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好氧颗粒污泥和常规活性污泥在微生物除菌和出水水质方面的性能比较：对中水回用的影响
Benjamin J. Thwaites 1, *, Michael D. Short 1,2, Richard M. Stuetz 1, Petra J. Reeve 3,Juan-Pablo Alvarez Gaitan 1, Nirmala，Dinesh 3, Ben van den Akker 3,4,5
（1.UNSW Water Research Centre, School of Civil and Environmental Engineering, University of New South Wales, Sydney, NSW, 2052, Australia；2.Future Industries Institute, University of South Australia, Mawson Lakes, 5095, South Australia, Australia；3.South Australian Water Corporation, Adelaide, 5000, South Australia, Australia；4.Health and Environment Group, School of the Environment, Flinders University, Bedford Park, 5042, South Australia, Australia；5.School of Natural and Built Environments, University of South Australia, Mawson Lakes, 5095, South Australia, Australia）
摘要：好氧颗粒污泥（AGS）技术的应用越来越受欢迎，这主要是由于与传统活性污泥（CAS）系统相比，其需要的物理空间更小，增强了去除生物营养物质的性能，其运行更稳定。迄今为止，AGS去除微生物病原体如大肠杆菌、鞭毛虫和隐孢子虫的功能尚未见报道。本研究比较了从起始阶段到成熟阶段，AGS和CAS对常用病原体代偿物（硫酸盐还原梭菌孢子、f-RNA噬菌体、大肠杆菌和总大肠菌群）的log10去除性能。结果表明，AGS对芽孢以外的所有微生物指标的log10去除性能与CAS相同，芽孢能更有效地在AGS中被去除，可能是由于AGS生物对芽孢的粘附力大于CAS混合液。结果表明， AGS能够达到或超过CAS在水回用时基于健康的病原体去除目标，并且AGS不影响在紫外线透过率（254 nm）方面的二次出水水质（悬浮固体、浑浊度和粒径）。这些研究结果首次证实，采用AGS操作不会因水质改变而对下游三级消毒产生不利影响，也不必在CAS系统所需病原体处理工艺基础上介入进一步的病原体处理。
关键词：好氧颗粒污泥；生物营养物去除；致病性指标去除；废水回收
1 引言
在序批式反应器（SBRs）中使用好氧颗粒污泥（AGS）是基于传统絮凝体的常规活性污泥（CAS）的一种可行替代技术，能够进行二级污水处理。AGS的转化是通过改变SBRs的操作参数来促使CAS絮凝体形成致密、快速沉降的微生物颗粒。转化过程在很大程度上依赖于采用厌氧进水并在排水前减少生物质沉淀时间（Beun et al., 1999; deKreuk, 2006; Pronk et al, 2015）。这些变化选择了生长缓慢的微生物（聚磷生物（PAOs）和聚糖生物（GAOs）），同时洗出缓慢沉降的微生物絮凝物（Bassin et al., 2012; Liu and Liu, 2006）。颗粒污泥沉降速度的提高，可减少循环次数（即增加水力负荷），从而减少污水处理厂（WWTP）的占地面积（即减少基础设施要求）或增加现有污水厂的水力负荷。
CAS工艺从废水中灭活和去除病原体的作用已有广泛研究（George et al., 2002; Koivunen et al., 2003; Lucena et al., 2004; Zhang and Farahbakhsh, 2007）。这些研究表明，病原体可以通过两种主要的方法去除: 捕食和/或者生物质吸附。捕食方式高度依赖生物特性（Raboni et al.,2016），而此前的研究表明，去除细菌功能主要通过发生在需氧阶段的原生动物捕食作用（Curds, 1973）。这与清除病毒相反，病毒的清除主要是通过生物体吸附（Bales et al.， 1993;Gray,1990）。病毒附着在生物体的表面，随后通过微生物介导的失活作用或通过物理沉降进行清除（Arrajet al.,2005;Wu et al.,1993a, 1993b）。CAS操作的配置也会影响病毒的去除，Tanji等人（2002）发现，生物体经历厌氧-好氧处理时，噬菌体（细菌病毒）的吸附会增加。
