低溫條件下AAO污水處理系統(tǒng)脫氮效果
厭氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic-oxic，AAO)工藝作為傳統(tǒng)活性污泥法的典型工藝，因其工藝成熟、流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活、水力停留時(shí)間短、建造和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理體系中。然而，我國(guó)北方地區(qū)溫度差異大，寒冷季節(jié)長(zhǎng)，生化處理過(guò)程受影響較大，小規(guī)模污水處理難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。低溫使硝化和反硝化菌屬活性降低，導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮效能惡化，為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。因此，提高AAO系統(tǒng)的脫氮性能，以保證冬季低溫條件下污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行效果，是目前研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。
已有研究結(jié)果表明，溫度對(duì)AAO系統(tǒng)的脫氮效能有很大影響。RANDALL等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度由20℃降至10℃時(shí)，相應(yīng)的污泥齡需要從2.7d延長(zhǎng)至5d才可保證AAO系統(tǒng)的硝化效果。梁嘉斌等利用Sumo軟件對(duì)冬季某污水廠運(yùn)行情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和優(yōu)化，結(jié)果表明：硝化液回流比從50%提升到400%時(shí)，系統(tǒng)脫氮效果有所增加而COD去除率變化不大，將硝化液回流比優(yōu)化為300%、DO為1.95g·m?3(每立方米污水中的氧氣質(zhì)量)后TN明顯降低；雒海潮等對(duì)分流式測(cè)流-AAO系統(tǒng)在12~15℃下污染物去除性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)改良AAO系統(tǒng)對(duì)COD、(NH4+-N)和TN的去除率分別為88.56%、83.12%和71.60%，且可實(shí)現(xiàn)良好的污泥減量效果；WANG等發(fā)現(xiàn)將AAO與曝氣生物濾池(biologicalaeratedfilter，BAF)耦合可有效增強(qiáng)系統(tǒng)低溫條件下的脫氮除磷效果；金羽對(duì)AAO系統(tǒng)的研究表明，在11℃下，系統(tǒng)出水TP、COD仍能滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，而14℃時(shí)AAO系統(tǒng)就對(duì)NH4+-N和TN的去除效果明顯下降，難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
在不增設(shè)工藝單元的低溫條件下，常規(guī)AAO系統(tǒng)難以滿足排放要求，因此應(yīng)探究低溫條件下AAO系統(tǒng)微生物特性，并通過(guò)工況調(diào)整等非工程措施來(lái)提高脫氮性能，尤其是提升NH4+-N和TN的去除效果。為保證低溫條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，多采用對(duì)構(gòu)筑物保溫、降低污泥負(fù)荷、延長(zhǎng)水力停留時(shí)間(HRT)或結(jié)合物化方法等措施來(lái)提高脫氮效能。但上述方法不僅難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的出水效果，還極大地增加污水處理設(shè)施的基建和維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用，因此，對(duì)AAO工藝的改良應(yīng)在充分發(fā)揮AAO工藝本身功能的基礎(chǔ)上有針對(duì)性地進(jìn)行。硝化液回流比和污泥回流比是AAO工藝最典型的2個(gè)內(nèi)部參數(shù)。相較于增加工藝單元或采用保溫措施、降低污泥負(fù)荷等工程措施，內(nèi)部參數(shù)的調(diào)整不會(huì)大幅增加基建和運(yùn)行費(fèi)用，但會(huì)直接影響系統(tǒng)硝化性能和污泥濃度，進(jìn)而影響各指標(biāo)處理效果。
