高大文，安 瑞，2，陶 彧，付 源，任南琪

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，哈爾濱150090; 2.深圳市水務(wù)(集團)有限公司，廣東深圳518000，gaodw@hit.edu.cn)

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，人們對水環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，同時經(jīng)濟的發(fā)展所帶來的水資源日益短缺的現(xiàn)狀也迫切要求開發(fā)合適的污水深度處理技術(shù)，以緩解水資源的供需矛盾［1］.在城市化進程不斷加快的今天，生活污水的資源化利用和深度處理成為未來水處理的趨勢之一.因此，我國環(huán)境保護“十一五”規(guī)劃對城市生活污水處理的普及和污水的深度處理提出了更高的要求.膜生物反應(yīng)器(MBR)是一種膜分離單元與生物處理單元相結(jié)合的水處理技術(shù)，它以膜組件取代二沉池，與傳統(tǒng)的生化水處理技術(shù)相比，膜組件能將活性污泥完全截留在反應(yīng)器內(nèi)，大大提高了反應(yīng)速率，增強了系統(tǒng)的耐沖擊負荷的能力，且污泥的產(chǎn)量也相應(yīng)減少［2］.膜生物反應(yīng)器實現(xiàn)了SRT和HRT的分離，有利于實現(xiàn)自動化控制和延長水力停留時間，出水水質(zhì)穩(wěn)定，是中水回用的重要技術(shù)手段，同時也是污泥減量化研究的熱點之一.與此同時，隨著MBR在水污染控制中發(fā)揮著越來越重要的作用，研究者的目光越來越多地集中在通過厭氧(缺氧)－好氧MBR系統(tǒng)同時實現(xiàn)有機物和氮的脫除［3－6］.本文以實際生活污水為處理對象，考察了在不同有機負荷條件下缺氧－好氧MBR系統(tǒng)去除COD和脫氮的效能，以及該系統(tǒng)在不同有機負荷下污泥產(chǎn)生的情況.此外，借助PCR－DGGE和16S rDNA方法研究了在不同有機負荷條件下系統(tǒng)內(nèi)微生物種群結(jié)構(gòu)的變化.

1 試驗

1.1 試驗裝置

整個工藝主要由配水箱、缺氧罐和內(nèi)置式好氧MBR三部分組成(見圖1)，每部分均由厚8 mm有機玻璃制成.缺氧反應(yīng)器的有效體積為8 L，內(nèi)設(shè)電磁攪拌器;好氧MBR的有效體積為8 L，膜組件采用日本三菱公司生產(chǎn)的PE中空纖維膜，膜表面孔徑為0.4 μm.試驗用膜組件采用0.11 m2的膜絲，MBR理論膜通量為30.38 L·d－1.維持缺氧－好氧MBR系統(tǒng)溫度為(23±2)℃.回流比設(shè)定為2.5，缺氧罐和MBR的水力停留時間(HRT)均設(shè)定為8 h，控制MBR的曝氣量為0.4 m3·h－1(DO含量為5～6 mg·L－1).

1.2 接種污泥與生活污水

用于接種缺氧－好氧MBR的污泥取自實驗室用于處理生活污水的A2/O工藝二沉池.本研究所用生活污水取自哈爾濱市某生活區(qū)，但首先經(jīng)過了1個有效體積為5.9 L的升流式厭氧固定床反應(yīng)器(UAFB).經(jīng)過UAFB預(yù)處理后的生活污水與原水相比懸浮固體(MLSS)和COD含量有所降低，且氨氮質(zhì)量濃度提高10%左右.由于設(shè)定UAFB的HRT分別為6、3、1 h，UAFB出水COD的含量逐漸升高，因此，以不同HRT階段的UAFB出水作為缺氧－好氧MBR系統(tǒng)的進水，在固定缺氧－好氧MBR系統(tǒng)的HRT為8 h的情況下，其有機負荷也逐漸增加，以COD計，有機負荷平均值分別為315.8，407.5，507.7 g·m－3·d－1.

