余氯對污水處理廠生化系統(tǒng)影響的定量研究
特殊時期會使含氯消毒劑的使用增多，最終可能進入污水處理廠影響生物處理效果。探討不同濃度的余氯（游離氯和化合氯）對活性污泥處理效果的影響，并觀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，出水水質(zhì)出現(xiàn)顯著增加，且化合氯對COD和TN去除抑制作用大于游離氯，對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1 mg/L時，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，武漢市公共場所和家庭為了加強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)進入了污水處理廠。汪永輝研究表明，廢水pH控制在7.5左右，當(dāng)余氯計量逐漸增大（0.1~3.0 mg/L）時，COD與BOD去除率呈下降趨勢。且余氯計量大于2.5 mg/L時，活性污泥絮體解體，原生動物大量死亡。當(dāng)進水中ClO-濃度超過0.5 mg/L時，活性污泥的毒性效應(yīng)隨著濃度的增加而增強。因此，當(dāng)投加過量含氯消毒劑時，導(dǎo)致污水中余氯過量，可能抑制活性污泥活性，影響生物處理效果。
污水處理廠生物處理單元，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)，為使污水處理廠出水達標(biāo)排放，必須保證生物處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。本研究旨在通過模擬不同濃度進水余氯（游離氯及化合氯）的進水條件，研究余氯對污水處理廠生物處理系統(tǒng)的生化處理效果、活性污泥性狀和微生物等方面的影響，為污水處理廠在重大疫情時的應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。
1 材料與方法
1.1 材料
試驗在16 L SBR反應(yīng)器（有機玻璃柱，內(nèi)徑15 cm，高度95 cm，配曝氣頭、空氣泵、氣體流量計、進水口、排水口、取樣口和排泥口）中進行（見圖1）。活性污泥采自武漢市某污水處理廠二期氧化溝活性污泥混合液，原水采自該污水處理廠沉砂池出水。試驗藥劑（次氯酸鈉、氯胺T）購買于國藥集團。
圖1 試驗裝置
1.2 方法在編號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），模擬污水處理廠受到的余氯進水沖擊情況，配水濃度見表1。每個試驗組設(shè)置3個平行組。
表1 不同試驗組中余氯配水濃度
�。�2）運行第3 h開始污泥濃度進行檢測，測定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進行水質(zhì)分析（COD、TN、TP和NH3-N），然后排水至1/3排口處，一個運行周期結(jié)束。
�。�4）一個運行周期結(jié)束，重新開始進水進入下一運行周期。夜間停止進水，曝氣減弱。
試驗持續(xù)18天，每3天取進出水樣。結(jié)束時取污泥混合液測定活性污泥的微生物群落。
1.3 樣品分析
進出水樣COD、TP、TN和NH3-N的測定均按照國家環(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，計算SV30值（V2/V1×100%）；取100 mL污泥混合液過濾，濾紙于105 ℃烘至恒重，計算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）試劑盒說明書。隨后選用V3~V4通用引物進行16S rDNA擴增，將擴增好的PCR產(chǎn)物的兩個末端加上接頭，采用Illmnina公司的Miseq測序儀進行測序分析。測序完成后，通過Barcode區(qū)分各樣本序列。
1.4 數(shù)據(jù)處理
用統(tǒng)計軟件SPSS中的One-way ANOVA對試驗組中的COD、TP、TN和NH3-N數(shù)據(jù)進行差異分析，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。
考慮到時間效應(yīng)以及更好比較游離氯和化合氯對活性污泥處理性能影響，對COD、TP、TN和NH3-N進行了以下的參數(shù)計算：
時間加權(quán)平均值（WA）見式（1）：
去除率（IR）見式（2）：
V——每次采樣時出水COD、TP、TN和NH3-N值；
IR——去除率；
C——進水中COD、TP、TN和NH3-N值。
2 結(jié)果與討論
2.1 對活性污泥處理效果的影響
2.1.1 COD
試驗期間，進水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在試驗期間沒有表現(xiàn)出一定的差異規(guī)律（見圖2a）。當(dāng)投加余氯為化合氯時，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，見圖2b）。
注：不同字母代表在相同時間時不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。
圖2 不同濃度余氯對活性污泥出水COD的影響
投加游離氯時，活性污泥對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；投加化合氯的活性污泥對COD去除率為5361%~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，活性污泥對COD去除率達到最小值。且在相同投加濃度下，化合氯對活性污泥去除COD的影響比游離氯大（見表2）。 表2 在不同余氯下活性污泥對COD的去除率
試驗期間，進水TP的值為1.57~5.90 mg/L。除第9天和第12天，在其他時間內(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（見圖3a）。當(dāng)投加不同濃度化合氯時，從第6天開始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，見圖3b）。
注：不同字母代表在相同時間時不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。
圖3 不同濃度余氯對活性污泥出水TP的影響
活性污泥對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3 mg/L時，活性污泥對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，活性污泥對COD去除率達到最小值。且在相同投加濃度下（除1 mg/L），游離氯對活性污泥去除TP的影響比化合氯大（見表3）。 表3 在不同余氯下活性污泥對TP的去除率
試驗期間，進水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，活性污泥出水的NH3-N值無顯著性差異（第3天P>005；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NH3N（0.18~5.27 mg/L）顯著高于其他濃度的出水（P<0.05，見圖4a）。投加化合氯時，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的投加濃度下達到最大（P<0.05,見圖4b）。
注：不同字母代表在相同時間時不同投加濃度的顯著差異（P<005），n=3。
圖4 不同濃度余氯對活性污泥出水NH3-N的影響