基于此，本研究以小試規(guī)模的AAO污水處理系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)整硝化液回流比、污泥回流比和碳源等條件，獲取低溫條件下AAO系統(tǒng)最佳運(yùn)行工況，并結(jié)合胞外聚合物(EPS)和微生物群落結(jié)構(gòu)，探究低溫條件下AAO系統(tǒng)的脫氮機(jī)理、微生物群落與脫氮除碳之間的關(guān)系，以期為低溫狀況下污水處理效能的提升提供參考。
1、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及接種污泥
接種污泥取自西安市第四污水處理廠回流污泥，取樣日期為2月6日。取樣時(shí)水廠水溫13.5℃，1、2月份水廠水溫波動(dòng)小，均低于14℃。實(shí)驗(yàn)采用人工配水模擬農(nóng)村生活污水，所用試劑包括：葡萄糖，乙酸鈉，氯化銨，磷酸二氫鉀及微量元素溶液，微量元素添加量為1mL·L?1，其成分如表1所示。運(yùn)行期間水質(zhì)參數(shù)如下：COD為226~289mg·L?1，平均值為249mg·L?1；NH4+-N為18~24mg·L?1，平均值為21mg·L?1；TN為24~30mg·L?1，平均值為27mg·L?1；TP平均值為2.47mg·L?1；pH為6.9~7.6，平均值7.2。
1.2 分析方法
常規(guī)指標(biāo)(NH4+-N)、、、TN和COD分別采用納氏試劑分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法、紫外分光光度法、過(guò)硫酸鉀氧化法、和快速消解法測(cè)定。pH和溶解氧采用便攜式溶氧儀(HachHQ40d)測(cè)定；溫度采用溫度計(jì)測(cè)定。
EPS采用熱離心方式進(jìn)行提取，分別采用苯酚-濃硫酸法和Lowry法對(duì)多糖和蛋白進(jìn)行測(cè)定。采用16SrRNAAmplicon高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)低溫條件下AAO系統(tǒng)中微生物進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)分析。采用MiSeqPE300測(cè)序模式，選擇細(xì)菌16SrRNAV3~V4區(qū)引物338F和806R(引物序列5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'和5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，再研究所得樣本的群落結(jié)構(gòu)，通過(guò)上海美吉生物醫(yī)藥技術(shù)公司(上海)的美吉生物技術(shù)云平臺(tái)對(duì)樣本中優(yōu)質(zhì)DNA序列進(jìn)行了篩查，并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了解析。
1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式
本研究所采用裝置為日處理量30L·d?1的AAO系統(tǒng)(圖1)。反應(yīng)器AAO主反應(yīng)區(qū)總有效容積20L，其中厭氧池2L，缺氧池2.5L，好氧池15.5L。系統(tǒng)總HRT約為16h。在啟動(dòng)期后，主反應(yīng)區(qū)內(nèi)MLVSS、MLSS分別維持在(1500±50)mg·L?1和(2230±50)mg·L?1，好氧區(qū)DO控制在1.5~2mg·L?1。二沉池設(shè)計(jì)為豎流式沉淀池，有效容積為4L。厭氧池、缺氧池和好氧池設(shè)有電動(dòng)攪拌機(jī)。好氧池底部設(shè)置曝氣頭連續(xù)曝氣，反應(yīng)器進(jìn)水、內(nèi)回流及污泥回流均采用蠕動(dòng)泵控制。實(shí)驗(yàn)通過(guò)制冷機(jī)(低溫恒溫槽DC-2010)循環(huán)冷卻水的方式控溫。制冷機(jī)內(nèi)冷卻水接入反應(yīng)器外部循環(huán)冷卻水槽，保證反應(yīng)器內(nèi)水溫穩(wěn)定在(12±0.5)℃。
本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接種污泥后在(12±0.5)℃條件下進(jìn)行培養(yǎng)和馴化，連續(xù)運(yùn)行168d。系統(tǒng)啟動(dòng)成功后分為3個(gè)階段進(jìn)行(表2)，每個(gè)階段分別改變系統(tǒng)的硝化液回流比、碳源、污泥回流比，探究其對(duì)生活污水處理效果的影響。每階段所得最優(yōu)控制條件作為下階段初始固定參數(shù)，不斷優(yōu)化得到低溫條件下AAO系統(tǒng)最優(yōu)控制策略。
