導(dǎo)讀

北方某污水處理廠規(guī)模為10萬(wàn)m³/d，自2017年以來(lái)開(kāi)始受海水倒灌沖擊，污水處理廠中氯離子濃度和電導(dǎo)率隨著潮汐潮位的變化呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化。污水處理廠采用改良AAO+MBBR工藝，在氯離子濃度頻繁波動(dòng)的情況下仍保持較高的脫氮除磷效果。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，MBBR懸浮載體具有較好的抗沖擊能力，氯離子波動(dòng)沖擊對(duì)于懸浮載體的硝化效果無(wú)明顯影響，而對(duì)活性污泥的硝化過(guò)程具有明顯的抑制作用。在反硝化方面，氯離子沖擊會(huì)降低反硝化速率，此時(shí)需要延長(zhǎng)缺氧區(qū)HRT或增大碳源投加量來(lái)保證TN的去除。采用改良AAO鑲嵌MBBR工藝，通過(guò)好氧區(qū)投加懸浮載體，擴(kuò)大缺氧區(qū)HRT。實(shí)踐證明該工藝在硝化和反硝化效果上抗沖擊性能良好，適用于高鹽廢水的處理。

0 前言

近年來(lái)，隨著淡水資源的短缺，地下水、河湖水的過(guò)量開(kāi)采以及過(guò)度采砂等行為會(huì)導(dǎo)致海水倒灌，隨著潮汐變化，海水水位的波動(dòng)，會(huì)造成不同程度的海水倒灌進(jìn)入城市污水管網(wǎng)，進(jìn)而經(jīng)各泵站匯集進(jìn)入城市污水處理廠。海水的典型特征是高鹽，尤其是氯離子濃度高達(dá)17 000 mg/L以上。高氯能夠改變活性污泥的胞外滲透壓，使環(huán)境中滲透壓高于細(xì)菌內(nèi)部，導(dǎo)致細(xì)菌的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)膜平衡形態(tài)喪失，發(fā)生質(zhì)壁分離，進(jìn)而對(duì)污水生物處理系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響。相關(guān)研究表明，高濃度氯離子能夠降低與脫氮除磷相關(guān)酶的活性，阻止為反應(yīng)提供進(jìn)一步的推動(dòng)力，從而對(duì)相關(guān)酶促反應(yīng)造成抑制和毒害作用，最終改變活性污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)，抑制硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的生長(zhǎng)繁殖，從而對(duì)污水處理系統(tǒng)的脫氮除磷性能產(chǎn)生不利影響。此外，在長(zhǎng)期影響的情況下，高濃度氯離子能夠引起細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，從而增強(qiáng)了對(duì)微生物的毒性。

本文以北方某沿海污水廠抗氯離子沖擊的效果為例，分析移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）鑲嵌于AAO工藝中對(duì)持續(xù)波動(dòng)氯離子沖擊的抵抗效果，為城市污水廠抵御氯離子的沖擊提供技術(shù)參考。

1 污水處理廠概況

污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m³/d，采用改良AAO-MBBR工藝。生化池自進(jìn)水端至出水端，分別為預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)，HRT分別為1 h、1.6 h、10 h、11.2 h。在好氧區(qū)投加SPR-I型懸浮載體，該懸浮載體厚10 mm，直徑25 mm，有效比表面積大于450 m²/m³，符合《水處理用高密度聚乙烯懸浮載體》（CJ/T 461-2014）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，掛膜前其密度略小于水（0.94～0.97 kg/m³），掛膜后密度與水接近（1.000～1.003 kg/m³），填充率為30%。生化池污泥濃度為3.0~3.3 g/L。好氧區(qū)的溶解氧實(shí)測(cè)值為2~3 mg/L，內(nèi)外回流比分別為250%和100%。污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。

自2017年中旬以來(lái)，該污水處理廠持續(xù)受到海水倒灌沖擊，主要表現(xiàn)為污水處理廠中氯離子濃度電導(dǎo)率隨著每日潮汐潮位的變化呈現(xiàn)出波動(dòng)性變化。在正常運(yùn)行時(shí)，生化池電導(dǎo)率為2～3μS/cm，氯離子濃度為600～1 000 mg/L；在高潮位時(shí)，污水廠受海水倒灌沖擊時(shí)，生化池電導(dǎo)率則高達(dá)8～16μS/cm，氯離子濃度為3 000～6 000 mg/L。在受高氯波動(dòng)沖擊過(guò)程中，污水處理廠出水并沒(méi)有受影響，只是在高潮位的情況下，為保證TN去除效果，碳源多投加近一倍。為了驗(yàn)證污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行效果，對(duì)生化段進(jìn)行了沿程和小試測(cè)定。

