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一种提高卡鲁塞尔氧化沟脱氮效果的新型曝气方法研究

金鹏康，王先宝，王晓昌，吴友豪，金鑫

摘要：本文在阶段曝气和点曝气两种曝气方式下，对具有微孔曝气的卡鲁塞尔氧化沟进行了试验研究，并对其脱氮性能及机理进行了分析。在总曝气量相同的情况下，两种曝气方式对NH₄-N的去除率均达到98%以上，表现出良好的硝化效果。在阶段曝气和点曝气条件下，总氮的平均去除率分别为89.3%和77.6%。结果表明，在曝气区之后增加好氧区会影响厌氧区和好氧区的比例，有较大缺氧区的阶段曝气对TN有较好的去除效果。更重要的是，阶段曝气为硝化和反硝化提供了合适的环境。阶段曝气下反硝化细菌的多样性和相对丰度(1.55%)高于点曝气(1.12%)，从而提高了对TN的总体去除率。

关键词：卡鲁塞尔氧化沟；阶段曝气；点曝气；除氮；微生物群落

1、引言

氧化沟(OD)作为一种改进型活性污泥法，已在世界范围内使用多年，并且长期以来，氧化沟脱氮一直是研究的热点。根据目前的理论，在交替缺氧区通过同步硝化反硝化实现了氧化沟的脱氮。利用表面曝气设备控制氧气供应，可在通道内形成交替的厌氧-好氧区，这在我们之前的研究中被称为点曝气。点曝气是指在氧化沟多个点进行曝气，在这些点形成交替的厌氧-缺氧区。最佳的设想是在好氧区通过硝化增加硝酸盐，这也相当于在缺氧区通过反硝化减少硝酸盐。因此，表面曝气设备的布置和溶解氧的控制是提高氧化沟脱氮效果的关键。

然而，在点曝气条件下，很难准确地控制溶解氧浓度和厌氧-好氧带的比例。存在的交替厌氧-好氧区越多，溶解氧和厌氧-缺氧带的比例就越难控制。因此，对于某些氧化沟工艺来说，脱氮效果并不理想。结果表明，通过优化曝气条件，可以提高脱氮效果以及克服进水波动对脱氮的影响。但是，随着污水处理厂水质标准的提高和对节能要求的增加，表面曝气反应器存在的问题也越来越多。 氧气供应效率和高能耗已成为不可避免的问题。因此，微孔曝气氧化沟工艺越来越受到科学的重视.气流速度和搅拌对氧传递效率的影响已经在中试规模沟道系统中进行了研究，气泡膜扩散器建立了一种微孔曝气的中试卡鲁塞尔氧化沟，确定了同步硝化反硝化的最佳溶解氧状态，通过优化供养条件，提高微孔爆气orbal氧化沟的脱氮能力。氧化沟中微孔曝气的使用，提高了氧的输送效率，降低了能耗。然而，微孔曝气区被布置在氧化沟的若干点上，例如表面曝气设备，所以，这一过程基本上仍然被认为是点曝气。想要提高脱氮效果，精准的控制溶解氧和厌氧-好氧区的比例是不可忽视的。因此，必须采用更合适的方法来提高脱氮效果。

对于上文提到的点曝气氧化沟的问题，提出了一种新的曝气方式来提高脱氮效果。阶段曝气是指在氧化沟的某一段，通过微孔曝气带进行连续曝气，并且氧化沟系统包括一个交替的缺氧-好氧区。为了提高脱氮效果，本研究在一个大型卡鲁塞尔氧化沟中建立了阶段曝气系统。确定了带微孔曝气的卡鲁塞尔氧化沟在阶段曝气条件下的最佳缺氧氧分带比例。同时，通过微生物群落分布分析了分级曝气下高效脱氮的机理。提出了一种新型的微孔曝气氧化沟曝气方式，可以显著提高氧化沟的脱氮效果。

