缺氧分段式UCT工艺的脱氮除磷效能.pdf

净水技术 2023,42(8):87-93,110Water Purification Technology 卢瑞朋,孙光溪,徐文江,等.缺氧分段式 UCT 工艺的脱氮除磷效能J.净水技术,2023,42(8):87-93,110.LU R P,SUN G X,XU W J,et al.Performance of anoxic step-wise UCT process for nitrogen and phosphorus removalJ.Water Purification Technology,2023,42(8):87-93,110.缺氧分段式 UCT 工艺的脱氮除磷效能卢瑞朋1,2,孙光溪1,2,徐文江1,2,董 娜1,2,李安峰1,2,(1.北京市生态环境保护科学研究院,北京100037;2.国家环境保护工业废水污染控制工程技术中心,北京100037)摘 要 在 UCT 工艺的基础上,提出一种新型缺氧分段式 UCT 工艺用于高效脱氮除磷。试验考察了新工艺对模拟生活污水的处理效果,并对各个功能单元的氮磷去除能力和微生物群落进行分析。工艺运行结果表明,CODCr、氨氮、TN 和 TP 的平均去除率分别为 95.85%、99.37%、83.12%和 87.13%。通过氮磷质量平衡发现,前段缺氧池和后段缺氧池均呈现出明显的脱氮能力。同时分段式进水模式有利于系统脱氮能力的提升,从而有效降低回流至厌氧池的 NO-3-N 浓度,减小 NO-3-N 对厌氧释磷的不利影响。高通量测序结果揭示了变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)为优势菌门。在新型 UCT 工艺中,Candidatus_ Competibacter(18.75%26.43%)、OLB8(7.81%12.52%)等 反 硝 化 菌 为 优 势 菌 属,Tetrasphaera 和Dechloromonas 是主要的聚磷菌,有利于实现高效的脱氮除磷。关键词 脱氮除磷 UCT 工艺 缺氧分段 分段进水 微生物群落中图分类号:TU992文献标识码:A文章编号:1009-0177(2023)08-0087-08DOI:10.15890/ki.jsjs.2023.08.011收稿日期 2022-12-06基金项目 北京市生态环境保护科学研究院基金(Y2020-004)作者简介卢瑞朋(1995),男,硕士,研究方向为水污染控制,E-mail:15538812344 。通信作者 李安峰,研究员,主要从事污水污泥的低碳处理技术研发工作,E-mail:lianfeng 。Performance of Anoxic Step-Wise UCT Process for Nitrogen and Phosphorus Removal LU Ruipeng1,2,SUN Guangxi1,2,XU Wenjiang1,2,DONG Na1,2,LI Anfeng1,2,(1.Beijing Municipal Research Institute of Eco-Environmental Protection,Beijing 100037,China;2.State Environmental Protection Engineering Center for Industrial Wastewater Pollution Control,Beijing 100037,China)AbstractBased on the UCT process,a novel anoxic step-wise UCT process was developed to nitrogen and phosphorus removal efficiently.The performance of novel UCT process during synthetic domestic wastewater treatment was evaluated in this paper.Meanwhile,the nitrogen and phosphorus removal ability and the microbial community characteristics of each functional tank were also studied.The operation results showed that average removal efficiencies of CODCr,ammonia nitrogen,TN and TP were 95.85%,99.37%,83.12%and 87.13%,respectively.The analysis of nitrogen and phosphorus mass balance demonstrated that the nitrogen removal capacity of both front-anoxic tank and back-anoxic tank were apparent.The step feed mode was beneficial