余氯對污水處理廠生化系統影響的定量研究

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，出水水質出現顯著增加，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）的變化導致活性污泥脫氮效率的降低，且化合氯抑制細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，含氯廢水經市政污水管網進入了污水處理廠。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。當進水中ClO-濃度超過0.5 mg/L時，活性污泥的毒性效應隨著濃度的增加而增強。因此，當投加過量含氯消毒劑時，導致污水中余氯過量，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，既是去除污染物質的核心單元，也是去除、殺滅或抑制病原微生物的最重要環節，為使污水處理廠出水達標排放，必須保證生物處理系統的運行穩定。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急處理提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗在16 L SBR反應器（有機玻璃柱，內徑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。

1.2 方法

在編號1~9的反應器中分別裝入3 L污泥混合液，模擬生物處理系統。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。每個試驗組設置3個平行組。

（1）依照SBR運行模式，按照進水-曝氣-沉淀過程進行，設計排水比為1/3，曝氣時間為3 h，沉淀時間為1 h。曝氣量維持反應器中溶解氧濃度為2~3 mg/L。

（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中。

（3）沉淀1 h后，取上清液500 mL進行水質分析（COD、TN、TP和NH3-N），然后排水至1/3排口處，一個運行周期結束。

（4）一個運行周期結束，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18天，每3天取進出水樣。結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保局標準分析方法，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區分各樣本序列。

1.4 數據處理

用統計軟件SPSS中的One-way ANOVA對試驗組中的COD、TP、TN和NH3-N數據進行差異分析，Tukey test用于COD、TP、TN和NH3-N均值的多重比較，顯著水平設定為P<0.05。

考慮到時間效應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進行了以下的參數計算：

時間加權平均值（WA）見式（1）：

去除率（IR）見式（2）：

式中 WA——時間加權平均值；

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出一定的差異規律（見圖2a）。當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5361%~81.86%，隨化合氯投加濃度的增加而降低。當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）。

2.1.2 TP

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）。

2.1.3 NH3-N

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>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）。

當投加游離氯濃度為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%，出現降低現象。當投加化合氯時，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）。

2.1.4 TN

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<005）；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值沒有呈現一定的規律（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<005），n=3。

圖5 不同濃度余氯對活性污泥出水TN的影響

當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%，保持穩定狀態。當投加化合氯時，隨著投加濃度的增加TN去除率呈現下降的現象，于投加化合氯濃度7 mg/L達到最小（22.37%,見表5）。

2.2 對活性污泥沉降性能的影響

研究指出，進水余氯大于0.05 mg/L時，應立即對污泥進行監測。本試驗投加游離氯后，活性污泥的MLSS隨著時間的推移呈現先下降再上升后下降的現象；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序列與對應數據庫進行比對，篩選出OTU序列的最佳比對結果，并對比對結果進行過濾，默認滿足相似度>90%且Coverage>90%的序列被用來后續分類，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）的相對豐度呈現下降的趨勢。

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）的相對豐度出現下降，幾乎為0。

芽孢桿菌屬（Bacillus）屬于異養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，發現相同投加濃度情況下，投加化合氯的生物系統對TN去除率低于投加游離氯，說明化合氯抑制細菌脫氮功能高于游離氯。

3 結論

（1）與未投加游離氯相比，當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。

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