近年來有研究發(fā)現(xiàn)，將進水中VFA等外碳源轉(zhuǎn)化為細胞體內(nèi)存儲的內(nèi)碳源（Gly和PHAs等），反硝化除磷菌（DPAOs）和反硝化聚糖菌（DGAOs）利用內(nèi)碳源進行反硝化，可實現(xiàn)高效脫氮除磷。高歆婕等建立了新型污泥雙回流厭氧/好氧/缺氧（AOA）工藝，旨在富集培養(yǎng)以CandidatusCompetibacter為主的反硝化聚糖菌，開發(fā)與利用內(nèi)碳源脫氮。古凌艷等和姚曉琰等分別通過中試論證了在相同進水水質(zhì)和溫度條件下，AOA工藝出水效果優(yōu)于多段AO和A2/O工藝。
移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）在生化池內(nèi)投加懸浮填料，以增加生化池污泥量和抗沖擊負荷能力，具有深度脫氮除磷效果。無錫蘆村污水處理廠MBBR工藝的首次成功應(yīng)用增強了行業(yè)對該工藝的信心。山西和北方某污水處理廠通過投加MBBR進行提標改造，出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達到一級A標準。南方某大型水質(zhì)凈化廠采用MBBR耦合多段AO工藝實現(xiàn)了出水總氮低于8mg/L的效果。MBBR工藝的核心是高效附著硝化類細菌，利用懸浮載體強化硝化的優(yōu)勢實現(xiàn)對氨氮和TN的高效去除。MBBR工藝大多不額外增加池容，在改擴建領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。
目前，全國大部分城市都在進行提標擴容改造工程，原位擴容將縮短生化池停留時間，進而影響出水效果；而MBBR耦合A2/O等工藝難以滿足5mg/L的出水總氮標準。為開發(fā)適用于高密度城區(qū)的高效水處理工藝，擬在深圳某水質(zhì)凈化廠原處理規(guī)模為100m³/d的AOA中試裝置中投加MBBR填料，考察AOA耦合MBBR工藝對實際生活污水的處理效果，探究投加MBBR填料對AOA的促進作用。
1、材料與方法
1.1 中試流程
AOA工藝由厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和豎流沉淀池組成。好氧區(qū)通過底部曝氣盤曝氣，采用氣體流量計控制氣量，使DO為2~4mg/L；MLSS控制在4000~6000mg/L；沉淀池到厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的污泥回流比（分別記作R1和R2）均控制在50%~100%。生化池有效體積為50.4m³，共分為12格，設(shè)計水力停留時間（HRT）為12h。MBBR填料規(guī)格為Ø25mm×10mm，密度>0.97g/m3，有效比表面積>850m2/m3。填料投加情況如圖1所示，其中厭氧區(qū)和缺氧區(qū)填料填充比為10%，好氧區(qū)填料填充比為15%。
1.2 試驗用水與接種污泥
試驗用水為深圳某水質(zhì)凈化廠預(yù)處理出水，COD、NH4+-N、TN、TP濃度范圍分別為106.25～635.14、16.11～42.02、20.03～52.61、1.19～7.50mg/L，相應(yīng)的平均濃度為272.05、32.87、39.71、3.25mg/L。出水水質(zhì)需滿足該水質(zhì)凈化廠設(shè)計出水要求，即COD、NH4+-N、TP濃度執(zhí)行深圳市《水質(zhì)凈化廠出水水質(zhì)規(guī)范》（DB4403/T64—2020）B標準，分別為30、1.5、0.3mg/L；出水總氮執(zhí)行A標準（8mg/L），且排放限值力爭達到5mg/L。
