段玉琪，員建，鄭興燦，孫永利，陳軼，高晨晨，游佳

（1天津城建大學環(huán)境與市政工程學院，天津 300384；2中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074；3天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384）

季節(jié)變化對懸浮填料強化硝化效果的影響

段玉琪1，3，員建1,3，鄭興燦2，孫永利2，陳軼2，高晨晨2，游佳2

（1天津城建大學環(huán)境與市政工程學院，天津 300384；2中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074；3天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384）

為探討季節(jié)變化對典型工程中懸浮填料強化硝化的影響，以青島市某采用改良A2/O-MBBR工藝的污水處理廠為研究對象，采用靜態(tài)燒杯試驗方法和高通量測序技術，對秋冬兩季活性污泥系統(tǒng)與懸浮填料-活性污泥復合系統(tǒng)的硝化反應速率變化以及硝化菌構成進行研究。結果表明：活性污泥系統(tǒng)的比氨氧化速率（KA）普遍大于其比硝化速率（KN），懸浮填料-活性污泥復合系統(tǒng)的KA與KN則大體相當；無論是活性污泥系統(tǒng)還是懸浮填料-活性污泥復合系統(tǒng)，其KA與KN值均隨秋冬季節(jié)溫度下降而下降，且KA下降幅度均大于KN；與活性污泥系統(tǒng)相比，懸浮填料-活性污泥復合系統(tǒng)在秋冬季節(jié)能夠在相當程度上提高活性污泥系統(tǒng)的KA和KN值，尤其在冬季，對KN的提高程度更加明顯；懸浮填料對AOB和NOB均有極強的富集作用，且對NOB的富集效果更好。

季節(jié)變化；懸浮填料；強化硝化；氨氧化細菌；亞硝酸氧化細菌

為滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放標準》（GB18918—2002）及2006年修改要求，重點流域城鎮(zhèn)污水處理廠需執(zhí)行GB18918—2002一級A標準［1］。因此，全國各大污水處理廠正陸續(xù)進行升級改造。在活性污泥系統(tǒng)中投加懸浮填料的移動床生物膜反應器（moving bed biofilm reactor，MBBR）工藝因其具有冬季硝化效果好、耗能少、無需反沖洗、出水水質穩(wěn)定、剩余污泥量少等特點而被關注。目前，眾多學者將研究主要集中在懸浮填料的開發(fā)、技術的創(chuàng)新改進及強化硝化效果的中試研究上［2-4］，而對基于MBBR系統(tǒng)實際生產運行過程的研究則鮮有報道［5］。由于在污水處理廠實際生產運行過程中，硝化速率是表征污泥活性及硝化性能的重要指標之一［6］。因此，考察不同季節(jié)下活性污泥系統(tǒng)與懸浮填料-活性污泥復合系統(tǒng)的硝化反應速率變化是實際工程中研究懸浮填料強化硝化的重要方法之一。

為了研究城市污水處理廠生物系統(tǒng)的硝化過程，對硝化菌群落結構的認識顯得至關重要，而對菌群落結構的測定有多種方法。近年來，454焦磷酸、Miseq高通量測序技術因其具有分析結果準確、高速、高靈敏度和高自動化的特點，已廣泛應用于細菌分類學、比較基因組學、轉錄組學等領域［7］，并在環(huán)境微生物鑒定領域取得了較好的應用效果［8］。

基于以上分析，本文以青島市某實際運行的改良A2/O-MBBR工藝為研究對象，采用靜態(tài)燒杯試驗方法，分別測定不同季節(jié)下活性污泥系統(tǒng)和懸浮填料-活性污泥復合系統(tǒng)（簡稱復合系統(tǒng)）的硝化反應速率，并同期采用Miseq高通量測序技術檢測活性污泥及懸浮填料上硝化菌群落結構，研究不同季節(jié)懸浮填料的強化硝化特性和硝化菌的分布情況，以期為污水處理廠運行過程中工況參數的調整提供參考依據。

