复合生物膜活性污泥反应器同步脱氮除磷

第６卷　第９期环境工程学报Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．９２０１２年９月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｅｐ．２０１２复合生物膜活性污泥反应器同步脱氮除磷冯翠杰　王淑梅　陈少华（中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室，厦门３６１０２１）摘　要　通过实验研究比较了复合生物膜活性污泥反应器（ＨＹ）和传统活性污泥反应器（ＡＳ）的脱氮除磷效果。结果表明，在水力停留时间（ＨＲＴ）１６ｈ、污泥龄１２～１５ｄ、水温１９～２１℃、ｐＨ６３～７８的条件下，复合生物反应器比活性污泥反应器运行更稳定，未发生污泥膨胀。在相同运行条件下，复合生物反应器对ＣＯＤ、ＴＮ和ＴＰ的去除率分别为９５％、９１％和９８％，而活性污泥反应器对ＣＯＤ、ＴＮ和ＴＰ的去除率分别为８５％、８４％和９０％。稳定工况下复合生物反应器的比硝化、比反硝化速率，比吸磷、比释磷速率均高于活性污泥反应器，且微生物相更加丰富。通过建立１６ＳｒＤＮＡ克隆文库发现生物膜和活性污泥的微生物群落结构均具有高度多样性，但生物膜微生物的微生物相比活性污泥更复杂。关键词　复合生物反应器　脱氮　除磷　１６ＳｒＤＮＡ克隆文库中图分类号　Ｘ７０３　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２０１２）０９３１０６０９ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｉｘｅｄｂｉｏｆｉｌｍａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒＦｅｎｇＣｕｉｊｉｅ　ＷａｎｇＳｈｕｍｅｉ　ＣｈｅｎＳｈａｏｈｕａ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＵｒｂａｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＨｅａｌｔｈ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＵｒｂａｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｆｉｘｅｄｂｉｏｆｉｌｍａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒ（ｔｈｅｈｙｂｒｉｄｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒ，ＨＹ）ａｎｄｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｒｅａｃｔｏｒ（ＡＳ）ｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｂｙｌａｂｓｃａｌｅｔｅｓｔｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅＨＹｓｙｓｔｅｍａｃｈｉｅｖｅｄａｍｏｒｅｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｔｏｔｈｅＡＳｓｙｓｔｅｍｗｈｅｎｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｅｔｅｎｔｉｏｎｔｉｍｅ（ＨＲＴ），ｓｌｕｄｇｅｒｅｔｅｎｔｉｏｎｔｉｍｅ（ＳＲＴ），ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐＨｖａｌｕｅｏｆｔｈｅｔｗｏｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｋｅｐｔａｔ１６ｈｏｕｒｓ，１２～１５ｄａｙｓ，２５～３０℃ａｎｄ６３～７５，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｌｕｄｇｅｆｉｌａｍｅｎｔａｔｉｏｎｂｕｌｋｉｎｇｏｆｔｈｅＨＹｓｙｓｔｅｍｗａｓｎｏｔｗｉｔｎｅｓｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓａｍｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ，ｔｈｅｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｙｇｅｎｄｅｍａｎｄ（ＣＯＤ），ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ（ＴＮ）ａｎｄｔｏｔａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ（ＴＰ）ｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｆｒｏｍｍｕｎｉｃｉｐａｌｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙＨＹｓｙｓｔｅｍｒｅａｃｈｅｄａｔ９５％，９１％ａｎｄ９８％，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎｃｏｎｔｒａｓｔ，ｔｈｅｓｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｔｏ８５％，８４％ａｎｄ９０％ｏｆＡＳｓｙｓｔｅｍ．ＩｔｗａｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅＨＹｓｙｓｔｅｍａｃｈｉｅｖｅｄａｂｅｔｔｅｒｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｈａｎｔｈｅＡＳｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｒｍｓｏｆｓｐｅｃｉｆｉｃｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓａｂｓｏｒｂｉｎｇｒｅｌｅａｓｉｎｇｒａｔｅ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅＨＹｓｙｓｔｅｍｓｈｏｗｅｄａｗｉｄｅｒｒａｎｇｅｏｆｍｉｃｒｏｂｉａｌｄｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｔｈｅｆｌｏｃｓｂｙｍｅａｎｓｏｆＳＥＭｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆａ１６ＳｒＤＮＡｃｌｏｎｅｌｉｂｒａｒｙｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｂａｃｔｅｒｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓｅｉｔｈｅｒｉｎｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍｏｒｉｎｔｈｅａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｗｅｒｅｈｉｇｈｌｙｄｉｖｅｒｓｅｂｙｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆａ１６ＳｒＤＮＡｃｌｏｎｅｌｉｂｒａｒｙ，ａｎｄｔｈｅｓｅｉｎｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍｓｈｏｗｅｄｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｈｙｂｒｉｄｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅａｃｔｏｒ；ｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌ；ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓｒｅｍｏｖａｌ；１６ＳｒＤＮＡｃｌｏｎｅｌｉｂｒａｒｙ基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（ＫＺＣＸ２ＹＷ４５１）；“十一五”国家科技支撑计划子课题（２００９ＢＡＣ５７Ｂ０２）；厦门市科技计划项目（３５０２Ｚ２０１００１３４）收稿日期：２０１１－０５－１１；修订日期：２０１１－０８－０９第一作者：冯翠杰（１９８４～），女，硕士研究生，主要从事水污染控制方面的研究工作。Ｅ[e-mail]通讯联系人，Ｅ[e-mail]　　我国８０％以上城市污水处理厂所采用的工艺均基于传统活性污泥法。近年来，随着城镇污水排放量和氮磷等污染物浓度的逐渐增加，以及污水处理厂污染物排放标准的日趋严格，越来越多已建和新建的污水处理厂将面临不断提高处理能力及对氮、磷去除效果的挑战。尤其是那些受空间和资金限制，无能力扩建的污水处理厂，如何以最低成本、最简易的操作实现现有系统的升级改造显得尤为迫第９期冯翠杰等：复合生物膜活性污泥反应器同步脱氮除磷切［１］。为了满足这些需求，陆续开发了ＳＢＲ、膜生物反应器和生物膜活性污泥复合工艺等工艺。其中，生物膜活性污泥复合工艺以其独特的优势得到了广泛应用［２４］。此工艺在传统活性污泥工艺的基础上，通过在曝气池中投加填料作为微生物附着生长的载体，使曝气池内同时存在悬浮生长微生物和附着生长微生物，形成生物膜与活性污泥共存的复合系统，充分发挥两者的优越性，使之扬长避短，相互补充［５，６］。