接種污泥取自該水質(zhì)凈化廠的二沉池，MLSS約為6.8g/L。
1.3 工藝運行工況
AOA耦合MBBR工藝在原AOA中試基礎(chǔ)上開展研究，以投加填料為本工藝運行起點，共持續(xù)運行了294d。運行過程中工藝參數(shù)調(diào)整見表1。
1.4 檢測項目與分析方法
COD：哈希CODmaxⅢ型分光光度法；NH4+-N：哈希NA8000型分光光度法；TN、TP：NPW160H型分光光度法；DO：熒光法；MLSS：采用散射法通過濁度換算測定；污泥和填料樣品中全部細菌的DNA：基于IlluminaMiSeq平臺進行測序，使用Pear軟件對測序數(shù)據(jù)進行過濾、拼接。
1.5 相關(guān)指標計算
在厭氧階段，污水中的有機物被聚糖菌和聚磷菌儲存為胞內(nèi)碳源，內(nèi)碳源儲存效率（CODintra）參考文獻中公式計算得到。在單一反應(yīng)器內(nèi)，氨氮硝化與硝態(tài)氮還原同步進行，實現(xiàn)TN去除的現(xiàn)象被稱為同步硝化反硝化（SND），其效率計算公式見文獻。在缺氧條件下，微生物在外碳源匱乏的情況下可以利用內(nèi)碳源進行反硝化，內(nèi)源反硝化速率（EDNR）也被稱為比反硝化速率，其計算公式見文獻。
2、結(jié)果與分析
2.1 系統(tǒng)對污染物的去除效果
2.1.1 COD去除效果
系統(tǒng)進水COD濃度波動較大，但出水COD濃度較為穩(wěn)定，平均濃度為17.65mg/L，平均去除率為93.15%。各工況的平均出水COD分別為14.53、12.69、16.24、19.83、17.63和21.12mg/L，平均去除率分別為94.96%、94.54%、92.47%、92.91%、94.77%和93.44%。其中，工況Ⅲ和Ⅳ的去除率略低于平均值。工況Ⅲ去除率低，初步判斷是由于雙回流比由75%增加到100%后出水出現(xiàn)了波動；工況Ⅳ的COD去除率低則主要是取消第二回流后，系統(tǒng)整體處理效果降低。整體而言，經(jīng)過中試裝置處理后出水COD濃度基本可以達到出水標準要求。
2.1.2 NH4+-N去除效果
系統(tǒng)進水NH4+-N濃度在16.11~42.02mg/L之間波動，平均濃度為32.87mg/L，出水NH4+-N平均濃度為0.28mg/L，平均去除率為98.89%。各工況下平均出水濃度分別為0.26、0.24、0.27、0.28、0.44和0.39mg/L，平均去除率分別為99.17%、99.01%、98.92%、98.85%、98.65%和98.57%。出水NH4+-N濃度主要是由好氧區(qū)的溶解氧和硝化反應(yīng)決定。工況Ⅴ和Ⅵ的去除率略低于平均值，一方面是進入冬季后，提升了進水量（較投加前提升了約10%）；另一方面是硝化菌對氣溫敏感。此時，好氧末溶解氧的控制就顯得尤為重要。降溫期間，好氧末DO通�？刂圃�2~3.5mg/L（投加填料前控制在2.5~4.5mg/L）。
2.1.3 TN去除效果
系統(tǒng)對TN的去除效果如圖2所示。進水TN濃度范圍為20.03~52.61mg/L，平均濃度為39.71mg/L，出水TN平均濃度為3.58mg/L，平均去除率為91.07%。各工況下平均出水濃度分別為2.98、3.19、2.66、5.20、4.69和4.96mg/L，平均去除率分別為92.95%、91.22%、92.26%、87.79%、89.98%和89.59%。其中工況Ⅰ~Ⅲ的去除率高于平均值，工況Ⅱ和Ⅲ基本處于南方雨季時期，進水濃度較平均值低。為驗證雨季的高負荷處理能力，工況Ⅱ增加了進水量，停留時間由14h縮短為12h，各項出水指標依然較為優(yōu)異，在此工況下出水TN最低為0.54mg/L，相應(yīng)的去除率為97.94%。
