從圖 3可知, 縮短HRT, 反應(yīng)器出水SS總體呈下降趨勢.反應(yīng)器中污泥濃度從5.2 g·L-1持續(xù)增加, 運(yùn)行至第90 d, MLSS高達(dá)15g·L-1左右, 比啟動(dòng)初期提高了近2倍.HRT從4 h減小到1 h, 進(jìn)水氨氮容積負(fù)荷始終維持在3.0kg·(m3·d)-1不變, 污泥MLSS增幅加大, 進(jìn)一步證實(shí)了顆粒污泥可顯著提升反應(yīng)器污泥的生物截留能力, 由于污泥密實(shí)度高、沉降速率快, 縮短水力停留時(shí)間, 并未出現(xiàn)污泥流失.有研究表明, 隨著HRT減小, 容積負(fù)荷逐漸增加使得微生物具有較高的生長速率, MLSS顯著增加.Beun等提出較短的HRT有利于顆粒污泥的形成, SBR反應(yīng)器HRT為8 h運(yùn)行10周, 顆粒污泥的MLSS從1.2 g·L-1增加到1.3 g·L-1, 縮短HRT到6.75 h運(yùn)行8周, 顆粒污泥的MLSS從1.3 g·L-1增加到2.7 g·L-1.Liu等維持進(jìn)水氨氮容積負(fù)荷在8.0kg·(m3·d)-1, 考察HRT單一因素對污泥顆粒化過程的影響, 運(yùn)行14 d, HRT為4 h的反應(yīng)器, MLSS從2 g·L-1增加到3.6 g·L-1, 較短的HRT有利于污泥增殖.Rosman等和Pan等均證實(shí)了較短的HRT條件下形成的顆粒污泥結(jié)構(gòu)密實(shí), 形狀規(guī)則, 具有較好的沉降性能.本研究自養(yǎng)亞硝化顆粒污泥中AOB、NOB屬于慢速生長微生物, 較短的HRT, 提高了水力選擇壓, 有利于微生物增殖, 且使污泥顆粒粒徑分布更加均勻.

圖 3 反應(yīng)器運(yùn)行過程中出水SS的變化

　　EPS對顆粒污泥的形成和穩(wěn)定性具有顯著影響, 微生物細(xì)胞產(chǎn)生EPS, 形成交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò), 并進(jìn)一步加強(qiáng)顆粒的完整性使得顆粒結(jié)構(gòu)更加密實(shí).本研究發(fā)現(xiàn)(圖 4), 縮短HRT, EPS總量逐漸升高, 蛋白質(zhì)和多糖都有所提高, 蛋白質(zhì)的增幅略高于多糖, 符合成熟亞硝化顆粒污泥典型的EPS分布特征.EPS中的蛋白質(zhì)比多糖具有更豐富的靜電鍵與金屬架橋, 有利于污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定.胞外蛋白質(zhì)富含各類降解酶, 包埋于EPS中的微生物可降解特定污染物.較短的HRT, 提高顆粒污泥水力剪切力, 促使微生物分泌更多的胞外聚合物(EPS), 有利于提升微生物活性和顆粒物穩(wěn)定性.這一現(xiàn)象可進(jìn)一步解釋在低HRT條件下, 反應(yīng)器具有良好微生物截留性能, 較高的污泥增殖速率的原因.

圖 4 不同HRT條件下EPS的變化關(guān)系

　　2.2 HRT對氮轉(zhuǎn)化效能的影響

　　HRT不斷縮短過程中, 亞硝化顆粒污泥反應(yīng)器的整體運(yùn)行狀況如圖 5所示.隨著HRT降低, 氨氮去除率呈階梯式增長最終穩(wěn)定在99%左右.其中HRT為2 h時(shí), 氨氮去除率出現(xiàn)較為明顯的波動(dòng), 出水亞硝酸鹽濃度略有波動(dòng).HRT對微生物群落結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器性能會(huì)產(chǎn)生影響.縮短HRT, 促進(jìn)污泥增殖, 使顆粒污泥粒徑分布更加均勻.對于連續(xù)流反應(yīng)器, HRT是重要參數(shù), 過高的HRT會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器處理效率降低, 而縮短HRT, 易加劇污泥流失.本研究在HRT為1 h的條件下, 系統(tǒng)仍具有較高的脫氮性能, 這與顆粒污泥良好的沉降性能密不可分.