for improving the performance of nitrogen removal,decreasing the concentration of NO-3-N returned to anaerobic tank and reducing the adverse effect of NO-3-N on anaerobic phosphorus release.High-throughput sequencing results revealed that Proteobacteria and Bacteroidota were the dominant phyla.Denitrifying bacteria such as Candidatus_Competbacter(18.75%26.43%)and OLB8(7.81%12.52%)were the dominant genus,and Tetrasphaera and Dechromonas were the main phosphorus accumulating bacteria in the novel UCT process,which were conducive to efficient nitrogen and phosphorus removal.Keywords nitrogen and phosphorus removal UCT process anoxic step-wise step water feed microbial community污水中的氮磷如果无法得到有效控制直接排放到自然水体,将会加剧水体的富营养化程度1。2021 年中国生态环境状况公报2显示,我国仍有27.3%的湖泊呈现富营养状态,氮磷污染物是入海河流和渔业水域的主要超标指标。污水处理厂排水是水体氮磷污染的重要来源,污水处理厂的氮磷污78染物控制对我国水生态环境保护至关重要。部分地区出台了更为严格的地方标准控制污水处理厂出水水质,出水水质要求超过了现行的城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 189182002)一级 A 标准3。以厌氧-缺氧-好氧(AAO)工艺为代表的传统生化处理技术由于成本低、运行简单、效果明显,是目前应用最为广泛的脱氮除磷工艺4。然而该工艺存在污水碳源不足影响反硝化脱氮、污泥回流硝酸盐(NO-3-N)影响厌氧释磷、反硝化菌和聚磷菌的碳源竞争等问题,处理效果存在一定的局限性5。因此,高效脱氮除磷工艺的研发对于污水处理行业的未来发展具有重要意义。图 1 缺氧分段式 UCT 工艺试验装置示意图Fig.1 Schematic Diagram of Anoxic Step-Wise UCT ProcessUCT(University of Cape Town)工艺作为改良型AAO 工艺,通过调整回流方式,将污泥回流至缺氧池,同时增设了缺氧池到厌氧池的混合液回流,降低了 NO-3-N 对厌氧释磷的影响,缓解了反硝化细菌对聚磷菌的竞争6-8。为了进一步提升 UCT 工艺的脱氮除磷效果,很多学者对该工艺进行了优化。贾军峰等9利用五段回流的方式对 UCT 工艺进行改良,通过外加碳源和增设缺氧池内循环回流增强反硝化效果,同时额外设置了剩余污泥回流至好氧池。该工艺处理生活污水实现了 87%的 TN 去除率。尤立等7设置了预缺氧池,并将污泥回流至预缺氧池,硝化液回流至缺氧池,将污泥脱氮与混合液脱氮分开,在农村生活污水的应用中 TN 和 TP 的去除率分别达到 72.9%和 83.9%,取得了稳定的脱氮除磷效果。考虑到增设回流数量会导致工艺运行复杂,缺氧池同时承担硝化液回流和缺氧至厌氧的回流依然会有 NO-3-N 影响厌氧释磷的风险,同时对外加碳源的依赖还需要进一步降低,因此,如何解决上述问题是进一步优化 UCT 工艺的方向。基于上述问题,本研究通过增设后段缺氧池将硝化液回流和缺氧池至厌氧回流分开,并结合分段进水的方式,构建了缺氧分段式 UCT 工艺。通过连续运行小试试验装置处理模拟生活污水,考察该工艺的运行效果,并基于氮磷质量平衡分析了各功能单元的脱氮除磷能力。同时利用高通量测序手段,对各功能单元的微生物群落进行分析。本研究考察了新型 UCT 工艺的脱氮除磷效果,以期为污水处理行业提供新的选择。1 试验材料和方法1.1 工艺设计思路与试验运行方式1.1.1 工艺设计思路为了进一步强化 UCT 工艺的脱氮除磷效能,通过在缺氧池后增设后段缺氧池,并结合分段进水思路设计了缺氧分段式 UCT 工艺。与传统 UCT 工艺类似,新型 UCT 工艺设有两条内循环路径,一条是由增设的后段缺氧池回流至厌氧池(AA 内回流),用来维持厌氧环境,避免回流液中 NO-3-N 和 DO 对厌氧释磷的不利影响,同时维持厌氧池污泥浓度;另一条是由好氧池回流至缺氧池(AO 内回流),为反硝化提供电子受体。设置后段缺氧池的目的在于,一方面,通过将部分进水输送至后段缺氧池提供碳源,可以充分利用前段缺氧池残留的 NO-3-N,进一步强化 UCT 工艺缺氧系统的脱氮能力;另一方面,为 AA 内回流创造条件,从而保证整个系统的脱氮除磷效果。