1.1 試驗(yàn)方法

1.1.1 氯離子沖擊對(duì)硝化的影響

(1)對(duì)污泥硝化性能的測(cè)定。在低潮位時(shí)取缺氧池出水和海水分別配置氯離子濃度為1 000 mg/L、2 000 mg/L、3 000 mg/L和5 000 mg/L的原水，分析不同氯離子濃度對(duì)污泥負(fù)荷的影響。

(2)對(duì)懸浮載體硝化性能的測(cè)定。在低潮位時(shí)取缺氧池出水和海水分別配置氯離子濃度為1 000 mg/L、2 500 mg/L、4 000 mg/L和6 000 mg/L的原水，分析不同氯離子濃度對(duì)懸浮載體硝化負(fù)荷的影響。

1.1.2 氯離子沖擊對(duì)反硝化的影響

(1)不同氯離子濃度的影響。在低潮位時(shí)取厭氧池出水，利用海水分別配置氯離子濃度為1 000 mg/L、3 000 mg/L、5 000 mg/L原水，確定氯離子濃度對(duì)活性污泥反硝化性能的影響。

(2)不同C/N（COD/氨氮）比的影響。在低潮位時(shí)取厭氧池出水，利用海水分別配置兩組氯離子濃度各為800 mg/L和5 000 mg/L的原水進(jìn)行反硝化小試，通過(guò)人為投加乙酸鈉，研究不同C/N比在高、低潮位時(shí)對(duì)活性污泥反硝化性能的影響。

1.2 水質(zhì)分析方法

試驗(yàn)中氨氮采用納氏試劑分光光度法，硝氮采用紫外分光光度法，TN采用過(guò)硫酸鉀氧化紫外分光光度法，TP采用鉬銻抗分光光度法；pH、DO采用WTW Multi-3430i離線測(cè)定；COD的測(cè)定通過(guò)添加硝酸銀掩蔽氯離子后采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定。

1.3 高通量測(cè)序

高通量測(cè)序通過(guò)試劑盒(E.Z.N.A Mag-Bind Soil DNA Kit，OMEGA)提取微生物基因組DNA，通過(guò)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提基因組的完整性，利用Qubit3-0 DNA試劑盒檢測(cè)基因組DNA濃度。PCR擴(kuò)增所用引物為341 F/806R。PCR產(chǎn)物進(jìn)行瓊脂糖電泳，通過(guò)DNA膠回收試劑盒(SanPrep)對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行回收，利用Qubit3.0 DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)回收的DNA精確定量，按照1∶1的等量混合后測(cè)序，等量混合時(shí)，每個(gè)樣品DNA量取10 ng，最終上機(jī)測(cè)序濃度為20 pmol，通過(guò)Illumina Miseq測(cè)序平臺(tái)完成對(duì)樣品高通量測(cè)序。

采用UPARSE 軟件(version 7.1)根據(jù) 97%的相似度進(jìn)行OTU聚類；使用UCHIME軟件剔除嵌合體。利用RDP classifier對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋，比對(duì)Silva數(shù)據(jù)庫(kù)(SSU123)，設(shè)置比對(duì)閾值為70%。

2 結(jié)果與討論

2.1 生化池處理效果
 

研究期間，跟蹤了污水處理廠2018年9月至2019年5月經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季的生化段水質(zhì)指標(biāo)，生化池進(jìn)水COD、NH3-N、TN和TP的濃度分別為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，進(jìn)水濃度高，且波動(dòng)性大，出水COD、NH3-N、TN和TP的濃度分別為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，可以穩(wěn)定達(dá)到GB 18918-2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，尤其是氨氮可以達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，去除率達(dá)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鑲嵌MBBR工藝抗高氯波動(dòng)沖擊效果良好。

2.2 氯離子沖擊對(duì)硝化的影響

2.2.1 氯離子沖擊對(duì)污泥硝化性能的影響

氯離子沖擊對(duì)污泥硝化性能影響如圖1所示，在活性污泥系統(tǒng)下，水溫13~15 ℃、污泥濃度為2.7 g/L時(shí)，隨著氯離子濃度由1 000 mg/L增加至5 000 mg/L，氨氮降低至1.5 mg/L以下時(shí)，污泥硝化負(fù)荷由0.083 kgN/(kgMLSS·d)降低至0.029 kgN/(kgMLSS·d)，下降了65.1%，表明氯離子濃度的增加對(duì)污泥的硝化性能產(chǎn)生了不利的影響。氯離子濃度過(guò)高會(huì)引起活性污泥中細(xì)胞脫水，并導(dǎo)致相關(guān)生物酶發(fā)生鹽析作用失活，從而影響微生物正常的生理代謝。Wang等發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)水鹽度由0增加至8%，污泥中硝化菌的豐度降低，進(jìn)而使比氨氧化速率和比亞硝酸鹽氧化速率分別降低了74.0%和82.0%，導(dǎo)致了系統(tǒng)硝化性能的下降。

