富集反硝化聚磷菌船用景观一体化装置处理污水

　　摘要:将绿色技术融入污水治理，研究了厌氧折流板反应器(ABR)-连续流完全混合反应器(CSTR)-生态单元一体化反应设备处理船舶生活污水，生物单元通过污泥循环与硝化液回流实现富集反硝化聚磷菌(DPAOs)。结果表明，当ABR进水容积负荷(VLR)为1.2kg/(m3·d)，CSTR反应区DO的质量浓度为1.5～2.5mg/L，污泥停留时间20d，80%的污泥回流体积比、200%硝化液回流体积比时，反硝化除磷效果为佳。生态单元改善能源渠道，皇冠草(Echinodorusamazonicus)与基质、微生物在生态循环下缓冲水质波动和深度降解，出水COD、TP和TN去除率分别达到94%、81%和82%。系统在高效去除碳氮磷的同时可良好应对船舶生活污水高SS和BOD5，为实际工程兼具景观效益和处理效能提供理论思路。

　　关键词:船舶生活污水;反硝化聚磷菌;景观型;生态处理;一体化装置

　　全球社会和经济的高速发展使航运交流增多，频繁的水上活动使河道及近海的环境问题日趋严重。船舶生活污水碳氮负荷高、波动大，长期缺乏及时处理会引起水体富营养化，严重威胁水质安全[1-2]。亟需对船舶生活污水进行有效处理，满足联合国海事组织MEPC.200(62)决议和GB3552-2018[3]。目前，船舶生活污水的主要处理方法为物理法、化学法和生物法，基本沿用改进的市政生活污水处理法[4]。

　　寻求更高效稳定的处理策略极具意义。反硝化除磷技术具有高效、能耗低的优势[5]。Candidatus、Accumulibacter及Dechloromonas等反硝化聚磷菌(DPAOs)厌氧时将挥发性脂肪酸(VFAs)同化为内碳源物质(PHAs)，同时水解胞内聚磷酸盐(Poly-P)为磷酸盐，在缺氧段以NOx-N作电子受体过量吸磷，完成碳源同步脱氮吸磷，较传统聚磷菌(PAOs)，“一碳两用”节约碳源和氧的需求[6-8]。同时在强化绿色生态技术融合污水处理技术的时代背景下，人们对于治理环境要求更严格，将植物用于净化水质的生态修复技术获得国内外广泛关注。水生植物可固定N、P等营养元素并吸附水中物质沉降，增强水体溶氧，通过化感作用(Allelopathy)抑制藻类繁殖，提升水体澄清度，改善能源渠道和生态环境，为污水处理装置创造生态景观效益[9]。

　　面对水质波动，良好的生态循环具有缓冲反馈，因而将反硝化除磷与生态处理结合运用具有可持续的成本效益。本研究探讨低能耗、稳定高效治理船舶生活污水的运行策略，结合污水生物处理和生态法，采用有效分离生物相的厌氧折流板反应器(ABR)为除磷提供优质碳源，接入连续流完全混合反应器(CSTR)实现稳定的硝化性能[10]。ABR-CSTR连续流组合工艺可将功能微生物分离并处于各自适宜生长环境，利于DPAOs的稳定富集，出水利用生态缸中水生植物、基质、微生物循环作用缓冲水质波动、深度降解污染物，在实现景观效益的同时为污水治理的实际应用提供策略指导。

　　1实验部分

　　1.1实验装置

　　采用ABR-CSTR-生态缸一体化反应装置运行。反应装置由竖向导流板分为3隔室的ABR、CSTR反应区和沉淀区，有效容积分别为5.4、2.7、1.8L。ABR1、ABR2隔室为厌氧，CSTR硝化液通过回流进入ABR3构成缺氧态，污泥回流为缺氧区至ABR2;生态单元容积27L，由水生植物、鱼类(金鲫鱼)和基质构成，栽培水深35cm的皇冠草(Echinodorusamazonicus)，基质采用天然亚热带酸性肥沃黑土制成的水草泥。生态单元与船舶所处环境高度一致，提供景观性的同时通过生态循环发挥自净作用。

　　1.2接种污泥与污水

　　实验接种污泥取自苏州某污水处理厂池底絮状污泥，表观为深黑色，具有良好活性。经2mm筛网过滤后实行2d闷曝，接着接种于ABR-CSTR中。污泥约为ABR各隔室体积的2/3，CSTR段污泥容积指数(SVI)105.5mL/g，MLSS的质量浓度5500mg/L。实验用船舶生活污水采用基于生活区厕所废水优化配置的模拟进水，为更贴近船舶生活污水水质，向污水中加入质量浓度50mg/L高岭土增加浊度;投加碳酸氢钠(NaHCO3)调节pH，确保系统所需碱度同时排除干扰。COD为332～373mg/L，BOD5为120～235mg/L，NH4+-N、PO43--P、SS的质量浓度分别为48～52、4.8～6.1、290～370mg/L，温度26～28℃，pH为7.5～8.0。

　　1.3运行策略

　　实验设置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ5个阶段。通过逐渐缩短工艺的水力停留时间(HRT)改变ABR进水容积负荷(VLR)，污泥回流体积比(R1)设置为80%，设置系统污泥停留时间(SRT)为20d，通过沉淀区排泥实现除磷。在系统优化的VLR基础上，调整Ⅳ、Ⅴ阶段硝化液回流体积比(R2)，各自运行21d和15d。好氧区常规曝气下控制DO的质量浓度为1.5～2.5mg/L。

