碳氮比对A/O-MBR工艺中污水脱氮除磷的影响研究

陶虎春1,† 佟浩1 王健2,† 黄奕龙2 张丽娟1 杨凯1 丁凌云1 乔雪姣1 豆敏1 许楠1

1.深圳市重金属污染控制与资源化重点实验室, 北京大学深圳研究生院环境与能源学院, 深圳 518055; 2.深圳市水务规划设计院股份有限公司, 深圳 518001; †通信作者, E-mail: taohc@pkusz.edu.cn (陶虎春), wangj@swpdi.com (王健)

摘要在高、低碳氮比情况下, 探究 A/O-MBR 现场工艺中污水氨氮、总氮和总磷的去除效率及其变化规律。研究结果显示, 随着进水碳氮比升高, 出水中总氮去除效率由(44.1±8.9)%提升至(78.5±7.9)%, 总磷去除效率未受影响。差异性代谢产物分析表明, 提升碳氮比能够增强菌群的氨基酸代谢功能, 同时促进核黄素的生物合成, 共同提升污水中氮的去除效率。

水环境污染是国际环境领域的关注热点。在很多国家和地区, 有害水华已成为常见现象。氮磷元素是导致水体富营养化的重要因子, 对其在水体中浓度的控制迫在眉睫。在现有的城市污水处理厂中, 相当部分的污水处理工艺不能有效地脱氮除磷, 导致出水中含氮磷污染物的浓度较高。例如, 未达标排放的城市污水是我国渤海水体中氮污染的主要来源, 包括淮河、辽河和海河等在内的主要流域均存在水体富营养化现象[1], 全国富营养化湖泊面积近 30 年增加了 60 倍, 25%湖泊面临富营养化的威胁[2]。全世界范围内, 诸多发生富营养化的湖泊集中在人口稠密的城市化地区[3]。

广东省位于华南地区, 全年气候温润, 水华发生风险较高。随着工农业经济的迅速发展, 生活污水和工业废水排放量猛增, 省内水库和景观湖泊水体受到不同程度污染, 富营养化程度较高[4]。从轻度富营养化到重度富营养化, 水体中无机氮的比例逐步升高, 占 50%以上。其中, NH4+, NO3–和 NO2–均与水藻的生长呈现相关性[5]。因此, 开发经济、有效的污水脱氮技术, 有助于降低水体污染程度和富营养化风险, 改善水环境质量。

污水脱氮除磷的方法有物理法、化学法和生物法。生物法具有消耗少、效率高、成本低以及操作方便等优点。A/O-MBR 工艺(anoxic/oxic-membrane biofilm reactor)是生物法的一种, 它将 A/O 工艺与生物膜法相结合, 并在后端增加 MBR 膜池, 增加污染物的去除效率, 是目前国内应用比较广泛的一种MBR 脱氮除磷工艺[6], 可同时去除氮、磷以及有机物等多种污染物, 工艺简单, 出水水质好, 污泥产量低且不易膨胀。该工艺将生物反应器与膜分离技术相结合[7], 用膜分离装置取代二沉池, 获得良好的固液分离的效果, 可用于处理生活污水、工业废水和垃圾渗滤液等废水[8], 一般情况下, 碳氮比小于 8, 化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)低于 200 mg/L的污水称为低碳氮比污水[9]。据统计, 在我国的 127 个污水处理厂中, 有 80%的污水处理厂碳氮比小于 3.6。为了保证脱氮的效果, 通常需要大量加入碳源(甲醇、乙醇和葡萄糖等)来提高脱氮效率, 增加了运行成本[10]。因此, 有必要探究碳氮比对 A/O-MBR 工艺脱氮除磷性能的影响与调控机制, 推进其在实际水处理领域的应用。

本文针对不同碳氮比, 探究 A/O-MBR 工艺的脱氮除磷效率及其变化规律。通过代谢物差异分析, 探讨氮污染去除的关键微生物代谢途径, 为污水厂脱氮除磷技术改进和微生物作用机制研究提供理论基础。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