2、方法

2.1污水处理厂说明

昆明市某污水处理厂采用6走廊卡鲁塞尔氧化沟工艺，日处理能力为80000m³。A、B、C三组，进水水质相同，独立的回流污泥系统。廊宽度为7米。卡鲁塞尔氧化沟采用微孔曝气系统，有效深度为4.0米。氧化沟的四个通道内充满了扩散盘，通过管道和阀门将扩散盘分成许多部分，各部分面积基本一致，各部分都安装了阀门和气体流量计。各部分的空气流量可通过阀门和气体流量计进行调节，并且各部分的操作是独立的。污水处理厂进水在配水井内混合均匀进而分配到三组氧化沟中。因此，三组氧化沟进水的水质和水量是相同的。实验期间进水水质为BOD₅=360plusmn;86mg/L，COD=620plusmn;240mg/L，TN=45.5plusmn;6.3mg/L，NH₄ -N=25.1plusmn;4.1mg/L。

2.2操作条件

在卡鲁塞尔氧化沟中，A组采用阶段曝气（图1a），该组氧化沟系统中包括一个连续的曝气段，包括一个交替的缺氧-氧化区。B组采用点曝气（图1b），该组氧化沟系统中涉及四个曝气区，包括四个交替缺氧-氧化区。两组氧化沟系统在不同的曝气方式下只使用一台风机，实验过程中通过控制气体流量计和阀门，使各曝气区的空气流量相同。因此，氧化沟的总曝气量与曝气区面积大致成正比。用曝气区面积表示氧化沟系统的总曝气输入。通过控制氧化沟的曝气区面积，可以在阶段曝气操作中调节总的曝气量。两组的其他操作参数相同水力停留时间（HRT）=12h，污泥停留时间（SRT）=30plusmn;5d，污泥浓度=5000plusmn;500mg/L，进水流量=1110plusmn;10m³/h，过量污泥流量=200plusmn;30m³/d，循环污泥量=1000plusmn;10m³/h）。

2.3化学分析

根据标准方法分析了可溶性化学需氧量（SCOD）、总氮（TN）、铵、硝酸盐和亚硝酸盐。最大比氨吸收率（AUR）的测定与我们之前的出版物中描述的相同。

图1 卡鲁塞尔氧化沟运行方式：（a）分级曝气，（b）点式曝气。

根据最大比反硝化速率评价反硝化细菌的活性。将来自氧化沟的1000mL生物量的一份小份放入烧杯（1000mL）中并保持在20°C。向烧杯中添加硝酸钾以获得20mg/L的初始硝酸盐浓度。初始COD为300mg/L，通过添加乙酸钠获得。随着时间的推移，我们采集了8个样品来确定反硝化速率，这是基于NO₃^--N的消耗量（线性相关系数r²gt;0.98）。

2.4 454高通量热测序法分析微生物群落

采用动力土壤DNA分离试剂盒，从系统中提取了缺氧区和好氧区区比例相同的两种曝气方式的污泥样品，进行DNA提取。上述DNA混合物通过引物357F对v3-v5区域进行汇集和扩增。

其他循环步骤如下：93°C 3分钟，随后循环27次在94°C30秒，55°C 45秒，72°C 1分钟，最后在72°C下延长10分钟。使用Roche 454 GS FLX 钛测序仪通过热测序测定16S rRNA基因v3-v5区域的pcr产物的组成。

2.5统计分析

应用qiime软件去除含有一个以上模糊碱基（lsquo;Nrsquo;）和一个单碱基高重复区＞8的序列。小于200个基点或大于1000个基点的序列也被删除。在mothur软件应用中，采用uchime方法对嵌合体进行测序。RDP热测序管线中的“RDP校准”工具用于校准有效序列。以多样本物种的齐时物种丰度和分布图表为OTU表。采用飞蛾转移目的方法，构建了同门、同属水平上的同种OTU群，分析了不同类群间的显著差异。利用Megan4软件生成进化树和丰富的信息。