2、結(jié)果與討論
2.1 低溫條件下AAO系統(tǒng)啟動(dòng)期運(yùn)行效果
通過(guò)人工配置連續(xù)進(jìn)水的方式啟動(dòng)系統(tǒng)，啟動(dòng)期內(nèi)確定硝化液回流比為200%、污泥回流比為50%。由圖2可見，隨反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥濃度升高，系統(tǒng)對(duì)COD和NH4+-N去除效果緩慢上升。25d后主反應(yīng)區(qū)內(nèi)MLVSS上升至1500mg·L?1，出水TN和COD分別小于20mg·L?1和50mg·L?1，表明反應(yīng)器啟動(dòng)完成，之后開始逐步探究不同工況優(yōu)化對(duì)AAO系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。
2.2 低溫條件下AAO系統(tǒng)工況優(yōu)化
1)不同硝化液回流比對(duì)污染物去除性能影響。
有研究表明，生物脫氮系統(tǒng)硝化液回流比一般控制在100%~300%。本研究控制AAO反應(yīng)器在污泥回流比為50%的條件下，以葡萄糖為碳源對(duì)系統(tǒng)中活性污泥進(jìn)行培養(yǎng)，探究硝化液回流比對(duì)低溫運(yùn)行的AAO反應(yīng)器脫氮除磷效能影響。每個(gè)工況條件下運(yùn)行24d，污染物去除效果如圖3所示。
當(dāng)進(jìn)水平均(NH4+-N)為21.80mg·L?1時(shí)，AAO系統(tǒng)在內(nèi)回流比為100%、200%和300%的工況下出水平均(NH4+-N)分別為8.84、9.46和8.85mg·L?1，平均去除率分別為60.73%、57.28%和56.51%。結(jié)果表明：3種硝化液回流比工況下出水(NH4+-N)在《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)之上。當(dāng)用葡萄糖作為碳源時(shí)，以常規(guī)AAO系統(tǒng)作為單一處理單元凈化污水時(shí)，改變硝化液回流比對(duì)NH4+-N去除效果影響不大。
進(jìn)水平均TN為26.90mg·L?1時(shí)，AAO系統(tǒng)在內(nèi)回流比為100%、200%、和300%的工況下出水平均TN分別為16.64、16.34和14.29mg·L?1，平均去除率分別為36.08%、41.35%和46.53%。3種工況結(jié)果表明：硝化液回流比為100%、200%時(shí)，出水TN可滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)；盡管300%的硝化液回流比工況對(duì)TN的去除效果優(yōu)于前2種，但不能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。增高的硝化液回流比為缺氧區(qū)提供充足的硝酸鹽底物進(jìn)行反硝化作用，本系統(tǒng)中300%硝化液回流比時(shí)出水TN最低；而過(guò)高的硝化液回流比導(dǎo)致缺氧區(qū)水力停留時(shí)間變短，且破壞缺氧環(huán)境，不利于穩(wěn)定的反硝化過(guò)程進(jìn)行。
當(dāng)進(jìn)水平均COD為249.7mg·L?1時(shí)，AAO系統(tǒng)在內(nèi)回流比為100%、200%、和300%的工況下，出水平均COD分別為24.69、12.42和17.71mg·L?1，平均去除率分別為90.22%、95.11%和92.75%。結(jié)果表明：低溫條件下以葡萄糖作為碳源COD易被AAO系統(tǒng)去除，凈化后3種工況COD均可滿足(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，但硝化液回流比由100%提高到200%時(shí)，出水COD更低，去除效果更穩(wěn)定。
2)碳源種類對(duì)污染物去除性能影響。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫條件下以葡萄糖作為單一碳源導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮性能不佳。污水生物脫氮過(guò)程中，有機(jī)碳源是十分重要的因素，且在實(shí)際應(yīng)用中，生活污水成分復(fù)雜，并非由一種碳源組成，脂肪酸、碳水化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占約10%、25%~50%。胡小宇等發(fā)現(xiàn)，復(fù)合碳源(葡萄糖∶乙酸鈉=1.5∶1)更利于系統(tǒng)脫氮效能提升。因此，確定在污泥回流比為50%、硝化液回流比為100%的工況下，進(jìn)一步探究碳源在低溫條件下對(duì)AAO系統(tǒng)脫氮效能的影響，其結(jié)果如圖4所示。
