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1 第 ５ 卷第 １ 期 ２０１５ 年 １ 月 环 境 科 学 学 报 Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ Ｖｏｌ ５ Ｎｏ １ Ｊａｎ ２０１５ ＤＯＩ １０ １６７１ ｊ ｈｊｋｘｘｂ ２０１４ ０７５４ 郭小马 赵焱 王开演 等 ２０１５ 分格复合填料曝气生物滤池脱氮除磷特性及微生物群落特征分析 Ｊ 环境科学学报 ５ １ １５２ １６０ Ｇｕｏ Ｘ Ｍ Ｚｈａｏ Ｙ Ｗａｎｇ Ｋ Ｙ ｅｔ ａｌ ２０１５ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ ｉｎ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐａｃｋｉｎｇ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｅｒａｔｅｄ ｆｉｌｔｅｒ Ｊ Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ ５ １ １５２ １６０ 分格复 合 填 料 曝 气 生 物 滤 池 脱 氮 除 磷 特 性 及 微 生 物 群落特征分析 郭小马１ 赵焱２ 王开演２ 赵阳国１ １ 中国海洋大学 海洋环境与生态教育部重点实验室 青岛 ２６６１００ ２ 广东粤港供水有限公司 深圳 ５１８０１８ 广东粤海水务股份有限公司 深圳 ５１８０１８ 收稿日期 ２０１４ ０ １ 修回日期 ２０１４ ０５ ０９ 录用日期 ２０１４ ０５ ２５ 摘要 设计一种新型曝气生物滤池 分格复合填料曝气生物滤池 采用污水处理厂曝气沉砂池出水为初始微污染水 调试反应器对微污染水的 深度处理效果 同时对填料表面生物膜 中的微生物群落组成和结构进 行解析 结果表明 该工艺在曝气量为 ０ Ｌ ｍｉｎ 水力负荷为 ２０ ｍ ｍ ｄ 回流比为 １２５ 的条件下 对化学需氧量 ＣＯＤ 总氮 ＴＮ 氨氮 浊度的平均去除率分别为 ８１ ４８ ９１ ９１ 该工艺对磷的 去除率仅为 １４ 通过投加聚合氯化铝可使出水中总磷 ＴＰ 含量降至 ０ ５０ ｍｇ Ｌ 以下 微生物群落分析发现 好氧段中与硝化过程中密切相 关的硝化螺菌属微生物占群落总量的 ８ ０ 而在缺氧段与反硝化相关的脱氯单胞菌属微生物可占群落总量的 １ ５ 微生物群落组成与反应 器功能具有较好的一致性 本研究表明 该工艺可以高效去除总氮 与聚合氯化铝联合作用可去除 ８６ 的总磷 达到污水排放一级 Ａ 标准 可作 为城市杂用水和景观环境用水进行回用 关键词 曝气生物滤池 聚合氯化铝 ＰＡＣ 生物膜 微生物群落 文章编号 ０２５ ２４６８ ２０１５ ０１ １５２ ０９ 中图分类号 Ｘ１７２ 文献标识码 Ａ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｎｄ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ ｉｎ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐａｃｋｉｎｇ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｅｒａｔｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ＧＵＯ Ｘｉａｏｍａ １ ＺＨＡＯ Ｙａｎ ２ ＷＡＮＧ Ｋａｉｙａｎ ２ ＺＨＡＯ Ｙａｎｇｇｕｏ １ １ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｅｃｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６１００ ２ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｙｕｅｇａｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏ Ｌｔｄ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０１８ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ＧＤＨ Ｗａｔｅｒ Ｃｏ Ｌｔｄ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０１８ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ １ Ｍａｒｃｈ ２０１４ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｉｎ ｒｅｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ９ Ｍａｙ ２０１４ ａｃｃｅｐｔｅｄ ２５ Ｍａｙ ２０１４ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐａｃｋｉｎｇ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｅｒａｔｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｔｒｅａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｆｒｏｍ ａｎ ａｅｒａｔｉｏｎ ｇｒｉｔ ｃｈａｍｂｅｒ ｏｆ ｓｅｗａｇｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｔ Ｗｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｏｎ ｓｌｉｇｈｔｌｙ ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｂｉｏｆｉｌｍ ａｔｔａｃｈｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｒｒｉｅｒ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｖｅｒａｇｅ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅｓ ｏｆ ＣＯＤ ｔｏｔａｌ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｍｍｏｎｉａ ａｎｄ ｔｕｒｂｉｄｉｔｙ ｗｅｒｅ ８１ ４８ ９１ ａｎｄ ９１ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｅｒａｔｉｏｎ ｆｌｕｘｅｓ ｏｆ ０ Ｌ ｍｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｆ ２０ ｍ ｍ ｄ ａｎｄ ｒｅｆｌｕｘ ｒａｔｉｏ ｏｆ １２５ Ｈｏｗｅｖｅｒ ｔｈｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ ｒａｔｅ ｗａｓ ｏｎｌｙ １４ ｂｙ ｔｈｉｓ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ Ｔｈｅ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｃｕｔ ｄｏｗｎ ｔｏ ０ ５０ ｍｇ Ｌ ｗｈｅｎ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ＰＡＣ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ ｓｐｅｃｉｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｒｅｓｐｏｎｓｉｂｌｅ ｆｏｒ ｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｃｃｏｕｎｔｅｄ ｆｏｒ ８ ０ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｂａｃｔｅｒｉａ ｉｎ ａｅｒｏｂｉｃ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ ｗｈｅｒｅａｓ Ｄｅｃｈｌｏｒｏｍｏｎａｓ ｓｐｅｃｉｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｃｃｏｕｎｔｅｄ ｆｏｒ １ ５ ｏｆ ｔｏｔａｌ ｂａｃｔｅｒｉａ ｉｎ ａｎｏｘｉｃ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｗｅｒｅ ｉｎ ｇｏｏｄ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｓｕｇｇｅｓｔｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ ｒｅｍｏｖｅｓ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｒｅｍｏｖｉｎｇ ８６ ｏｆ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ＰＡＣ Ｔｈｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｒｅａｃｈｅｓ ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｅｖｅｌ Ａ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｕｓｅｄ ｆｏｒ ｕｒｂａｎ ｍｉｓｃｅｌｌａｎｅｏｕｓ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｃｅｎｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ 基金项目 广东省科技计划项目 Ｎｏ ２０１２Ｂ０１００００２５ 粤海水务科技特派员工作站 Ｎｏ ２０１２Ｂ０９０９０００１８ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｎｏ ２０１２Ｂ０１００００２５ ａｎｄ ｔｈｅ Ｓ Ｔ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎｅｒ Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ＧＤＨ Ｗａｔｅｒ Ｃｏ ＬＴＤ Ｎｏ ２０１２Ｂ０９０９０００１８ 作者简介 郭小马 １９８９ 男 Ｅ ｍａｉｌ ｇｕｏｘｉａｏｍａ １６ ｃｏｍ 通讯作者 责任作者 Ｅ ｍａｉｌ ｙｇｚｈａｏ ｏｕｃ ｅｄｕ ｃｎ Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ ＧＵＯ Ｘｉａｏｍａ １９８９ ｍａｌｅ Ｅ ｍａｉｌ ｇｕｏｘｉａｏｍａ １６ ｃｏｍ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ Ｅ ｍａｉｌ ｙｇｚｈａｏ ｏｕｃ ｅｄｕ ｃｎ

2 １期 郭小马等 分格复合填料曝气生物滤池脱氮除磷特性及微生物群落特征分析 １５ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｅｒａｔｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ＰＡＣ ｂｉｏｆｉｌｍ ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ １ 引言 Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ２０１０ 年 深圳经济特区市场监督管理局发布的 再生水 雨水利用水质规范 把工业用水标准 城 市杂用水标准 景观环境用水标准整合到一起 提 高了再生水水质标准 这对污水深度处理回用的工 艺也提出了更 高 的 要 求 曝 气 生 物 滤 池 Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｅｒａｔｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ ＢＡＦ 是 ２０ 世纪 ８０ 年代末在欧美发 展起来的 新 型 膜 法 废 水 处 理 工 艺 具 有 处 理 效 率 高 占地面积小 基建费用低 流程简单 可靠性好 等优点 在 中 水 回 用 中 展 示 了 广 阔 的 应 用 前 景 Ｍｅｎｄｏｚａ Ｅｓｐｉｎｏｓａ ａｎｄ Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ １９９９ 然而 在 生物滤池 应 用 过 程 中 单 级 生 物 滤 池 脱 氮 效 果 不 ２ 材料与方法 Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ２ １ 试验装置 本研究设计的试验装置如图 １ 所示 ＢＡＦ 池身 由有机玻璃组成 宽 ０ １５ ｍ 长 ０ ４５ ｍ 高 １ ５０ ｍ 上 方开口 池身被中间隔板分隔为左右两区 右侧部分 为缺氧区 ＢＡＦ Ａ 截面积下小上大 填有粒径 ５ ８ ｍｍ 的陶 粒 滤 料 体 积 为 ０ ０１８ ｍ 左 侧 为 好 氧 区 ＢＡＦ Ｏ 截面积下大上小 侧面不同高度设有取 样口 下面装有粒径 ２ ４ ｍｍ 的粗砂 填料体积为 ０ ００７６ ｍ 上面装有粒径 ５ ｍｍ 的陶粒 滤料体 积为 ０ ０２ ｍ 佳 无法达到提标后的要求 因此 ＢＡＦ 进一步改造 及工艺 优 化 研 究 提 到 日 程 上 来 马 军 和 邱 立 平 ２００２ 为进一步提高曝气生物滤池脱氮除磷性能 有 学者对传统的滤池进行了改进 提出了许多新型工 艺形式 如折流式 侧向流 复合式等曝气生物滤池 其中 折流式 ＢＡＦ 对水质提高明显 但滤池单池数 较多 反冲洗控制繁琐 运行管理具有较大挑战性 张涵 ２００５ 侧向流 ＢＡＦ 可以延长运行周期 减少 图 １ 分格复合填料曝气生物滤池试验装置及工艺流程图 性质的滤料 实现了硝化和反硝化功能分区 提高 Ｆｉｇ １ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐａｃｋｉｎｇ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｅｒａｔｅｄ 反冲洗次数 复合式曝气生物滤池结合了两种不同 了工艺的去除能力 杨跃等 ２００９ 另外 在 ＢＡＦ 设 ｆｉｌｔｅｒ ｗｉｔｈ ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｃｏｍｐａｒｔｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ 计过程中 滤料反冲洗效果 反冲洗后系统恢复时 污水厂曝气沉砂池的出水通过管道泵入进水 间以及操控性等也是需要充分考虑的内容 张文艺 桶 进水桶中装有浮球阀用来控制进水桶水位 进水 等 ２００６ 基于此 本研究设计了一种新型分格复合填料 曝气生物滤池 专利号 ＺＬ２０１２０６４８４５０ ２ 通过分 格 创造了缺氧和好氧环境 进而提高了脱氮效率 隔板夹角保持在 ７２ ８９ 提高了好氧段曝气效率 同时采用 种不同粒径的填料 复合填料 提高过 滤性能 强化了悬浮物的去除 为进一步优化工艺运 行参数 提高 ＢＡＦ 水处理效能 本研究将工艺调控 手段与生物学研究相结合 优化调控了 ＢＡＦ 的曝气 量 水力负荷 回流比等工艺参数 并应用微生物分 子生态学技术探讨了 ＢＡＦ 好氧区和缺氧区的微生 物群落结构与组成的差异 在保证出水水质达到深 圳市再生水标准的同时 也为该工艺处理效能的进 一步提升奠定了微生物基础 桶中的污水在蠕动泵作用下与回流的硝化液一起 经由 ＢＡＦ 缺氧区底部 经过滤板 滤头进入缺氧区 在缺氧区进行反硝化脱氮和磷的厌氧释放 然后通 过顶部的联通管流入好氧区 同时气体经由曝气泵 通过砂滤区底部的穿孔曝气管进入好氧区 在好氧 区中由下而上 与水流保持逆向 提高曝气效率 污 水在好氧区中通过陶粒上的生物膜作用进行有机 物的降解 氨氮硝化和磷的吸收 从好氧池流出的水 进入底部砂滤区 进一步去除浊度 排出池外的水一 部分经蠕动泵回流到缺氧区底部 与进水混合后再 次进入到系统 另一部分则汇入出水桶 经出水桶 排出系统 系统设有两套反冲洗装置 反冲洗缺氧区时 水 从装置右下角反冲洗管进入 从右上角反冲洗排水 口排出 反冲洗好氧区时 先通过左下角反冲洗进

3 154 环 境 科 学 学 报 35 卷 气 管 压 缩 空 气, 进 行 气 洗, 然 后 通 过 左 下 角 反 冲 洗 进 水 管 排 入 反 冲 洗 水, 进 行 水 气 联 合 反 冲 洗, 反 冲 洗 后 的 水 从 左 上 角 反 冲 洗 口 排 出, 完 成 反 冲 洗 过 程. 2.2 反 应 器 启 动 及 调 试 反 应 器 接 种 的 活 性 污 泥 取 自 污 水 厂 好 氧 池, 污 泥 沉 降 比 为 23%, 混 合 液 挥 发 性 悬 浮 固 体 (MLVSS) 为 2706 mg L -1. 取 活 性 污 泥 15 L 加 入 BAF 反 应 器, 同 时 加 入 15 L 营 养 液 ( 成 分 为 曝 气 沉 砂 池 出 水 面 粉 酸 奶 = ) 浸 没 陶 粒 载 体, 开 启 气 泵 进 行 闷 曝. 连 续 闷 曝 24 h 后 再 将 池 体 内 的 混 合 液 排 空, 重 复 此 操 作 3 次. 缺 氧 区 停 止 曝 气, 从 缺 氧 区 底 部 的 进 水 阀 开 始 小 流 量 连 续 进 水. 进 水 直 接 采 用 市 政 污 水 二 级 处 理 厂 曝 气 沉 砂 池 出 水, 水 质 参 数 如 表 1 所 示, 由 于 进 水 直 接 取 自 污 水 处 理 厂, 水 质 受 夏 季 降 水 居 民 生 活 习 惯 等 影 响 波 动 较 大. 进 水 流 量 为 10 L h -1, 水 力 停 留 时 间 (HRT)5 h. 同 时 每 天 检 测 进 出 水 COD 和 氨 氮 浓 度, 观 察 COD 氨 氮 的 去 除 状 况 和 填 料 表 面 膜 生 长 情 况, 并 以 此 来 判 断 挂 膜 是 否 成 功. 驯 化 挂 膜 成 功 后, 依 据 室 外 排 水 设 计 规 范 (GB ), 结 合 现 场 反 应 器 运 行 状 况 设 计 了 不 同 水 力 负 荷 回 流 比 曝 气 量, 分 别 探 讨 不 同 曝 气 量 回 流 比 水 力 负 荷 等 操 作 条 件 对 工 艺 的 影 响, 分 析 脱 氮 的 区 域 规 律 及 除 磷 效 果. 具 体 操 作 如 下 :1 把 进 水 流 量 固 定 为 20 L h -1, 回 流 流 量 20 L h -1, 通 过 气 量 计 控 制 曝 气 量 分 别 为 L min -1, 考 察 系 统 脱 氮 除 磷 效 果, 获 得 工 艺 最 佳 曝 气 量 ;2 把 进 水 流 量 定 为 20 L h -1, 曝 气 量 控 制 在 最 佳, 调 回 流 比 为 75% 100% 125%, 考 察 系 统 脱 氮 除 磷 效 果, 获 得 工 艺 最 佳 回 流 比 ;3 将 回 流 比 曝 气 量 控 制 在 最 佳, 将 水 力 负 荷 分 别 调 整 为 m 3 m -3 d -1, 研 究 水 力 负 荷 与 污 染 物 去 除 规 律 及 系 统 的 脱 氮 除 磷 效 果, 获 得 工 艺 最 佳 的 水 力 负 荷. 将 曝 气 量 回 流 比 水 力 负 荷 均 控 制 在 最 佳 状 态 运 行 反 应 器, 采 集 反 应 器 不 同 区 域 水 样, 监 测 水 质 指 标, 进 行 区 域 脱 氮 规 律 及 除 磷 研 究. 同 时 在 反 应 器 运 行 稳 定 时 获 取 缺 氧 区 和 好 氧 区 填 料 表 面 生 物 膜, 用 于 分 析 微 生 物 群 落 特 征. 表 1 广 西 某 污 水 处 理 厂 曝 气 沉 砂 池 出 水 水 质 Table 1 Characteristics of effluent from aeration grit chamber of a sewage treatment plant in Guangxi 项 目 浓 度 / (mg L -1 ) COD TN TP NH + 4 N BOD 浊 度 / NTU ph 范 围 32~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 7.61 平 均 值 水 质 指 标 测 试 方 法 化 学 需 氧 量 ( COD) 总 氮 ( TN) 氨 氮 总 磷 (TP) 硝 酸 盐 亚 硝 酸 盐 等 水 质 指 标 均 用 哈 希 公 司 的 HACH 试 剂 来 测 定, 消 解 仪 为 DRB200( HACH), 光 度 计 采 用 DR2800 便 携 式 分 光 光 度 计 ( HACH), ph 溶 解 氧 ( DO) 的 检 测 采 用 便 携 式 多 参 数 分 析 仪 (HQ40D, HACH), 浊 度 采 用 便 携 式 浊 度 仪 (2100Q, HACH) 测 量. 2.4 微 生 物 群 落 分 析 获 取 反 应 器 运 行 稳 定 时 好 氧 区 生 物 膜 ( BAF O) 和 缺 氧 区 生 物 膜 (BAF A), 梯 度 稀 释 后, 采 用 LB 培 养 基, 以 平 板 倾 倒 法 对 稀 释 菌 液 进 行 好 氧 培 养, 28 培 养 2 d 后 对 异 养 菌 进 行 计 数. 