如图 1 所示, 本实验装置包括厌氧池(A 池)、好氧池(O 池)和 MBR 池(M 池)共 3 个反应池, 可以同时满足不同微生物的生长环境[7]。A 池的尺寸为60cm×40cm×50cm, 有效容积为 80.4L; O 池的尺寸为 100cm×50cm×91.5cm, 有效容积为 350L; M池的尺寸为 60 cm×60 cm×61.5 cm, 有效容积为 126 L, 里面装有 4.5m2 的中空纤维膜。同时, 配置 4 台电磁流量计、两台空气流量计、3 台在线溶解氧仪以及两套液位控制器。

污水由原水箱经蠕动泵进入 A 池, A 池上覆盖板并配置搅拌泵, 其主要功能是污泥释放磷, 同时将部分有机物进行氨化。污水以溢流的方式从 A池进入好氧 O 池, 进行曝气, 以及有机物去除、硝化和吸收磷等多种反应。在 O 池后部设置消氧段, 使 O 池末端的溶解氧浓度适当降低, 并在此位置设置含磷污泥回流至 A 池, 降低溶解氧对 A 池内厌氧环境的破坏。污水以溢流的方式从 O 池进入 M 池, 并在 M 池内进行曝气。在 M 池同样设置污泥回流, 部分污泥回流到 O 池, 定时进行排泥操作。该装置24 小时连续进出水, 每天可处理 1.3m3 的污水。运行工况如下: MBR 池和 O 池的回流比分别是 300%和 200%, O 池的混合液悬浮固体浓度约 3.0g/L, O池的溶解氧约 4mg/L, A 池的 HRT 为 1.4 小时, 整个系统的 HRT 为 8.0 小时。

1.2 取样与指标检测

本文实验以广东省深圳市某污水厂精细格栅滤后水作为整个装置的进水, 进水的各项水质指标如下: pH 6.9～7.2, 氧化还原电位 230～250mV, 溶解氧浓度为 0.3～1.0mg/L, 氨氮浓度为6～12.5mg/L, 总氮浓度为 7～21.5mg/L, 总磷为 0.2～1.0mg/L, COD为 35～65mg/L, BOD 为 30～50mg/L, 混合液悬浮固体浓度 1.3～5.0g/L。进水碳氮比为 1.9～3.4 (低碳氮比)。实验装置 A 池和 O 池中的污泥取自该污水处理厂的厌氧池和好氧池。

实验装置以低碳氮比污水作为进水, 连续运行60 天, 每 5 天分别从 3 个池中取 50mL 水样放入灭菌后的取样管中,采用国标法现场进行 COD、氨氮、总氮和总磷测量。然后, 在污水箱中加入一定量的葡萄糖, 使得加入葡萄糖后的进水 COD 浓度为200～276mg/L 范围内, 在此期间总氮控制在 7.01～ 10.15mg/L, 从而使进水的碳氮比为 20～50 (高碳氮比)。以高碳氮比污水作为进水后, 继续连续运行35 天, 同样每 5 天取水样测量, 将结果与低碳氮比数据进行对比。

1.3 代谢物检测与分析

样本与试剂空白样本制备: 解冻样本, 涡旋样本, 静置样本 1 小时; 装置为固相萃取柱(HSS T3 100×2.1mm 1.8μm, Waters, 美国), 使用 3mL 甲醇(Merck, 美国)活化柱子, 3mL 水平衡柱子; 取 21 mL 样本过柱; 使用 4mL 甲醇洗脱柱子, 收集洗脱液, 氮吹干; 加入 200μL 甲醇/水(10/90, v/v), 加入20μL 的内标 13C6-Phenylalanine (100μg/L, Sigma, 美国), 涡旋 1 分钟; 4℃、13000rpm 条件下离心 5分钟, 取 80 μL 上清液, 上机检测。