在更換復(fù)合碳源后，出水(NH4+-N)、TN下降趨勢(shì)明顯。出水平均(NH4+-N)由8.84mg·L?1降至4.35mg·L?1，去除率由60.73%升至79.85%，且系統(tǒng)穩(wěn)定后基本實(shí)現(xiàn)對(duì)NH4+-N的完全去除。出水平均TN由16.16mg·L?1降至12.60mg·L?1，去除率由35.98%升至51.32%，可穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于單一碳源，復(fù)合碳源對(duì)AAO系統(tǒng)脫氮效能顯著提升。
從電子供體角度分析，雖然碳源不同其代謝途徑會(huì)存在差異，但最后都?xì)w集于三羧酸循環(huán)。葡萄糖作為碳源提供電子時(shí)，需先經(jīng)過(guò)糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸，再轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)而乙酸鈉作為碳源則可直接被微生物利用。從微生物種群的角度來(lái)看，脫氮功能菌種類的不同導(dǎo)致其所能利用的有機(jī)碳源也存在差異，AAO系統(tǒng)中所接種污泥為混培物，可能含有多種與反硝化有關(guān)的細(xì)菌。分析認(rèn)為，由單一碳源優(yōu)化為復(fù)合碳源后脫氮效果的顯著提升是由于碳源種類的豐富及其代謝過(guò)程中的各種中間代謝產(chǎn)物可被不同的脫氮功能菌利用，從而提高脫氮的效率。在碳源優(yōu)化后，AAO系統(tǒng)出水由不達(dá)標(biāo)到基本滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，這表明碳源的種類和代謝途徑對(duì)生活污水中氮素的去除有較大影響。
3)不同污泥回流比對(duì)污染物去除性能影響。
有研究表明，污泥回流比一般控制在50%~100%比較適宜以復(fù)合碳源(葡萄糖∶乙酸鈉=1.5∶1)對(duì)AAO反應(yīng)器中活性污泥進(jìn)行培養(yǎng)，系統(tǒng)穩(wěn)定后探究50%、75%和100%這3種污泥回流比對(duì)污染物去除效率的影響，污染物去除效果如圖5所示。
進(jìn)水平均(NH4+-N)為21.00mg·L?1時(shí)，AAO系統(tǒng)在污泥回流比為50%、75%和100%的工況下出水平均(NH4+-N)分別為4.31、0.03和1.56mg·L?1，平均去除率分別為79.92%、99.87%和92.59%。結(jié)果表明：系統(tǒng)在3種工況下均有較高的NH4+-N去除負(fù)荷。75%污泥回流比系統(tǒng)運(yùn)行期間對(duì)NH4+-N去除效果穩(wěn)定，NH4+-N幾乎全部被降解。
進(jìn)水平均TN為26.70mg·L?1時(shí)，AAO系統(tǒng)在污泥回流比為50%、75%和100%的工況下出水平均TN分別為12.60、7.93和10.85mg·L?1，平均去除率分別為51.32%、69.97%和60.62%。結(jié)果表明：在添加復(fù)合碳源條件下，AAO系統(tǒng)75%污泥回流比的工況可實(shí)現(xiàn)對(duì)TN穩(wěn)定、高效的去除，凈化后穩(wěn)定滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)污泥回流比為50%、100%時(shí)，出水TN波動(dòng)較大，效果不穩(wěn)定。
隨污泥回流比的增大，出水(NH4+-N)、TN呈現(xiàn)先降低再增高的趨勢(shì)，75%污泥回流比工況下脫氮效果最好。污泥回流比的提高使二沉池回流污泥量增加，一方面提高了系統(tǒng)內(nèi)污泥質(zhì)量濃度；另一方面延長(zhǎng)了系統(tǒng)污泥齡，有利于硝化細(xì)菌等世代時(shí)間較長(zhǎng)的微生物的繁殖，有利于強(qiáng)化硝化作用、提高對(duì)NH4+-N的降解效果。
進(jìn)水平均COD為247.82mg·L?1時(shí)，AAO系統(tǒng)在污泥回流比為50%、75%和100%的工況下出水平均COD分別為27.47、30.98和42.32mg·L?1，平均去除率分別為89.07%、87.26%和82.75%。3種污泥回流比工況出水COD均可滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)污泥回流比為75%時(shí)，AAO系統(tǒng)對(duì)COD有穩(wěn)定的去除效果，可穩(wěn)定滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。50%工況出水COD較另2種有更大波動(dòng)，100%污泥回流比工況出水COD穩(wěn)定，12次檢測(cè)中僅2次出水COD略高于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
