余氯對(duì)污水處理廠(chǎng)生化系統(tǒng)影響的定量研究

全康環(huán)保:特殊時(shí)期會(huì)使含氯消毒劑的使用增多，最終可能進(jìn)入污水處理廠(chǎng)影響生物處理效果。探討不同濃度的余氯（游離氯和化合氯）對(duì)活性污泥處理效果的影響，并觀(guān)察活性污泥的性能和微生物多樣性。結(jié)果顯示，與未投加余氯相比，投加游離氯濃度大于等于3 mg/L或投加化合氯濃度大于等于5 mg/L時(shí)，出水水質(zhì)出現(xiàn)顯著增加，且化合氯對(duì)COD和TN去除抑制作用大于游離氯，對(duì)TP去除抑制作用小于游離氯。投加余氯后，活性污泥的沉降性能良好，但芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對(duì)豐度隨著游離氯投加量的增加而減少，當(dāng)化合氯投加量超過(guò)1 mg/L時(shí)，芽孢桿菌屬（Bacillus）幾乎消失。芽孢桿菌屬（Bacillus）的變化導(dǎo)致活性污泥脫氮效率的降低，且化合氯抑制細(xì)菌脫氮功能高于游離氯。

0 引言

2020年初，為防控新冠疫情，武漢市公共場(chǎng)所和家庭為了加強(qiáng)消毒使用大量消毒劑，其中含氯消毒劑使用較多。最終，含氯廢水經(jīng)市政污水管網(wǎng)進(jìn)入了污水處理廠(chǎng)。汪永輝研究表明，廢水pH控制在7.5左右，當(dāng)余氯計(jì)量逐漸增大（0.1~3.0 mg/L）時(shí)，COD與BOD去除率呈下降趨勢(shì)。且余氯計(jì)量大于2.5 mg/L時(shí)，活性污泥絮體解體，原生動(dòng)物大量死亡。當(dāng)進(jìn)水中ClO-濃度超過(guò)0.5 mg/L時(shí)，活性污泥的毒性效應(yīng)隨著濃度的增加而增強(qiáng)。因此，當(dāng)投加過(guò)量含氯消毒劑時(shí)，導(dǎo)致污水中余氯過(guò)量，可能抑制活性污泥活性，影響生物處理效果。

污水處理廠(chǎng)生物處理單元，既是去除污染物質(zhì)的核心單元，也是去除、殺滅或抑制病原微生物的最重要環(huán)節(jié)，為使污水處理廠(chǎng)出水達(dá)標(biāo)排放，必須保證生物處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。本研究旨在通過(guò)模擬不同濃度進(jìn)水余氯（游離氯及化合氯）的進(jìn)水條件，研究余氯對(duì)污水處理廠(chǎng)生物處理系統(tǒng)的生化處理效果、活性污泥性狀和微生物等方面的影響，為污水處理廠(chǎng)在重大疫情時(shí)的應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)在16 L SBR反應(yīng)器（有機(jī)玻璃柱，內(nèi)徑15 cm，高度95 cm，配曝氣頭、空氣泵、氣體流量計(jì)、進(jìn)水口、排水口、取樣口和排泥口）中進(jìn)行（見(jiàn)圖1）?；钚晕勰嗖勺晕錆h市某污水處理廠(chǎng)二期氧化溝活性污泥混合液，原水采自該污水處理廠(chǎng)沉砂池出水。試驗(yàn)藥劑（次氯酸鈉、氯胺T）購(gòu)買(mǎi)于國(guó)藥集團(tuán)。

1.2 方法

在編號(hào)1~9的反應(yīng)器中分別裝入3 L污泥混合液，模擬生物處理系統(tǒng)。取污水處理廠(chǎng)沉砂池出水，添加一定量游離氯（次氯酸鈉）和化合氯（氯胺T），模擬污水處理廠(chǎng)受到的余氯進(jìn)水沖擊情況，配水濃度見(jiàn)表1。每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置3個(gè)平行組。

（1）依照SBR運(yùn)行模式，按照進(jìn)水-曝氣-沉淀過(guò)程進(jìn)行，設(shè)計(jì)排水比為1/3，曝氣時(shí)間為3 h，沉淀時(shí)間為1 h。曝氣量維持反應(yīng)器中溶解氧濃度為2~3 mg/L。

（2）運(yùn)行第3 h開(kāi)始污泥濃度進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定SV30后的污泥混合液需要重新倒入生物系統(tǒng)中。

（3）沉淀1 h后，取上清液500 mL進(jìn)行水質(zhì)分析（COD、TN、TP和NH3-N），然后排水至1/3排口處，一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束。

（4）一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束，重新開(kāi)始進(jìn)水進(jìn)入下一運(yùn)行周期。夜間停止進(jìn)水，曝氣減弱。

