面對日益嚴峻的資源緊缺壓力，國家推動和鼓勵開展循環經濟發展模式，促進資源綜合利用產業的快速發展。作為節能環保產業的重要組成部分，城市污水處理行業如何實現資源循環利用，是當前的重要任務，也是今后的主導發展方向。城鎮污水廠的剩余污泥大多為微生物細胞體，經過破壁預處理后，提取的蛋白質占污泥質量的30%~60%，因此污水處理廠剩余污泥蛋白質資源化利用越來越受到關注。但是，我國城鎮污水處理廠存在進水含砂量大及預處理段除砂效果不理想的問題，導致剩余污泥的含砂量高、有機質含量低，極大地制約了污泥提取蛋白質的資源化利用途徑。
生物吸附段是通過控制較短的水力停留時間（HRT）和污泥齡（SRT）來培養適應原水環境、可以實現快速增殖的原核微生物，用以吸附進水中的顆粒態物質。因此，生物吸附段的設置會有效減少后續處理段受無機雜質、難降解有機物及有毒有害物質的影響。原水中的氮主要以異化和同化兩種方式被去除，異化即硝化-反硝化作用，同化即微生物利用NH4+-N及污水中的其他物質合成胞內蛋白質，在脫氮的同時，實現污泥量的增長。
進水中的部分有機物轉移到了生物吸附段的污泥中，導致后續處理段缺少生物脫氮除磷所需的碳源。為使整個污水處理系統達到碳源平衡，考慮利用該段污泥發酵產酸作為后續生物處理段的優質碳源。近年來，污泥厭氧發酵產酸技術日趨成熟，發酵液作為活性污泥優質碳源的應用研究取得了良好效果。投加碳源在提高出水質量的同時，可以改變進水中氮的去除途徑，顯著提高氮的同化/異化，最終實現污泥中蛋白質含量及污泥量的同步提高。與污泥減量的傳統思維方式相反，獲取大量高品質污泥是其資源化利用的前提，也是真正實現城市污水處理行業資源循環的關鍵。
因此，筆者采用生物吸附/A2O組合工藝處理某污水廠原水，利用生物吸附段污泥發酵產酸作為優質碳源投加到A2O中，從而獲得高質量的出水水質及高蛋白質含量的污泥，探索符合我國國情的污水處理新思路。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置與運行條件
采用生物吸附/A2O組合工藝處理某污水處理廠旋流沉砂池出水，利用微生物吸附絮凝作用，在生物吸附段去除大部分殘余的無機顆粒物、部分COD及氮磷污染物（主要為顆粒態有機物）；然后經A2O段實現剩余污染物的去除，獲得較高質量的出水水質。為避免生物脫氮除磷碳源不足問題，可在A2O厭氧或缺氧段投加碳源，碳源為生物吸附段污泥的厭氧發酵產物。生物吸附/A2O組合工藝的流程如圖1所示。
設計進水量為50mL/min。生物吸附段有效容積為1.5L，HRT為0.5h，SRT為2d，溶解氧（DO）維持在0.5~1mg/L，混合液懸浮固體濃度（MLSS）為4000~5000mg/L。A2O反應器的總HRT為11.2h，厭氧段、缺氧段和好氧段的HRT分別為1.6、3.2和6.4h，好氧段DO濃度為2~4mg/L，SRT為20d，硝化液回流比為1.5，污泥回流比為0.8，MLSS為3000~4000mg/L。生物吸附段和A2O段的接種污泥均為無錫市某污水處理廠污泥，有機質含量（MLVSS/MLSS）平均值為0.67。
試驗分為兩個階段，第一階段為某污水廠沉砂池出水進入生物吸附段，初沉池出水進入A2O段，在監測出水水質指標的基礎上，監測污泥增量及蛋白質含量。第二階段在此基礎上投加碳源，投加點位為A2O的厭氧段，使用無水乙酸鈉模擬厭氧發酵產物，投加量折算成COD為200mg/L，監測出水水質指標、污泥增量及蛋白質含量的變化情況。
1.2 原水水質