1　試驗材料與方法

1.1試驗材料

反應器為有機玻璃制成，內徑約10cm，高度約18cm，底座平坦可放置在磁力攪拌器上；試驗用水取自青島市某污水處理廠的回流污泥和生物池進水；試驗用懸浮填料取自該廠填料區(qū)的填料，該填料自投加到該廠填料區(qū)已穩(wěn)定運行3年，掛膜和硝化效果良好，其基本參數見表1。

表1　試驗用懸浮填料基本參數

1.2試驗方法

1.2.1硝化反應速率的測定

將回流污泥分別置于2個反應器中（編號1#、2#），加入若干硝酸鉀并注入一定量的生物池進水（回流污泥和生物池進水按體積比1∶1混合），首先控制攪拌速度在20～25r/min（此時混合液能夠攪拌均勻、無明顯分層且液面無明顯漩渦）下進行2.5h的反硝化試驗，以保證產生足量的堿度來滿足后續(xù)硝化反應的需求；然后再向兩個反應器中分別投加一定量的NH4Cl或其他NH3-N物質，停止攪拌，并在2#反應器投加40%的懸浮填料，連續(xù)曝氣并按一定時間間隔取樣，測定液相中的氨氮（NH4+-N）和硝酸鹽氮（NO3--N）濃度變化，根據測定結果繪制NH4+-N和NO3--N濃度隨時間（t）變化的關系曲線，由此進一步計算出單位時間單位污泥濃度的NH4+-N減少量（混合液中有機氮的氨化作用影響可以忽略）和NO3--N濃度的增加量，所得結果即為該活性污泥系統(tǒng)的比氨氧化速率（KA）和比硝化速率（KN），在此統(tǒng)稱為硝化反應速率，分別用mgNH4+-N/（gVSS·h）和mgNO3--N/（gVSS·h）表示。

需要注意的是，在復合系統(tǒng)硝化反應速率的測定中，為方便與活性污泥系統(tǒng)的比較，其系統(tǒng)的污泥濃度按活性污泥系統(tǒng)的污泥濃度計算。

1.2.2硝化菌群落結構的檢測

活性污泥和懸浮填料附著微生物中硝化菌群落結構的檢測委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司采用Miseq高通量測序代為進行。

MiSeq高通量測序基本流程如下：①基因組DNA抽?。ú捎猛寥繢NA提取的方法）；②PCR擴增；③熒光定量；④Miseq文庫構建；⑤Miseq測序。然后通過OTU聚類分析和物種分類學分析，最后對群落結構和系統(tǒng)發(fā)育等深入的統(tǒng)計學數據分析。檢測過程中引物序列如表2所示。

表2　引物序列信息表

1.3測定項目與方法

COD，USEPA消解比色法；總氮（TN），過硫酸鉀法；BOD5，稀釋接種法；氨氮，水楊酸鹽法；硝態(tài)氮，鎘還原法；混合液懸浮固體濃度（MLSS）和混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS），根據殘渣標準測定法測定；溶解氧（DO）、pH、溫度（T），用MultiLine?ID測定。

2　結果與討論

2.1生物系統(tǒng)進水水質及硝化菌分布變化

根據《活性污泥法理論與技術》［9］介紹，氨氧化細菌（ammonia oxidizing bacteria，AOB）主要包括亞硝化單胞菌、亞硝化螺旋菌屬、亞硝化球菌屬、亞硝化葉菌屬、亞硝化弧菌屬；亞硝酸氧化細菌（nitrite oxidizing bacteria，NOB）主要包括硝化桿菌屬、硝化螺菌屬、硝化球菌屬、硝化刺球菌屬。本實驗高通量測序結果主要針對以上幾種菌屬進行統(tǒng)計分析。

為探討生物系統(tǒng)進水水質與污泥性狀對其硝化性能的影響，對該污水處理廠生物系統(tǒng)進水水質、同期實際泥齡以及硝化菌群落構成情況進行了考察，其結果見表3和表4。

