大于12 h).HRT是活性污泥系统运行的重要参数(Guven et al., 2016), 延长HRT在提高污水处理效果的同时增加了处理过程中的能耗, 这违背了短泥龄节能增效的初衷.本文将HRT作为重要的影响因素进行污染物去除方式研究, 旨在探明短泥龄活性污泥系统在不同HRT条件下污染物的去除机制, 揭示短泥龄活性污泥系统的真实效能.

碳、磷在系统中是否以吸附方式被去除对资源的回收至关重要, 但目前仍缺乏系统性的研究, 仅有少数学者研究了短泥龄活性污泥系统中碳的去除方式.例如, Ge等(2013)研究表明, 在泥龄3 d条件下, 70%~80%的碳去除是通过生物质的同化和积累实现的, 而不是被直接氧化为CO₂和水.Jimenez等(2015)也发现, 短泥龄活性污泥系统很难以氧化方式去除可溶性COD, COD可能大部分通过吸附去除.此外, 针对磷在短泥龄系统中去除方式的研究尚属空白.

因此, 本通过探究不同HRT条件下超短泥龄活性污泥系统内的碳、磷分离方式与机制, 以期完善人们对超短泥龄活性污泥系统的认知.同时, 进水使用经过滤和沉淀的生活污水以尽量排除颗粒物的影响.

2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 进水水质

实验用水为中国人民大学校内生活污水, 进入储水罐前经过30目筛预过滤.水质指标如表 1所示, VFAs几乎全部由乙酸组成(＞90%).

2.2 反应装置与运行方式

实验装置采用序批式反应器(SBR), 有效容积为8 L, 装置示意图见图 1.反应器接种污泥来自实验室一个稳定运行的A²/O中试试验系统, 正式开始实验之前对污泥进行短泥龄驯化, 逐步缩短泥龄至目标泥龄3 d, 随后调整至5个目标HRT, 系统稳定后开始正式实验.

同步运行5套SBR小试装置, 每个运行周期包括进水、厌氧、好氧、沉淀和排水阶段, 污水排放比为0.5.5套装置HRT分别设置为4、6、8、12和16 h, 其余运行工况设置均相同.反应器使用定时器控制, 实现自动化连续运行, 各反应阶段时间设置如表 2所示.

实验过程中利用温度控制器将反应器温度控制在(20±2) ℃, 好氧阶段使用微孔曝气器对活性污泥系统进行充氧, 同时使用在线溶氧仪监控反应器每个运行周期中好氧阶段的溶解氧(Dissolved Oxygen, DO), 并将其控制在1.5~2.5 mg · L^-1以上.用机械搅拌器对反应器中的活性污泥进行充分搅拌, 保证活性污泥处于悬浮状态, 反应结束后机械搅拌器停止运转, 混合液静置使其实现固液分离.为保证泥龄不受微生物粘壁影响, 定期刮除反应器内壁形成的生物膜.

2.3 分析方法 2.3.1 碳相关指标

样本的有机物含量以化学需氧量(COD)计, 并对三态COD进行测定分析.三态COD分别指溶解态COD (sCOD)、胶体态COD (cCOD)、颗粒态COD (pCOD), 其划分以0.45 μm和1.5 μm滤膜为界(Mamais et al., 1993).水样经过0.45 μm滤膜过滤, 滤液的COD即为sCOD；cCOD值为使用1.5 μm滤膜过滤后取得水样的COD与sCOD的差值；pCOD值为总COD与前二者的差值.

有机物的去除方式(矿化、生物吸附、出水流失)采用批次实验测定(Jimenez et al., 2005).向锥形瓶中加入100 mL已知浓度的污水(记为COD₁)和100 mL反应末期泥水混合液, 充分混合, 搅拌10 min后取样测定其COD(记为COD₂).然后在与正式实验相同的厌氧好氧实验条件下进行培养, 测得最终出水样品COD(记为COD₃), 则矿化率R₁依照式(1)计算.根据反应过程中的物料平衡, 计算吸附率R₂, 具体见式(2), 其中, L表示出水流失率.

(1)

(2)

2.3.2 磷相关指标

样本磷浓度以磷酸盐磷计, 使用钼锑抗紫外分光光度法测定.为了解磷去除机制, 对胞内及胞外磷(即EPS中的磷含量)进行提取测定, 以总磷的浓度计.EPS的提取采用阳离子树脂(CER)交换法(Frolund et al., 1996), 将污泥样本使用超纯水预清洗并重悬浮后, 按照70 gCER/gVSS的比例加入阳离子交换树脂, 置于恒温振荡器中, 在4 ℃下连续提取6 h.胞内磷的提取采用PCA(高氯酸)-NaOH法(Zhang et al., 2013), 将经过超纯水预清洗的污泥样品用0.5 mol · L^-1的PCA溶液在4 ℃条件下提取5 min, 离心后再使用1 mol · L^-1的NaOH溶液在室温条件下振荡提取30 min.在PCA或NaOH提取结束后, 立即对提取液进行中和.提取液使用流动分析仪(Proxima, AMS Alliance, Frepillon, France)进行胞外和胞内磷浓度的分析.