1.1.2 试验运行方式图 1 为缺氧分段式 UCT 试验装置示意图。该88卢瑞朋,孙光溪,徐文江,等.缺氧分段式 UCT 工艺的脱氮除磷效能Vol.42,No.8,2023装置总有效容积为 21 L,其中厌氧池、前段缺氧池和后段缺氧池有效容积为 3 L,好氧池有效容积为12 L。试验装置运行期间进水总量(Q)为 2 L/h,分段进水量配比 Q1Q2为 5 3。厌氧池 DO 质量浓度控制在 0.2 mg/L 以下,前段缺氧池和后段缺氧池DO 质量浓度控制在 0.5 mg/L 以下,好氧池 DO 质量浓度控制在 23 mg/L。温度维持在 25 左右,污泥质量浓度(MLSS)为 3 000 mg/L 左右。整套试验装置运行过程中的总水力停留时间(HRT)为10.5 h。AA 内回流比(r1)和 AO 内回流比(r2)设置为 200%,污泥回流比(R)为 100%。试验共连续运行80 d,其中118 d 为启动适应期,1980 d 为稳定期。1.2 试验用水与接种污泥采用模拟生活污水作为装置进水,采用乙酸钠和丙酸钠作为混合碳源,质量配比为 4 3;氮源和磷源分别选用氯化铵和磷酸二氢钾,进水水质如表 1所示。此外,投加氯化镁和氯化钙满足微生物对Ca2+和 Mg2+的需求,添加微量元素营养液 0.6 mL/L满足微生物生长繁殖需要,微量元素营养液成分如表 2 所示10-11。接种污泥取自于某污水处理厂(AAO 工艺)的厌氧池活性污泥。表 1 进水水质Tab.1 Influent Quality水质指标质量浓度/(mg L-1)CODCr319.00413.00氨氮51.0077.47TN51.4578.49TP5.197.78表 2 微量元素溶液成分Tab.2 Composition of Trace Elements Solution成分质量浓度/(g L-1)FeCl30.9CuSO4 5H2O0.03H3BO40.15KI0.18MnSO40.05ZnSO4 7H2O0.12NaMo2H2O0.06CoCl2 7H2O0.151.3 水质测定方法试验装置运行期间,每 3 d 进行一次水样检测。CODCr使用罗威邦(Lovibond,ET99732)COD 测定仪测定;氨氮参考水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法(HJ 5352009);TN 测定参考水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 6362012);TP 和磷酸盐(PO3-4-P)测定参考水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法(GB 118931989);NO-3-N 使用紫外 分 光 光 度 法(HJ 3462007);DO 采用哈希 便 携 式 溶 解 氧 仪(HACH,HQ30d)测定;MLSS 测定参考水质 悬浮物的测定 重量法(GB 119011989)。1.4 氮磷质量平衡计算方法为了明确缺氧分段式 UCT 工艺各功能单元的脱氮除磷能力,进行了氮磷质量平衡计算,具体计算如式(1)式(4)。MAn(N or P)=Q1Sinf(N or P)+r1QSB-A(N or P)-(Q1+r1Q)SAn(N or P)(1)MF-A(N or P)=(Q1+r1Q)SAn(N or P)+r2QSO(N or P)+RQSeff(N or P)-Q1+(r1+r2+R)Q SF-A(N or P)(2)MB-A(N or P)=Q1+(r1+r2+R)Q SF-A(N or P)+Q2Sinf(N or P)-Q1+Q2+(r1+r2+R)Q SB-A(N or P)(3)MO(N or P)=Q1+Q2+(r2+R)Q SB-A(N or P)-Q1+Q2+(r2+R)Q SO(N or P)(4)其 中:MAn(N or P)厌 氧 池 的 NO-3-N 或PO3-4-P 去除量,mg/h;MF-A(N or P)前段缺氧池的 NO-3-N或 PO3-4-P 去除量,mg/h;MB-A(N or P)后段缺氧池的 NO-3-N或 PO3-4-P 去除量,mg/h;MO(N or P)好 氧 池 的NO-3-N或PO3-4-P 去除量,mg/h;Q 进水总量,L/h;Q1、Q2 厌氧池、后段缺氧池分段进水量,L/h;r1 AA 内回流比;r2 AO 内回流比;R 污泥回流比;Sinf(N or P)进水 NO-3-N 或 PO3-4-P 质量浓度,mg/L;98净 水 技 术WATER PURIFICATION TECHNOLOGYVol.42,No.8,2023August 25th,2023SAn(N or P)厌氧池 NO-3-N 或 PO3-4-P质量浓度,mg/L;SF-A(N or P)前 段 缺 氧 池 NO-3-N 或PO3-4-P 质量浓度,mg/L;SB-A(N or P)后 段 缺 氧 池 NO-3-N 或PO3-4-P 质量浓度,mg/L;SO(N or P)好氧池 NO-3-N 或 PO3-4-P质量浓度,mg/L;Seff(N or P)出水 NO-3-N 或 PO3-4-P 质量浓度,mg/L。