表3　生物池進水水質和泥齡

表4　活性污泥和填料上AOB、NOB占生物總量比例

從表3可以看出，監(jiān)測期間，COD、BOD5、TN、NH4+-N等指標均處于較高濃度范圍，且TN濃度遠大于NH4+-N濃度，這與青島居民小區(qū)未設置化糞池有一定關系。各水質指標隨季節(jié)變化均呈V字形的變化態(tài)勢，除BOD5在12月初降至最低值外，COD、TN、NH4+-N等指標均在12月中旬降至最低值；B/C大多保持在0.5以上，說明該廠生物系統(tǒng)進水具有良好的可生化性，BOD5/TN在2.82±0.576范圍內波動，這相對于脫氮而言碳源是不足的。為保證反硝化的進行，該廠在實際運行過程中采取了外加碳源的技術措施，這可能會對后續(xù)硝化性能產生影響；與此同時，該廠進水水量在（8.35±0.4）×104m3/d范圍內波動。因此，該時期污水廠正常運行的情況下，進水水量水質的變化會在一定程度上影響污泥的性質及其硝化菌群落結構，并進一步影響其硝化性能。

泥齡的長短會影響各功能微生物所占微生物總量的比例，進而影響污泥系統(tǒng)的硝化性能。由表3可見，從秋季到冬季，泥齡呈上升趨勢，11月份泥齡過長的原因是剩余污泥排泥量減少，以便為冬季長泥齡和高污泥濃度的需求做調整，這也對活性污泥和懸浮填料上附著微生物中的硝化菌群落結構產生影響。

從表4看出，從秋末到冬季，活性污泥系統(tǒng)中，硝化菌的比例保持在1.55%～1.85%范圍內，未出現明顯波動變化，且除10月中旬外，其他污泥樣品中NOB的比例（bW）高于或大體相當于AOB的比例（aW）；懸浮填料上硝化菌的比例保持在9.35%～16.35%之間，且NOB的比例（bT）始終明顯高于AOB的比例（aT）。這表明對該污水處理廠而言，無論是活性污泥還是懸浮填料，更適合NOB的存在和富集，這與出水氨氮濃度較低時，由于生長速率的差異，導致NOB較AOB更易于生長繁殖有關［10］。

對比活性污泥和懸浮填料的硝化菌群落構成發(fā)現，懸浮填料與污泥中硝化菌的比（aT+bT/aW+bW）在5.6～10.6之間，aT/aW在0.92～5.0之間，bT/bW在6.2～15.8之間。這表明懸浮填料對硝化菌有極強的富集作用，且對NOB的富集效果更好。分析其原因是：由于懸浮填料具有較大的比表面積、長泥齡及膜結構，使其更利于AOB和NOB的附著和富集；另外，試驗期間好氧池出水氨氮濃度在1mg/L以下，由于NOB較AOB對氮基質親和力更強，因此，在生物膜內部低氮基質濃度下，NOB的生長速率要大于AOB［10］，且NOB的泥齡比AOB長［11］，這可能是導致懸浮填料對NOB富集效果更好的重要原因。

2.2季節(jié)變化對活性污泥硝化反應速率的影響

在活性污泥系統(tǒng)中，氨氮、DO以及堿度充足的情況下，硝化反應速率在某溫度下呈零級反應［5］。不同監(jiān)測時期，活性污泥系統(tǒng)的硝化反應速率變化情況如圖1所示。

圖1　活性污泥系統(tǒng)硝化反應速率季節(jié)變化圖

從圖1可看出，隨季節(jié)變化，溫度呈下降趨勢，活性污泥系統(tǒng)的硝化反應速率也隨之降低。10月中旬，溫度在21℃左右，比氨氧化速率（以下簡稱KA）為3.0mgNH4+-N/（gVSS·h），比硝化速率（以下簡稱KN）為1.9mgNO3--N/（gVSS·h），KA/KN為1.6；11月中旬至第二年1月下旬，溫度在15～17℃范圍內波動，KA在（2.0±0.27）mgNH4+-N/（gVSS·h）之間，KN在（1.1±0.26）mgNO3--N/（gVSS·h）范圍內，KA/KN保持在1.9±0.3范圍內。由此可見，KA始終大于KN，氣候轉冷后，KA、KN均下降，且從平均值下降程度看，KA下降幅度略大于KN。