2.2.2 氯離子沖擊對(duì)懸浮載體硝化性能的影響

氯離子沖擊對(duì)懸浮載體硝化性能的影響如圖2所示，在懸浮載體系統(tǒng)下，水溫14~15 ℃、填充率為30%時(shí)，當(dāng)氯離子濃度由1 000 mg/L增加至6 000 mg/L時(shí)，懸浮載體的硝化容積負(fù)荷并無(wú)明顯變化，為0.078kgN/(m³·d)。綜上所述，氯離子沖擊對(duì)懸浮載體的硝化性能并無(wú)明顯影響，表明在抗高鹽特征上，懸浮載體優(yōu)于活性污泥。相關(guān)研究表明，當(dāng)鹽度上升后，細(xì)菌可通過(guò)增強(qiáng)EPS分泌來(lái)進(jìn)行自我保護(hù)，從而在一定程度上保持細(xì)胞生理形態(tài)和提升耐鹽能力。而同一生物池內(nèi)的懸浮載體生物膜EPS的量一般遠(yuǎn)大于活性污泥EPS的量，因此導(dǎo)致生物膜的這種保護(hù)作用強(qiáng)于活性污泥，從而使懸浮載體生物膜更抗高鹽度沖擊，另外，也有研究發(fā)現(xiàn)，懸浮載體生物膜泥齡長(zhǎng)，為硝化菌種的富集提供了條件，從而增強(qiáng)了處理效果。

2.3 氯離子沖擊對(duì)反硝化的影響

從污水處理廠實(shí)際運(yùn)行看，氯離子沖擊時(shí)，需要多投碳源，從而保障缺氧區(qū)脫氮效果，在此基礎(chǔ)上分析了高氯沖擊對(duì)反硝化的影響。

2.3.1 氯離子沖擊對(duì)反硝化效果的影響

氯離子沖擊對(duì)活性污泥反硝化效果的影響如圖3所示，在水溫19~21 ℃、污泥濃度為2.9~3.1 g/L的情況下，當(dāng)氯離子濃度由1 000 mg/L增加至 5 000 mg/L，經(jīng)過(guò)4 h后，反硝化速率由0.017 kgN/(kgMLSS·d)下降至0.014 kgN/(kgMLSS·d)，氯離子濃度提升5倍后，反硝化速率降低18%，表明氯離子濃度對(duì)污泥的反硝化效果產(chǎn)生不利的影響。相關(guān)研究表明，高氯條件能夠抑制反硝化過(guò)程中硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶的活性，引起N2O的積累，導(dǎo)致了反硝化速率的降低。

當(dāng)氯離子濃度分別為1 000 mg/L、3 000mg/L和5 000 mg/L的情況下，硝氮分別降低8.54 mg/L、7.97 mg/L、7.08 mg/L，COD分別消耗52.8 mg/L、55.2 mg/L、53.6 mg/L，ΔCOD/ΔNO3-分別為6.18、6.93、7.57，結(jié)果表明隨著氯離子濃度的升高，去除單位濃度硝氮所消耗的COD越多。可能的原因有兩個(gè)：①氯離子沖擊的情況下，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質(zhì)為主，且來(lái)源于外界的有機(jī)物。在氯離子反復(fù)沖擊的情況下，系統(tǒng)中胞外聚合物含量的增加，增大了對(duì)外界有機(jī)物的需求量；②相關(guān)研究表明，當(dāng)氯離子的濃度不超過(guò)30 000 mg/L時(shí)，對(duì)活性污泥中轉(zhuǎn)化酶的活性具有促進(jìn)作用，增多了碳源的無(wú)效利用。

