北方某污水处理厂抗氯离子冲击效果分析
导读：北方某污水处理厂规模为10万m3/d，自2017年以来开始受海水倒灌冲击，污水处理厂中氯离子浓度和电导率随着潮汐潮位的变化呈现出波动性变化。污水处理厂采用改良AAO+MBBR工艺，在氯离子浓度频繁波动的情况下仍保持较高的脱氮除磷效果。通过试验研究发现，MBBR悬浮载体具有较好的抗冲击能力，氯离子波动冲击对于悬浮载体的硝化效果无明显影响，而对活性污泥的硝化过程具有明显的抑制作用。在反硝化方面，氯离子冲击会降低反硝化速率，此时需要延长缺氧区HRT或增大碳源投加量来保证TN的去除。采用改良AAO镶嵌MBBR工艺，通过好氧区投加悬浮载体，扩大缺氧区HRT。实践证明该工艺在硝化和反硝化效果上抗冲击性能良好，适用于高盐废水的处理。
0 前言
近年来，随着淡水资源的短缺，地下水、河湖水的过量开采以及过度采砂等行为会导致海水倒灌，随着潮汐变化，海水水位的波动，会造成不同程度的海水倒灌进入城市污水管网，进而经各泵站汇集进入城市污水处理厂。海水的典型特征是高盐，尤其是氯离子浓度高达17 000 mg/L以上。高氯能够改变活性污泥的胞外渗透压，使环境中渗透压高于细菌内部，导致细菌的细胞壁和细胞质膜平衡形态丧失，发生质壁分离，进而对污水生物处理系统产生不同程度的影响。相关研究表明，高浓度氯离子能够降低与脱氮除磷相关酶的活性，阻止为反应提供进一步的推动力，从而对相关酶促反应造成抑制和毒害作用，最终改变活性污泥中微生物群落结构，抑制硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的生长繁殖，从而对污水处理系统的脱氮除磷性能产生不利影响。此外，在长期影响的情况下，高浓度氯离子能够引起细胞内的氧化应激反应，从而增强了对微生物的毒性。
本文以北方某沿海污水厂抗氯离子冲击的效果为例，分析移动床生物膜反应器（Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）镶嵌于AAO工艺中对持续波动氯离子冲击的抵抗效果，为城市污水厂抵御氯离子的冲击提供技术参考。
1 污水处理厂概况
污水处理厂设计规模为10万m3/d，采用改良AAO-MBBR工艺。生化池自进水端至出水端，分别为预缺氧区、厌氧区、缺氧区、好氧区，HRT分别为1 h、1.6 h、10 h、11.2 h。在好氧区投加SPR-I型悬浮载体，该悬浮载体厚10 mm，直径25 mm，有效比表面积大于450 m2/m3，符合《水处理用高密度聚乙烯悬浮载体》（CJ/T 461-2014）行业标准，挂膜前其密度略小于水（0.94～0.97 kg/m3），挂膜后密度与水接近（1.000～1.003 kg/m3），填充率为30%。生化池污泥浓度为3.0~3.3 g/L。好氧区的溶解氧实测值为2~3 mg/L，内外回流比分别为250%和100%。污水处理厂设计进出水水质见表1。
自2017年中旬以来，该污水处理厂持续受到海水倒灌冲击，主要表现为污水处理厂中氯离子浓度电导率随着每日潮汐潮位的变化呈现出波动性变化。在正常运行时，生化池电导率为2～3μS/cm，氯离子浓度为600～1 000 mg/L；在高潮位时，污水厂受海水倒灌冲击时，生化池电导率则高达8～16μS/cm，氯离子浓度为3 000～6 000 mg/L。在受高氯波动冲击过程中，污水处理厂出水并没有受影响，只是在高潮位的情况下，为保证TN去除效果，碳源多投加近一倍。为了验证污水处理厂的实际运行效果，对生化段进行了沿程和小试测定。
1.1 试验方法
1.1.1 氯离子冲击对硝化的影响
(1)对污泥硝化性能的测定。在低潮位时取缺氧池出水和海水分别配置氯离子浓度为1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L和5 000 mg/L的原水，分析不同氯离子浓度对污泥负荷的影响。
(2)对悬浮载体硝化性能的测定。在低潮位时取缺氧池出水和海水分别配置氯离子浓度为1 000 mg/L、2 500 mg/L、4 000 mg/L和6 000 mg/L的原水，分析不同氯离子浓度对悬浮载体硝化负荷的影响。
1.1.2 氯离子冲击对反硝化的影响
(1)不同氯离子浓度的影响。在低潮位时取厌氧池出水，利用海水分别配置氯离子浓度为1 000 mg/L、3 000 mg/L、5 000 mg/L原水，确定氯离子浓度对活性污泥反硝化性能的影响。