本实验采用超高效液相色谱–高分辨质谱联用技术进行非靶向代谢组学分析。采用液相仪(Ulti-mate 3000, Thermo Fisher Scientific, USA), 正离子模式流动相为含 0.1%甲酸(CNW, 中国)的水溶液和含 0.1%甲酸的纯甲醇, 负离子模式流动相为含 10mM 甲酸氨(Sigma, 美国)的水溶液和含 10mM甲酸氨的 95%甲醇。采用高分辨质谱仪 Q Exactive (Ther-mo Fisher Scientific, 美国), 扫描模式为正负离子分开扫描, 检测方式为 Full mass/dd-MS2, 分辨率为 70000 (Full mass)和 17500 (dd-MS2), 电喷雾电压为 3.8kV (正)和 3.2kV (负), 毛细管温度300℃, 鞘气流速 40 Arb, 雾化器温度350℃。

使用 AnalysisBase File Converter 将原始数据转换成通用格式(abf)。使用 MSDIAL 软件平台, 进行峰识别、保留时间校正和自动积分等预处理。对样本 feature 数量进行筛选后, 得到样本及其匹配数据库定性结果和包含峰面积相对定量的可视化矩阵。

2 结果与讨论

2.1 碳氮比对脱氮效率的影响

在低碳氮比阶段, 原水中 COD 的浓度为 35～65 mg/L, M 池出水 COD 的浓度为 11～27 mg/L, COD 平均去除效率为 50%～70%。碳氮比升高后, 原水中COD 的浓度为 200～276mg/L, M 池出水 COD 的浓度为 48～65mg/L, COD 的平均去除效率为 60%～ 80%。碳氮比提高后, 有机物的利用率增加, 利于后续反硝化进程。

2.1.1低碳氮比条件下的脱氮性能

由图 2(a)可知, 原水中氨氮的浓度为 8.22～ 12.54mg/L, M池出水氨氮浓度为 0.65～2.81mg/L, 符合国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级 A3标准规定的排放限值(5.0 mg/L), 氨氮的平均去除率达到83.5%±10.3%, 说明该工艺能够有效地将氨氮转化为硝态氮或亚硝态氮。李辰等[11]用 AO 工艺处理黑水时, 氨氮的去除率最高可达 83.5%。郑向阳[12]用 AO 工艺来处理工业废水时, 工艺运行初期氨氮的去除率维持在 65%, 运行 100 天时, 氨氮的去除率可以达到 99%, 表明AO 工艺中的氨氮去除性能良好。由图 2(b)可知, 原水中总氮的浓度在 16.24～21.50mg/L 之间, M 池出水总氮浓度为 8.75～12.28mg/L, 总氮的平均去除率仅为 44.1%±8.9%。因为大多数的反硝化细菌为异养菌, 以有机物为能源进行无氧呼吸, 而低碳氮比的污水中有机物含量低, 导致反硝化细菌缺少能源, A 池中的反硝化作用较弱, 所以总氮的去除效率较低, 当营养物质极度缺少时, 池内可能会发生溶胞现象[13]。邵健[6]用 AOAO 工艺处理生活污水, 在 30 天的启动时间内, 通入碳氮比为 4～6 的污水,启动初期总氮的去除率只有 37%, 在污泥逐渐驯化后, 总氮的去除率上升至 56%。因此, 在碳氮比不高的情况下, 原水中总氮的处理效率难以有较大的提升。

2.1.2高碳氮比条件下的脱氮性能

由图 3(a)可知, 在碳氮比提高后, 原水中氨氮的浓度为 6.03～8.06mg/L, M 池出水氨氮的浓度为0.58～2.48mg/L, 氨氮的平均去除率为 80.0%±8.7%。氨氮去除效率相比于低碳氮比的变化不大(P>0.05), 说明碳氮比在一定范围内的提升对氨氮去除没有显著影响。由图 3(b)可知, 原水中总氮浓度为 7.01～ 10.15mg/L, M 池出水总氮的浓度为 0.95～2.49mg/L, 总氮的平均去除率达到 78.5%±7.9%, 原水中总氮的浓度相比于低碳氮比污水变化不大, 但总氮的去除效率相比于低碳氮比有大幅度的提高, 表明投加碳源能够增强异养菌的反硝化性能, 将硝态氮进一步转化为氮气, 有利于总氮的去除。氨氮去除以自养型氨氧化细菌为主导, 其去除效率没有变化。邵健[6]探究 AOAO 工艺在不同碳氮比下脱氮的能力, 当进水碳氮比分别为 4, 6 和 8时, 氨氮的去除率均在 95%以上, 受碳氮比的影响不大, 而总氮的去除率在碳氮比为 8 时最高, 可以达到 48%, 同样说明碳氮比的提升可以提高总氮的去除效率。