 圖 5 亞硝化顆粒污泥反應(yīng)器運(yùn)行氮的轉(zhuǎn)化規(guī)律

　　有研究發(fā)現(xiàn), 隨著HRT降低, 反應(yīng)器的硝化性能下降, 而本研究整個(gè)運(yùn)行過程中亞硝酸鹽累積率始終保持在85%以上(圖 5), 隨著HRT不斷下降, 氨氮去除率逐步增長, 出水硝態(tài)氮濃度逐漸降低至10 mg·L-1左右.本研究控制氮容積負(fù)荷不變, 進(jìn)水氨氮濃度隨著HRT縮短而下降(表 1), 污泥氮負(fù)荷進(jìn)一步下降.系統(tǒng)中微生物處于低負(fù)荷運(yùn)行, 污泥活性增強(qiáng), 氮去除效率提高.通過逐漸縮短HRT的方式, 降低污泥沉降時(shí)間, 將沉降性能較差的絮狀污泥逐漸從反應(yīng)器內(nèi)淘洗出去, 污泥齡(SRT)縮短, 起到淘洗NOB的作用。本研究縮短HRT成為有效抑制NOB、維持顆粒污泥穩(wěn)定亞硝化性能的有效因素.筆者認(rèn)為可能存在以下3個(gè)原因：①研究所用接種污泥具有良好的亞硝化效果, 保證了反應(yīng)器中較高的AOB和較低的NOB數(shù)量;②在自適應(yīng)條件下, 縮短HRT增加了水力選擇壓, 顆粒污泥粒徑分布集中于0.3~0.8 mm, 有利于優(yōu)化基質(zhì)和DO的傳質(zhì)條件, 提高AOB的活性, 抑制NOB;③由于顆粒污泥中不同功能微生物呈層狀分布, AOB通常分布在顆粒的外層, 有利于獲得更好的基質(zhì)和生長條件, 相對于NOB, 更易在顆粒化污泥中成為優(yōu)勢種群.

　　2.3 HRT對功能微生物動(dòng)力學(xué)活性的影響

　　HRT對CSTR中亞硝化顆粒污泥的粒徑分布產(chǎn)生了較大影響, HRT為1 h, 反應(yīng)器中污泥粒徑集中于0.3 mm~0.8 mm.顆粒污泥粒徑的差異, 將直接影響反應(yīng)器性能.

　　本研究對不同HRT穩(wěn)定運(yùn)行條件下, 粒徑小于0.8 mm和大于0.8 mm的兩大類污泥中功能微生物AOB和NOB的活性進(jìn)行分析, 氨氮比降解速率μ(NH4+-N)、亞硝酸鹽比生成速率μ(NO2--N)和硝酸鹽比生成速率μ(NO3--N)測定結(jié)果見表 2.

表 2 不同HRT條件下CSTR中大小顆粒污泥功能微生物活性對比

　　結(jié)果發(fā)現(xiàn), 粒徑 < 0.8 mm的顆粒污泥, 氨氮比降解速率和亞硝酸鹽比生成速率、硝酸鹽比生成速率均高于粒徑>0.8 mm的顆粒污泥, 說明粒徑較小顆粒污泥中AOB和NOB均具有更高的活性.因此, 在HRT縮短過程中, 0.3~0.8 mm的顆粒比例逐漸提升, 反應(yīng)器亞硝化性能也得以提升.不同粒徑污泥中功能微生物的活性受HRT的影響完全不同.粒徑>0.8 mm的顆粒污泥, 縮短HRT, AOB和NOB功能微生物的活性都逐漸提升;與之相反, 粒徑 < 0.8 mm的顆粒污泥, 縮短HRT, AOB和NOB功能微生物的活性都有所下降.在本研究中, 兩種效果疊加, 縮短HRT, NOB在競爭基質(zhì)和DO時(shí)處于劣勢, 硝酸鹽比生成速率總體下降, 證實(shí)了較低的HRT對NOB有較好的抑制作用, 這一結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)HRT縮短, 硝酸鹽生成量減少的情況吻合.