1.3 常規(guī)水質(zhì)分析項目與方法

試驗中需要測定的污染性指標(biāo)主要有COD、NH4+－N、NO2－－N、NO3－－N質(zhì)量濃度等，污泥指標(biāo)有懸浮固體(MLSS)含量，其檢測方法主要參照國家環(huán)?？偩诸C布的水和廢水監(jiān)測和分析方法［7］.對DO含量、氧化還原電位(ORP)、pH、溫度等運行參數(shù)的測定借助于WTW(pH/ Oxi 340i)手提式多參數(shù)測試儀，每天選擇反應(yīng)器在穩(wěn)定、正常的運行狀態(tài)時檢測系統(tǒng)各單元的運行參數(shù).

圖1 反應(yīng)器裝置圖

1.4 分子生物學(xué)分析方法

聚合酶鏈反應(yīng)－變性梯度凝膠電泳(PCRDGGE)是近十幾年中應(yīng)用于微生物生態(tài)學(xué)中的分子生物學(xué)分析方法，由于其具有可靠性強、重復(fù)性好、方便快捷等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境生態(tài)學(xué)中微生物種群多樣性、動態(tài)性分析及功能細菌的跟蹤中［8］.本文利用PCR－DGGE和16S rDNA方法分析好氧MBR中微生物種群結(jié)構(gòu)的變化情況.基因組DNA的提取和擴增方法、變性梯度凝膠電泳(DGGE)分析、目的條帶的克隆與測序、DGGE圖譜及多樣性分析以及序列分析的詳細方法參考文獻［9］.

2 結(jié)果與討論

2.1 缺氧－好氧MBR系統(tǒng)去除COD和脫氮效果

由于采用經(jīng)預(yù)處理之后的實際生活污水作為缺氧－好氧MBR的進水，每日進水COD有一定波動，但是由于UAFB的出水COD含量在不同水力停留時間的試驗階段的平均值具有一定梯度(COD含量的平均值分別為105.3，135.8、169.2 mg·L－1)，對應(yīng)的缺氧－好氧MBR進水平均有機負荷分別為315.8、407.5、507.7 g·m－3d－1.缺氧段出水COD含量始終在55～60 mg·L－1之間，與進水有機負荷關(guān)系不大，這可能與缺氧段污泥長期處于饑餓狀態(tài)有關(guān).MBR出水COD含量相對穩(wěn)定，在不同有機負荷條件下分別為27、22、18 mg·L－1，由此可知，缺氧－好氧MBR具有一定耐有機負荷沖擊能力.MBR出水 COD含量可以保證在50 mg·L－1以下，可以達到再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準.試驗發(fā)現(xiàn)隨著有機負荷的增加，缺氧－好氧MBR系統(tǒng)對COD的去除能力逐漸上升(見表1).

表1 不同進水有機負荷條件下COD去除率及脫氮情況

表2 不同進水有機負荷下各單元的氨氮及硝酸氮的去除情況

一般說來，由于絕大多數(shù)硝化細菌是自養(yǎng)菌，有機物的存在會影響部分硝化細菌的活性，從而降低系統(tǒng)去除－N的效率.但是本項研究發(fā)現(xiàn)在處理COD含量相對較低的生活污水時，有機物所致的抑制情況可以忽略，在保證DO含量充足的情況下，組合系統(tǒng)可以實現(xiàn)氨氮高效而穩(wěn)定地去除.與此相反，組合系統(tǒng)對總氮的去除率不如氨氮去除率高，且依賴于進水有機負荷.

有兩方面因素限制了反硝化的進程:一方面從MBR回流到缺氧罐中的泥水混合液中DO含量較高，破壞了反硝化菌所需要的缺氧狀態(tài);另一方面是系統(tǒng)進水的有機碳源不足.理論上來講［10］，脫除1 g總氮需要3～5 g有機物(以5 d生化需氧量BOD5計)，按照實際生活污水可生化性(BOD5質(zhì)量濃度/COD質(zhì)量濃度)為0.4換算，處理含量為50 mg·L－1的－N至少需要COD含量達到375 mg·L－1.因此，如果要實現(xiàn)缺氧－好氧MBR系統(tǒng)更高的脫氮除效率，必須通過改變氮素脫除途徑來提高系統(tǒng)的脫氮能力，例如基于－N積累的短程硝化反硝化［11－12］.