試驗(yàn)持續(xù)18天，每3天取進(jìn)出水樣。結(jié)束時(shí)取污泥混合液測(cè)定活性污泥的微生物群落。

1.3 樣品分析

進(jìn)出水樣COD、TP、TN和NH3-N的測(cè)定均按照國(guó)家環(huán)保局標(biāo)準(zhǔn)分析方法，分別采用重鉻酸鉀氧化法、鉬酸銨分光光度法、堿性過(guò)硫酸鉀消解后紫外分光光度法、納氏試劑比色法。

取1 L污泥混合液（V1）于量筒中沉降30 min后讀取V2，計(jì)算SV30值（V2/V1×100%）；取100 mL污泥混合液過(guò)濾，濾紙于105 ℃烘至恒重，計(jì)算MLSS值［（m泥-m紙）/100］。

取20 mL污泥混合液于離心管，2 000 r/min離心15 min，倒掉上清液，取污泥進(jìn)行DNA提取，提取DNA的方法具體參照QIAamp DNA Stool Mini Kit（Qiagen，Germany）試劑盒說(shuō)明書(shū)。隨后選用V3~V4通用引物進(jìn)行16S rDNA擴(kuò)增，將擴(kuò)增好的PCR產(chǎn)物的兩個(gè)末端加上接頭，采用Illmnina公司的Miseq測(cè)序儀進(jìn)行測(cè)序分析。測(cè)序完成后，通過(guò)Barcode區(qū)分各樣本序列。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS中的One-way ANOVA對(duì)試驗(yàn)組中的COD、TP、TN和NH3-N數(shù)據(jù)進(jìn)行差異分析，Tukey test用于COD、TP、TN和NH3-N均值的多重比較，顯著水平設(shè)定為P<0.05。

考慮到時(shí)間效應(yīng)以及更好比較游離氯和化合氯對(duì)活性污泥處理性能影響，對(duì)COD、TP、TN和NH3-N進(jìn)行了以下的參數(shù)計(jì)算：

時(shí)間加權(quán)平均值（WA）見(jiàn)式（1）：

去除率（IR）見(jiàn)式（2）：

式中 WA――時(shí)間加權(quán)平均值；

V――每次采樣時(shí)出水COD、TP、TN和NH3-N值；

IR――去除率；

C――進(jìn)水中COD、TP、TN和NH3-N值。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)活性污泥處理效果的影響

2.1.1 COD

試驗(yàn)期間，進(jìn)水COD的值為63~160 mg/L。未投加游離氯的活性污泥出水COD值為7~41 mg/L，投加1 mg/L游離氯的活性污泥出水COD值為9~29 mg/L，3 mg/L游離氯的出水COD值為9~31 mg/L，5 mg/L游離氯的出水COD值為5~18 mg/L，7 mg/L游離氯的出水COD值為12~64 mg/L。投加7 mg/L游離氯的活性污泥出水COD值均顯著高于其他濃度游離氯（P<0.05），但0、1 mg/L、3 mg/L和5 mg/L游離氯的活性污泥出水COD在試驗(yàn)期間沒(méi)有表現(xiàn)出一定的差異規(guī)律（見(jiàn)圖2a）。當(dāng)投加余氯為化合氯時(shí)，投加7 mg/L化合氯的活性污泥出水COD值在第9天至第18天為43~71 mg/L，顯著高于其他濃度化合氯（P<0.05）；投加5 mg/L化合氯的出水COD值在第6天為65 mg/L，顯著高于其他濃度化合氯（P<0.05，見(jiàn)圖2b）。

注：不同字母代表在相同時(shí)間時(shí)不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。

圖2 不同濃度余氯對(duì)活性污泥出水COD的影響

投加游離氯時(shí)，活性污泥對(duì)COD的去除率為65.52%~90.89%，隨游離氯投加濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)；投加化合氯的活性污泥對(duì)COD去除率為53??61%~81.86%，隨化合氯投加濃度的增加而降低。當(dāng)游離氯和化合氯的投加濃度為7 mg/L時(shí)，活性污泥對(duì)COD去除率達(dá)到最小值。且在相同投加濃度下，化合氯對(duì)活性污泥去除COD的影響比游離氯大（見(jiàn)表2）。

2.1.2 TP

試驗(yàn)期間，進(jìn)水TP的值為1.57~5.90 mg/L。除第9天和第12天，在其他時(shí)間內(nèi)投加5 mg/L游離氯的活性污泥出水TP值均顯著高于0、1 mg/L和3 mg/L濃度（P<0.05）；投加7 mg/L游離氯的活性污泥出水TP值在試驗(yàn)期間較高（1.23~3.96 mg/L），除在第18天與5 mg/L游離氯出水TP值無(wú)顯著性差異外（P>0.05），均顯著高于其他投加濃度的游離氯（見(jiàn)圖3a）。當(dāng)投加不同濃度化合氯時(shí)，從第6天開(kāi)始5 mg/L和7 mg/L化合氯的出水TP值保持較高（5 mg/L：0.73~1.36 mg/L；7 mg/L：0.6~2.51 mg/L）；且在第9天至第18天，投加7 mg/L化合氯的活性污泥出水TP值顯著高于5 mg/L化合氯的出水（P<0.05，見(jiàn)圖3b）。