生物吸附/A2O組合工藝進水為無錫市某污水處理廠旋流沉砂池出水，工業廢水的比例約為25%，主要水質指標：COD為250~430mg/L、NH4+-N為26~40mg/L、TN為33~47mg/L、TP為2.6~4.7mg/L、SS為160~270mg/L。
1.3 分析項目及方法
MLSS、MLVSS、COD、NH4+-N、TN、NO3--N、TP、磷酸鹽（PO43--P）采用標準方法測定，蛋白質采用凱氏定氮法測定，元素含量采用元素分析儀測定。微生物同化NH4+-N量以污泥增長量的12%計算，異化量為單位時間內TN去除量減去同化量。
2、結果與討論
2.1 污染物去除效果
2.1.1 氨氮和總氮的變化
生物吸附/A2O工藝對TN、NH4+-N和NO3--N的去除效果如圖2所示。可以看出，進水NO3--N濃度低于0.6mg/L，NH4+-N/TN平均值為84.6%，表明TN中主要為NH4+-N，進水中不可氨化的有機氮含量較少。反應器運行初期，出水NH4+-N和NO3--N濃度都比較高，導致出水TN達到20mg/L左右，出水NH4+-N及TN都遠超過《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準限值。隨著A2O段的MLSS、HRT和好氧池DO濃度的升高，出水NH4+-N濃度下降，但仍在5mg/L左右，無法穩定達到一級A標準。
由于原水經過吸附段之后，大部分顆粒態COD（CODss）被吸附，COD濃度降低了50%左右（見圖3）。碳源的缺乏導致系統反硝化效果不佳，NO3--N濃度始終維持在較高水平，同時也導致TN無法穩定達標。在反應器正常運行的第16天投加碳源后，出水NH4+-N和NO3--N濃度都呈現下降趨勢，TN濃度降低到3mg/L以下，獲得了較高質量的出水水質。硝化菌為化能自養型細菌，碳源的投加對其增殖無明顯促進作用，導致出水NH4+-N濃度顯著降低可能是由于系統中微生物利用氮的同化比例升高，即微生物的大量增殖需要利用污水中的NH4+-N來合成胞內蛋白質。
2.1.2 COD和總磷的變化
生物吸附/A2O組合工藝對COD和TP的去除效果如圖4所示。
從圖4（a）可以看出，在系統運行的第一階段，由于缺少碳源，污泥中微生物的活性受到抑制，使得有機物的降解效率受到影響，出水COD濃度為31~65mg/L，平均值為51mg/L，無法穩定達到一級A標準。在反應器運行的第二階段，碳源的投加提高了系統中異養菌群的活性，微生物的大量生長繁殖使得有機物的濃度進一步降低，出水COD濃度相比第一階段明顯下降，平均值為40.5mg/L，優于一級A標準。
從圖4（b）可以看出，進水TP的組成中大部分為PO43--P，平均占比為75.6%。在反應器運行的第一階段，出水NO3--N濃度較高，平均值為15mg/L，高濃度的NO3--N隨污泥回流至厭氧段，一定程度上抑制了聚磷菌的釋磷作用，平均出水TP為0.46mg/L，存在超標風險。在反應器運行的第二階段，隨著碳源條件的改善以及較低內回流硝態氮濃度（1mg/L以下）使得系統除磷能力明顯提高，出水TP濃度基本維持在0.3mg/L以下，穩定達到了一級A標準。
2.2 污泥增量及蛋白質增量分析
2.2.1 污泥有機質含量的變化
生物吸附段及A2O段污泥有機質含量的變化如圖5所示。