工況Ⅳ~Ⅵ的去除率低于平均值。其中工況Ⅳ為單回流（二沉池污泥僅回流至厭氧區(qū)首端；為保持缺氧區(qū)污泥濃度，增加了缺氧區(qū)內(nèi)回流），此時脫氮效率明顯降低。分析原因主要有以下幾方面：其一是缺氧區(qū)污泥濃度降低，污泥總氮負荷由0.0156g/（kgMLSS·d）增加到0.0178g/（kgMLSS·d）。其二可能與厭氧區(qū)的內(nèi)碳源儲存效率有關(guān)，當取消第二污泥回流時，降低了比內(nèi)源反硝化速率，導致出水NO3--N濃度升高，進入?yún)捬鯀^(qū)的NO3--N隨之升高，部分進水COD用于反硝化，降低了內(nèi)碳源儲存效率。其三是二沉池底部高MLSS的微生物死亡裂解可以產(chǎn)生額外的碳源，取消第二回流后，影響了缺氧區(qū)的比內(nèi)源反硝化速率。工況Ⅴ和工況Ⅵ處于南方冬季，當水溫突降和水溫回升后，出水水質(zhì)均會有一段時間的波動，初步判斷是微生物對溫度的變化比較敏感；當水溫低時，脫氮效率開始降低。此外，工況Ⅴ的污泥回流比由100%降低為50%，工況Ⅴ和Ⅵ的HRT由14h縮短為12h，這些都可能導致出水TN偏高。
2.1.4 TP去除效果
系統(tǒng)對TP的去除效果如圖3所示。進水TP濃度范圍為1.19~7.50mg/L，TP平均濃度為3.25mg/L，出水TP平均濃度為0.21mg/L，平均去除率為93.24%。各工況下平均出水TP濃度分別為0.11、0.16、0.18、0.26、0.23和0.27mg/L，平均去除率分別為96.97%、94.16%、92.85%、92.90%、94.13%和92.78%。工藝同步脫氮除磷效果明顯，出水TP和TN變化趨勢基本保持一致。耦合工藝本質(zhì)上屬于后置反硝化工藝，其缺氧環(huán)境長達6~7h，常規(guī)來說，傳統(tǒng)聚磷菌會發(fā)生釋磷反應(yīng)導致出水TP升高。但試驗中沒有添加化學除磷藥劑，在微生物作用下就滿足了設(shè)計出水水質(zhì)要求。雒海潮研究發(fā)現(xiàn)后置反硝化AOA工藝中存在反硝化除磷菌，這使得在缺氧條件下常規(guī)釋磷過程能夠與反硝化除磷菌的吸磷達成動態(tài)平衡。這或許是AOA工藝及耦合MBBR工藝除磷效果佳的重要原因之一。
2.2 系統(tǒng)去除污染物過程分析
為進一步探究耦合工藝沿程污染物變化情況，在穩(wěn)定條件下連續(xù)取樣，檢測各處理段COD、TP、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和TN濃度，結(jié)果見圖4。由圖4（a）可知，COD在厭氧區(qū)得到大量去除，濃度由268mg/L降為45.58mg/L，大部分有機物被微生物合成胞內(nèi)碳源；易降解的剩余有機物在好氧區(qū)得到進一步去除，后經(jīng)缺氧區(qū)和沉淀池的生物反應(yīng)和吸附等過程，實現(xiàn)了最終的出水達標，平均濃度為21.35mg/L。與此同時，在厭氧區(qū)發(fā)生了釋磷反應(yīng)，TP濃度由進水的2.32mg/L上升到3.79mg/L；在好氧區(qū)發(fā)生了過量吸磷現(xiàn)象，好氧末的出水TP濃度為0.22mg/L，基本滿足排放要求；經(jīng)過長達6~7h的缺氧后，系統(tǒng)沒有發(fā)生釋磷反應(yīng)，出水TP基本維持在0.2mg/L左右，滿足出水標準。