采 用 土 壤 DNA 提 取 试 剂 盒 ( Mobio, 美 国 ) 提 取 生 物 膜 微 生 物 总 DNA. 对 于 微 生 物 群 落 的 结 构 分 析, 以 总 DNA 为 模 板, 根 据 文 献 (Zhao et al., 2014), 采 用 细 菌 16S rdna 通 用 引 物 BA101F / BA534R, 进 行 PCR 扩 增 及 PCR 产 物 的 DGGE 分 析.DGGE 图 谱 中 条 带 回 收 并 测 序 后, 应 用 RDP( http: / / rdp.cme.msu. edu / ) 中 的 Seq Match 程 序 进 行 分 类, 测 序 获 得 的 条 带 已 经 递 交 至 GenBank, 登 录 号 为 JN ~ JN 对 于 微 生 物 群 落 的 组 成 分 析, 采 用 基 于 Illumina 公 司 Miseq 平 台 的 高 通 量 测 序 技 术 进 行. PCR 扩 增 应 用 16S rdna V4 区 保 守 引 物 515f / 806r, 扩 增 程 序 及 条 件 参 考 文 献 ( Peiffer et al., 2013) 进 行. 测 得 的 序 列 通 过 拼 接 及 筛 选 后, 以 相 似 性 97% 为 标 准 获 得 操 作 分 类 单 元 ( OTU),OTU 通 过 RDP 数 据 库 中 的 Classifer 程 序 进 行 检 索 分 类, 分 析 群 落 的 微 生 物 种 类 组 成 及 相 对 丰 度. 3 结 果 (Results) 3.1 反 应 器 填 料 挂 膜 及 启 动 反 应 器 在 启 动 第 8 天,COD 去 除 率 达 到 60%, 第 9 天 达 到 86%, 出 水 浓 度 在 mg L -1 以 下, 之 后 COD 去 除 率 一 直 维 持 在 85% 以 上. 启 动 第 6 天 时, 氨 氮 去 除 率 稳 定 在 96%, 出 水 浓 度 低 于

4 １期 郭小马等 分格复合填料曝气生物滤池脱氮除磷特性及微生物群落特征分析 １５５ １ ００ ｍｇ Ｌ 去除率一直稳定在 ９０ 以上 填料表面 硝化细菌生长 如在 ４ ５ Ｌ ｍｉｎ 下 ＣＯＤ 去除达到 着物逐渐增厚致密 至第 １ 天完全覆盖陶粒表面 性 使硝化过程受阻 而且还会与反硝化细菌争夺 可见附有浅黄色絮体 随着试验进行 填料表面附 最大值 异养菌的大量繁殖不仅会抑制硝化细菌活 综合表明系统挂膜启动成功 碳源 使碳源快速分解 导致反硝化细菌无法获得 ２ １ 曝气量对系统脱氮效果的影响 溶解氧含 反硝化进程 另外 氧在环境中的穿透力随着 ＤＯ 的 ２ 影响工艺效果的因素及调试 量被认为是影响系统脱氮的关键因素之一 它对工 艺的硝化过程起着决定作用 图 ２ 为系统在不同曝 气量条件下 ＣＯＤ 氨氮 ＴＮ 去除率变化情况 由于 进水直接取自污水处理厂 水质水量受夏季降水 充足碳源和电子供体 吴智导等 ２０１２ 进而抑制 增加而增强 ＤＯ 能进入微生物絮体内部 破坏反硝 化环境 导致硝酸盐无法有效去除 进而使出水硝 酸盐上升 图 ２ｂ 在曝气量 ４ ５ Ｌ ｍｉｎ 时 出水硝酸盐大于 ９ ００ 居民生活习惯等影响较大 导致 ＴＮ 去除率在不同 ｍｇ Ｌ 高于其它曝气条件 有研究认为 曝气量过 ０ Ｌ ｍｉｎ 时 系统处理效果稳定 效率优于其它曝 制 徐亚明和蒋彬 ２００２ 但本工艺没有出现这样 曝气量时有所波动 根据该图可以看出 当曝气量为 气量 在此条件下 ＣＯＤ 平均去除率为 ７２ 出 水 ＣＯＤ 浓度为 １９ ４０ ｍｇ Ｌ 氨氮去除率为 ９０ 出水 氨氮 ０ ４７ ｍｇ Ｌ ＴＮ 去除率为 ５４ 出水 ＴＮ １１ ００ ｍｇ Ｌ 大 回流缺氧区溶解氧增大 反硝化过程将受到抑 的问题 缺 氧 区 的 硝 酸 盐 和 亚 硝 酸 盐 浓 度 均 比 较 低 ＣＯＤ 也得到很好的降解 整个过程 ＣＯＤ 去除率 为 ７６ 在曝气量为 ２ ０ Ｌ ｍｉｎ 时 池中 ＤＯ 在 ２ ５ ｍｇ Ｌ 以下 低 ＤＯ 不利于硝化细菌生长 阻碍了硝 化过程的进行 氨氮去除效果下降 平均出水浓度 为 ４ ｍｇ Ｌ 高于其他曝气情况 另外 曝气量低 气体传质速率降低 异养菌利用 ＤＯ 降解有机物过 程受到限制 表现为 ＣＯＤ 去除率的下降 图 ２ａ 也 有研究 Ｐｕｚｎａｖａ ｅｔ ａｌ ２００１ 通过调整曝气量将曝 气生物滤池反应器内的溶解氧浓度控制在 ０ ５０ ００ ｍｇ Ｌ 从而控制溶解氧不扩散到生物膜内 部 实现同步硝化反硝化 但本研究降低曝气量后 ＴＮ 去除并没有提高 同步硝化反硝化过程没有得到 强化 从图 ２ｂ 还可以看出 曝气量为 ０ Ｌ ｍｉｎ 时 缺氧区亚硝酸盐出现积累 反硝化不彻底 但系统 最终 ＴＮ 去除仍达 ５４ 说明好氧区仍然存在反硝 化作用 ２ ２ 不同水力负荷条件下的脱氮效果 分别对 水力负荷为 ４０ ０ ２０ ｍ ｍ ｄ 条件下的工艺的运 行效果进行了监测分析 图未给出 结果表明 水力 负荷为 ２０ ｍ ｍ ｄ 时 系统有较好的脱氮效果 总 氮去除率达到 ４８ 氨氮 ８８ 而在水力负荷为 ４０ 图 ２ 不同曝气量条件下 ＣＯＤ 氨氮 ＴＮ 的去除特征 ａ 以及 硝酸盐 亚硝酸盐的变化 ｂ Ｆｉｇ ２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｅｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｎ ＣＯＤ ＮＨ ４ Ｎ ＴＮ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａ ａｎｄ ＮＯ Ｎ ＮＯ ２ Ｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｂ 一般情况下 曝气量越大 单位面积气体供给 量越大 池中溶解氧就越大 越有利于异养细菌和 ｍ ｍ ｄ 时 ＣＯＤ 氨氮 ＴＮ 去除均不稳定 波动范 围大 其中 ＣＯＤ 去除率为 ５０ ８５ 氨氮为４ ９２ ＴＮ 为 １０ ６４ 水力负荷降低到 ０ ｍ ｍ ｄ ＣＯＤ 氨氮和 ＴＮ 的去除均有提高 其中 ＣＯＤ 去除率 稳定的保持在 ８ 氨氮波动大 但平均去除率也 在 ８ 上 ＴＮ 去除极不稳定 在 ２０ ５６ 间波动 平均去除率为 ９ 这是因为降低水力负荷 水力停 留时间延长 滤速降低 使微生物与有机物接触更

