本文摘要：摘要：以低碳氮比的生活污水为研究对象，采用SBR反应器，通过减少好氧阶段的搅拌时间快速启动短程硝化脱氮过程，对典型运行周期内氮去除规律进行研究，并从微生物的角度进一步验证了短程硝化脱氮工艺的实现。结果表明：减少50%好氧搅拌时间后，亚硝酸盐积累率(NAR)由36
摘要：以低碳氮比的生活污水为研究对象，采用SBR反应器，通过减少好氧阶段的搅拌时间快速启动短程硝化脱氮过程，对典型运行周期内氮去除规律进行研究，并从微生物的角度进一步验证了短程硝化脱氮工艺的实现。结果表明：减少50%好氧搅拌时间后，亚硝酸盐积累率(NAR)由36.05%增加到54.06%，继续将好氧阶段的搅拌停止后，NAR被提高到90.17%，并且以此状态持续稳定运行;典型运行周期内SBR具有良好的NH去除效果和较高的NAR，实测NH去除率能够达到89.46%，出水NAR达到89.13%;实时荧光定量PCR技术(PCR)检测表明，经过140天的种群优化，污泥中氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的含量分别占总菌数的70.3%和2.1%，从分子生物学角度验证了短程硝化工艺的实现。
关键词：生活污水;SBR;短程硝化;快速启动;微生物群落
引言
短程硝化反硝化生物脱氮工艺是一种具有代表性的新型生物脱氮工艺，它在理念和技术上突破了传统生物脱氮工艺框架，将硝化过程控制在亚硝酸盐(NO)阶段，阻止NO的进一步氧化，之后直接进行反硝化2]。与传统生物脱氮相比，可减少硝化阶段25%左右的耗氧量，降低脱氨成本，同时还可节省反硝化阶段40%左右的有机碳源，提高反硝化速率，降低污泥产量，尤其在处理低碳氮比废水方面具有显著优势[35]。
控制硝化过程在NO阶段的关键在于氨氧化菌(AOB)的富集和亚硝酸盐氧化菌(NOB)的淘汰，自然环境中NOB相比AOB更容易富集，很难形成短程硝化。1975年，Voets等人在进行高氨氮废水的处理过程中，首次发现了污泥硝化过程中出现的NO积累现象，并根据实验现象提出了短程硝化反硝化的生物脱氮理论[6]。
二十世纪七十年代，HellingaC以NO累积为基础发明的SHARON工艺成为最早将短程硝化脱氮原理应用到实际含氮废水处理中的工艺之一。自短程硝化脱氮工艺推出以来，利用AOB和NOB生长特性差异，人为改变环境条件和运行条件，对温度、溶解氧(DO)、pH、碳氮比、污泥龄、氨浓度等条件进行调控，使AOB成为优势种群，逐渐实现了亚硝态氮的积累。
但是，短程硝化启动时间普遍较长10，除此之外AOB与异养微生物相比世代增殖周期长，对环境的改变也比较敏感2]，一旦受到冲击负荷恶化后很难再启动3]。因此，近年来短程硝化快速启动和稳定性的研究不断深入，出现了优选反应器结构、添加化学试剂等方法强化短程硝化工艺，从而提高其启动效能和运行稳定性。如Blackburne等14，通过控制曝气和添加抑制剂的方法，经70天实现了短程硝化。赵晴等[1控制SBR池pH为5~7、DO为0~15mg、进水碳氮比为4~2，通过游离亚硝酸(FNA)抑制经60天实现了短程硝化过程。
呼晓明等[1采用以瓷粒为填料载体并采用多参数调控，经42天的驯化培养后成功启动了短程硝化反应器。上述方法操作相对复杂，化学试剂的加入也在一定程度上提高了运行成本，不利于短程硝化工艺的推广和应用。为此，探索一种操作简单、运行高效的短程硝化快速实现与稳定运行方法对于该工艺的发展具有非常重要的意义。短程硝化脱氮工艺实现的关键是能够在短时间内快速启动并保持较高的NAR稳定运行[1。
因此，本文针对低碳氮比污水短程硝化启动时间长、稳定性差的问题，采用SBR反应器，以生活污水为研究对象，通过调控好氧阶段的搅拌时间，快速启动短程硝化过程。监测典型周期内化合物及物化指标DO、pH的变化情况，并在此基础上通过分子生物学手段对其稳定性展开研究，以期为生活污水的高效节能脱氮提供理论技术支持。
1实验材料与方法
1.1实验装置本实验采用的SBR反应器如图所示，主体由有机玻璃制成，整体可密封，反应器有效高度30cm，内径25cm，有效容积15L，体积交换比为0.5。反应器采用自控装置，利用蠕动泵(LongerPumpYZ1515X)从反应器底部控制进水，电磁阀(KG316T时控开关)来控制出水。通过JJ精密增力电动搅拌器对反应器内混合液进行搅拌，以保证整个反应过程中废水与活性污泥处于良好混合的悬浮状态。利用空气泵和微孔曝气头搭配进行鼓风曝气，并利用转子流量计控制曝气量为0.04m/h。