基于已知的實際生活污水進水有機負荷進行脫氮能力的理論計算，結(jié)果表明3個有機負荷條件下最多可脫除總氮分別為8～13 mg·L－1、12～20 mg·L－1和16～27 mg·L－1，對應(yīng)的總氮去除率分別為18%～31%、28%～48%和36%～60%.對比表1中所示總氮去除率可以發(fā)現(xiàn)，在較低有機負荷(315.8 g·m－3·d－1)時總氮去除率為理論最小值;在中等有機負荷(407.5 g·m－3·d－1)時總氮的去除率介于理論最大值與最小值之間;而當(dāng)進水有機負荷達到較高水平(507.7 g·m－3·d－1)時總氮的去除率高于理論最大去除率.事實上，總氮去除率y與進水有機負荷x有較好的相關(guān)性，即y= 0.266 9x－68.231，R2=0.975 2).對于該組合系統(tǒng)而言，當(dāng)有機負荷達到630 g·m－3·d－1，即進水COD含量達到210 mg·L－1時，即可實現(xiàn)總氮的全部去除，這一數(shù)值比單純的理論計算值小45%，這意味著缺氧－好氧MBR系統(tǒng)可能具有節(jié)省有機碳源的優(yōu)勢.

2.2 MBR中污泥含量的變化

MBR試驗從啟動到結(jié)束時間為111 d，盡管缺氧－好氧MBR系統(tǒng)的進水有機負荷發(fā)生了變化，但是對污泥含量的影響不大，從啟動后20 d開始，MBR中污泥含量穩(wěn)定在1 500～2 000 mg·L－1的水平(見圖2).這主要是因為一方面進水固體含量較低，另一方面系統(tǒng)中有機物含量較低使微生物長期處于饑餓或半饑餓狀態(tài)，內(nèi)源呼吸作用明顯.從反應(yīng)器運行效果來看，系統(tǒng)實現(xiàn)了污泥減量化，且較低的污泥含量可有效緩解膜污染.在整個試驗期間，MBR沒有出現(xiàn)嚴重的膜污染現(xiàn)象.

圖2 MBR中污泥含量的變化趨勢圖

MBR成為處理生活污水的有力工藝的一個重要原因是MBR相比于傳統(tǒng)的活性污泥法可以在一定程度上實現(xiàn)污泥減量化.一般理論認為MBR利用膜過濾實現(xiàn)了泥水混合物的分離，同時也實現(xiàn)了水力停留時間和污泥停留時間的分離，因此污泥停留時間理論上可以無限長.因此能夠捕食細菌的原生動物和微型后生動物數(shù)量明顯增加，有效地減小了污泥增長速度.本文中，系統(tǒng)內(nèi)污泥增長緩慢除了得益于較長的污泥停留時間外，還因為缺氧－好氧MBR進水的COD含量較低，異養(yǎng)菌長期處于內(nèi)源呼吸期，同時為了緩解膜污染，MBR中曝氣充分，DO含量處于較高水平，微生物在這樣低碳源高溶解氧的條件下能夠維持一定的自我消耗速率，有效的減小了污泥的增長速率，實現(xiàn)了污泥減量化.

2.3 MBR中微生物種群結(jié)構(gòu)變化

進水中不同有機物含量會引起反應(yīng)器中微生物種群結(jié)構(gòu)的變化.圖3反映了MBR在不同有機負荷條件下運行時微生物種群結(jié)構(gòu)的變化情況(圖中A泳道為Marker，B、C、D泳道分別表示有機負荷為315.8、407.5、507.7 g·m－3·d－1條件).結(jié)果表明不同有機負荷條件下的主要微生物種群結(jié)構(gòu)存在較大差別，尤其是優(yōu)勢種群變化較大.

在不同有機負荷條件下，能夠一直穩(wěn)定存在的菌群有條帶12、13、15，隨著有機負荷的增加逐漸失去優(yōu)勢地位甚至消亡的種群有條帶3、4、5、11，而隨著有機負荷的增加逐漸出現(xiàn)并成為優(yōu)勢種群的有條帶1、2、8、10、14、15，這說明有機負荷的增加可以增加系統(tǒng)中微生物的豐富度，另外在有機負荷為407.5 g·m－3·d－1條件下運行時MBR中所特有的菌種為條帶6、7、9.