2.3.2 不同C/N比對(duì)氯離子沖擊的情況下反硝化性能的影響

不同C/N比對(duì)氯離子沖擊情況下反硝化性能的影響如表2和圖4所示。當(dāng)試驗(yàn)的水溫為19~21 ℃，在不添加醋酸鈉且氯離子濃度分別為800 mg/L和5 000 mg/L的情況下，反硝化速率分別為0.018 kgN/(kgMLSS·d)和0.014 kgN/(kgMLSS·d)，從而表明了氯離子沖擊對(duì)于反硝化過(guò)程的抑制性。該結(jié)果與2.3.1中結(jié)果一致。在添加醋酸鈉且氯離子濃度分別為800 mg/L和5 000 mg/L的情況下，反硝化速率分別增加至0.052 kgN/(kgMLSS·d)和0.036 kgN/(kgMLSS·d)。C/N比由10.6提高至16.6后，反硝化速率分別提高2.9倍、2.6倍。上述結(jié)果表明，即使在有外加碳源的情況下，氯離子對(duì)反硝化過(guò)程的影響依然存在；但無(wú)論在低氯離子濃度和高氯離子濃度條件下，乙酸鈉的投加均能夠大幅提高反硝化速率。研究表明醋酸鈉是易降解有機(jī)物，更易于被反硝化菌吸收利用，這是其導(dǎo)致反硝化速率大幅提高的原因。與此同時(shí)，該現(xiàn)象也解釋了廠方在高潮位的情況下，可以通過(guò)增大碳源投加量應(yīng)對(duì)氯離子沖擊的原因。

在該污水處理廠的升級(jí)改造中，采用改良AAO鑲嵌MBBR工藝實(shí)現(xiàn)了原池改造，利用MBBR工藝強(qiáng)化硝化的原理，縮小了好氧池容，擴(kuò)大了缺氧池容，增加了缺氧區(qū)的HRT，所以在高氯波動(dòng)沖擊的情況下，即使反硝化速率降低，通過(guò)延長(zhǎng)缺氧區(qū)的HRT和投加碳源，保障了整體了TN的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.4 MBBR工藝對(duì)功能微生物的選擇作用

分別取該污水處理廠MBBR區(qū)掛膜懸浮載體和好氧池污泥進(jìn)行高通量測(cè)定，從而判定微生物群落結(jié)構(gòu)。

樣品中優(yōu)勢(shì)微生物組成如圖5所示，懸浮載體和污泥中豐度較高的微生物包括Nitrospira（硝化螺菌屬）、Nitrosomonas（亞硝化單胞菌屬）、Candidatus Microthrix、Hyphomicrobium（生絲微菌屬）、Trichococcus（明串珠菌屬）、Thermomonas（熱單胞菌屬）、Mycobacterium（分支桿菌屬）、Ornithinibacter、Terrimonas和Nitrolancea等。

Candidatus Microthrix屬是活性污泥中常見(jiàn)的微絲菌屬，常與污泥膨脹有關(guān)，其在活性污泥和懸浮載體上的相對(duì)豐度分別為21.25%和6.33%。該菌屬比表面積大，有利于活性污泥細(xì)胞攝取低濃度底物，減少水流對(duì)細(xì)胞的沖刷。在懸浮載體中，Candidatus Microthrix的存在有利于構(gòu)成生物膜的骨架結(jié)構(gòu)，為微生物提供附著生長(zhǎng)的場(chǎng)所。

Ornithinibacter在懸浮載體生物膜和污泥中的豐度分別為3.01%和10.87%。研究表明，該菌屬在污水處理當(dāng)中能夠抗病毒、產(chǎn)生胞外聚合物，從而維持微生物群落的骨架結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

Hyphomicrobium屬在懸浮載體生物膜和污泥中的豐度分別為1.07%和1.36%，其在溶解氧充足的情況下具有好氧反硝化的功能。此外，相關(guān)研究表明，該菌屬對(duì)二氯甲烷、甲胺磷、二甲基硫醚和甲醇等具有降解功能，李繼兵利用穩(wěn)定同位素探針技術(shù)發(fā)現(xiàn)了該菌屬可參與PAHs污染水體中菲的降解，并驗(yàn)證了該菌屬具有降解菲的功能。

Terrimonas、Thermomonas、Trichococcus、Thauera和Defluviimonas屬為污水處理系統(tǒng)當(dāng)中常見(jiàn)的反硝化菌屬。其中Terrimonas屬能夠降解蒽類物質(zhì)，在懸浮載體和活性污泥中的相對(duì)豐度分別為0.35%和0.76%。Thermomonas和Trichococcus在懸浮載體中的相對(duì)豐度為0.20%和0.74%，在活性污泥中的相對(duì)豐度分別為0.75%、和6.96%。Thauera和Defluviimonas對(duì)高濃度氯離子具有耐受性，在活性污泥中的相對(duì)豐度分別為0.44%和0.78%，兩者的存在為高氯條件下反硝化過(guò)程的順利進(jìn)行提供了微觀保障。