　　粒徑相對較小顆粒污泥, 既具有顆粒污泥沉降性能好、生物富集度高的優(yōu)勢, 又具有相對較大的比表面積, 有利于富集在顆粒污泥表面的優(yōu)勢微生物生長代謝.在實(shí)際工程運(yùn)用中, 可根據(jù)主導(dǎo)顆粒污泥粒徑分布調(diào)控合理的HRT, 提高系統(tǒng)效能.

　　2.4 高通量測序結(jié)果分析

　　圖 6為CSTR系統(tǒng)在HRT為4 h和1 h穩(wěn)定運(yùn)行條件下, 污泥測序在門水平下微生物群落多樣性分析結(jié)果, 主要包括變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠菌門(Chlorobi)、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycets).涉及到脫氮功能微生物的變形菌門占絕對優(yōu)勢, 超80%.HRT從4 h縮短至1 h, 變形菌門比例略有升高.系統(tǒng)中出現(xiàn)厭氧氨氧化菌所在的浮霉菌門, HRT縮短后, 這類微生物的比例略有下降.

圖 6 不同HRT時(shí)CSTR中微生物群落組成(門)相對豐度

　　為了進(jìn)一步闡明HRT對CSRT污泥微生物種群變化影響, 對屬水平樣品功能微生物和優(yōu)勢微生物菌群進(jìn)行分析.如圖 7所示, 亞硝化單胞菌屬(Nitrosomomas)在CSTR污泥微生物群落中占絕對優(yōu)勢.亞硝化單胞菌屬(Nitrosomomas)是典型的AOB, 在本系統(tǒng)污泥中富集度高達(dá)56%以上.短程硝化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于亞硝酸鹽的積累, 也就是通過富集污泥中的AOB, 并控制AOB和NOB的數(shù)量與活性平衡, 在硝化過程中實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累.高通量微生物測序結(jié)果表明, 優(yōu)勢微生物Nitrosomomos的高度富集度, 也進(jìn)一步解釋系統(tǒng)具有良好的氨氧化性能和亞硝酸鹽積累率.縮短HRT, Nitrosomomos豐度提高3%左右, 與系統(tǒng)脫氮性能提升結(jié)果吻合.盡管維持容積負(fù)荷不變, HRT從4 h到1 h, AOB絕對優(yōu)勢不變, 微生物門類一致, 但微生物種類和豐度發(fā)生變化, 有利于顆粒污泥中微生物的自平衡, 提升污泥自適應(yīng)性能.

圖 7 不同HRT時(shí)CSTR中微生物群落組成(屬)相對豐度

　　3 結(jié)論

　　(1) HRT從4 h縮短至1 h, CSTR中顆粒污泥粒徑分布發(fā)生顯著變化.隨著HRT縮短, 粒徑 < 0.3 mm和粒徑>1.6 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別由17%和75%逐漸下降至5%和36%, HRT為1 h時(shí), 粒徑為0.3~0.8 mm顆粒占比約達(dá)50%.

　　(2) 縮短HRT, CSRT中亞硝化顆粒污泥性能穩(wěn)定, 亞硝酸鹽累積率穩(wěn)定在85%以上, HRT縮短至1 h, 氨氮的去除率提高到99%.整個(gè)運(yùn)行過程中, 顆粒結(jié)構(gòu)更加密實(shí), 無顆粒解體現(xiàn)象, MLSS由5.2g·L-1上升至15g·L-1.

　　(3) 粒徑 < 0.8 mm的顆粒, 氨氮比降解速率和亞硝酸鹽比生成速率、硝酸鹽比生成速率均高于粒徑>0.8 mm的顆粒污泥.縮短HRT有利于大顆粒功能微生物活性提升, 在較長的HRT條件下, 粒徑 < 0.8 mm的顆粒污泥活性更高.

　　(4) 系統(tǒng)中變形菌門(Proteobacteria)占絕對優(yōu)勢, 亞硝化單胞菌屬(Nitrosomomas)為代表的AOB在系統(tǒng)污泥中富集度高達(dá)56%以上, 縮短HRT有利于AOB的富集.(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：王建芳)