5 156 环 境 科 学 学 报 35 卷 加 充 分, 有 利 于 有 机 物 的 降 解. 特 别 是 对 一 些 世 代 周 期 长, 生 长 速 率 慢 的 微 生 物, 如 硝 化 细 菌, 反 硝 化 细 菌, 延 长 水 力 停 留 时 间, 可 增 加 生 物 膜 生 物 量, 提 高 氨 氮 和 TN 的 去 除 率. 为 此, 进 一 步 降 低 水 力 负 荷, 使 水 力 负 荷 维 持 在 20 m 3 m -3 d -1 下, 无 论 是 去 除 率 还 是 去 除 率 稳 定 性 均 得 到 进 一 步 提 高, 特 别 是 TN 的 去 除, 由 最 低 时 10% 升 高 到 53%, 并 稳 定 在 50% 左 右. 水 力 负 荷 的 进 一 步 降 低, 降 低 了 滤 速, 减 轻 了 污 水 对 载 体 表 面 生 物 膜 的 冲 刷, 生 物 膜 不 断 增 厚, 阻 挡 了 DO 进 入 膜 内, 于 是 在 膜 内 部 形 成 了 缺 氧 环 境, 有 利 于 同 步 硝 化 反 硝 化 发 生, 提 高 了 TN 在 好 氧 区 的 去 除 效 果. 从 工 程 角 度 讲, 过 低 的 水 力 负 荷 在 经 济 上 和 时 间 方 面 缺 乏 合 理 性, 在 满 足 水 处 理 要 求 时, 应 尽 量 提 高 其 水 力 负 荷, 以 降 低 单 位 污 水 处 理 能 耗. 本 研 究 中 水 力 负 荷 维 持 在 20 m 3 m -3 d -1 下 时, 出 水 即 已 经 达 到 出 水 水 质 标 准, 故 未 进 一 步 降 低 水 力 负 荷. 研 究 表 明, 水 力 负 荷 提 高, 易 冲 刷 掉 填 料 表 面 微 生 物, 微 生 物 与 底 物 的 接 触 反 应 时 间 减 少, 不 利 于 有 机 物 的 降 解 ( 蒋 轶 锋 等, 2010; Liu et al., 2010). 但 在 一 定 的 容 积 负 荷 范 围 内, 滤 速 的 提 高 不 但 不 会 降 低 BAF 的 去 除 能 力, 而 且 还 可 提 高 硝 化 效 率 ( 王 舜 和 和 郭 淑 琴, 2008; Pujol, 2010). 主 要 原 因 是 高 滤 速 一 方 面 可 以 提 高 内 部 的 传 质 效 率, 另 一 方 面 还 可 以 加 快 生 物 膜 的 更 新, 促 进 生 物 活 性. 就 本 工 艺 而 言,20 m 3 m -3 d -1 的 水 力 负 荷 为 较 佳 的 负 荷, 过 高 的 滤 速 将 增 加 水 流 速 度 和 水 力 剪 切 力, 易 洗 脱 生 物 膜 及 破 坏 膜 内 缺 氧 环 境, 缩 短 污 水 在 系 统 中 的 停 留 时 间, 限 制 有 机 物 的 降 解 不 同 回 流 比 对 工 艺 运 行 效 果 的 影 响 探 讨 了 回 流 比 为 125% 100% 75% 条 件 对 COD TN 的 去 除 效 果 ( 图 未 给 出 ), 结 果 表 明 各 回 流 比 条 件 下,TN 的 去 除 无 显 著 差 异, 去 除 率 分 别 为 48% 49% 50%. 氨 氮 在 回 流 比 125% 下 有 高 且 稳 定 的 去 除 率, 平 均 去 除 率 为 91%, 平 均 出 水 浓 度 为 1 19 mg L -1, 而 回 流 比 100% 75% 下 氨 氮 去 除 不 稳 定, 在 60% ~ 99% 间 波 动, 平 均 去 除 率 分 别 为 75% 80%.COD 在 125% 回 流 比 下 去 除 率 为 81%, 高 于 其 它 回 流 比. 回 流 比 75% 下, 大 部 分 氨 氮 被 去 除 并 在 好 氧 区 经 硝 化 作 用 转 化 为 硝 酸 盐, 好 氧 区 末 端 硝 酸 盐 平 均 浓 度 为 7.70 mg L -1. 好 氧 区 末 端 的 硝 酸 盐 回 流 至 缺 氧 区, 在 缺 氧 区 利 用 进 水 碳 源, 以 硝 酸 根 为 电 子 受 体 发 生 反 硝 化 作 用, 但 反 硝 化 不 彻 底, 缺 氧 池 仍 剩 余 1.92 mg L -1 的 硝 酸 盐. 回 流 比 升 高 到 100%, 氨 氮 去 除 率 为 75%, 好 氧 区 末 端 硝 酸 盐 升 高 至 9 40 mg L -1, 氨 氮 浓 度 仅 为 0.34 mg L -1, 氨 氮 基 本 上 分 部 转 为 硝 酸 盐. 然 而, 此 时 反 硝 化 作 用 并 没 有 明 显 提 高, 导 致 缺 氧 区 硝 酸 盐 升 高 (2.13 mg L -1 ). 到 回 流 比 调 整 为 125% 时, 氨 氮 平 均 去 除 率 90% 以 上, 出 水 浓 度 为 1.19 mg L -1, 说 明 该 回 流 比 下, 硝 化 细 菌 活 性 好, 但 反 硝 化 作 用 却 不 理 想, 缺 氧 区 剩 余 硝 酸 盐 浓 度 平 均 为 3.30 mg L -1. 由 此 可 知, 硝 酸 盐 不 是 反 硝 化 的 限 制 因 子, 监 测 结 果 显 示, 该 时 段 进 水 COD 只 有 mg L -1, 碳 源 不 足 是 反 硝 化 进 行 不 彻 底 的 主 要 原 因. 另 外, 回 流 越 大, 会 把 好 氧 末 端 DO 带 到 缺 氧 段, 影 响 反 硝 化 作 用, 使 缺 氧 段 不 能 把 回 流 的 硝 酸 盐 全 部 反 硝 化 ( 潘 懿 等, 2009; 唐 致 文, 2010), 最 终 导 致 TN 平 均 去 除 率 低 于 50%. 一 般 而 言, 回 流 比 越 大, 从 好 氧 区 回 流 至 缺 氧 区 的 硝 酸 盐 就 越 多, 回 流 液 和 进 水 硝 酸 盐 就 被 缺 氧 区 反 硝 化 细 菌 反 硝 化 而 去 除, 从 而 去 除 总 氮. 就 本 工 艺 而 言, 回 流 比 过 高 并 不 有 利 于 脱 氮, 主 要 原 因 是 会 导 致 缺 氧 区 反 硝 化 作 用 不 彻 底, 还 有 一 部 分 硝 酸 盐 没 有 去 除,TN 去 除 受 到 制 约. 但 较 大 的 回 流 比 却 能 提 高 COD 的 去 除, 回 流 比 从 75% 升 高 到 125%,COD 去 除 率 从 74% 升 高 到 81%, 这 是 由 于 回 流 比 提 高 一 方 面 可 以 更 新 生 物 膜, 维 持 系 统 内 微 生 物 较 高 活 性, 另 一 方 面, 更 多 的 硝 酸 盐 回 流 到 缺 氧 区, 反 硝 化 菌 就 需 要 更 多 碳 源 来 进 行 反 硝 化 作 用 ( 郭 俊 元 等, 2010), 这 就 强 化 了 有 机 物 在 缺 氧 段 的 降 解. 3.3 有 机 物 去 除 规 律 设 置 反 应 器 曝 气 量 为 3.0 L min -1, 水 力 负 荷 为 10 m 3 m -3 d -1, 回 流 比 为 125%, 运 行 反 应 器 至 稳 定. 采 集 装 置 中 不 同 区 段 水 样, 检 测 水 质 指 标, 结 果 如 图 3 所 示. 根 据 该 图 发 现,COD TN 硝 酸 盐 去 除 主 要 发 生 在 缺 氧 区. 进 水 和 回 流 液 在 池 底 混 合 后 流 入 到 缺 氧 区, 其 中 COD 由 混 合 后 的 mg L -1 下 降 到 mg L -1, 去 除 率 达 50%,TN 由 混 合 后 的 mg L -1 下 降 到 mg L -1, 去 除 率 为 41%, 硝 酸 盐 由 混 合 液 的 4.30 mg L -1 下 降 到 2.30 mg L -1. 这 是 因 为 缺 氧 区 中 的 反 硝 化 细 菌 利 用 进 水 中 的 碳 源 来 反 硝 化 回 流 液 和 进 水 中 的 硝 酸 盐, 生 成 N 2 或 N 2 O, 从 而 去 除 氮, 降 解 有 机 物, 同 时 生 成 了 碱 度,pH 值 升 高. 但 反 硝 化 过 程 不 彻 底, 还 有 部 分 硝 酸 盐 未 去 除, 剩 余 2.30 mg L -1, 亚 硝 酸 盐 积 累 为 1.25 mg L -1. 此 外, 聚 磷 菌 利 用 进 水 中 的 可 挥 发 性 脂 肪 酸 来 合 成 储