圖3 MBR中微生物種結(jié)構(gòu)的變化

通過對圖3中DGGE結(jié)果的某些關(guān)鍵條帶進行16S rDNA分析發(fā)現(xiàn)，在中等有機負荷條件下，MBR中所特有的微生物種群為硝化功能菌群，因此該條件下氨氮和總氮的去除情況相對較好.此外，MBR中的主要微生物類群分布在不同的綱、屬之中，它們多是變形菌綱及擬桿菌綱的某些屬，比較適應(yīng)MBR長期運行中底物缺乏且基質(zhì)不足的不良環(huán)境，能夠在一定程度上長期保持內(nèi)源呼吸狀態(tài).

在MBR中優(yōu)勢地位最為明顯的條帶10為假單胞菌屬，屬化能異養(yǎng)菌，嚴格好氧，呼吸代謝產(chǎn)能，對環(huán)境的適應(yīng)能力較強，最適應(yīng)MBR內(nèi)的生存條件.條帶1，Dechloromonas;條帶3，Nitrospira;條帶8，Chlorobi;條帶9，Nitrosovibrio;條帶16，Betaproteobacteria等都與脫氮有關(guān)，反映了系統(tǒng)具有較強的脫氮水平和潛力.其他功能菌群，如與脫硫除磷有關(guān)的菌群，雖然不處于優(yōu)勢地位但也從側(cè)面反映了系統(tǒng)對于主要污染物的去除具有一定功效.

通過對圖3中各條帶的強度作進一步分析，當(dāng)有機負荷較低時，MBR沒有明顯的優(yōu)勢種群，而且生物種群結(jié)構(gòu)比較簡單，生物種類較少;隨著有機負荷的增加，MBR中微生物種類增加，種群結(jié)構(gòu)明顯復(fù)雜，出現(xiàn)較明顯的優(yōu)勢菌種，可以形成更為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng);當(dāng)有機負荷進一步增加時，MBR中的微生物種類有所減少，一些菌種被淘汰，但是出現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢種(條帶14，Dechloromonas;條帶15，Azospira;條帶16，Betaproteobacteria).不同有機負荷條件下MBR中微生物群落的Shannon指數(shù)分別為0.67、0.95、0.76，這說明系統(tǒng)在中等有機負荷下達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一些功能菌群大量繁殖成為優(yōu)勢種群(如條帶1，Dechloromonas;條帶 6，Niabella;條帶 10，Variovorax;條帶 13，Saprospiraceae;條帶 14，Dechloromonas;條帶16，Betaproteobacteria)，且大多與脫氮有關(guān).隨著這些功能菌群的大量出現(xiàn)并成為優(yōu)勢菌，MBR此時的處理效率最好，污泥活性也較高.這說明在中等有機負荷(407.5 g·m－3·d－1)條件下系統(tǒng)的運行效能最高.

3 結(jié)論

1)隨著進水有機負荷的提高，缺氧－好氧MBR系統(tǒng)對COD的去除以及對總氮的去除能力逐漸增強，分別從 65.9%提高到 85.9%，從18.5%提高到69.5%，但是進水有機負荷對氨氮的去除影響不大.

2)較長的SRT和充分曝氣使得好氧MBR內(nèi)的微生物長期處于內(nèi)源呼吸期，污泥增長速率得到有效減少，MBR內(nèi)污泥含量在111 d的運行中穩(wěn)定在1500～2000 mg·L－1之間，實現(xiàn)了系統(tǒng)的污泥減量化.

3)不同進水有機負荷條件下好氧MBR的微生物種群結(jié)構(gòu)存在較大差別，優(yōu)勢種群變化較大.系統(tǒng)在中等有機負荷(407.5g·m－3·d－1)時微生物群落的Shannon指數(shù)達到最大值(0.95)，以脫氮為主的功能菌群成為優(yōu)勢菌種，系統(tǒng)達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，因此運行效能最高.

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