2.2 碳氮比对除磷效率的影响

由图 4(a)可知, 原水中总磷的浓度在 0.3～1.0mg/L 之间, 经系统处理后出水浓度在 0.1～0.5mg/L范围内, 平均去除率达到 58%～77%。当污水进入 A池时, 聚磷菌在厌氧条件下分解细胞内的聚磷酸盐并产生能量, 用于摄入有机物并排出磷酸, 而产生的磷酸会使 A 池内的总磷浓度增加。当聚磷菌进入O 池后, 从污水中大量吸收磷来用于生长, 其吸收的磷多于在 A 池中释放的磷, 聚磷菌大量生长后流经 MBR 池, 以剩余污泥的形式排出, 达到除磷的目的[14]。由图 4(b)可知, 将碳氮比升高后, 原水中总磷的浓度范围为 0.19～0.42mg/L, 经系统处理后出水总磷浓度范围为 0.05～0.1mg/L 范围, 平均去除率为 53%～74%, 相比于低碳氮比除磷效率变化不大(P>0.05), 说明碳氮比在一定范围内的提升对总磷的去除没有显著影响。在生物除磷系统中, 聚糖菌与聚磷菌存在竞争关系, 其比例升高会严重影响系统的除磷效果。通常, 聚糖菌和聚磷菌的代谢方式相似, 主要通过竞争碳源(如短链脂肪酸)维持各自的代谢及生长。由于聚磷菌和聚糖菌在体内对不同类型碳源的代谢方式不同, 不同的碳源比会造成聚磷菌和聚糖菌的竞争优势不同[14]。Morgenroth 等[15]发现, 传统污水处理工艺提高进水 COD, 可以促进磷的吸收, 但加入生物膜后, 出水中磷的浓度随着进水 COD 增加而升高。在以葡萄糖为碳源的除磷系统中, 聚磷菌和聚糖菌同样会发生竞争, 导致除磷效率下降[16]。因此, 当加入葡萄糖使碳氮比增加时, 聚糖菌可能逐渐占据竞争优势, 导致除磷性能没有显著的变化。

2.3 代谢组学分析

如图 5 所示, 基于 PCA (principal component analysis)的结果, 可以发现低碳氮比(红色区域 a1～ c1)和高碳氮比(绿色区域 A1～C1)样本可以分离开来, 组间可重现, 不同条件下的 A 池、O 池和 M 池微生物胞内代谢具有差异性, 可进一步分析差异性代谢物和代谢通路。

2.3.1差异代谢物鉴定

在碳氮比提高前后, 共筛选出差异性代谢物 23个(VIP>1, P<0.05), 其中 A 池中包含差异代谢物 16 个, O 池中包含差异代谢物 17 个, M 池中包含差异代谢物 11 个, 主要代谢产物包括叶黄素、胞苷、4-吡哆酸、腺苷、鸟苷和柠檬酸(表1)。

2.3.2差异代谢通路分析

基于差异代谢物进行代谢通路的分析, 可知正离子模式下显著差异代谢通路为氨基酸代谢通路, 参与的主要代谢物质为苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、天冬氨酸丙氨酸和谷氨酸代谢通路; 负离子模式下显著差异代谢通路为核黄素代谢通路, 参与的主要代谢物质为苯丙氨酸、色氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路(表2)。