3、结果与讨论

3.1曝气区对脱氮的影响

阶段曝气中卡鲁塞尔氧化沟在不同曝气带去除氮的稳定性如图2所示。当曝气区占氧化沟容积（曝气区/氧化沟，A/O）的1/7～1/4时，系统表现出较高的硝化效果，出水NH₄ -N平均浓度小于1 mg/L，当曝气区容积减小时，TN去除效果逐渐增强。污水中总氮由13.2 mg/L下降到5.2 mg/L，相应的去除效率由71.1%提高到88.9%。整个操作过程中没有观察到亚硝酸盐的积累。另外，出水中的COD浓度低于30 mg/L，说明当曝气区占氧化沟容积的1/7时，溶解氧的供给足以去除NH₄ -N和有机物。随着缺氧区的增加，脱氮效果也相应增强。同时，随着曝气区的减少，好氧微生物对进水碳源的消耗进一步减少。提高了脱氮碳源的利用率，最终提高了脱氮效率。

但是，由于氧化沟工艺中的曝气区降到总容积的1/8和1/9，出水氨氮浓度分别增加到2.67mg/L和6.44mg/L，表明由于系统的曝气输入不足，氨氮不能完全氧化。当曝气区占氧化沟容积的1/4和1/5时，污泥体积指数（SVI）分别为112plusmn;16 mL/g和122plusmn;9mL/g。随着通气区容积的减小，SVI逐渐增大，A/O分别降至1/6和1/7时，SVI分别为136plusmn;17mL/g和142plusmn;14mL/g。当A/O为1/8和1/9时，SVI增加到170–180mL/g。通过对污泥的显微观察，发现污泥中有许多丝状菌，污泥呈微膨胀状态，这种现象是由于溶解氧输入不足导致丝状菌过度繁殖造成的。

3.2延长好氧带对缺氧-氧分带比例的影响

由于氧化沟工艺流速高，污水进入缺氧区后，在短距离内，溶解氧浓度不能立即降至缺氧状态（DO＜0.5mg/L）就是AAO工艺中污水进入缺氧池一样。曝气区后有延长的好氧区，溶解氧浓度大于0.5mg/L，延长的好氧区长度主要受活性污泥耗氧率的影响（该速率是通过将硝酸杆菌耗氧量、氧消耗量和生物量相加得到的）、氧化沟的流速和曝气段的溶解氧浓度。从图3a可以看出，扩展好氧带的长度与曝气带的溶解氧浓度呈正相关。随着曝气区溶解氧浓度的增加，延长好氧带的长度逐渐增大。当曝气区溶解氧浓度为2.0mg/L时，延长的好氧区长度大于20 m。在点曝气作用下，曝气区的溶解氧在1.0～1.5 mg/L范围内，由于阶段曝气过程中不断发生曝气，因此曝气区末端的溶解氧约为2～3 mg/L。因此，延长好氧带是氧化沟好氧带的重要组成部分，对氧化沟的缺氧-氧化分带比例有显著影响。在微孔曝气氧化沟的设计中，必须注意延长好氧带。然而，长度与溶解氧浓度不成正比。这主要是因为提高曝气强度以增加溶解氧浓度，增加了曝气区末端的流速，从而进一步增加了好氧区的长度。

在相同的曝气面积（相同的曝气输入）条件下，点式曝气下好氧带的体积明显大于阶段曝气。当曝气区占氧化沟总容积的1/7时，点曝气和阶段曝气下的好氧区分别占氧化沟总容积的28%和20%（图3b）。因此，在阶段曝气条件下，存在较大的缺氧区，可以提高脱氮效果。