注：不同字母代表在相同時(shí)間時(shí)不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。

圖3 不同濃度余氯對(duì)活性污泥出水TP的影響

活性污泥對(duì)TP的去除率（26.59%~86.36%）隨著游離氯投加濃度的增加而降低。當(dāng)化合氯的投加濃度超過(guò)3 mg/L時(shí)，活性污泥對(duì)TP的去除率（50.91%~81.75%）隨著投加濃度的增加而降低。當(dāng)游離氯和化合氯的投加濃度為7 mg/L時(shí)，活性污泥對(duì)COD去除率達(dá)到最小值。且在相同投加濃度下（除1 mg/L），游離氯對(duì)活性污泥去除TP的影響比化合氯大（見(jiàn)表3）。

2.1.3 NH3-N

試驗(yàn)期間，進(jìn)水NH3-N的值為12.93~22.78 mg/L。投加游離氯濃度為0、1 mg/L、3 mg/L和5 mg/L時(shí)，活性污泥出水的NH3-N值無(wú)顯著性差異（第3天P>0??05；第6天P>0.05；第9天P>0.05；第12天P>0.05；第15天P>0.05；第18天P>0.05）；但投加游離氯濃度為7 mg/L的活性污泥出水NH3??N（0.18~5.27 mg/L）顯著高于其他濃度的出水（P<0.05，見(jiàn)圖4a）。投加化合氯時(shí)，不同濃度化合氯出水的NH3-N值在第3天（0.02 mg/L）和第18天（0.28~0.35 mg/L）無(wú)顯著性差異（P>0.05）；在第9天、第12天和第15天，活性污泥出水的NH3-N值隨著化合氯投加濃度的增加而上升，并在7 mg/L的投加濃度下達(dá)到最大（P<0.05,見(jiàn)圖4b）。

當(dāng)投加游離氯濃度為1~5 mg/L時(shí)，活性污泥對(duì)NH3-N的去除率為98.76%~98.85%；投加游離氯濃度為7 mg/L時(shí)，對(duì)NH3-N的去除率為87.99%，出現(xiàn)降低現(xiàn)象。當(dāng)投加化合氯時(shí)，活性污泥對(duì)NH3-N的去除率（97.99%~98.86%）不受投加濃度的影響（見(jiàn)表4）。

2.1.4 TN

試驗(yàn)期間，進(jìn)水TN的值為15.01~31.31 mg/L。除第9天外，投加1 mg/L濃度游離氯的活性污泥出水TN值（10.93~17.92 mg/L）顯著低于3 mg/L（12.51~20.00 mg/L）、5 mg/L（12.37~18.47 mg/L）和7 mg/L（13.41~16.49 mg/L）（P<0??05）；投加游離氯濃度為3 mg/L、5 mg/L和7 mg/L時(shí)，活性污泥出水的TN值沒(méi)有呈現(xiàn)一定的規(guī)律（見(jiàn)圖5a）。除第6天外，投加7 mg/L濃度化合氯的活性污泥出水TN值（14.05~20.73 mg/L）顯著高于其他投加化合氯的出水TN（見(jiàn)圖5b）。

注：不同字母代表在相同時(shí)間時(shí)不同投加濃度的顯著差異（P<0??05），n=3。

圖5 不同濃度余氯對(duì)活性污泥出水TN的影響

當(dāng)投加游離氯濃度大于等于3 mg/L時(shí)，活性污泥對(duì)TN的去除率為32.15%~34.25%，保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)投加化合氯時(shí)，隨著投加濃度的增加TN去除率呈現(xiàn)下降的現(xiàn)象，于投加化合氯濃度7 mg/L達(dá)到最?。?2.37%,見(jiàn)表5）。

2.2 對(duì)活性污泥沉降性能的影響

研究指出，進(jìn)水余氯大于0.05 mg/L時(shí)，應(yīng)立即對(duì)污泥進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本試驗(yàn)投加游離氯后，活性污泥的MLSS隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)先下降再上升后下降的現(xiàn)象；但在相同的時(shí)間點(diǎn)，不同投加濃度中活性污泥的MLSS和SV30差異也不存在一定規(guī)律（見(jiàn)圖7）。說(shuō)明在投加游離氯和化合氯的情況下，活性污泥的沉降性能良好。

