姜德刚*，张琳婷，林雪萍，黄博
自然资源部海岛研究中心，福建平潭 350400
摘要：海岛地区污水处理厂尾水品质的优劣会直接影响海洋水环境质量，本技术研究采用智能靶向曝气系统对淇澳岛污水处理站尾水品质进行提升，采用多孔纤维进行曝气，同时也是微生物着生和挂膜的场所。研究结果显示生物膜上的微生物种类丰富，含有大量脱氮除碳的功能微生物。同时，该系统对尾水中碳、氮、磷的去除效果显著，系统运行期间COD、TN、NH4+-N、TP的出水浓度分别为15.60±5.47 mg/L、1.94±0.19 mg/L、0.75±0.24 mg/L、0.13±0.02 mg/L；平均去除率分别为88.06%、87.43%、94.32%、92.82%；提升后的COD、NH4+-N、TP达到地表水环境质量Ⅲ类水质标准，TN达到Ⅴ类水质标准，并且进水水质波动对出水水质影响不大，系统的抗冲击能力较强。
关键词：海岛；污水厂尾水；靶向曝气；生物膜
中图分类号: 文献标识码: A 文章编号:
Investigation on Tail water quality improvement technology of island WWTPs
JIANG Degang*, ZHANG Linting, LIN Xueping, HUANG Bo
(Island Research Center，Ministry of Natural Resources，Pingtan 350400，Fujian，China)
Abstract：The quality of tail water from WWTPs becomes a factor of the marine water environment. Intelligent targeted aeration system was chosen to improve the tail water quality of Qi 'ao Island sewage treatment station. And porous fiber was used to aerate and be a place for microbial generation. The results showed that the microbial species were rich and amounts of functional microbes which related to carbon and nitrogen removal existed on biofilm. Simultaneously, carbon, nitrogen and phosphorus were removed significantly in targeted aeration system. The average concentrations of COD, TN, NH4+-N and TP of effluent were 15.60±5.47 mg/L, 1.94±0.19 mg/L, 0.75±0.24 mg/L and 0.13±0.02 mg/L, respectively and removal rates were 88.06%, 87.43% 94.32%, and 92.82%, respectively. COD、NH4+-N、TP generally met the third-grade water quality standards of surface water environment and concentration of TN met the fifth-grade one. The quality of effluent was not influenced by influent, and the targeted aeration system had good resistance ability.
Keywords: island; tail water from WWTPs; targeted aeration; biofilm
引言
海岛污水的产生主要有岛上居民日常生活所产生的生活污水，海产养殖与加工废水[1,2]。由于海岛上人口数量较少，人员分布较为分散，故污水排放不集中，管网铺设较为困难，污废水难以集中处理；此外，不同时间段产生污水的水量和水质波动较大，使得海岛污水处理成为难题。海岛污水中的污染物主要为氮、磷等污染物，有机物含量偏高，生化性较好。目前关于海岛地区污水处理技术主要有净化槽、人工湿地、铺设污水管路、纳入污水管网、稳定塘等技术。随着海岛经济的发展，环境压力日益增大[3]，鉴于海岛污水处理厂对总氮和总磷的去除效果不佳[4]，污水厂尾水的排放会造成邻近海域水质的下降，故亟需开展海岛污水处理厂尾水品质提升技术研究。
本研究以淇澳岛污水处理站尾水为研究对象，开展尾水品质提升技术研究。利用智能靶向曝气系统降低污水处理站尾水中COD、氮、磷含量，初步探究该系统去除污染物的微生物机理，为海岛污水厂尾水品质提升与海洋水环境保护提供新方法和新技术。
1 材料与方法
1.1 实验水质条件
污水厂尾水取自淇澳岛污水站，该污水站主要用于接纳岛上居民产生的分散式生活污水，实验期间智能靶向曝气系统进水水质见表1。
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1.2 实验指标及分析方法
水质检测指标包括COD、NH4+-N、TN、TP，指标的测定参照崔嘉宇等[5]使用的标准方法。微生物群落结构的测定采用高通量测序技术，首先采用基因提取试剂盒从生物膜上提取DNA，PCR扩增采用16S rRNA常用引物341F和805R，扩增产物在Illumina MiSeq平台进行测序。以97%的识别阈值将序列进行操作分类单元(OTUs)的划分，进而进行微生物门纲目科属水平上的分类。