1.5 微生物群落分析第 60 d 在各功能单元采取污泥样品后于-20 条件下冷冻保存。冻存的污泥样品委托上海美吉生物医药科技有限公司进行 DNA 提取并进行16S rRNA 高通量测序分析。2 结果与讨论2.1 工艺运行状况分析2.1.1 工艺运行效果如图 2 所示,经过 18 d 的适应期后,试验装置出水水质基本保持稳定,进入稳定运行期。图 2 缺氧分段式 UCT 工艺的运行效果Fig.2 Operational Performance of Anoxic Step-Wise UCT Process CODCr的去除效果如图 2(a)所示。在稳定期内,CODCr平均去除率达到 95.85%,CODCr平均质量浓度由进水的 355.76 mg/L 降低至出水的 14.76 mg/L,低于北京市城镇污水处理厂水污染物排放标准(DB 11/8902012)中 的 A 排 放 限 值(20 mg/L)。图 2(b)和图 2(c)分别为氨氮和 TN的去除效果。氨氮和 TN 的平均进水质量浓度分别为 58.67 mg/L 和 59.13 mg/L。在适应期,氨氮和TN 的出水浓度逐渐降低,处理效果趋于稳定。进入稳定期后,氨氮平均出水质量浓度为 0.37 mg/L,去除率为 99.37%;TN 平均出水质量浓度为 9.98 mg/L,去除率为 83.12%。氨氮和 TN 的平均出水质量浓度均低于 DB 11/8902012 中的 A 排放限值(氨氮为 1.00 mg/L;TN 为 10 mg/L),表明新型 UCT 工艺具有良好的脱氮效果。缺氧分段式 UCT 工艺具有良好的除磷效果图 2(d),结果表明,在工艺启动的09卢瑞朋,孙光溪,徐文江,等.缺氧分段式 UCT 工艺的脱氮除磷效能Vol.42,No.8,2023稳定期 TP 平均质量浓度由进水的6.06 mg/L 降低至出水的 0.78 mg/L,TP 去除率可达到 87.13%。2.1.2 工艺脱氮除磷能力分析图 3(a)表示该工艺的沿程 NO-3-N 和 PO3-4-P的质量浓度变化。好氧池的 NO-3-N 质量浓度最高,为 9.32 mg/L;厌氧池和后段缺氧池的 NO-3-N 质量浓度最低,均为 0.16 mg/L。通过 PO3-4-P 的沿程浓度变化可知,厌氧池 PO3-4-P 质量浓度达 9.50 mg/L,随后前段缺氧池和后段缺氧池 PO3-4-P 质量浓度分别为 5.25 mg/L 和 5.58 mg/L,进一步经过好氧池反应后 PO3-4-P 质量浓度降低至 0.61 mg/L。图 3(b)表示该工艺各功能单元的氮磷去除能力。NO-3-N 主要是在缺氧池中被去除,前段缺氧池(33.27 mg/h)和后段缺氧池(22.16 mg/h)均呈现出明显的脱氮能力。好氧池呈现出了良好的硝化能力(-73.28 mg/h),AO 内回流高浓度的硝化回流液图 3(a)为前段缺氧池反硝化过程提供了充足的电子受体。前段缺氧池残留的 NO-3-N 进入后段缺氧池,利用分段进水提供的碳源进行反硝化反应,实现深度脱氮。后段缺氧池的 NO-3-N 浓度较前段缺氧池更低图 3(a),因此,本工艺的 AA 内回流更有利于保证厌氧吸磷反应的顺利进行。在厌氧池中,PO3-4-P 得到了有效释放(-19.10 mg/h),使得厌氧池 PO3-4-P 浓度高图 3(a)。而在好氧池内的PO3-4-P 去除量为 41.52 mg/h,实现了有效的磷去除。图 3 各功能单元NO-3-N 和PO3-4-P 浓度及去除量Fig.3 Concentration and Amount of NO-3-N and PO3-4-P Removal in Each Functional Unit2.2 微生物群落分析2.2.1 微生物种群多样性分析对污泥样品的测序结果进行抽平处理,获得的操作分类单元(OTU)数量、多样性指数(Shannon、Simpson 指数)和丰富度指数(Sobs、Ace、Chao 指数)结果如表 3 所示。Shannon 指数数值与微生物多样性为正相关关系,Simpson 指数与微生物多样性为负相关关系;Sobs、Chao 指数和 Ace 指数的数值越高表明微生物越丰富12。由表 3 可知,4 个功能单元微生物的丰富度和多样性相差不大,前段缺氧池和后段缺氧池较厌氧池和好氧池的微生物多样性和丰富度更高。表 3 微生物多样性和丰富度Tab.3 Microbial Diversity and Abundance功能单元OTU多样性丰富度Shannon 指数Simpson 指数Sobs 指数Ace 指数Chao 指数覆盖率厌氧池5774.3830.03758564264799.69%前段缺氧池5924.4030.03459366265999.66%后段缺氧池5984.4620.03259565867599.66%好氧池5794.3530.03757964966799.65%19净 水 技 术WATER PURIFICATION TECHNOLOGYVol.42,No.8,2023August 25th,20232.2.2 微生物群落结构分析图 4 表明,变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)是主要的优势菌门,相对丰度分别为 41.21%49.63%和 26.76%35.67%。