綜合各指標(biāo)處理效果，對(duì)比考察3種不同污泥回流比工況下AAO系統(tǒng)污水處理效果，結(jié)果表明低溫條件下75%污泥回流比工況的AAO系統(tǒng)對(duì)NH4+-N、TN和COD凈化效果良好，且能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。金羽研究發(fā)現(xiàn)，低溫狀況下AAO系統(tǒng)最優(yōu)的污泥回流比為75%，與本研究一致。
2.3 低溫條件下脫氮效能分析
低溫會(huì)使微生物活性和底物利用率下降，從而導(dǎo)致污水處理性能下降。本研究中低溫條件下AAO污水處理系統(tǒng)經(jīng)工況優(yōu)化調(diào)整后達(dá)到穩(wěn)定、高效的脫氮效能，且表現(xiàn)出獨(dú)特的脫氮特點(diǎn)。為深入探究本研究中低溫條件下的脫氮規(guī)律和效果，現(xiàn)對(duì)AAO系統(tǒng)中3個(gè)運(yùn)行階段的氮素轉(zhuǎn)移狀況進(jìn)行探討。圖6為本系統(tǒng)中低溫條件下氮素轉(zhuǎn)移情況。
硝化液回流比的調(diào)整(階段Ⅰ)對(duì)系統(tǒng)脫氮未產(chǎn)生顯著影響，3種硝化液回流比出水亞硝氮小于0.5mg·L?1，未出現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累的現(xiàn)象；出水硝氮質(zhì)量濃度隨污泥回流比的減小呈先升高后下降的趨勢(shì)，200%硝化液回流比工況下平均出水硝氮質(zhì)量濃度最高，為3.09mg·L?1。對(duì)碳源進(jìn)行優(yōu)化后(階段Ⅱ)，系統(tǒng)脫氮性能快速上升，出水(NH4+-N)逐漸降至0，出水亞硝氮質(zhì)量濃度開始增高，階段Ⅱ后期出水亞硝氮質(zhì)量濃度達(dá)到1.90mg·L?1，亞硝氮積累率達(dá)到51%，開始出現(xiàn)亞硝氮積累的現(xiàn)象。階段Ⅲ對(duì)污泥回流比進(jìn)行調(diào)整后，系統(tǒng)仍維持了極高的NH4+-N去除率，尤其在75%污泥回流比條件下，亞硝氮質(zhì)量濃度最高達(dá)到2.21mg·L?1，亞硝氮積累率升高到64.1%。
階段Ⅱ后，NH4+-N降解速率顯著提高，亞硝氮濃度和亞硝氮積累率逐漸升高，而COD去除效果下降。分析認(rèn)為，碳源優(yōu)化后系統(tǒng)內(nèi)部短程硝化反硝化作用逐步增強(qiáng)，短程硝化反硝化與傳統(tǒng)硝化反硝化相比，亞硝酸鹽作為電子受氫體直接參與反硝化作用，可節(jié)省反硝化碳源約40%，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出水COD升高。眾多研究表明，在低溫條件下短程硝化進(jìn)程會(huì)遭到破壞，但本研究中AAO系統(tǒng)在12℃時(shí)連續(xù)運(yùn)行168d，氨氧化細(xì)菌仍表現(xiàn)出較高活性，可在高效降解NH4+-N同時(shí)積累亞硝酸鹽。JONES認(rèn)為，若將30℃環(huán)境中的氨氧化細(xì)菌直接轉(zhuǎn)移到5℃下，會(huì)導(dǎo)致其失活，但若逐步降低溫度使其逐步適應(yīng)，氨氧化細(xì)菌可根據(jù)溫度變化，逐漸將細(xì)胞膜中的長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸部分調(diào)整為短鏈不飽和脂肪酸。雖然這樣需要一定時(shí)間來(lái)進(jìn)行培養(yǎng)馴化，但可使其在低溫下不易“凍結(jié)”。本研究結(jié)果與文獻(xiàn)的結(jié)論相吻合，長(zhǎng)時(shí)間的馴化使得12℃條件下也可進(jìn)行一定程度的短程硝化反硝化。
2.4 不同工況條件對(duì)EPS影響
EPS是一種存在于微生物聚集體細(xì)胞外的復(fù)雜高分子混合物，其成分涵蓋蛋白質(zhì)(PN)、多糖(PS)、腐殖質(zhì)、核酸、脂質(zhì)及糖醛酸多種有機(jī)大分子。這些成分間的比例主要取決于提取方法及污泥來(lái)源。其中，PN和PS最多，兩者占EPS總量的70%~80%。本研究分析了低溫AAO系統(tǒng)不同工況下EPS、SEPS、LB-EPS和TB-EPS中PS和PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，結(jié)果如圖7所示。