1.3 智能靶向曝气系统
于2018年8月在淇澳岛污水处理站开展尾水品质提升技术研究，工艺流程如图1所示，靶向曝气系统由两个碳钢材质的反应器组成，反应器大小为1.8 m×1.8 m×3 m，有效容积为9 m3。反应器通过碳钢板分流，流道宽0.6 m，设计处理量为20 m3/d。接种污泥来自污水处理站脱水后的泥饼，具有良好的活性。最佳运行条件：pH值为7.3、温度20℃、回流比为180%，水力停留时间为20 h。
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2 结果与讨论
2.1智能靶向曝气系统生物膜微生物群落结构
智能靶向曝气系统启动30 d后，对生物膜上微生物群落结构进行分析（图2），分析结果显示生物膜上的微生物可分为32个门、53个纲。门水平上变形菌（Proteobacteria）为优势菌群，其相对丰度为39.4%-60.2%，其次是绿弯菌（Chloroflexi），其相对丰度为17.3%-37.8%。其中，α-变形菌（Alphaproteobacteria）、γ-变形菌（Gammaproteobacteria）、δ-变形菌（Deltaproteobacteria）、β-变形菌（Betaproteobacteria）是纲水平上的优势菌，相对丰度分别为9.2%-17.4%、4.9%-16.6%、3.2%-7.3%、12.6%-21.4%。属于绿弯菌门下的厌氧绳菌（Anaerolineae，）也是生物膜上的主要纲类，其相对丰度为16.7%-31.6%。
生物膜上含有多种功能微生物，如脱氮除碳微生物，包括厌氧绳菌（Anaerolineae）、α-变型菌（Alphaproteobacteria）、β-变形菌（Betaproteobacteria）、γ-变形菌（Gammaproteobacteria）和亚硝球藻（Candidatus Nitrososphaera）等。此外，生物膜上还包括多种氨氧化菌和反硝化菌，氨氧化菌主要包括亚硝化单胞菌（Nitrosomonas）和古菌（Candidatus Nitrososphaera）；反硝化菌主要包括厌氧反硝化菌（Hydrogenophaga）、好氧反硝化菌（Hyphomicrobium）和光能反硝化菌（Rhodobacter）三种。
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2.2 智能靶向曝气系统对COD的去除效果
智能靶向曝气系统对COD的去除途径主要有两个，一是生物膜上的微生物自身细胞的降解、合成需要消耗碳源；二是还原硝态氮和亚硝态氮过程中需要碳源作为电子供体[6,7]。实验期间靶向曝气系统对COD平均去除率为88.06%，平均出水COD浓度为15.60±5.47 mg/L，系统运行期间出水COD浓度普遍达到地表水环境质量Ⅲ类水标准。
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2.3 智能靶向曝气系统对氮的去除效果
智能靶向曝气系统对氮的去除主要是利用微生物的硝化反硝化功能来实现，生物膜上附着多种的氨氧化菌和反硝化菌。氨氧化细菌如亚硝化单胞菌（Nitrosomonas），亚硝酸盐氧化菌如硝化螺菌（Nitrospira）参与氨氮与硝态氮转化过程；噬氢胞菌（Hydrogenophaga）在污水处理中参与硝酸盐的厌氧反硝化作用，生丝微菌（Hyphomicrobium）在生物膜中分布比较广泛。Hyphomicrobium能够在好氧条件下参与反硝化过程[8]，红细菌（Rhodobacter）具有将NO3-N转变为N2的反硝化功能，并随着NH4+-N浓度的增加，Rhodobacter的相对丰度有所升高。靶向曝气系统TN和NH4+-N的平均出水浓度分别为1.94±0.19 mg/L、0.75±0.24 mg/L，平均去除率分别为87.43%与94.32%，在进水水质波动较大，系统出水水质保持
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2.4 智能靶向曝气系统对磷的去除效果
智能靶向曝气系统生物膜对磷有一定的吸附作用，同时磷是微生物生长必须的元素，微生物会利用生物同化作用吸收磷以供生命活动所需。系统对磷的去除效果较好，平均去除率为92.82%，出水中TP的平均浓度为0.13±0.02 mg/L，总磷含量均低于0.2 mg/L，达到地表水环境质量Ⅲ类水质标准。进水磷含量波动较大，但出水磷含量始终维持在相对稳定的水平。
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3 结论
智能靶向曝气系统生物膜上微生物种类丰富，并含有大量脱氮除碳的功能微生物，增强了系统脱氮除碳的能力。能够有效降低污水站尾水中碳、氮、磷的含量，对COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别可达88.06%、94.32%、87.43%、92.82%；提升后的TN可达到地表水环境质量Ⅴ类标准，COD、NH4+-N、TP普遍达到Ⅲ类水质标准；并且系统运行稳定，维护简单。
参考文献
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收稿日期：
基金项目：福建省科技计划项目“海岛地区组合式人工湿地污水强化处理技术研究”(2015Y0036)。
*责任作者简介：姜德刚，1982年生，男，博士，副研究员，主要从事海岛生态监测评价技术研究。E-mail:jiangdegang123m@163.com。