當(dāng)投加游離氯濃度為1~5 mg/L時，活性污泥對NH3-N的去除率為98.76%~98.85%；投加游離氯濃度為7 mg/L時，對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，活性污泥對NH3-N的去除率（97.99%~98.86%）不受投加濃度的影響（見表4）。 表4 在不同余氯下活性污泥對NH3-N的去除率
試驗期間，進水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<005）；投加游離氯濃度為3 mg/L、5 mg/L和7 mg/L時，活性污泥出水的TN值沒有呈現(xiàn)一定的規(guī)律（見圖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（見圖5b）。
注：不同字母代表在相同時間時不同投加濃度的顯著差異（P<005），n=3。
圖5 不同濃度余氯對活性污泥出水TN的影響
當(dāng)投加游離氯濃度大于等于3 mg/L時，活性污泥對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，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達到最�。�22.37%,見表5）。 表5 在不同余氯下活性污泥對TN的去除率
研究指出，進水余氯大于0.05 mg/L時，應(yīng)立即對污泥進行監(jiān)測。本試驗投加游離氯后，活性污泥的MLSS隨著時間的推移呈現(xiàn)先下降再上升后下降的現(xiàn)象；但在相同的時間點，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（見圖7）。說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間時不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。
圖6 游離氯對活性污泥沉降性能的影響
注：不同字母代表在相同時間時不同投加濃度的顯著差異（P<0.05），n=3。
圖7 化合氯對活性污泥沉降性能的影響
2.3 對活性污泥微生物群落的影響采用高通量測序得到的序列劃分OTU后，利用Blastn將OTU序列與對應(yīng)數(shù)據(jù)庫進行比對，篩選出OTU序列的最佳比對結(jié)果，并對比對結(jié)果進行過濾，默認(rèn)滿足相似度>90%且Coverage>90%的序列被用來后續(xù)分類，不滿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豐度如圖8所示。1 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、Cetobacterium和芽孢桿菌屬（Bacillus），相對豐度分別為32.26%、9.85%和7.70%；3 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、norank_f__JG30-KF-CM45、芽孢桿菌屬（Bacillus），相對豐度分別為64.05%、7.29%和7.30%；5 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、Cetobacterium和芽孢桿菌屬（Bacillus），相對豐度分別為43.96%、44.88%和0.76%；7 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為Romboutsia和糞桿菌（Faecalibaculum），相對豐度分別為23.51%和19.02%。其中，隨著游離氯投加量的增加，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對豐度呈現(xiàn)下降的趨勢。
圖8 投加游離氯后活性污泥中微生物在屬水平上群落結(jié)構(gòu)分布
投加化合氯后，活性污泥中屬水平的微生物組成和相對豐度如圖9所示。0 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為分支桿菌屬（Mycobacterium）、norank_f__JG30-KF-CM45和芽孢桿菌屬（Bacillus），相對豐度分別為69.58%、11.26%和2.47%；1 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為糞桿菌（Faecalibaculum）、norank_f__Muribaculaceae和Dubosiella，相對豐度分別為34.97%、14.07%和10.32%；3 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為Faecalibaculum、Dubosiella和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium），相對豐度分別為29.04%、10.89%和16.14%；5 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為擬桿菌屬（Bacteroides）和志賀菌屬（Escherichia-Shigella），相對豐度分別為21.66%和17.50%；7 mg/L試驗組中的優(yōu)勢菌屬為norank_f__Muribaculaceae、擬桿菌屬（Bacteroides）和Lachnospiraceae_NK4A136_ group，相對豐度分別為13.80%、15.40%和12.46%。其中，化合氯投加后，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對豐度出現(xiàn)下降，幾乎為0。
圖9 投加化合氯后活性污泥中微生物在屬水平上群落結(jié)構(gòu)分布
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NO-3-N的降解效果顯著，達35.6%。本試驗中，隨著游離氯投加濃度的增加，活性污泥對TN的去除率逐漸降低，芽孢桿菌屬（Bacillus）相對豐度也呈下降趨勢。同時，投加化合氯后，活性污泥對TN的去除率較低（22.37%~28.78%），芽孢桿菌屬（Bacillus）相對豐度幾乎為0。這說明游離氯和化合氯通過降低芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對豐度來削弱生物系統(tǒng)的脫氮功能。另外，對比游離氯和化合氯二者對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TN去除率低于投加游離氯，說明化合氯抑制細(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)投加游離氯濃度達到7 mg/L時，出水COD和NH3-N值顯著增加；投加濃度大于等于5 mg/L時，出水TP值顯著增加；投加濃度大于等于3 mg/L時，出水TN值顯著增加。當(dāng)投加化合氯濃度達到7 mg/L時，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，出水TP值顯著增加；不同濃度化合氯對出水NH3-N無一定的影響趨勢。對比二者對去除率的影響，化合氯對COD和TN的影響大于游離氯，對TP的影響小于游離氯。
�。�2）余氯（0~7 mg/L）對活性污泥的沉降性能無顯著性影響。
�。�3）余氯通過降低活性污泥中芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對豐度來降低活性污泥的脫氮效率。其中，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對豐度會隨著游離氯投加量的增加而減少；當(dāng)化合氯投加量超過1 mg/L時，芽孢桿菌屬（Bacillus）的相對豐度幾乎降為0。( 孫健等)