3種硝化液回流比工況下EPS總量保持穩(wěn)定，TB層均為EPS的主要構(gòu)成，LB-EPS隨硝化液回流比的增加呈上升趨勢(shì)。同時(shí)，PN是EPS組成中貢獻(xiàn)最大的成分，細(xì)胞表面TB層豐富的PN可減輕微生物所受低溫等不利條件的影響。當(dāng)硝化液回流比為200%時(shí)，EPS總量達(dá)到最高，為132.7mg·g?1。EPS對(duì)污泥回流比調(diào)控的響應(yīng)相較于硝化液回流比更明顯，EPS總量及PS、PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污泥回流比呈顯著的負(fù)相關(guān)。隨污泥回流比的增大，EPS總量顯著減少，總EPS由164.0mg·g?1降至81.7mg·g?1，PS由56.7mg·g?1降至25.8mg·g?1，PN由164.0mg·g?1降至81.7mg·g?1。PS質(zhì)量分?jǐn)?shù)同樣隨污泥回流比增大而減小，3種污泥回流比工況下PS/PN分別為34.6%、33.3%和31.5%。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要有以下幾點(diǎn)。一方面，二沉池中的剩余污泥缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)充，微生物為滿足生命活動(dòng)而將表面的EPS作為碳源和能源而分解，導(dǎo)致二沉池中的微生物EPS總量降低。污泥回流比的增大使二沉池中更多的貧EPS微生物聚集體重新進(jìn)入AAO系統(tǒng)主反應(yīng)區(qū)，從而拉低系統(tǒng)中微生物的EPS量。另一方面，游離亞硝酸會(huì)導(dǎo)致TB-EPS中PS和PN質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)一定程度的降低，隨著系統(tǒng)中亞硝氮質(zhì)量濃度的升高，可能會(huì)破壞EPS中有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)，刺激EPS中PS和PN的降解，從而導(dǎo)致EPS總量的減少。另外，污泥回流比的增大導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部水利條件改變，高回流比帶來(lái)的較高的水利剪切可能是EPS總量減少的另一原因。
EPS表面含有較多羧基、磷酸基等帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，因而整體帶負(fù)電性。有研究表明，EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，微生物聚集體表面負(fù)電荷增加從而導(dǎo)致細(xì)胞間靜電斥力增加，最終導(dǎo)致微生物沉降性能惡化。EPS中多糖與蛋白的比值(PS/PN)能夠維持微生物群落的穩(wěn)定，并影響污泥表面的親疏水性。PS/PN越低，表示污泥的相對(duì)疏水性越高，污泥表面的吉布斯自由能下降，污泥之間的親和力增加。污泥回流比增加后所引起的EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)和PS/PN的降低，有利于改善低溫條件下污泥的沉降和脫水性能,進(jìn)而保障系統(tǒng)內(nèi)較高的污泥質(zhì)量濃度。從傳質(zhì)的角度來(lái)看，EPS作為微生物的外部屏障圍繞在細(xì)胞周圍，必然會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞和微生物代謝產(chǎn)物的排出。有研究表明，EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)高的微生物聚集體滲透性較差，75%污泥回流比條件下的EPS總量可能在EPS的吸附效果和傳質(zhì)特性間達(dá)到平衡，使得系統(tǒng)獲得更穩(wěn)定的脫氮效果。
2.5 低溫條件下微生物種群結(jié)構(gòu)特征