從圖5可以看出，吸附段污泥有機質含量從接種污泥的0.67提高至0.69左右，該段污泥主要為進水中顆粒狀物質的聚合體，這與Yan等采用單獨分離系統去除活性污泥中無機雜質的結果較為一致。本研究中，A2O段污泥有機質含量經過了2個增長階段。由于吸附段截留了進水中殘留的無機顆粒物，在反應器運行的第1~9天，A2O段污泥有機質含量出現了第一個上升過程，由接種污泥的0.67升高到0.73。但由于A2O段進水碳源的缺乏，有機質含量難以進一步升高。在反應器運行的第二階段，隨著碳源的投加，有機質含量進一步升高至0.77左右，相比接種污泥升高14.9%。剩余污泥有機質含量的顯著提高可為提取蛋白質等資源化利用奠定基礎。
2.2.2 污泥增量及氮的同化/異化
A2O系統第一、二階段污泥增量及氮的同化/異化如圖6所示。在第一階段，反應器由于缺乏碳源，污泥量增長較慢，污泥產率僅為0.23gVSS/gCOD，遠低于正常活性污泥系統（0.4~0.7gVSS/gCOD），且反應器運行第一階段氮的同化/異化只有20%左右，與黃滿紅等的研究結果相近，出水NH4+-N存在超標風險，無法獲得更優質的出水。
隨著生物吸附段污泥發酵液的補充，污泥增長率明顯升高，污泥產率可以達到0.72gVSS/gCOD，高于Yan等獲得的污泥產率，說明反應器取得了較好的污泥增量效果。同時，氮的同化/異化也發生了顯著的變化，由第一階段末期的16.6%升高到50.6%，碳源條件的改善使得A2O段異養微生物得以大量增殖，新細胞體的大量合成促進了微生物對污水中NH4+-N及其他污染物的利用。最終，進水中大量的NH4+-N以微生物胞內蛋白質的形式轉移到了污泥中。
2.2.3 A2O段污泥蛋白質含量的變化
活性污泥主要由細菌和微型動物組成，其中蛋白質含量占細菌干質量的50%~60%。Yucesoy等人發現，蛋白質含量約占污泥有機質含量的40%。反應器不同運行階段蛋白質含量的變化表明，A2O段污泥中的蛋白質含量從接種污泥的341.2mg/gMLSS增加至406.3mg/gMLSS，增長率為19.1%，蛋白質含量顯著升高。
排除無機雜質的干擾，以單位有機質含量計算的蛋白質含量也同樣升高，從517.0mg/gMLVSS增加至534.6mg/gMLVSS，增長率為3.4%。此外，通過元素含量分析發現，反應器運行30d后，污泥有機質含量明顯增加，組成細胞體的主要元素氮的含量從4.96%升高至6.71%（見圖7），高于馬蜀等、鄧利等的研究結果，表明通過改善碳源條件，能夠提高污泥的蛋白質含量，這為污泥的資源化利用奠定了基礎。
3、結論
①生物吸附段可有效截留進水中殘留的無機顆粒物，并能將進水中的大部分顆粒態有機物吸附到污泥中，可為該段剩余污泥的厭氧發酵產酸及后續A2O段獲取高蛋白質含量的污泥奠定基礎。
②采用生物吸附/A2O組合工藝處理某污水廠旋流沉砂池出水，在無碳源投加階段，由于生物吸附段去除了51.6%的COD，導致后續A2O段缺少碳源，TN、TP等水質指標均存在超標風險。補充生物吸附段污泥發酵液后，活性污泥整體性能提高，實現了高于一級A的出水水質，其中NH4+-N、TN和TP可以分別達到1、3和0.3mg/L以下。
③由于生物吸附段對原水中殘留無機顆粒物的截留作用及優質碳源的投加，A2O段污泥的有機質含量從0.67升高至0.77，進水中氮的同化/異化從16.6%升高到50.6%。污泥蛋白質含量增長了19.1%，達到406.3mg/gMLSS。氮元素含量的提高也從側面證實了污泥中蛋白質含量的顯著升高，可為下一步蛋白質的提取、純化提供優質原料。（來源：江南大學環境與土木工程學院，江蘇省厭氧生物技術重點實驗室，江蘇高校水處理技術與材料協同創新中心）