6 1 期 郭 小 马 等 : 分 格 复 合 填 料 曝 气 生 物 滤 池 脱 氮 除 磷 特 性 及 微 生 物 群 落 特 征 分 析 157 能 物 质, 同 时 水 解 胞 内 聚 磷 产 生 正 磷 酸 盐, 表 现 为 释 磷. 试 验 过 程 中 检 测 到 TP 在 缺 氧 区 升 高 0 75 mg L -1, 这 也 证 实 了 在 缺 氧 区 伴 随 磷 的 释 放. 氨 氮 在 缺 氧 区 也 有 去 除, 由 混 合 后 的 7.50 mg L -1 下 降 到 4.50 mg L -1, 去 除 率 为 40%. 分 析 认 为, 在 缺 氧 区 存 在 厌 氧 氨 氧 化 细 菌 氧 化 氨 氮,DGGE 指 纹 图 谱 分 析 证 实 了 缺 氧 段 存 在 氨 氧 化 细 菌. 进 入 好 氧 区 后, 氨 氮 进 一 步 去 除, 由 mg L -1 降 到 0 50 mg L -1, 去 除 率 达 88.8%, 且 氨 氮 去 除 主 要 集 中 在 4 # 至 曝 气 管 这 一 区 域, 这 是 因 为 越 接 近 曝 气 管, 溶 解 氧 越 充 足, 填 料 表 面 布 满 了 大 量 硝 化 螺 菌 (Nitrospira spp.), 丰 度 可 达 8%, 它 能 氧 化 氨 氮 为 亚 硝 酸 盐 和 硝 酸 盐, 从 而 去 除 氨 氮. 试 验 过 程 中, 硝 酸 盐 浓 度 沿 着 池 体 由 上 而 下 增 大,3 # 是 2.80 mg L -1,4 # 升 高 到 5.00 mg L -1, 至 出 水 时 达 到 7.20 mg L -1, 硝 酸 盐 的 升 高 源 于 氨 氮 的 硝 化, 这 说 明 硝 化 过 程 主 要 发 生 在 靠 近 曝 气 管 区 域. TN 进 入 好 氧 池, 在 池 顶 部 至 3 # 区 域 有 下 降, 主 要 是 因 为 离 曝 气 管 越 远, 气 泡 在 上 升 过 程 中 越 容 易 受 到 填 料 的 阻 挡, 气 体 传 质 受 到 影 响, 气 体 很 难 穿 过 生 物 膜 进 入 膜 内, 容 易 在 膜 内 形 成 缺 氧 环 境, 构 成 了 同 步 硝 化 反 硝 化 环 境. 此 外, 监 测 结 果 发 现 整 个 好 氧 段 中 氨 氮 转 化 量 要 比 硝 酸 盐 和 亚 硝 酸 盐 生 成 量 大 ( 图 3),Wang 等 (2012) 认 为 这 部 分 氮 损 失 一 方 面 可 能 微 生 物 用 于 自 身 代 谢, 另 一 方 面 有 可 能 是 发 生 了 同 步 硝 化 反 硝 化.pH 监 测 结 果 发 现, 该 区 域 并 没 有 因 为 发 生 硝 化 作 用 消 耗 碱 度 而 使 得 ph 值 下 降, ph 值 不 但 没 有 降 低 反 而 有 所 升 高, 由 7.32 升 高 到 7.45, 产 生 了 碱 度, 综 合 证 实 好 氧 区 域 发 生 了 同 步 硝 化 反 硝 化 作 用. 但 同 步 硝 化 反 硝 化 效 率 比 较 低, 这 主 要 是 受 碳 源 限 制,COD 经 过 缺 氧 区 后 下 降 到 mg L -1, 碳 源 严 重 不 足, 微 生 物 只 能 靠 内 源 呼 吸 进 行 反 硝 化 作 用, 但 内 源 呼 吸 率 低, 这 就 决 定 了 同 步 硝 化 反 硝 化 效 率 低 (Wang et al., 2012). 在 4 # 至 曝 气 管 区 域 还 检 测 到 TN 的 升 高, 这 可 能 是 由 于 池 底 死 亡 的 微 生 物 不 能 及 时 排 出 系 统, 微 生 物 发 生 解 体 而 释 放 出 N, 导 致 局 部 TN 值 高.COD 沿 着 池 体 由 上 而 下 得 到 降 解, 表 现 为 缺 氧 区 > 3 # > 4 # > 出 水, 最 后 出 水 COD 为 mg L -1, COD 在 好 氧 区 去 除 率 为 44 4%, 一 方 面 同 步 硝 化 反 硝 化 过 程 消 耗 了 部 分 COD, 另 一 方 面 是 好 氧 区 中 的 异 养 菌 利 用 池 中 DO 氧 化 有 机 物, 降 解 了 COD. 此 外, 系 统 对 浊 度 有 很 好 的 去 除 能 力, 平 均 去 除 率 为 91%, 出 水 浊 度 在 2. 0 NTU 以 下, 其 中 缺 氧 区 去 除 大 部 分 浊 度, 贡 献 了 84%. 浊 度 去 除 主 要 是 通 过 填 料 物 理 截 留 作 用 和 生 物 膜 的 生 物 絮 凝 吸 附 和 降 解 作 用 ( Ryu et al., 2008), 最 后 经 过 反 冲 洗 过 程 排 出 系 统 外. 图 3 BAF 不 同 区 段 污 染 物 去 除 特 征 及 ph 变 化 Fig.3 Characteristics of pollutants and ph changes in different regions of BAF 3.4 磷 的 去 除 对 反 应 器 TP 去 除 效 果 进 行 检 测, 发 现 装 置 对 磷 的 平 均 去 除 率 只 有 14.3%, 出 水 TP 浓 度 均 在 0.50 mg L -1 以 上, 这 与 凌 霄 等 (2006) 研 究 结 果 相 似. 主 要 是 因 为 系 统 不 能 及 时 将 好 氧 吸 收 的 磷 排 出, 只 能 依 靠 反 冲 洗 将 磷 排 出 系 统.BAF 工 艺 对 磷 的 去 除 主 要 有 两 个 途 径, 一 是 物 理 过 滤, 即 填 料 对 颗 粒 态 磷 酸 盐 截 留 吸 附, 除 磷 效 果 最 高 可 达 35% ( Clark et al., 1997), 二 是 微 生 物 生 长 代 谢 消 耗 磷 酸 盐 生 物 絮 凝 吸 附 最 后 经 过 反 冲 洗 排 出 系 统, 研 究 表 明 反 冲 洗 能 去 除 50% 以 上 的 磷 (Westermman et al., 2000). 由 于 工 艺 限 制,BAF 除 磷 效 果 较 差, 完 全 用 生 物 除 磷 很 难 达 到 排 放 标 准, 同 时 脱 氮 除 磷 会 使 系 统 变 得 更 为 复 杂, 需 要 结 合 化 学 药 剂 来 强 化 除 磷 ( Clark et al., 1997; Rogalla et al., 1990). Clark 等 (1997) 研 究 表 明, 曝 气 生 物 滤 池 中 采 用 化 学 除 磷 要 比 工 艺 本 身 生 物 除 磷 效 率 要 高, 而 且 要 比 其 它 污 水 处 理 工 艺 在 化 学 强 化 与 生 物 协 同 除 磷 方 面 更 具 优 势. 