2.3.3 除磷过程的相关物质测定

PHA和VFA采用气相色谱法测定(Lu et al., 2006).从反应器中分别取污泥样本50 mL, 4 ℃、9500 r · min^-1下离心10 min, 收集上清液并加磷酸保存液作为VFA测定样本.离心获得的沉淀物用磷酸盐缓冲液清洗, 置于冰箱-24 ℃预冻2~3 h, 然后使用冷冻干燥机连续冻干20 h以上.冻干后的污泥样本磨成粉末, 称取30 mg于15 mL螺纹消解管中, 依次加入硫酸-甲醇溶液、苯甲酸-甲醇溶液、氯仿溶液, 100 ℃密封裂解4 h(每30 min振荡1次).冷却后加入1 mL超纯水振荡, 然后在4000 r · min^-1下离心20 min, 取下层有机相进行Agilent 7890C色谱分析.

2.3.4 微生物种群结构

污泥样本均取自反应器的好氧阶段, 采用高通量测序.使用土壤快速DNA自旋试剂盒(MP Biomedicals, USA)提取DNA, 之后利用浓度1%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA的浓度及纯度, 并使用无菌水将样本稀释至1 ng · L^-1.使用通用引物B27F(AGAGTTTGATCCTGGCTCAG)和B907R(CCGTCAATTCCTTTRAGTTT) (Park et al., 2017)对16S rDNA进行PCR扩增.热循环程序的设置包括：98 ℃初始变性1 min；98 ℃变性10 s, 50 ℃退火30 s, 72 ℃延伸30 s, 30个循环；最后在72 ℃条件下反应5 min.PCR产物的电泳检测使用2%的琼脂糖凝胶, 产物用Thermo Scientific公司的GeneJET胶回收试剂盒回收, 之后使用Thermofisher的Ion S5^TMXL进行上机测序工作.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 不同HRT条件下短泥龄活性污泥系统的COD去除机制

从图 2a可以看出, 随着HRT的增加, COD去除效率逐渐升高, 当HRT大于8 h后, COD去除效率降低, 这与黄满红等(2009)的研究结论一致；若继续增加HRT, 对降低出水COD的贡献十分有限.

对进、出水的三态COD进行测定, 结果如图 2b所示.HRT代表了生物利用的时间和强度, 增加HRT可强化微生物对COD的利用及有机物的氧化去除过程.实验结果表明, 随着HRT增加, 三态COD均呈下降趋势, 较长的HRT对cCOD有较为良好的去除效果.COD去除效率随HRT的延长逐渐趋于缓慢, 这一规律在pCOD的变化上最为显著, 可能与短泥龄活性污泥系统对难降解颗粒有机物的水解能力不足有关.当HRT大于8 h时, 其变化对pCOD的影响较小, 这一规律同样适用于sCOD.研究表明, HRT=8 h是短泥龄活性污泥系统除碳性能的一个拐点, 在此HRT条件下COD的降解基本完成.

碳在系统中的流向由批次实验测定, 结果如图 3所示.在不同HRT条件下, 系统在有机物的去向方面表现出较强的规律性, 且COD的流向在HRT低于和超过8 h的系统中差异较为明显.HRT=4 h的系统对污水的处理效果最差, 有56%的有机物会直接从系统中流失, 出水COD均值为(189.11±67.67) mg · L^-1.矿化率和吸附率是衡量系统资源回收能力的重要指标, 资源回收能力较强的系统一般对应着较低的矿化率和较高的吸附率.在本实验条件下, 仅有HRT=4 h和HRT=6 h的系统的矿化率较低, 在20%左右.HRT=6 h的系统对应的吸附率显示出较好的资源回收潜能, 此时系统的吸附性能达到峰值, 吸附率为47%, 出水COD均值为(100.32±44.62) mg · L^-1.HRT≥8 h的系统有较好的COD去除效果, 出水COD均值均低于50 mg · L^-1, 流失率较低.但随着HRT的增加, 矿化率也随之增大, 相较HRT≤6 h的系统有一个较大的增幅.该拐点与三态COD研究所得到的拐点一致, 均在HRT=8 h时取得, 这说明HRT对COD去除的强化在HRT≥8 h的系统中主要通过矿化有机物完成.