复合工艺不是活性污泥工艺和生物膜工艺简单叠加，不仅仅是微生物相存在差别，而且工艺上也存在显著的差别：生物接触法无污泥回流，混合液中悬浮生长的污泥浓度很低，而ＨＹ系统有污泥回流，混合液中悬浮污泥浓度高。复合工艺不仅结合了生物膜法和活性污泥法的各自优点，而且具有其独特之处。由于填料的加入，复合工艺为微生物创造了更丰富的存在形式，形成了一个更复杂的生态系统［７］，为各种与脱氮除磷有关的微生物菌群提供了适宜的生存环境，促使脱氮除磷途径多样化，不仅提高脱氮除磷效果，且有利于节省系统占地面积、降低污水处理系统建设造价和运行费用。因此，可在现有污水处理厂构筑物基础上，通过投加价格适宜、效果显著的生物载体，达到不增加现有污水处理厂建设规模而显著提高系统稳定性和处理能力的效果，以最小的投资升级现有的污水处理系统［８］。在当今水体富营养化形势日益紧迫的情况下，复合工艺在城市污水处理厂的建设及改扩建中，具有极为广阔的应用前景。目前已有大量关于复合生物反应器对废水中有机物污染物、营养物去除的研究，但是对微生物的群落结构和营养物去除效果的进一步提高以及复合生物反应器内部机理仍缺乏进一步的研究。本实验对基于Ａ／Ｏ工艺的复合生物膜活性污泥反应器与传统活性污泥工艺进行对比研究，探讨了复合生物膜活性污泥工艺脱氮除磷的效果和运行稳定性，利用分子生物学技术研究分析了生物膜和活性污泥中微生物群结构差异，为废水中有机污染物和营养物的去除提供了一定的科学意义和研究价值。１　材料与方法１１　实验装置与工艺参数复合生物反应器分缺氧池、好氧池、沉淀池和污泥浓缩池４个区，其体积分别为３４２、１０２６、５１３和２５６Ｌ。缺氧池和好氧池的体积比为１∶３，实验装置由聚氯乙烯（ＰＶＣ）塑料板制成。复合生物膜活性污泥反应器（简称复合生物反应器，ＨＹ）实验工艺流程如图１所示。ＨＹ和活性污泥反应器（ＡＳ）平行运行，两者的区别在于复合生物反应器的缺氧池和好氧池中均安装有软性辫帘式填料。启动时投加某污水处理厂的二沉池回流污泥作为种泥。图１　复合生物膜活性污泥反应器实验装置工艺流程图Ｆｉｇ１　Ｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍｏｆｈｙｂｒｉｄｆｉｘｅｄｂｉｏｆｉｌｍａｃｔｉｖａｔｅｄｒｅａｃｔｏｒ运行期间系统的总水力停留时间（ＨＲＴ）控制为１６ｈ，污泥龄（ＳＲＴ）为１２～１５ｄ，ＨＹ的附着生长污泥浓度为７８７ｍｇ／Ｌ，悬浮污泥浓度为２５２１ｍｇ／Ｌ，总计为３３０８ｍｇ／Ｌ；ＡＳ的ＭＬＳＳ为３２１６ｍｇ／Ｌ。进水温度为１９～２１℃，ｐＨ６３～７８，活性污泥和复合生物反应器的出水ｐＨ分别为６３～８５和７３～７８。混合液从好氧池回流至缺氧池，污泥浓缩池污泥释磷后部分回流至缺氧池，混合液和浓缩污泥通过蠕动泵回流，混合液回流比为２００％，污泥回流比为１００％。２个反应器缺氧池中的溶解氧（ＤＯ）均控制在００５ｍｇ／Ｌ以下，好氧池中的ＤＯ均保持在２ｍｇ／Ｌ以上。１２　实验水质与分析方法以某园区生活污水为处理对象。实验期间水温为１９～２１℃，ｐＨ控制在６３～７８，进水水质如表１所示。实验中主要的分析指标包括：混合液悬浮污泥浓度（ＭＬＳＳ）、ＣＯＤ、生化需氧量（ＢＯＤ５）、氨氮（ＮＨ＋４Ｎ）、硝酸盐氮（ＮＯ－３Ｎ）、亚硝酸盐氮（ＮＯ－２Ｎ）、总磷（ＴＰ）和正磷酸盐（ＰＯ３－４Ｐ）等，均按照标准方法分析（ＧＢ１８９１８２００２）。７０１３环境工程学报第６卷表１　实验用水组成成分Ｔａｂｌｅ１　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔ（ｍｇ／Ｌ）项目范围平均值化学需氧量（ＣＯＤ）２０８０～４１２０３２００总氮（ＴＮ）２４０～４４５２７０总磷（ＴＰ）６２～１３７８６氨氮（ＮＨ＋４Ｎ）１４０～２８０２１０硝酸盐（ＮＯ－３Ｎ）００～３０１４磷酸盐（ＰＯ３－４Ｐ）２３～１３８６６１３　比硝化、比反硝化速率和比吸、释磷速率的测定反应器运行至５０ｄ时，分别从复合生物反应器和活性污泥反应器的好氧池中取活性污泥装入２５Ｌ的反应瓶内进行比硝化、反硝化速率和比吸、释磷速率测定实验。实验时温度控制在２０℃左右。复合生物反应器的微生物量取样要考虑到活性污泥和生物膜总的微生物量，按照单位长度填料的微生物量折算到每体积的微生物量来确定投加填料量，以保证能真实地反映反应器的情况。最终使得２个批次实验的总固体（ＴＳ）控制在３１～３２ｇ／Ｌ。ＣＯＤ、ＮＨ＋４Ｎ和ＰＯ３－４Ｐ的起初浓度分别控制在３５０、２５和８０ｍｇ／Ｌ。在批次实验中，依次经历厌氧３ｈ、好氧３５ｈ和缺氧２５ｈ。好氧时溶解氧（ＤＯ）控制在６４～６８ｍｇ／Ｌ，厌氧时段和缺氧时段采用磁力搅拌器搅拌以保证污泥呈悬浮状态。１４　微生物形貌的扫描电镜观察为了考察生物膜和悬浮污泥中生物相的变化，取各反应器好氧池中的悬浮污泥和生物膜样品，分别进行扫描电镜（ＳＥＭ）观察。样品制备过程如下：选取各反应器稳定运行时的污泥和生物膜样品，用０２ｍｏｌ／Ｌ的磷酸盐缓冲溶液（ｐＨ＝７２）清洗３次，再用纯水洗涤３次。清洗后的污泥和生物膜样品在２５％戊二醛溶液中浸泡４