由圖4（b）可知，城市生活污水中幾乎沒有硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，且?guī)缀趺總�反應(yīng)區(qū)都可以去除總氮。厭氧區(qū)總氮濃度降低主要受回流污泥稀釋的影響，此外，回流污泥攜帶的硝態(tài)氮還可利用進水中的有機物進行反硝化。好氧區(qū)主要進行的是同步硝化反硝化反應(yīng)，SND效率平均約為37%。缺氧區(qū)微生物則利用聚糖菌儲存的內(nèi)碳源與好氧階段產(chǎn)生的硝態(tài)氮進行內(nèi)源反硝化反應(yīng)，內(nèi)源反硝化速率均值為0.73mg/（gVSS·h），出水TN約為3.5mg/L。
2.3 CODintra、SND效率和ENDR
在中試過程中，對各工況在穩(wěn)定條件下的水質(zhì)進行檢測，計算得到內(nèi)碳源儲存效率、同步硝化反硝化效率和內(nèi)源反硝化速率如圖5所示。內(nèi)碳源儲存效率均值為95.25%，為后續(xù)的內(nèi)源反硝化提供了良好的條件。試驗中總氮的去除以好氧區(qū)的同步硝化反硝化和缺氧區(qū)的內(nèi)源反硝化為主。其中同步硝化反硝化效率均值為37%，其高值主要發(fā)生在氣溫高時（工況Ⅱ），此時溶解氧控制得比較低；也有文獻表明，在低DO條件下，硝化作用與吸磷作用的競爭可在絮體污泥微環(huán)境中為反硝化細菌提供DO梯度來觸發(fā)SND。內(nèi)源反硝化速率均值為0.65mg/（gVSS·h），但工況Ⅳ取消了第二污泥回流后內(nèi)源反硝化速率明顯降低�？梢姡勰嚯p回流對于AOA耦合工藝高效脫氮有重要作用。
2.4 AOA耦合MBBR系統(tǒng)微生物分析
投加MBBR填料后，厭氧區(qū)、好氧區(qū)、缺氧區(qū)掛膜時間分別約為2個月、2周（見圖6）和1個月。好氧區(qū)鏡檢結(jié)果顯示，處理效果良好時絮體粒徑為500~800μm，有壓密性，呈深褐色，絮體之間的空隙中觀察不到針尖狀的小絮體。其中摩門蟲屬、磷殼蟲屬、輪蟲屬、腔輪蟲屬和水熊較為常見，而鐘蟲屬、獨縮蟲屬、蓋纖蟲屬及等枝蟲屬數(shù)量較少，錘吸蟲屬較為罕見。
通過高通量測序技術(shù)對工況Ⅲ的活性污泥和各區(qū)段填料進行微生物多樣性分析，結(jié)果如圖7所示。其中G1、G2、G3分別代表厭氧區(qū)、好氧區(qū)和缺氧區(qū)的填料樣本，N1、N2、N3分別代表厭氧區(qū)、好氧區(qū)和缺氧區(qū)的污泥樣本。由圖7（a）可以看出，變形菌門（Proteobacteria）是所有菌群中的優(yōu)勢菌門，對水中有機物有很好的去除效果。好氧池中填料上的擬桿菌門（Bacteroidetes）相對豐度增加，可能參與了部分反硝化或?qū)⑾跛猁}異化還原為銨。放線菌門（Actinobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）是活性污泥中的主要絲狀菌門，有利于生物膜的形成，提高污水處理的效率。厚壁菌門（Firmicutes）在厭氧池填料中含量最多，這與厭氧池中有機物分解和氮、磷的轉(zhuǎn)化去除有密切關(guān)系。