综合关键代谢物及其参与的代谢通路可知, 碳氮比提高后, A/O-MBR 工艺中微生物的苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路有明显差异。碳氮比的提高增强了细菌氨基酸的代谢, 而细菌对氨基酸的代谢主要通过转氨基或脱氨基反应, 脱氨反应生成的氨可作为氮源被再次利用, 或随出水直接排放[17], 最终提升系统的总氮去除效率。氨基酸代谢包括氧化反应、还原反应或氧化还原反应, 氧化还原反应需要一对氨基酸同时参与, 发生氧化反应的氨基酸主要有丙氨酸、组氨酸和亮氨酸等, 发生还原反应的氨基酸主要有色氨酸、甘氨酸和鸟氨酸等。因此, 碳氮比的提高增强了细菌氨基酸的代谢功能, 促进了氨基酸的氧化还原反应[18]。研究结果还表明, 碳氮比提高后, 核黄素代谢通路也发生显著的变化。核黄素会参与生物体内的氧化与能量代谢, 与蛋白质和核酸等物质的代谢密切关联, 可以有效地提高生物对含氮物质的利用率[19]。在本研究中, 提升葡萄糖浓度有利于核黄素的生物合成, 进而促进蛋白质和氨基酸代谢, 最终作用于系统总氮的去除[20]。

3 结论

本研究分析了在高低碳氮比情况下, A/O-MBR工艺氨氮、总氮和总磷的去除效率及其变化规律, 以及代谢产物和代谢通路的变化差异。得出以下主要结论。

1)低碳氮比条件下, 氨氮和总氮的去除率可以分别达到 83.5%±10.3%和 44.1%±8.9%; 高碳氮比条件下, 氨氮和总氮的去除效率分别为 80.0%±8.7%和 78.5%±7.9%, 提升碳氮比对总氮去除贡献显著, 对氨氮的去除影响不大。

2)提高碳氮比使得聚磷菌在与聚糖菌的竞争中处于劣势, 不能显著地提升系统的除磷性能。

3)高、低碳氮比条件下的代谢通路差异主要分为两类: 一类是氨基酸代谢通路差异, 高碳氮比能够增强细菌氨基酸的代谢, 促进氨基酸的氧化还原反应, 直接提升总氮去除率; 另一类是核黄素代谢通路的差异, 适当地提升葡萄糖浓度, 可以促进核黄素的生物合成, 通过促进蛋白质和氨基酸代谢, 间接地提升总氮去除率。

在未来的研究中, 可选用其他碳源来运行 A/O-MBR 工艺, 并比较碳源种类对脱氮效率影响。进一步优化工艺的运行参数(如水力停留时间和回流比等), 同时对进、出水总氮的组成进行检测, 明确有机氮、氨氮、亚硝氮和硝氮的比例, 为工艺优化提供实验依据。

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Effects of Carbon-to-Nitrogen Ratio on Nitrogen and Phosphate Removal in A/O-MBR Wastewater Treatment Process

TAO Huchun1,†, TONG Hao1, WANG Jian2,†, HUANG Yilong2, ZHANG Lijuan1, YANG Kai1, DING Lingyun1, QIAO Xuejiao1, DOU Min1, XU Nan1

1. Shenzhen Key Laboratory for Heavy Metal Remediation and Reclamation, School of Environment and Energy, Peking University Shenzhen Graduate School, Shenzhen 518055; 2. Shenzhen Water Planning & Design Institute Co Ltd, Shenzhen 518001; † Corresponding authors, E-mail: taohc@pkusz.edu.cn (TAO Huchun), wangj@swpdi.com (WANG Jian)

Abstract The changing profiles of NH4+-N, total nitrogen (TN) and total phosphate (TP) were investigated in the A/O-MBR process at high and low carbon-to-nitrogen ratios. By elevating the carbon-to-nitrogen ratio, there was an increase in the removal efficiency of TN from 44.1%±8.9% to 78.5%±7.9%, while the removal efficiency remained unchanged for TP. Metabolite analyses revealed that enhanced metabolism of amino acids contributed significantly to efficient nitrogen removal from wastewater and the up-regulation of riboflavin biosynthesis, further improving the water quality.

Key words A/O-MBR; carbon-to-nitrogen ratio; nitrogen removal; phosphate removal; metabolites

碳氮比对 A/O-MBR 工艺中污水脱氮除磷的影响研究