活性污泥系統(tǒng)硝化反應速率下降主要是因為硝化菌生長最適宜的溫度范圍是20～30℃，屬于中溫生長菌。溫度降低，酶的活性降低，從而導致細菌整體的親和性下降［12］，最終影響其生長速率、代謝速率；溫度降低，KA仍大于KN的原因是：當游離氨（FA）的濃度大于1mg/L時會對NOB造成抑制［13］，小試期間，氨氮濃度控制在33～45mg/L之間，pH在7.9～8.1之間，通過游離氨計算公式［式（1）］［14］得出液相中FA的濃度在1.2～2.5mg/L之間，這對NOB的活性造成抑制，從而導致其比硝化速率較低；除此之外，污泥系統(tǒng)中可能還存在具有氨氧化作用的氨氧化古菌（AOA）［15］以及微生物對氨氮的同化作用，從而在宏觀層面表現出KA大于KN。

2.3季節(jié)變化對復合系統(tǒng)硝化反應速率的影響

不同季節(jié)條件下，復合系統(tǒng)硝化反應速率測定結果如圖2所示。

圖2　復合系統(tǒng)硝化反應速率季節(jié)變化圖

從圖2可看出，復合系統(tǒng)中，10月份試驗時，溫度在21℃左右，KA為9.43mgNH4+-N/（gVSS·h），KN為7.47mgNO3--N/（gVSS·h）；KA/KN為1.26；冬季試驗時，溫度在15～17℃，KA為（3.92±0.66）mgNH4+-N/（gVSS·h），KN為（4.19±0.59）mgNO3--N/（gVSS·h），KA/KN在0.93±0.08范圍內。由此看出，秋季KA大于KN，而冬季，KA與KN大體相當。由秋季到冬季，復合系統(tǒng)的 KA、KN都有不同程度的下降，且從平均值下降程度看，KA下降幅度大于KN。從表4可看出，10月份時，復合系統(tǒng)中NOB占的比例明顯高于AOB，而KA大于KN，這是由于20℃左右時AOB的活性明顯高于NOB，從而彌補了AOB數量的不足所致；冬季時，復合系統(tǒng)中NOB占的比例仍高于AOB，而KA與KN基本相同，這是由于溫度對AOB的影響要大于NOB［16］，隨著溫度的降低和系統(tǒng)泥齡的增大，復合系統(tǒng)中AOB的數量和活性均急劇降低，從而使KA出現大幅度下降，但復合系統(tǒng)中的NOB并未出現數量上的降低甚至略有增加，從而由于NOB數量上的絕對優(yōu)勢和受溫度影響相對較小，使其KN并未出現大幅度下降，最終導致復合系統(tǒng)的KA、KN大體相當。