由圖7（b）可知，在屬水平上，用于內(nèi)源反硝化的微生物有聚糖菌（GAO）Candidatus_Competibacter；脫氮反硝化菌（DNB）有Terrimonas、Pseudomonas、Azospira、Thauera等；系統(tǒng)還存在多種聚磷菌（PAO），如Candidatus_Accumulibacter和Dechloromonas，也檢出了氨氧化菌（AOB）Nitrosomonas和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）Nitrospira。主要功能菌中G1、G2、G3的Nitrospira相對豐度分別為3.76%、6.98%和1.06%，N1、N2、N3的Nitrospira相對豐度分別為1.93%、2.07%和2.36%。G2的NOB相對豐度大于G1和G3，也大于N2，說明好氧區(qū)填料已經(jīng)富集了促進硝化作用的功能菌。此外，填料和污泥樣本中均檢測出了厭氧氨氧化菌（AnAOB）Candidatus_Brocadia，G3的相對豐度更是達3.72%。
冬季降溫前（G和N）、中（G'和N'）、后（G"和N"）的高通量測序結(jié)果如圖8所示。降溫時，厭氧區(qū)、好氧區(qū)和缺氧區(qū)填料和污泥中的優(yōu)勢菌種數(shù)量均降低，且溫度降低對填料生物活性的影響大于污泥。但好氧區(qū)填料較其他區(qū)填料具有更好的抗溫度沖擊和恢復(fù)效果，受低溫影響MBBR填料敏感度排序為缺氧段>厭氧段>好氧段。
2.5投加填料效果分析
本試驗是在原處理規(guī)模為100m³/d的AOA中試基礎(chǔ)上投加MBBR填料，驗證其對AOA工藝的促進作用。在非冬季時，填料投加前后污水處理效果相差不大；但在冬季低溫（工況Ⅴ和工況Ⅵ）增加10%進水量的條件下，投加填料后，系統(tǒng)對COD、氨氮、TN和總磷的去除效果優(yōu)于投加前，出水濃度由20.19、0.42、4.67、0.28mg/L分別降至19.23、0.35、4.51、0.24mg/L。
耦合工藝在冬季較冷的不利時段有一定的正向作用，且對好氧段的促進作用明顯。在微生物方面，投加填料后，增加了各功能區(qū)生物量并富集專性功能微生物，如硝化細菌（Nitrospira）；在出水水質(zhì)方面，MBBR懸浮填料強化了AOA工藝的硝化作用，使得好氧區(qū)更多的氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮則在缺氧區(qū)得以進一步去除，提升了氨氮和總氮去除率；在運行方面，冬季低溫時好氧末溶解氧由2.5~4.5mg/L降低為2~3.5mg/L，減少了曝氣能耗。綜合運行效果和工程投資，推薦在AOA工藝的好氧區(qū)投加MBBR填料。
3、結(jié)論
①AOA耦合MBBR工藝在不投加外碳源的條件下實現(xiàn)了出水各項指標的穩(wěn)定達標，其中TN平均去除率達到91.07%，出水濃度低于5mg/L。在冬季低溫條件下，耦合工藝同時利用AOA工藝內(nèi)源反硝化和MBBR工藝懸浮載體強化硝化的優(yōu)勢實現(xiàn)高效脫氮，取得了水量和水質(zhì)提升的雙重效益。
②系統(tǒng)內(nèi)碳源儲存效率高，有機物的高效利用為后續(xù)的內(nèi)源反硝化提供了良好的條件�？偟娜コ饕ㄟ^好氧區(qū)的同步硝化反硝化和缺氧區(qū)的內(nèi)源反硝化實現(xiàn)。
③各區(qū)投加MBBR填料有助于提高生化系統(tǒng)微生物總量，并可以富集厭氧氨氧化菌（AnAOB）。高通量測序結(jié)果顯示，主要功能菌群在厭氧區(qū)、好氧區(qū)和缺氧區(qū)填料的相對豐度基本都大于污泥。好氧區(qū)填料富集了促進硝化作用的亞硝酸鹽氧化菌Nitrospira，其相對豐度為6.98%。降溫時，各反應(yīng)區(qū)填料生物活性影響大于系統(tǒng)污泥，溫度敏感度依次為缺氧段>厭氧段>好氧段。
④綜合中試情況和工程投資，推薦在AOA工藝的好氧區(qū)投加MBBR填料。（來源：深圳市利源水務(wù)設(shè)計咨詢有限公司）