由于扩展好氧带的长度受溶解氧等因素的影响，微孔曝气氧化沟的缺氧-氧化分区难以控制。

有氧带越长，越难控制缺氧-氧化分带比例。在阶段曝气中，形成一个延伸的好氧区，能够很容易的控制阶段曝气方式下氧化沟的缺氧-氧化分区比例。

图2 阶段曝气卡鲁塞尔氧化沟（a）NH₄ -N、NO₂^--N、NO₃^--N和（b）TN的数据

3.3阶段曝气除氮性能研究

图4显示了两种曝气方式下，当两个曝气区均占氧化沟容积的1/7时的脱氮情况。两种曝气方式均取得了较好的硝化效果，NH₄ -N去除率分别为98.1%和98.4%，阶段曝气和点曝气的出水NH₄ -N平均浓度分别为0.53plusmn;0.11mg/L和0.42plusmn;0.09mg/L。阶段曝气和点曝气的TN去除率分别为89.3%和77.6%。阶段曝气时出水总氮约为5.3plusmn;0.56 mg/L，低于点曝气时的11.1plusmn;1.2 mg/L（图4b）。在相同的曝气带条件下，阶段曝气比点曝气的TN去除效率高。

通过对两种曝气方式下氧化沟缺氧-氧化分区比例分配的分析，可以发现，在同一曝气区内，阶段曝气方式下的缺氧区体积较大，这可能是阶段曝气方式下TN去除效率较高的原因。通过减少曝气带，使点曝气下的好氧带减少到氧化沟总容积的20%. 在系统稳定运行的三个月内，在点曝气条件下，出水NH₄ -N浓度为0.79plusmn;0.32mg/L，TN浓度下降到8.3plusmn;2.3mg/L，说明降低点曝气好氧带的体积可以提高TN的去除效率。但在相同的缺氧区和氧化区比例下，阶段曝气对NH₄ -N和TN的去除效率仍高于点曝气。在相同的缺氧区和氧化区比例下，分级曝气和点曝气下活性污泥的平均吸收率分别为1.81plusmn;0.13 mgNH₄ -N/gMLSS·h、1.64plusmn;0.15 mgNH₄ -N/gMLSS·h，结果表明，在阶段曝气条件下，氧化沟连续段内的曝气带聚集在一起，溶解氧浓度较高，有利于硝化细菌的生长，提高了硝化能力。

图3 （a）不同溶解氧条件下的延长好氧带长度；（b）相同曝气量下两种曝气方式下的缺氧带和氧化带比例

氧化沟工艺中的TN去除途径为脱氨、同化、硝化-反硝化。但是由于沟渠中混合液的pH值通常低于7.5，氨吹脱可以忽略。在相同工艺参数下，对表1中的氮质量平衡进行了比较，如缺氧区和好氧区的比例、进水TN、SRT、HRT和MLSS。在两种曝气方式下，以污泥的形式通过同化去除进水的TN，平均去除率为18%。在阶段曝气和点曝气条件下，出水总氮分别占进水总氮的11%（141 kgTN/d）和17%（221 kgTN/d）。反硝化作用是总氮去除的主要途径。在阶段曝气和点曝气条件下，反硝化分别去除了约942 kgTN/d和833 kgTN/d。结果表明，阶段曝气脱氮效果明显优于点曝气。因此，在相同的缺氧带和氧化带比例下，采用微孔曝气有利于卡鲁塞尔氧化沟的反硝化。
3.4微生物群落分布

在步进式和点式曝气模式下，氧化沟样品的热解测序结果分别为8144和9764个有效序列。序列的数量与之前的研究一致。焦磷酸测序结果，1588和1906个操作分类单元（OTU）分别在阶段曝气和点曝气的3%处被识别。图5显示了两种通气方式在门水平上的相对细菌群落丰度，相对丰度大于0.5%的门是存在的。两种系统的主要细菌为变形杆菌、氯曲菌和类杆菌，这与大多数研究结果一致。群落中的相对丰度受曝气方式的影响。表2显示了两种曝气模式下的门水平微生物群落结构的差异。p值

资料编号：[5543]