12℃條件下AAO污水處理系統(tǒng)門水平和屬水平上的微生物種群及其相對(duì)豐度如圖8所示。同大多數(shù)污水處理過(guò)程相同，Proteobacteria(變形菌門)占據(jù)主要地位，平均相對(duì)豐度75.69%；Bacteroideta(擬桿菌門)也占有相對(duì)較高的豐度，平均豐度16.84%，二者總豐度超過(guò)90%。Proteobacteria是進(jìn)行脫氮除磷和降解有機(jī)物的最主要菌門，其大量存在可以保證活性污泥法系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在污水處理處理中占有主要地位。可見，低溫條件對(duì)AAO系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)菌門相對(duì)豐度影響較大，Proteobacteria在微生物群落結(jié)構(gòu)中的優(yōu)勢(shì)程度被進(jìn)一步放大。污水處理過(guò)程其他常見優(yōu)勢(shì)菌門，如Actinobacteria(放線菌門，4.29%)，F(xiàn)irmicutes(厚壁菌門，1.45%)Nitrospirae(硝化螺旋菌門，0.61%)Chloroflexi(綠彎菌門，0.32%)，Acidobacteria(酸桿菌門，0.28%)也在系統(tǒng)中檢出，但相對(duì)豐度較其他常溫下活性污泥法明顯偏低。
缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)之間在屬水平上微生物種群和豐度差異性不大，異養(yǎng)硝化好氧反硝化菌屬Pseudomonas(假單胞菌屬，23.35%)和反硝化菌屬Flavobacterium(黃桿菌屬，15.63%)為主要優(yōu)勢(shì)菌屬。Pseudomonas可通過(guò)好氧反硝化作用和解磷作用去除氮磷等污染物，低溫條件可能促進(jìn)Pseudomonas的富集，徐鳳英發(fā)現(xiàn)SBBR系統(tǒng)中溫度由24℃降低至10℃時(shí)，Pseudomonas的豐度由0.07%升至1.05%，馬切切的研究也表明Pseudomonas與溫度的Spearman相關(guān)性系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。分析認(rèn)為，相對(duì)于一般的硝化細(xì)菌，本研究中相對(duì)豐度最高的優(yōu)勢(shì)菌屬Pseudomonas異養(yǎng)硝化的特性使其能對(duì)碳源改變做出更大的響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)脫氮做出更大的貢獻(xiàn)。異養(yǎng)硝化好氧反硝化能夠在好氧池一個(gè)處理單元中實(shí)現(xiàn)氮素的去除，這可能是本研究中系統(tǒng)在優(yōu)化運(yùn)行后能對(duì)氮素達(dá)到穩(wěn)定去除效果的一個(gè)原因。Zoogloea(動(dòng)膠菌屬)是活性污泥法中一種常見的兼性菌，能對(duì)污水中的有機(jī)污染物有效的去除，平均豐度為2.4%。其他脫氮功能屬有反硝化聚磷功能菌屬Dechloromonas(脫氯單胞菌，3.59%)，Acidovorax(食酸菌屬，1.29%)，硝化菌屬Nitrospira(硝化螺菌屬，0.61%)，反硝化菌屬Rhodocyclaceae(0.89%)、Comamonadaceae(從毛單胞菌，0.64%)。Acidovorax具有氫自養(yǎng)反硝化脫氮功能，也可降解污水中難降解的有機(jī)物。值得注意的是，Nitrospira作為典型的亞硝酸鹽氧化菌(NOB)，在本系統(tǒng)中僅占0.61%，遠(yuǎn)低于生活污水處理過(guò)程中的平均豐度，說(shuō)明該系統(tǒng)中NOB功能菌群被抑制，脫氮過(guò)程以短程硝化為主，與2.3節(jié)中亞硝氮積累現(xiàn)象相吻合。
3、結(jié)論
1)在12℃條件下，通過(guò)運(yùn)行工況優(yōu)化，在采用復(fù)合碳源、200%的硝化液回流比、75%的污泥回流比時(shí)，系統(tǒng)出水COD、NH4+-N、TN的平均值分別為30.98、0.03、7.93mg·L?1，去除率分別為87.26%、99.87%、69.97%。該條件下系統(tǒng)處理效果最佳，且出水遠(yuǎn)優(yōu)于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。
2)在低溫條件下，采用復(fù)合碳源時(shí)，NH4+-N去除效率與NO2?-N積累率顯著增高，表明系統(tǒng)中短程硝化過(guò)程成為占據(jù)主導(dǎo)地位。
3)系統(tǒng)中活性污泥的EPS受硝化液回流比的影響不大；而與污泥回流比呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，PS/PN逐漸減小。
4)系統(tǒng)中Pseudomonas(假單胞菌屬)和Flavobacterium(黃桿菌屬)總相對(duì)豐度可達(dá)40%，異養(yǎng)硝化-好氧反硝化成為主要脫氮過(guò)程，低溫抑制NOB作用，使得短程硝化耦合異養(yǎng)硝化-好氧反硝過(guò)程出現(xiàn)，有效提升系統(tǒng)的脫氮性能。
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