综上, 超短泥龄的活性污泥系统在HRT=6 h时具有最大的资源回收潜力, HRT大于8 h可取得更好的有机物分离效果, 但有机物分离主要依靠矿化作用, 资源回收潜力下降.

3.2 不同HRT条件下短泥龄活性污泥系统的磷去除机制

目前, 传统活性污泥中磷去除的研究较多, 污泥中的微生物会依靠其生理活动来完成磷的去除, 具体又可分为胞外去除方式(EPS的截留吸附)和胞内去除方式(胞内形成聚磷等物质)(Oehmen et al., 2007; Liu et al., 2010).为了探究超短泥龄活性污泥中磷的去除机制, 对系统稳定运行的某个周期进行沿程胞内及胞外磷含量变化的测定, 结果如表 3所示.

EPS一直被认为是除磷过程中重要的介质, 不仅因为磷酸盐进入胞内要通过EPS的传递, EPS本身的吸附作用也是生物除磷的重要部分(Zhang et al., 2013).结果表明, 在HRT较短的条件下, EPS吸附所占除磷比例较大, 在本实验中, HRT=4 h时, 在系统的除磷率仅有22.42%的情况下, 靠EPS去除的量达到89.07%.而HRT≥8 h时, 吸附所占除磷比例维持在30%~40%, 且除磷效率均可超过90%.这说明较短HRT条件下的系统无法经由生物利用方式完成磷酸盐的有效去除, 只能通过EPS吸附完成少量去除；HRT=8 h的条件即可使PAOs富集, 并发挥作用.

研究人员通常认为生物除磷是由聚磷菌在厌氧阶段释磷、好氧阶段过量吸磷来完成的, 其间伴随着PHA、VFAs和系统内磷浓度的此消彼长(Mino et al., 1998).聚磷菌在厌氧阶段吸收VFAs和分解胞内聚磷及糖原产生的能量合成PHA, 在好氧阶段又分解PHA、吸收环境中的磷并在胞内重新合成聚磷及糖原(Satoh et al., 1992), 完成除磷过程.为了进一步明确超短泥龄系统的除磷机制, 本研究对中间物质进行了沿程测定, 结果如图 4所示.

由图 4可知, 除磷过程中间物质的变化呈现出良好的规律性, 即PHA和磷酸盐的浓度均为厌氧阶段上升、好氧阶段下降, 这与传统活性污泥法规律一致.在本研究中, 除HRT=4 h的系统外, 其余系统均能在开始曝气后迅速将VFAs全部消耗完毕.PHA含量(以VSS计)随着HRT的延长有所增加, 在HRT≤6 h的系统内均未超过100 mg · g^-1, 但从HRT=8 h开始, PHA最高含量由163.83 mg · g^-1(HRT=8 h)、185.34 mg · g^-1(HRT=12 h)提高至322.30 mg · g^-1(HRT=16 h).这可能说明HRT较长的系统在生物除磷方面有一定的潜能.

综上, 短泥龄的活性污泥系统在除磷机制方面与传统活性污泥法相似, 都是通过吸附和生物除磷两种途径实现的, 但两种途径所占比例与传统活性污泥法有所不同.随着HRT的延长, 生物除磷所占的比例逐渐增大, 在除磷潜能和PHA产生方面, HRT长的系统会表现出较强的优势.

3.3 微生物种群分析

为明确短泥龄活性污泥系统的功能菌群及HRT对菌种的筛选机制, 本文对5个系统中的微生物种群进行了检测, 以目水平为例, 物种相对丰度检测结果如图 5所示.由图 5可知, 随着HRT的增加, 物种的Shannon多样性指数增加.说明HRT的延长有效地缓解了短泥龄系统不稳定的特性, 为多种微生物的生存富集创造了条件.同时, 根据实验结果可知, Thiotrichales是HRT＜6 h的两个反应器内占据绝对优势的目(分别为44.5%和34.3%), 随着HRT增加, Gammaproteobacteria和Chitinophagales的占比逐渐增大.