为 使 出 水 达 到 水 质 排 放 的 要 求, 向 反 应 器 出 水 中 投 加 一 定 量 聚 合 氯 化 铝 ( PAC), 其 有 效 含 量 为 30%( 以 氧 化 铝 表 示 ), 用 搅 拌 机 快 速 混 合 1 min, 慢 慢 搅 拌 15 min, 沉 淀 30 min, 取 上 清 液 测 TP 含 量, 结 果 如 图 4 所 示. 未 投 加 PAC 上 清 液 TP 为 1.75 mg L -1, 投 加 5 00 mg L -1 PAC 后 TP 下 降 至 1.25 mg L -1, 随 着 投 加 量 的 加 大,TP 去 除 量 快 速 上 升, 当 投 加 量 加 到 mg L -1 时, 总 磷 下 降 至 0.45 mg L -1, 满 足 排 放 标 准 要 求, 再 提 高 投 加 量,TP 去 除 缓 慢. 如 图 4 所

7 １５８ 环 境 科 学 学 报 ５ 卷 示 投加量从 １６ ６０ ｍｇ Ｌ 提高到 ２ ０ ｍｇ Ｌ ＴＰ ＣｌＯ ＮＯ 均可作为电子受体 能够高效还原氯酸 到 ０ ００ ｍｇ Ｌ 时 ＴＰ 只下降了 ０ ０５ ｍｇ Ｌ 所以 ｅｔ ａｌ ２００１ 李哿等 ２０１１ Ｘ９ 和 Ｘ１０ 均为 β 变形 下降了 ０ ２０ ｍｇ Ｌ 而投加量从 ２ ０ ｍｇ Ｌ 提高 在用 ＰＡＣ 进行化学除磷时要确定最少投加量 就本 试验而言 投加 １６ ６０ ｍｇ Ｌ 的 ＰＡＣ 就能去除 １ ０ ｍｇ Ｌ ＴＰ 使出水 ＴＰ ０ ５０ ｍｇ Ｌ 达到城镇污水 盐和硝 酸 盐 是 重 要 的 反 硝 化 聚 磷 菌 Ａｃｈｅｎｂａｃｈ 菌纲中细菌 这些微生物的大量富集 可能与反应 器的反硝化过程具有重要因果关系 一级 Ａ 排放标准 图 ４ ＰＡＣ 投加量与 ＴＰ 去除量的关系 Ｆｉｇ ４ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ ＰＡＣ ｄｏｓａｇｅ ａｎｄ ｔｏｔａｌ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ ５ 微生物学群落组成与结构分析 异养菌计数结果显示 ＢＡＦ 好氧段 ＢＡＦ Ｏ 中 异养菌总数为 １ ９±０ ０４ １０ ＣＦＵ ｍｌ ＢＡＦ 缺 ６ 氧段 ＢＡＦ Ａ 中 异 养 菌 总 数 为 ８ ０ ± １ ９ １０ ５ ＣＦＵ ｍｌ 二者在量级上无显著差异 异养菌利用 区域中的溶解氧 能够有效去除有机物 降解 ＣＯＤ 从而保证 ＣＯＤ 在缺氧段和好氧段均被有效去除 图 图 ５ ＢＡＦ 不同区段中细菌群落结构 ａ 与组成 ｂ 分析 ＢＡＦ Ｏ ＢＡＦ 好氧段 ＢＡＦ Ａ ＢＡＦ 缺氧段 Ｘ１ Ｘ１ 切取测序 的条带 Ｆｉｇ ５ Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｔｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ ｂ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｇｉｏｎｓ ｏｆ ＢＡＦ ＢＡＦ Ｏ ａｅｒｏｂｉｃ ｚｏｎｅ ｉｎ ＢＡＦ ＢＡＦ Ａ ａｎｏｘｉｃ ｚｏｎｅ ｉｎ ＢＡＦ Ｘ１ Ｘ１ ＤＮＡ ｂａｎｄｓ 对 ＢＡＦ 好氧段 缺氧段生物膜微生物群落组成 垫定了微生物基础 ＢＡＦ 缺氧段存在大量异养菌 和丰度分析发现 两者在群落丰度上存在显著差异 ＣＯＤ 时可降低溶解氧浓度 维持缺氧段中氧平衡 ９ ９０ ＢＡＦ Ａ 中 ０ ９０ 硝化螺菌门 Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａｅ 源供应 使异养反硝化过程受影响 这也从微生物 ０ ９０ α 变 形 菌 纲 Ａｌｐｈａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ ５ ８０ 一方面说明缺氧段仍有溶解氧存在 异养菌在降解 另一方面 异养菌降解 ＣＯＤ 减少反硝化作用的碳 图 ５Ｂ 其 中 蓝 细 菌 门 Ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ ＢＡＦ Ｏ 中 ８ ００ １ ７０ 浮霉菌门 Ｐｌａｎｃｔｏｍｙｃｅｔｅ ５０ 角度解释了缺氧段反硝化过程进行不彻底的原因 １ ８０ γ 变 形 菌 纲 Ｇａｍｍａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ 二者微生 物 种 类 无 显 著 差 异 但 相 对 数 量 差 异 明 而 与 之 相 比 拟 杆 菌 门 Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｔｅｓ １５ １０ 比较两段微生物群落结构 图 ５ａ 表 ２ 发现 显 这主要是两段间是连通的 但微生物生存环境 持续改变所致 条带 Ｘ１ Ｘ５ Ｘ６ Ｘ７ Ｘ８ Ｘ１２ Ｘ１ 所 代表的微生物是好氧段中的优势种群 而条带 Ｘ２ Ｘ９ Ｘ１０ 则是缺氧段的优势种群 主要为 β 变形菌 纲 Ｂｅｔａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ 细菌 条带 Ｘ２ 为缺氧条件下 的 优 势 菌 群 测 序 发 现 其 与 脱 氯 单 胞 菌 Ｄｅｃｈｌｏｒｏｍｏｎａｓ ｓｐ ＤＱ４１１６７ 的相似性达 ９９ 研 究表明 脱氯单胞菌为兼性厌氧革兰氏阴性细菌 １４ ０ ７０ 在好氧段生物膜上占有明显优势 １９ １０ 绿弯菌门 Ｃｈｌｏｒｏｆｌｅｘｉ ６ ００ １ １０ β 变形菌纲 Ｂｅｔａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ １４ ８０ ２９ ４０ δ 变形菌纲 Ｄｅｌｔａｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ ２ ９０ ６ ４０ 是缺 氧段中的优势类群 微生物分布与生境是密切相关的 反应器两段 的功能效率是该段中重要功能微生物共同作用的 结果 硝化螺旋菌门 Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａｅ 细菌序列在好氧段 中的含量高达 ８ ００ 而在缺氧段中仅为 １ ７０ 好