(2)不同C/N（COD/氨氮）比的影响。在低潮位时取厌氧池出水，利用海水分别配置两组氯离子浓度各为800 mg/L和5 000 mg/L的原水进行反硝化小试，通过人为投加乙酸钠，研究不同C/N比在高、低潮位时对活性污泥反硝化性能的影响。
1.2 水质分析方法
试验中氨氮采用纳氏试剂分光光度法，硝氮采用紫外分光光度法，TN采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，TP采用钼锑抗分光光度法；pH、DO采用WTW Multi-3430i离线测定；COD的测定通过添加硝酸银掩蔽氯离子后采用国标法测定。
1.3 高通量测序
高通量测序通过试剂盒(E.Z.N.A Mag-Bind Soil DNA Kit，OMEGA)提取微生物基因组DNA，通过1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提基因组的完整性，利用Qubit3-0 DNA试剂盒检测基因组DNA浓度。PCR扩增所用引物为341 F/806R。PCR产物进行琼脂糖电泳，通过DNA胶回收试剂盒(SanPrep)对PCR产物进行回收，利用Qubit3.0 DNA检测试剂盒对回收的DNA精确定量，按照1∶1的等量混合后测序，等量混合时，每个样品DNA量取10 ng，最终上机测序浓度为20 pmol，通过Illumina Miseq测序平台完成对样品高通量测序。
采用UPARSE 软件(version 7.1)根据 97%的相似度进行OTU聚类；使用UCHIME软件剔除嵌合体。利用RDP classifier对每条序列进行物种分类注释，比对Silva数据库(SSU123)，设置比对阈值为70%。
2 结果与讨论
2.1 生化池处理效果
研究期间，跟踪了污水处理厂2018年9月至2019年5月经过一个冬季的生化段水质指标，生化池进水COD、NH3-N、TN和TP的浓度分别为403.2±241.4 mg/L、50.4±4.2 mg/L、66.2±12.0 mg/L和5.1±1.2 mg/L，进水浓度高，且波动性大，出水COD、NH3-N、TN和TP的浓度分别为29.7±18.6 mg/L、0.70±0.89 mg/L、8.2±2.0 mg/L和0.3±0.3 mg/L，可以稳定达到GB 18918-2002一级A标准，尤其是氨氮可以达到地表Ⅳ类水标准，去除率达到98.6%。TN去除率87.6%，出水低于10 mg/L，TP去除率94.1%。采用改良AAO镶嵌MBBR工艺抗高氯波动冲击效果良好。
2.2 氯离子冲击对硝化的影响
2.2.1 氯离子冲击对污泥硝化性能的影响
氯离子冲击对污泥硝化性能影响如图1所示，在活性污泥系统下，水温13~15 ℃、污泥浓度为2.7 g/L时，随着氯离子浓度由1 000 mg/L增加至5 000 mg/L，氨氮降低至1.5 mg/L以下时，污泥硝化负荷由0.083 kgN/(kgMLSS·d)降低至0.029 kgN/(kgMLSS·d)，下降了65.1%，表明氯离子浓度的增加对污泥的硝化性能产生了不利的影响。氯离子浓度过高会引起活性污泥中细胞脱水，并导致相关生物酶发生盐析作用失活，从而影响微生物正常的生理代谢。Wang等发现，随着进水盐度由0增加至8%，污泥中硝化菌的丰度降低，进而使比氨氧化速率和比亚硝酸盐氧化速率分别降低了74.0%和82.0%，导致了系统硝化性能的下降。
2.2.2 氯离子冲击对悬浮载体硝化性能的影响
氯离子冲击对悬浮载体硝化性能的影响如图2所示，在悬浮载体系统下，水温14~15 ℃、填充率为30%时，当氯离子浓度由1 000 mg/L增加至6 000 mg/L时，悬浮载体的硝化容积负荷并无明显变化，为0.078kgN/(m3·d)。综上所述，氯离子冲击对悬浮载体的硝化性能并无明显影响，表明在抗高盐特征上，悬浮载体优于活性污泥。相关研究表明，当盐度上升后，细菌可通过增强EPS分泌来进行自我保护，从而在一定程度上保持细胞生理形态和提升耐盐能力。而同一生物池内的悬浮载体生物膜EPS的量一般远大于活性污泥EPS的量，因此导致生物膜的这种保护作用强于活性污泥，从而使悬浮载体生物膜更抗高盐度冲击，另外，也有研究发现，悬浮载体生物膜泥龄长，为硝化菌种的富集提供了条件，从而增强了处理效果。
2.3 氯离子冲击对反硝化的影响
从污水处理厂实际运行看，氯离子冲击时，需要多投碳源，从而保障缺氧区脱氮效果，在此基础上分析了高氯冲击对反硝化的影响。