注：不同字母代表在相同時(shí)間時(shí)不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。

圖6 游離氯對(duì)活性污泥沉降性能的影響

注：不同字母代表在相同時(shí)間時(shí)不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。

圖7 化合氯對(duì)活性污泥沉降性能的影響

2.3 對(duì)活性污泥微生物群落的影響

采用高通量測(cè)序得到的序列劃分OTU后，利用Blastn將OTU序列與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，篩選出OTU序列的最佳比對(duì)結(jié)果，并對(duì)比對(duì)結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾，默認(rèn)滿(mǎn)足相似度>90%且Coverage>90%的序列被用來(lái)后續(xù)分類(lèi)，不滿(mǎn)足條件的序列則被歸為unclassified。投加游離氯后，活性污泥中屬水平的微生物組成和相對(duì)豐度如圖8所示。1 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、Cetobacterium和芽孢桿菌屬（Bacillus），相對(duì)豐度分別為32.26%、9.85%和7.70%；3 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、norank_f__JG30-KF-CM45、芽孢桿菌屬（Bacillus），相對(duì)豐度分別為64.05%、7.29%和7.30%；5 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、Cetobacterium和芽孢桿菌屬（Bacillus），相對(duì)豐度分別為43.96%、44.88%和0.76%；7 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為Romboutsia和糞桿菌（Faecalibaculum），相對(duì)豐度分別為23.51%和19.02%。其中，隨著游離氯投加量的增加，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對(duì)豐度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

投加化合氯后，活性污泥中屬水平的微生物組成和相對(duì)豐度如圖9所示。0 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、norank_f__JG30-KF-CM45和芽孢桿菌屬（Bacillus），相對(duì)豐度分別為69.58%、11.26%和2.47%；1 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為糞桿菌（Faecalibaculum）、norank_f__Muribaculaceae和Dubosiella，相對(duì)豐度分別為34.97%、14.07%和10.32%；3 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為Faecalibaculum、Dubosiella和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium），相對(duì)豐度分別為29.04%、10.89%和16.14%；5 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為擬桿菌屬（Bacteroides）和志賀菌屬（Escherichia-Shigella），相對(duì)豐度分別為21.66%和17.50%；7 mg/L試驗(yàn)組中的優(yōu)勢(shì)菌屬為norank_f__Muribaculaceae、擬桿菌屬（Bacteroides）和Lachnospiraceae_NK4A136_ group，相對(duì)豐度分別為13.80%、15.40%和12.46%。其中，化合氯投加后，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對(duì)豐度出現(xiàn)下降，幾乎為0。

芽孢桿菌屬（Bacillus）屬于異養(yǎng)硝化和好氧反硝化菌，具有脫氮功能。研究表明，芽孢桿菌屬（Bacillus）對(duì)NO-3-N的降解效果顯著，達(dá)35.6%。本試驗(yàn)中，隨著游離氯投加濃度的增加，活性污泥對(duì)TN的去除率逐漸降低，芽孢桿菌屬（Bacillus）相對(duì)豐度也呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，投加化合氯后，活性污泥對(duì)TN的去除率較低（22.37%~28.78%），芽孢桿菌屬（Bacillus）相對(duì)豐度幾乎為0。這說(shuō)明游離氯和化合氯通過(guò)降低芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對(duì)豐度來(lái)削弱生物系統(tǒng)的脫氮功能。另外，對(duì)比游離氯和化合氯二者對(duì)TN的去除率，發(fā)現(xiàn)相同投加濃度情況下，投加化合氯的生物系統(tǒng)對(duì)TN去除率低于投加游離氯，說(shuō)明化合氯抑制細(xì)菌脫氮功能高于游離氯。

3 結(jié)論

（1）與未投加游離氯相比，當(dāng)投加游離氯濃度達(dá)到7 mg/L時(shí)，出水COD和NH3-N值顯著增加；投加濃度大于等于5 mg/L時(shí)，出水TP值顯著增加；投加濃度大于等于3 mg/L時(shí)，出水TN值顯著增加。當(dāng)投加化合氯濃度達(dá)到7 mg/L時(shí)，活性污泥的出水COD和TN值顯著增加；投加濃度大于等于5 mg/L時(shí)，出水TP值顯著增加；不同濃度化合氯對(duì)出水NH3-N無(wú)一定的影響趨勢(shì)。對(duì)比二者對(duì)去除率的影響，化合氯對(duì)COD和TN的影響大于游離氯，對(duì)TP的影響小于游離氯。

（2）余氯（0~7 mg/L）對(duì)活性污泥的沉降性能無(wú)顯著性影響。

（3）余氯通過(guò)降低活性污泥中芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對(duì)豐度來(lái)降低活性污泥的脫氮效率。其中，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對(duì)豐度會(huì)隨著游離氯投加量的增加而減少；當(dāng)化合氯投加量超過(guò)1 mg/L時(shí)，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對(duì)豐度幾乎降為0。