1.2实验用水
本实验接种污泥来于济南市光大水质一厂，为防止污泥较少而造成氨氮去除率较低，或污泥浓度过高而引起短程硝化过程的不稳定，将污泥浓度始终维持在25003000mg/L。生活污水水质一般为COD350~500mg/L，TN20~85mg/L，TP4~15mg/L，为了减少实验过程中的可变因素，SBR进水采用人工配置的模拟生活污水，以低碳氮比生活污水水质特点为依据，参考《城市污水回用技术手册》[19]中的典型生活污水污染物含量，综合国内外现有研究中模拟生活污水水质情况[2023]，制定相应的配水方案。具体的进水水质及配水方案如表所示，同时通过添加NaHCO控制进水pH在8.08.5。
1.3运行方式
SBR采用缺氧好氧反应模式进行周期运行，设置运行周期为6h，每天运行周期，以进水、厌氧反应、好氧反应、沉淀、出水五个阶段为一个周期。SBR连续运行140天，30天期间(启动阶段)，SBR运行时间设置为：进水10min，缺氧120min，缺氧搅拌120min，好氧曝气180min，好氧搅拌180min，沉淀30min，出水20min;3070天期间(实现阶段)，好氧搅拌时间下降为90min。70140天期间(提升稳定阶段)不再进行好氧搅拌。待SBR运行稳定之后，进行典型周期的水质变化情况测定。每隔30min采集一次SBR的泥水混合液，过滤后检测其中所含氮污染物浓度变化，每间隔10min记录SBR中DO和pH的变化。
1.4水质指标的检测
NH，NO，NO的测试均采用相对应的标准方法[24]。pH和溶解氧(DO)的测定分别采用上海精科仪器设备公司的pH计(PHS3C)和便携式溶解氧仪(JPB607A)。
1.5微生物丰度及相对含量分析
污泥样品中AOB和NOB的绝对丰度采用实时荧光定量PCR技术(RealtimefluorescentquantitativePCR，qPCR)进行分析。分别取接种污泥和运行140天后SBR中的污泥，使用DNA试剂盒(PowerSoilTMDNAIsolationKit)提取DNA[26]，利用SYBR染料法(SYBR®PremixExTaqTM，TaKaRa，日本)以及罗氏LC480荧光定量PCR仪对amoA和nxrA两个基因进行绝对定量分析，探究不同时间阶段SBR中AOB和NOB的微生物丰度变化[27]。SBR不同运行阶段污泥样品中AOB和NOB的相对比例的变化情况，参照Amann的操作方法，进行荧光原位杂交技术(fluorescenceinsituhybridization，FISH)分析[28]。
1.6数据处理与分析
采用MicrosoftExcel2016和SPSS20.0进行数据统计分析，以确定结果的统计显著性，最小显著性水平低于0.05，采用Origin8.5进行图形绘制所有样本均进行次平行试验，结果取平均值。
2结果与讨论
2.1生活污水短程硝化的驯化实现
SBR连续运行140天，整个运行周期可分为三个阶段：启动阶段(30天)，实现阶段(3170天)和提升稳定阶段(71140天)。
在启动阶段，SBR进水转变为模拟生活污水，进水水质的突变导致接种污泥需要短暂的调整适应过程，出水污染物浓度产生波动，变化幅度较大。经过30天的驯化调试，接种污泥开始逐渐适应该进水条件，出水污染物浓度趋于平稳。在此阶段出水NO由18.73mg/L下降到11.36mg/L，虽然有下降趋势，但NOB仍然占据优势，NAR只有约36.05%，因此需要进一步采取措施对AOB进行富集和选择，提升短程硝化性能。实现阶段即自31天起，减少好氧搅拌时间，由180min减小为90min。好氧时间的改变对NH去除影响不大，出水浓度约为5.71mg/L。在减少好氧搅拌的第二天，出水NO浓度就由6.40mg/L上升到了16.37mg/L，NAR达到了54.06%，表明SBR中AOB开始占据优势。