已知短SRT能够导致引发丝状膨胀的Thiotrichales的富集(Valverde-Pérez et al., 2016), 本实验结果表明, 短HRT条件更是加剧了这一现象.已有的短泥龄系统的研究中, 通常选择较长的HRT也是为了规避这一风险.实验发现, HRT=4 h的系统中, Thiotrichales的含量已经接近45%, 成为绝对的优势目.Thiotrichales下的Thiothrix菌属是公认的可引起系统丝状膨胀的菌属(Chernousova et al., 2012), 也是本实验条件下相对丰度最高(44.5%)的菌属, 这与Valverde-Pérez等(2016)的实验中引起丝状膨胀的菌属相同.也有研究表明, Thiothrix是一种假定的PAO (Rubio-Rincón et al., 2001), 但在本研究中, 虽然Thiothrix在短HRT条件下大量富集, 但系统并未显示出明显的除磷功能.Nitrospirae的相对丰度也一直在随着HRT的延长而增加, 从不足1%增长至在HRT=16 h的8.96%, 这说明较长的HRT可以抵消一部分短泥龄对硝化菌群的冲击.

基于文献调研, 对系统内所含的常见除磷功能菌的相对丰度进行统计分析, 结果如图 6所示.HRT的延长对系统中除磷功能菌的富集起到正向效应, 随着HRT增加, 其相对丰度由不足2%增长到超过8%.

系统内与磷相关的功能菌种中丰度最高的是变形菌门的Dechloromonas、Thauera和Candidatus_Accumulibcter, 以及放线菌门的Tetrasphaera.值得注意的是, 系统中存量较大的Thauera、Dechloromonas是已被证实的反硝化除磷菌(Cantafio et al., 1996; Kuba et al., 2007), 其除磷功能是通过缺氧吸磷实现的, 也具有反硝化去除污水中NO₃^--N的功能.反硝化除磷菌的存量与系统HRT的延长呈正相关关系.Pseudomonas、Acinetobacter、Candidatus_Accumulibcter和Tetrasphaera是传统的聚磷菌(Oehmen et al., 2007; Kristiansen et al., 2013), 能够在好氧阶段吸收多于厌氧阶段释放的磷, 以此实现磷的去除.较短SRT在以往的研究中被证实更适于除磷(Chan et al., 2017), 本研究进一步表明, 传统聚磷菌在较短SRT的条件下, 其富集对HRT也有一定要求.在本实验条件下, 聚磷相关菌种在HRT=8 h的系统中更易富集, 其累计相对丰度均高于相对较长和较短的HRT条件下的累计相对丰度.以往研究中被认为是除磷功能菌的Rhodocyclales和Comamonadaseae, 在本研究系统中含量极低(Ge et al., 2015; Valverde-Pérez et al., 2016).

基于已有文献中使用的计量关系(Arun et al., 1988),对已测定的厌氧阶段COD利用及磷释放量指标作进一步的计算分析, 结果如图 6所示, 图中Δ表示厌氧阶段该指标的变化量.已有研究中, 磷释放及COD摄取的比例在0.32~0.72之间, 且该比例越小, 说明污泥中存在的与聚磷菌(PAOs)竞争碳源底物的微生物(如聚糖菌(GAOs))越多(赵爽等, 2014).在SRT=3 d、HRT≤6 h的系统内, 该比值远远低于文献中给出的范围；而HRT≥8 h的反应器中, 该比值均落在此范围内.HRT的延长使得该比值略有增加, 且大于豆俊峰等(2005)在常规SRT下得到的平均值0.44.短泥龄的活性污泥法在HRT≥8 h的条件下, 在除磷方面有一定优势, GAOs的竞争相对较小.该比值在HRT延长至8 h后有一个显著的增长, 这与生物除磷实验结果得到的结论一致.

随着HRT的延长, 短泥龄条件下的活性污泥系统内易导致丝状膨胀的Thiotrichales逐渐被取代, 同时除磷功能菌的相对丰度逐渐增加.除磷功能菌由传统的聚磷菌和反硝化聚磷菌组成, 且在HRT≥8 h的条件下体现出除磷作用, 这与除磷机制部分得到的结论一致.

4 结论(Conclusions)

1) 在SRT=3 d的短泥龄活性污泥系统中, HRT超过8 h的系统能够完成稳定的碳、磷去除, 去除率分别能达到80%和90%以上.

2) HRT对短泥龄活性污泥系统的碳、磷去除机制有显著影响, HRT的延长使得碳、磷以吸附方式去除的比例降低, 碳、磷的最大吸附率分别在HRT为6 h和4 h时取得, 吸附率分别为47.2%和89.1%.

3) 短泥龄活性污泥系统的菌种与传统活性污泥法较为一致.随着HRT的延长, 目水平的优势菌从Thiotrichales转变为Gammaproteobacteria；除磷功能菌群由传统的聚磷菌Candidatus_Accumulibcter、Tetrasphaera和反硝化聚磷菌Thauera、Dechloromonas等组成, 其相对丰度随HRT的延长而增大(HRT=4 h时＜2%, HRT=16 h时＞8%).