表5　活性污泥系統(tǒng)和復合系統(tǒng)的硝化反應速率

2.4不同季節(jié)下懸浮填料強化硝化特性比較

為進一步討論季節(jié)變化對懸浮填料強化硝化特性的影響，對同期測定的活性污泥系統(tǒng)和復合系統(tǒng)的硝化反應速率進行了比較，結果見表5。

從表5可以看出，投加填料的復合系統(tǒng)在秋冬季節(jié)時的KA、KN值遠大于同期活性污泥系統(tǒng)，且冬季的KA、KN值仍可達到秋季10月份溫度較高時活性污泥系統(tǒng)的KA、KN值；10月份時上述兩系統(tǒng)的KA比值（KA-FH/KA-WN）與KN比值（KN-FH/KN-WN）分別是3.14和3.91，這表明無論從比氨氧化速率還是比硝化速率的角度看均呈現非常明顯的強化硝化特性；11月份中旬到第二年1月下旬，KA-FH/KA-WN與KN-FH/KN-WN分別為1.97±0.14、4.00±0.60，懸浮填料也均表現出非常理想的強化硝化特性，特別是比硝化速率的提高更加明顯，幾乎未因為秋冬季節(jié)的變化而降低。這表明懸浮填料的投加，能夠在相當程度上提高活性污泥系統(tǒng)的KA和KN值，尤其在冬季對KN的強化作用更加明顯。分析其原因如下：10月份時，溫度偏高，復合系統(tǒng)中生物總量和硝化菌所占的比例均高于污泥系統(tǒng)，因而復合系統(tǒng)的硝化反應速率要高于活性污泥系統(tǒng)的硝化反應速率；冬季，溫度下降后，生物活性均有所下降，但復合系統(tǒng)由于生物量上的絕對優(yōu)勢以及在懸浮填料上可能還存在一些耐寒微生物［12］，使其硝化反應速率仍大于污泥系統(tǒng)；由于該廠懸浮填料對NOB的富集效果強于AOB，因而KN的提高程度較KA大，尤其在冬季，KN的提高程度更加明顯。

3　結 語

（1）在秋冬季節(jié)，活性污泥系統(tǒng)的比氨氧化速率（KA）普遍大于其比硝化速率（KN），復合系統(tǒng)的KA與KN則大體相當。

（2）無論活性污泥系統(tǒng)還是復合系統(tǒng)，從秋季到冬季，KA與KN均隨溫度下降而下降，且KA下降幅度均大于KN，但KA/KN值的變化趨勢不同，活性污泥系統(tǒng)從1.6增大至1.9±0.3范圍內，復合系統(tǒng)從1.26減小至0.93±0.08范圍內。

（3）與活性污泥系統(tǒng)相比，復合系統(tǒng)在秋冬季節(jié)均能夠在相當程度上提高活性污泥系統(tǒng)的KA和KN值，尤其是冬季對KN的提高程度更加明顯，其KA-FH/KA-WN與KN-FH/KN-WN分別由秋季的3.14、3.91變?yōu)槎镜?.97±0.14、4.00±0.60。

（4）懸浮填料對AOB和NOB均有極強的富集作用，且對NOB的富集效果更好。

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Effect of seasonal variation on the enhanced nitrification of suspended carriers

DUAN Yuqi1，3，YUAN Jian1，3，ZHENG Xingcan2，SUN Yongli2，CHEN Yi2，GAO Chenchen2，YOU Jia2
（1School of Environmental and Municipal Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；2North China Municipal Engineering Design and Research Institute，Tianjin 300074，China；3Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，Tianjin 300384，China）

In order to discuss effect of seasonal variation on the enhanced nitrification of suspended carriers in typical engineering project，static breaker test method as well as the high-throughput sequencing method was employed to study variation of nitrification rate and composition of nitrobacteria of the activated sludge system and the combined process of suspended carriers and activated sludge system（shortened form combined process） in autumn and winter，based on a sewage treatment plant which adopted a modified A2/O-MBBR process in Qingdao. The results showed that the specific ammonia oxidation rate（KA） of the activated sludge system was generally greater than that of the specific nitrification rate（KN）. However，the KAof combined process was roughly equivalent to that of KN. The KAand KNboth dropped as the temperature decreased in autumn and winter either for activated sludge system or combined process. KAdropped slightly larger than KN. Compared with activated sludge system，the KAand KNwere improved by combined process in autumn and winter，especially the KNin winter. Suspended carrier has significant enrichment ability for AOB and NOB，and better for NOB.

seasonal variation；suspended carriers；enhanced nitrification；AOB；NOB

X 703

A

1000-6613（2016）11-3677-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.11.044

2016-04-11；修改稿日期：2016-06-15。

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07313-001）。

段玉琪（1988—），男，碩士研究生。研究方向為水污染控制與資源化。E-mail duanyuqi2011@sina.com。聯系人：員建，教授。E-mail yuanjian63@126.com。