提升稳定阶段即自71天起，进一步减少好氧搅拌时间，由90min减小为0min。在此运行条件下，出水NO浓度进一步下降，由10.91mg/L下降到到3.05mg/L，而NO则由20.37mg/L上升到28.00mg/L，最终NAR达到90.17%，并且以这种状态持续运行。经过两次减少好氧搅拌时间，SBR中AOB逐渐占据主导地位，取代NOB成为优势种，实现了短程硝化反应[2930]。不断减少的好氧搅拌时间使得污泥内部的DO浓度不断降低，AOB和NOB虽然都是好氧菌，但适宜的DO浓度不同。
AOB的氧饱和常数为0.20.4mg/L，而NOB的氧饱和常数为1.21.5mg/L[31]，理论上降低DO浓度有助于富集AOB，淘汰NOB，形成亚硝酸盐积累。相关研究也已证实，DO浓度在1.75.7mg/L的情况下，硝化作用不会受到明显的影响，而在1.4mg/L以下时会产生亚硝酸盐积累并且随DO浓度的降低而升高[32]，因此要实现短程硝化反硝化应在不影响有机物去除效果的基础上尽量降低DO浓度。
2.2典型运行周期氮去除规律
典型周期开始初期，由于SBR中存在上一周期的存水，对进水NH浓度起到一定的稀释作用，外加部分NH被污泥所吸附，导致NH的浓度出现急剧下降。缺氧阶段，DO浓度维持在0mg/L，反硝化菌等异养微生物利用上周期残留的NO和NO为底物进行反硝化，NO和NO的浓度分别由7.40mg/L和6.13mg/L下降到0.33mg/L和0.26mg/L。
直到120min开始曝气进入好氧阶段，硝化细菌利用NH生成了NO和NO，使其浓度分别上升到26.81mg/L和3.27mg/L，此时出水NAR达到89.13%，并且NH去除率能够达到89.46%，说明短程硝化反硝化工艺具有良好的去除NH的作用。
pH对硝化反应有重要的影响[3335]，而DO是常温条件下短程硝化反应运行的重要参数[3639]，因此本实验对典型运行周期内pH、DO进行了监测。由于碱性环境更有利于AOB的富集和NOB的淘汰，所以本实验控制进水pH值在8.08.5之间。在缺氧阶段，反硝化反应将NO和NO还原成和水，产生碱度致使pH上升;而后在好氧阶段，硝化反应将NH转化为NO的过程中会产生部分矿化酸度，消耗碱度而使pH逐渐下降。
所以在整个典型周期内，pH呈现先上升后下降的趋势。缺氧阶段DO浓度始终维持在0.01mg/L，表明厌氧环境良好。曝气开始后，DO浓度上升，但是由于系统硝化反应未饱和，所以DO浓度上升非常有限，全程稳定保持在较低浓度水平(0.10.2mg/L)，并在曝气时间结束后直接减小到0.03mg/L。
2.3AOB与NOB优势种群变化
FISH图片可以对微生物含量有一个直观的描述[4041]。在SBR运行结束时，取污泥样品，以EUBmix、Nso1225、Nit3和Ntspa662作为探针进行全菌、AOB和NOB的检测。
为了进一步定量描述在整个运行周期内AOB和NOB相对丰度的变化，采用qPCR技术对不同运行阶段的污泥进行分析，包括接种污泥、短程硝化反硝化污泥(第70天)和亚硝化污泥(第140天)。接种污泥的当天，AOB和NOB分别占总菌数的12.6%和10.9%，二者差距不大;SBR运行到第70天时，AOB与NOB拉开明显差距;在SBR运行结束时，污泥中AOB和NOB分别占到总菌数的70.3%和2.1%。说明SBR在运行周期内通过减少好氧搅拌时间成功实现了短程硝化反硝化，AOB被逐渐富集，而NOB被慢慢洗脱。
3结论
1)本研究采用SBR反应器处理模拟生活污水，通过减少好氧阶段的搅拌时间，NO逐渐积累，经过三个阶段(启动阶段、实现阶段和提升稳定阶段)的持续运行，NAR由最初的23.31%提高至90.17%，实现了生活污水模式下的稳定短程硝化过程。2)减少好氧阶段的搅拌时间对NH的去除没有显著影响，反应器仍具有良好的NH去除效果，NH去除率能够达到89.46%。3)FISH和qPCR检测结果表明，减少好氧阶段搅拌时间的方式可有效抑制NOB的活性，使AOB快速增殖成为优势功能菌种。在实验结束时，AOB占到总菌数的70.3%，而NOB则下降到了2.1%，从微生物角度进一步验证了短程硝化工艺的实现。
参考文献
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作者：张馨文王荣震冯成业张文智徐征和
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