8 1 期 郭 小 马 等 : 分 格 复 合 填 料 曝 气 生 物 滤 池 脱 氮 除 磷 特 性 及 微 生 物 群 落 特 征 分 析 159 氧 段 中 这 些 细 菌 序 列 均 为 硝 化 螺 菌 属 ( Nitrospira). 硝 化 螺 菌 属 是 重 要 的 硝 化 细 菌 类 群, 在 废 水 处 理 过 程 中 广 泛 存 在, 它 可 在 好 氧 状 态 下 以 丙 酮 酸 为 碳 源 完 成 硝 化 过 程 ( Daims et al., 2001), 或 通 过 固 定 CO 2 自 养 生 长. 硝 化 细 菌 的 这 种 分 布 特 征, 决 定 了 该 反 应 器 好 氧 段 较 好 的 硝 化 效 率. β 变 形 菌 纲 在 缺 氧 段 中 含 量 丰 富, 占 群 落 总 量 的 29.40%, 其 中 红 环 菌 科 (Rhodocyclaceae) 序 列 占 群 落 的 16.9%, 而 其 下 的 脱 氯 单 胞 菌 属 ( Dechloromonas) 序 列 即 占 到 整 个 群 落 的 1.5%, 脱 氯 单 胞 菌 属 中 某 些 菌 种 能 够 高 效 还 原 氯 酸 盐 和 硝 酸 盐, 是 重 要 的 反 硝 化 聚 磷 菌 (Achenbach et al., 2001; 李 哿,2011), 这 一 结 果 与 DGGE 图 谱 相 一 致. 调 查 还 发 现,β 变 形 菌 纲 中 动 胶 菌 属 (Zoogloea) 序 列 在 好 氧 缺 氧 段 中 所 占 比 例 均 较 高, 分 别 占 全 部 序 列 的 0.5% 0.7%, 它 们 是 活 性 污 泥 形 成 的 主 要 菌 属, 同 时 在 生 物 膜 形 成 与 维 持 中 也 具 有 重 要 作 用 (Dugan et al., 1992). 通 过 对 两 段 中 微 生 物 群 落 的 分 析, 发 现 好 氧 段 中 与 硝 化 过 程 中 密 切 相 关 的 微 生 物 类 群 丰 富, 而 在 缺 氧 段, 与 反 硝 化 相 关 的 微 生 物 较 多, 微 生 物 种 群 的 分 布 存 在 明 显 的 区 域 性 特 征. 这 种 分 布 方 式 决 定 了 该 反 应 器 较 高 的 脱 氮 效 率, 是 反 应 器 高 效 运 行 的 基 础. 表 2 DGGE 图 谱 中 优 势 条 带 序 列 相 似 性 检 索 结 果 Table 2 Closest phylogenetic affiliations of partial 16S rdna sequences from the bands excised from DGGE gel Band No. Organism, Accession No. Similarity Phylogenetic affiliation Isolation source X1 Shinella sp., HM % Betaproteobacteria root nodule X2 Dechloromonas sp. EMB 269, DQ % Betaproteobacteria Anaerobic / Aerobic SBR Reactor X3 Uncultured bacterium clone YF1004, KF % TM7 Lake Waiau sediment X4 Uncultured bacterium, AB % Betaproteobacteria freshwater river X5 Phormidium tergestinum CCALA 155, EF % Cyanobacteria a X6 Phenylobacterium sp. G26, AY % Alphaproteobacteria a X7 Rhodobacter sp. WS63, KF % Cyanobacteria a X8 Uncultured bacterium, EF % Actinobacteria floodplain X9 Uncultured bacterium clone, FJ % Betaproteobacteria freshwater lake X10 bacterium TG159, AB % Betaproteobacteria freshwater sediment X11 Uncultured bacterium, KC % Betaproteobacteria X12 Uncultured bacterium, AB % Actinobacteria heap soil X13 Uncultured bacterium, KC % Firmicutes 注 : a. 未 提 供 分 离 来 源. 4 结 论 (Conclusions) 1) 通 过 对 本 研 究 设 计 的 分 格 复 合 填 料 曝 气 生 物 滤 池 的 调 试, 确 定 最 佳 曝 气 量 为 3.0 L min -1, 最 佳 水 力 负 荷 为 20 m 3 m -3 d -1, 最 佳 回 流 比 为 125%, 在 此 条 件 下, 对 COD TN 氨 氮 浊 度 的 平 均 去 除 率 分 别 为 81% 48% 91% 91%. 结 合 化 学 方 式 进 行 除 磷, 可 去 除 86% 总 磷, 达 到 城 镇 污 水 一 级 A 排 放 标 准. 2) 好 氧 段 中 与 硝 化 过 程 中 密 切 相 关 的 微 生 物 类 群 丰 富, 如 硝 化 螺 菌 属 ; 而 在 缺 氧 段, 与 反 硝 化 相 关 的 微 生 物 较 多, 如 脱 氯 单 胞 菌 属. 这 种 分 布 方 式 决 定 了 该 反 应 器 较 高 的 脱 氮 效 率, 是 反 应 器 高 效 运 行 的 基 础. 责 任 作 者 简 介 : 赵 阳 国 ( 1975 ), 男, 博 士, 副 教 授, 主 要 从 事 废 水 处 理 新 技 术 污 染 控 制 微 生 物 学 等 研 究. E mail: ygzhao@ ouc.edu.cn. 参 考 文 献 (References): Achenbach L A, Michaelidou U, Bruce R A, et al Dechloromonas agitata gen. nov., sp. nov. and Dechlorosoma suillum gen. nov., sp. nov., two novel environmentally dominant ( per) chlorate reducing bacteria and their phylogenetic position [ J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 51(2): Clark T, Stephenson T, Pearce P A Phosphorus removal by chemical precipitation in a biological aerated filter [ J ]. Water Research, 31(10): Daims H, Nielsen J L, Nielsen P H, et al In situ characterization of nitrospira like nitrite oxidizing bacteria active in wastewater treatment plants [ J]. Applied and Environmental Microbiology, 67 (11):

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