Nitrosomonas在懸浮載體生物膜和活性污泥中的相對(duì)豐度分別達(dá)到了0.39%和0.04%，而Nitrospira的相對(duì)豐度則分別為9.74%和0.32%。Nitrolancea是一種新型的桿狀硝化菌屬，在污泥中并未檢測(cè)到該菌屬，在懸浮載體上其相對(duì)豐度達(dá)到0.43%。綜上所述，與活性污泥相比，懸浮載體更能夠富集硝化菌屬，對(duì)Nitrospira的富集效果更為顯著。研究表明Nitrospira兼具有亞硝化和硝化的功能，雖然該菌屬的比增長(zhǎng)速率較低，但對(duì)基質(zhì)的親和力大，在低濃度氨氮的環(huán)境中更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因此Nitrospira通常出現(xiàn)在氨氮濃度相對(duì)較低的情況下。懸浮載體的加入使得Nitrospira成為主要的硝化菌屬，其相對(duì)豐度為活性污泥中的30倍，從微觀角度上反映了懸浮載體對(duì)于系統(tǒng)硝化性能的強(qiáng)化作用，這也是懸浮載體對(duì)氯離子沖擊抵抗性強(qiáng)的原因。

為了進(jìn)一步研究亞硝化菌（ammonia oxidizing bacteria，簡(jiǎn)稱AOB）和硝化菌（nitrite oxidizing bacteria，簡(jiǎn)稱NOB）在污泥中的分布情況，采用熒光原位雜交技術(shù)，以AOB和NOB特有的核酸序列為探針進(jìn)行染色，其結(jié)果如圖6所示。在懸浮載體中，AOB和NOB的占比相當(dāng)，且分布均勻廣泛（圖6a和6b）。然而在活性污泥中，AOB和NOB的含量極少，幾乎無(wú)法辨別其存在（圖6c和6d）。上述結(jié)果表明懸浮載體上AOB和NOB的含量遠(yuǎn)高于活性污泥，這與圖5的結(jié)果相一致，從而進(jìn)一步證明了懸浮載體對(duì)于系統(tǒng)硝化性能的強(qiáng)化以及抗氯離子沖擊的原因。

為研究群落生態(tài)學(xué)中微生物多樣性，通過(guò)單樣品的多樣性分析 (Alpha多樣性) 可以反映微生物群落的豐度和多樣性。本研究中測(cè)定了一系列統(tǒng)計(jì)學(xué)分析指數(shù)，用以估計(jì)環(huán)境群落的物種豐度和多樣性。其中，Chao 1算法用以估計(jì)群落中含OTU數(shù)目，進(jìn)而在生態(tài)學(xué)中估計(jì)物種總數(shù)。Shannon多樣性指數(shù)與Simpson多樣性指數(shù)為較常見(jiàn)的用于反映Alpha多樣性的指數(shù)。Shannon值越大，說(shuō)明群落多樣性越高，Simpson指數(shù)值越大，說(shuō)明群落多樣性越低。如表3所示，對(duì)懸浮載體生物膜和活性污泥高通量結(jié)果進(jìn)行多樣性分析，由Chao 1指數(shù)可知，相較于活性污泥，懸浮載體生物膜的微生物群落相對(duì)豐度降低，Shannon指數(shù)略微降低，Simpson指數(shù)升高，表明MBBR生物膜在長(zhǎng)期富集過(guò)程中逐漸淘汰了其他雜菌，導(dǎo)致微生物群落豐富度及多樣性略微上升，而物種均一化程度則略微下降。

3 結(jié)論

(1)污水處理廠采用改良AAO鑲嵌MBBR工藝，抗氯離子波動(dòng)沖擊能力強(qiáng)，出水COD、NH3-N、TN和TP的濃度分別為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，穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)氯離子沖擊對(duì)于活性污泥的硝化性能影響明顯，而對(duì)懸浮載體的硝化性能無(wú)明顯影響，表明懸浮載體的抗氯離子沖擊性強(qiáng)于活性污泥。

(3)氯離子沖擊對(duì)于活性污泥反硝化具有不利的影響，并增大了反硝化的碳源消耗量。投加醋酸鈉大幅提高了反硝化速率，減輕了氯離子沖擊對(duì)于反硝化的影響，解釋了污水處理廠通過(guò)增大碳源投加量應(yīng)對(duì)高潮位海水的沖擊。

(4)MBBR懸浮載體對(duì)硝化菌具有良好的篩選和富集作用，懸浮載體上硝化菌占比10.56%，為活性污泥中的29倍，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的硝化性能，提高了污水廠抵御氯離子沖擊的能力。