2.3.1 氯离子冲击对反硝化效果的影响
氯离子冲击对活性污泥反硝化效果的影响如图3所示，在水温19~21 ℃、污泥浓度为2.9~3.1 g/L的情况下，当氯离子浓度由1 000 mg/L增加至 5 000 mg/L，经过4 h后，反硝化速率由0.017 kgN/(kgMLSS·d)下降至0.014 kgN/(kgMLSS·d)，氯离子浓度提升5倍后，反硝化速率降低18%，表明氯离子浓度对污泥的反硝化效果产生不利的影响。相关研究表明，高氯条件能够抑制反硝化过程中硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶的活性，引起N2O的积累，导致了反硝化速率的降低。
当氯离子浓度分别为1 000 mg/L、3 000mg/L和5 000 mg/L的情况下，硝氮分别降低8.54 mg/L、7.97 mg/L、7.08 mg/L，COD分别消耗52.8 mg/L、55.2 mg/L、53.6 mg/L，ΔCOD/ΔNO3-分别为6.18、6.93、7.57，结果表明随着氯离子浓度的升高，去除单位浓度硝氮所消耗的COD越多。可能的原因有两个：①氯离子冲击的情况下，微生物的胞外聚合物分泌量有所增加。胞外聚合物以多糖和蛋白质为主，且来源于外界的有机物。在氯离子反复冲击的情况下，系统中胞外聚合物含量的增加，增大了对外界有机物的需求量；②相关研究表明，当氯离子的浓度不超过30 000 mg/L时，对活性污泥中转化酶的活性具有促进作用，增多了碳源的无效利用。
2.3.2 不同C/N比对氯离子冲击的情况下反硝化性能的影响
不同C/N比对氯离子冲击情况下反硝化性能的影响如表2和图4所示。当试验的水温为19~21 ℃，在不添加醋酸钠且氯离子浓度分别为800 mg/L和5 000 mg/L的情况下，反硝化速率分别为0.018 kgN/(kgMLSS·d)和0.014 kgN/(kgMLSS·d)，从而表明了氯离子冲击对于反硝化过程的抑制性。该结果与2.3.1中结果一致。在添加醋酸钠且氯离子浓度分别为800 mg/L和5 000 mg/L的情况下，反硝化速率分别增加至0.052 kgN/(kgMLSS·d)和0.036 kgN/(kgMLSS·d)。C/N比由10.6提高至16.6后，反硝化速率分别提高2.9倍、2.6倍。上述结果表明，即使在有外加碳源的情况下，氯离子对反硝化过程的影响依然存在；但无论在低氯离子浓度和高氯离子浓度条件下，乙酸钠的投加均能够大幅提高反硝化速率。研究表明醋酸钠是易降解有机物，更易于被反硝化菌吸收利用，这是其导致反硝化速率大幅提高的原因。与此同时，该现象也解释了厂方在高潮位的情况下，可以通过增大碳源投加量应对氯离子冲击的原因。
在该污水处理厂的升级改造中，采用改良AAO镶嵌MBBR工艺实现了原池改造，利用MBBR工艺强化硝化的原理，缩小了好氧池容，扩大了缺氧池容，增加了缺氧区的HRT，所以在高氯波动冲击的情况下，即使反硝化速率降低，通过延长缺氧区的HRT和投加碳源，保障了整体了TN的稳定达标。
2.4 MBBR工艺对功能微生物的选择作用
分别取该污水处理厂MBBR区挂膜悬浮载体和好氧池污泥进行高通量测定，从而判定微生物群落结构。
样品中优势微生物组成如图5所示，悬浮载体和污泥中丰度较高的微生物包括Nitrospira（硝化螺菌属）、Nitrosomonas（亚硝化单胞菌属）、Candidatus Microthrix、Hyphomicrobium（生丝微菌属）、Trichococcus（明串珠菌属）、Thermomonas（热单胞菌属）、Mycobacterium（分支杆菌属）、Ornithinibacter、Terrimonas和Nitrolancea等。
Candidatus Microthrix属是活性污泥中常见的微丝菌属，常与污泥膨胀有关，其在活性污泥和悬浮载体上的相对丰度分别为21.25%和6.33%。该菌属比表面积大，有利于活性污泥细胞摄取低浓度底物，减少水流对细胞的冲刷。在悬浮载体中，Candidatus Microthrix的存在有利于构成生物膜的骨架结构，为微生物提供附着生长的场所。
Ornithinibacter在悬浮载体生物膜和污泥中的丰度分别为3.01%和10.87%。研究表明，该菌属在污水处理当中能够抗病毒、产生胞外聚合物，从而维持微生物群落的骨架结构，保证了系统的稳定运行。