多数的脱氮除磷功能性微生物都属于 Proteobacteria 和Bacteroidota,是活性污泥系统中的典型菌门13-15。图 4 微生物门水平组成Fig.4 Composition of Microorganisms at Phylum Level图 5 微生物属水平组成Fig.5 Composition of Microorganisms at Genus Level图 5 显示,各功能单元中微生物群落结构并无明显 差 异。Candidatus _ Competibacter(18.75%26.43%)、OLB8(7.81%12.52%)、Terrimonas(3.41%4.51%)、Norank _ f _ 37-13(3.41%4.31%)、Norank_f_Saprospiraceae(3.10%3.96%)、Tetrasphaera(0.97%4.14%)和 Dokdonella(2.97%3.80%)具有较高的相对丰度,其中 Candidatus _Competibacter 和 OLB8 相对丰度明显高于其他菌属,是主要的优势菌属。Candidatus_Competibacter 是具有反硝化能力的聚糖菌,可以还原 NO-3-N 和 NO-2-N16-17。由图 5可知,进入缺氧单元后,最主要的优势菌属 Candida-tus_Competibacter 相对丰度有着较为明显的上升,这可能是前段缺氧池和后段缺氧池能够有效脱氮的原因。在其他相对丰度较高的菌属中,OLB8、Terri-monas、Norank_f_Saprospiraceae 和 Dokdonella 均具有脱氮功能13,18-20。上述结果表明,缺氧分段式 UCT工艺可以很好地富集脱氮功能微生物,从而使得该工艺具有良好脱氮效果。Tetrasphaera 是一种具有发酵除磷功能的聚磷菌,已经在很多采用强化生物除磷工艺的污水厂中被检出21-22。在新型 UCT 工艺中,Tetrasphaera 呈29卢瑞朋,孙光溪,徐文江,等.缺氧分段式 UCT 工艺的脱氮除磷效能Vol.42,No.8,2023现出较高的相对丰度。进入缺氧单元后,Tetras-phaera 相对丰度由 0.97%增加到 4.14%,并在随后的处理单元中保持稳定。Tetrasphaera 可以发酵有机物且不释放磷,同时还可以在好氧条件下消耗糖原发生吸磷反应,这可能是新型 UCT 工艺能够有效除磷的原因16,23。另外,在新型 UCT 工艺中还存在具有反硝化除磷功能的聚磷菌 Dechloromonas22。许多研究5,10证实了在 UCT 工艺中往往存在反硝化除磷菌。虽然本研究中反硝化除磷过程并不明显,但 Dechloromonas 的存在表明新型 UCT 工艺具有反硝化除磷的潜能。3 结论(1)缺氧分段式 UCT 工艺具有稳定的脱氮除磷效果,CODCr、氨氮、TN 和 TP 的平均出水质量浓度分别为 14.76、0.37、9.98 mg/L 和 0.78 mg/L,平均去 除 率 分 别 为 95.85%、99.37%、83.12%和87.13%。(2)前段缺氧池和后段缺氧池是反硝化脱氮的主要功能单元,NO-3-N 去除量分别为 33.27 mg/h 和22.16 mg/h。分段进水使得后段缺氧池可以进一步去除前段缺氧池残留的 NO-3-N,实现了深度脱氮,从而使得后段缺氧池至厌氧池的回流更有利于保证厌氧释磷反应的顺利进行。(3)在 缺 氧 分 段 式 UCT 工 艺 体 系 中,Proteobacteria 和 Bacteroidota 为优势菌门。该工艺可以很好地富集反硝化菌,反硝化菌 Candidatus_Competibacter(18.75%26.43%)和 OLB8(7.81%12.52%)为 主 要 的 优 势 菌 属。Tetrasphaera 和Dechloromonas 是缺氧分段式 UCT 工艺体系中主要的聚磷菌。参考文献 1 JIN B D,LIU Y,LI X,et al.New insights into denitrification and phosphorus removal with degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in two-sludge systemJ.Bioresource Technology,2022,346:126610.DOI:10.1016/j.biortech.2021.126610.2 中华人民共和国生态环境部.2021 年中国生态环境状况公报R/OL.(2022-05-26)2022-09-10.https:/ of Ecology and Environment of the Peoples Republic of China.China ecological environment status 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