　　1.4分析方法

　　COD及BOD5，NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN，PO43--P、TP含量等各常规指标按标准方法分析[11];MLSS、MLVSS含量，称量法;DO含量采用HACHHQ30d便携式测定仪，pH用FiveGoF2便携酸度计，VFAs含量采用滴定法，污泥形态采用OlympusCX41三目生物显微镜观察。为反映系统DPAOs富集效果，取ABR3污泥经厌氧释磷2h后，批次实验模拟缺氧(加入适量KNO3，搅拌)和好氧(曝气，DO质量浓度为1.5～2.5mg/L)环境，通过2种条件下吸磷速率比(PUR)量化反硝化聚磷量，可近似表征DPAOs在PAOs中的比[12]。

　　2结果与讨论

　　2.1有机物去除分析

　　ABR1经水解酸化有机物产生优质碳源，供DPAOs在生物体内合成胞内聚合物(PHB)，其为实现缺氧同步脱氮除磷的电子供体[13]。各工况下ABR-CSTR工艺COD去除情况。进水有机负荷为0.9kg/(m3·d)时，ABR出水COD小于80mg/L。随HRT缩短，ABR1出水COD逐渐升高，CSTR出水COD在50mg/L上下。HRT减小使ABR中接种的絮状污泥因不断淘洗而逐渐形成颗粒化，使ABR段COD去除稳定高效。

　　系统中碳源量并不足以使吸收VFA合成聚β羟基丁酸脂的聚糖菌(GAO)具有生长优势而影响聚磷菌释磷[14];ABR段降解大量COD，使出水中COD较低，未对后续好氧段充分硝化反应产生影响。连续流工艺对COD去除率可维持于90%以上。同时系统出水中BOD持续低于17mg/L，BOD5较高为船舶生活污水的一项特点，BOD5/COD在0.37～0.5认为可生化性较强，说明高效脱氮除磷技术适用于船舶生活污水的处理。

　　2.2脱氮效能分析

　　电子受体不足会使反硝化除磷效果不佳，良好的硝化对实现高效同步脱氮除磷十分关键。VLR从0.9kg/(m3·d)升高为1.2kg/(m3·d)，CSTR内NH4+-N去除率逐步上升;随着系统运行，NH4+-N去除率趋于稳定，说明硝化菌及反硝化菌对容积负荷波动冲击具有适应性。NH4+-N去除率维持在90%以上，出水NH4+-N的质量浓度在5mg/L以下。3结论构建ABR-CSTR-生态单元一体化装置实现反硝化除磷高效稳定处理船舶生活污水，ABR进水容积负荷为1.2kg/(m3·d)，CSTR段DO的质量浓度为1.5～2.5mg/L，污泥沉淀时间2.3h，SRT为20d，污泥回流体积比及硝化液回流体积比分别为80%和200%时，反硝化除磷效果为佳，此时缺氧吸磷速率9.96mg/(g·h)，好氧吸磷速率7.27mg/(g·h)，DPAOs约为聚磷菌总量73%，高于传统活性污泥工艺。

　　污水处理论文范例：河北某化工园区污水深度处理工艺设计

　　污染物经生态单元深度降解，生态单元进一步降低H4+-N、TN及TP含量，具良好的生态反馈和缓冲波动作用;出水COD和TP、TN质量浓度分别为17.83mg/L和0.97、10.90mg/L，COD、TP和TN去除率可达94%、81%和82%，实现碳氮磷达标排放。景观一体化反应装置可良好应对船舶生活污水高SS及BOD5特性，出水SS的质量浓度分别小于20mg/L及17mg/L，同时装置兼具一定的生态美感，为污水治理领域中绿色技术的融入提供理论参考。

　　参考文献：

　　[1]田金平.探究船舶生活污水处理进展及发展趋势[J].科技与企业,2015(17):98.

　　[2]MAY,PENGYZ,WANGXL.ImprovingnutrientremovaloftheAAOprocessbyaninfluentbypassflowbydenitrifyingphosphorusremoval[J].Desalination,2009,246(1):534-544

　　[3]船舶水污染物排放控制标准:GB3552-2018[S].

　　[4]荆纬.船舶生活污水处理系统优选方法的研究与应用[D].大连:大连海事大学,2010.

　　[5]BASSINJP,KLEEREBEZEMR,DEZOTTIM,etal.Simultaneousnitrogenandphosphateremovalinaerobicgranularsludgereactorsoperatedatdifferenttemperatures[J].WaterResearch(Oxford),2012,46(12):3805-3816.

　　[6]LÜXM,SHAOMF,LIJ,etal.Metagenomicanalysisofthesludgemicrobialcommunityinalab-scaledenitrifyingphosphorusremovalreactor[J].AppliedBiochemistryandBiotechnology,2015,175(7):3258-3270.

　　[7]刘晖,孙彦富,周康群,等.反硝化聚磷污泥的基质利用及代谢途径[J].化工学报,2011,62(9):2623-2628.

　　作者：王昕竹1，张星星1，马睿莉1，徐乐中1，2，吴鹏1，2，刘文如1，2