Hyphomicrobium属在悬浮载体生物膜和污泥中的丰度分别为1.07%和1.36%，其在溶解氧充足的情况下具有好氧反硝化的功能。此外，相关研究表明，该菌属对二氯甲烷、甲胺磷、二甲基硫醚和甲醇等具有降解功能，李继兵利用稳定同位素探针技术发现了该菌属可参与PAHs污染水体中菲的降解，并验证了该菌属具有降解菲的功能。
Terrimonas、Thermomonas、Trichococcus、Thauera和Defluviimonas属为污水处理系统当中常见的反硝化菌属。其中Terrimonas属能够降解蒽类物质，在悬浮载体和活性污泥中的相对丰度分别为0.35%和0.76%。Thermomonas和Trichococcus在悬浮载体中的相对丰度为0.20%和0.74%，在活性污泥中的相对丰度分别为0.75%、和6.96%。Thauera和Defluviimonas对高浓度氯离子具有耐受性，在活性污泥中的相对丰度分别为0.44%和0.78%，两者的存在为高氯条件下反硝化过程的顺利进行提供了微观保障。
Nitrosomonas在悬浮载体生物膜和活性污泥中的相对丰度分别达到了0.39%和0.04%，而Nitrospira的相对丰度则分别为9.74%和0.32%。Nitrolancea是一种新型的杆状硝化菌属，在污泥中并未检测到该菌属，在悬浮载体上其相对丰度达到0.43%。综上所述，与活性污泥相比，悬浮载体更能够富集硝化菌属，对Nitrospira的富集效果更为显著。研究表明Nitrospira兼具有亚硝化和硝化的功能，虽然该菌属的比增长速率较低，但对基质的亲和力大，在低浓度氨氮的环境中更具竞争优势，因此Nitrospira通常出现在氨氮浓度相对较低的情况下。悬浮载体的加入使得Nitrospira成为主要的硝化菌属，其相对丰度为活性污泥中的30倍，从微观角度上反映了悬浮载体对于系统硝化性能的强化作用，这也是悬浮载体对氯离子冲击抵抗性强的原因。
为了进一步研究亚硝化菌（ammonia oxidizing bacteria，简称AOB）和硝化菌（nitrite oxidizing bacteria，简称NOB）在污泥中的分布情况，采用荧光原位杂交技术，以AOB和NOB特有的核酸序列为探针进行染色，其结果如图6所示。在悬浮载体中，AOB和NOB的占比相当，且分布均匀广泛（图6a和6b）。然而在活性污泥中，AOB和NOB的含量极少，几乎无法辨别其存在（图6c和6d）。上述结果表明悬浮载体上AOB和NOB的含量远高于活性污泥，这与图5的结果相一致，从而进一步证明了悬浮载体对于系统硝化性能的强化以及抗氯离子冲击的原因。
为研究群落生态学中微生物多样性，通过单样品的多样性分析 (Alpha多样性) 可以反映微生物群落的丰度和多样性。本研究中测定了一系列统计学分析指数，用以估计环境群落的物种丰度和多样性。其中，Chao 1算法用以估计群落中含OTU数目，进而在生态学中估计物种总数。Shannon多样性指数与Simpson多样性指数为较常见的用于反映Alpha多样性的指数。Shannon值越大，说明群落多样性越高，Simpson指数值越大，说明群落多样性越低。如表3所示，对悬浮载体生物膜和活性污泥高通量结果进行多样性分析，由Chao 1指数可知，相较于活性污泥，悬浮载体生物膜的微生物群落相对丰度降低，Shannon指数略微降低，Simpson指数升高，表明MBBR生物膜在长期富集过程中逐渐淘汰了其他杂菌，导致微生物群落丰富度及多样性略微上升，而物种均一化程度则略微下降。
3 结论
(1)污水处理厂采用改良AAO镶嵌MBBR工艺，抗氯离子波动冲击能力强，出水COD、NH3-N、TN和TP的浓度分别为29.7±18.6 mg/L、0.70±0.89 mg/L、8.2±2.0 mg/L和0.3±0.3 mg/L，稳定达到设计标准。
(2)氯离子冲击对于活性污泥的硝化性能影响明显，而对悬浮载体的硝化性能无明显影响，表明悬浮载体的抗氯离子冲击性强于活性污泥。
(3)氯离子冲击对于活性污泥反硝化具有不利的影响，并增大了反硝化的碳源消耗量。投加醋酸钠大幅提高了反硝化速率，减轻了氯离子冲击对于反硝化的影响，解释了污水处理厂通过增大碳源投加量应对高潮位海水的冲击。
(4)MBBR悬浮载体对硝化菌具有良好的筛选和富集作用，悬浮载体上硝化菌占比10.56%，为活性污泥中的29倍，从而增强了系统的硝化性能，提高了污水厂抵御氯离子冲击的能力。
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