过去十年中，AGS的优势已有广泛研究与记录，但目前对于生物体结构的变化（从CAS到AGS）对病原体去除性能的影响途径仍无明确认知。在水循环过程中，该认知具有重要意义，同时二次处理也起到了作用，比如CAS，它是病原体去除过程中的关键处理“屏障”，可以使水资源管理和监管机构能充分满足在水回用时基于健康的病原体去除目标 （Wen et al., 2009; NRMMC et al., 2006） ，从而降低额外的三级处理要求。例如，在澳大利亚，废水处理过程（包括CASdare）通常根据已验证细菌、原生动物和病毒病原体的去除性能来分配log10去除值（LRVs），这是中水回用计划的一部分 （NRMMC et al., 2006），它根据国家水回收指导方针设置。这些准则包括所有特定回用方案及再生水最终用途的要求。基于这些准则，配置和操作中可变动部分（如CAS系统）需经验证以证明该过程可安全有效去除病原体。验证过程在常规操作条件下进行，对标准致病性微生物或其替代物（如孢子、噬菌体、粪便大肠菌群）的LRV性能特性进行监测。验证研究表明，在CAS处理过程中，细菌、原生动物和病毒的去除率分别为1.0-2.2、0.7-2.5和1.9-2.5 log10（Wen et al., 2009）。
对于中水回用计划，AGS的病原体去除性能非常重要，因为LRV性能的任何损失都需介入额外三级处理以满足严格基于健康的病原体去除目标，来进行预期最终用途或环境流量排放。另外，进水需额外要求通过不同进水方式控制扩散。此外，当前仍无初始条件下AGS除菌性能的详细信息，这些信息对污水处理厂操作员很重要，因为中水回用计划中，生物形态、表面特征及出水水质都发生了极大变化。此外，后期AGS操作对废水水质影响需纳入考虑，因为水质参数比如总悬浮物（TSS）、浊度、颜色、紫外线透射率（UVT）的任何不利变化都影响效能和紫外线及氯消毒过程的运营成本。氯消毒提供了强力多屏障方法，可用于循环水的健康风险管理。由于病原体LVR性能会产生损失，出水水质变化也需介入额外操作或资本支出，这些会抵消AGS运行带来的节能效果，所以水质参数的影响需经研究调查。
本研究将详细介绍AGS处理（从启动到成熟运用）中的病原菌LRV性能，并将它在中试规模下与CAS运行工序进行同步比较。本研究也详述了LRV性能的可变性，并将之与出水水质的变化联系，水质参数包括UVT、SS和浊度。LRV测定基于回用方案验证协议（维多利亚卫生部，2013年）中四个已识别病原体代偿物的去除方法进行。病原体代偿物包括亚硝酸盐还原梭菌（SRC）孢子（保守原生动物替代物）；f-RNA噬菌体（人类病毒替代物）；大肠杆菌；总大肠菌群（TC）（细菌病原体代用品）。这些替代物被广泛应用于验证试验，因为它们在污水中的含量多于人类病原体，因此可用于测量高强度LRVs。考虑到活性污泥系统中由于捕食作用而使病原体减少的潜在原因，本研究还对两个中试反应器中高等生物的丰度和多样性进行了评估。
2 方法
2.1 中试污水厂
在南澳大利亚阿德莱德的一个城市污水处理厂建立了两个分别使用CAS和AGS的中试反应器（图1b）组成的中试设施。Van Den Akker等人（2015）曾详细描述过本研究中使用的中试污水厂。简而言之，中试反应器的运行容量为61.5-63.5 L，并接收未经处理的城市污水，这些污水从邻近的全规模SBR工厂的入口过滤至z1毫米并进入。典型的饲料污水特性如表1所示。该反应器采用了可编程逻辑控制器来控制进料、曝气、沉降和沉降的SBR循环。这两家中试污水厂都依赖于CAS， 该CAS从邻近的全规模SBR中获得，当达到运行容量时，初始生物量浓度为2 g/L。
CAS和AGS中试操作运行条件见表2。简而言之，CAS操作通过好氧进水和60分钟长沉淀时间来模拟邻近的全规模SBR工艺，而AGS操作是通过厌氧进水和减少沉淀时间至12.5分钟来模拟。
在试验期间（113天），CAS和AGS中试反应器中的浓度分别维持在1.0-2.5 mg/L和0.5-2.5 mg/L之间。在74天（未成熟阶段天数0-73天）内，AGS中试段的沉淀时间从30分钟缩短至12.5分钟，此时中试段已连续运行39天（成熟阶段天数74-113天）。
2.2 监测和分析
污水处理性能是通过在试验过程中使用商业哈希reg;测试套件测量进出水中NH 4 - n, NO2 - n, NO3 - n, PO4 - p和COD含量（分别是10031、10019、10020、8048和8000）来检测。总溶解固体通过HACH sensION 7（美国）方法分析。采用标准方法（APHA, 1998），用30分钟污泥容积指数（SVI30）对混合液进行混合液悬浮固体颗粒（MLSS）、总悬浮固体TSS和沉降性分析。用光学显微镜（尼康，SMZ1000）观察混合液形态变化。丝状细菌和高等生物利用澳大利亚水质中心（澳大利亚阿德莱德）的CAS和成熟AGS生物样品（n=3），根据Eikelboom（2000）和詹金斯et al.（2003）方法识别与枚举。
UVT分析使用GENESYS 6trade; UV-Vis分光光度计（Thermo Electron Corporation, Madison, Wisconsin, USA），将5 mL样品置于石英试管中，在254 nm处分析吸光度。浊度测量使用2100N浊度计（HACH）。将10ml样品放入玻璃试管中，反复颠倒几次进行混合，然后作为浊度单位（NTU）分析和报告。
图1 AGS和CAS运作的SBR中试工厂(A)示意图，显示两个污水采样点(A和B)和(B)现场并排的试验工厂
表1 工程规模的SBR工厂和试验设施接收的高盐城市污水的典型进水污水特征(mg/L)
|
TSS |
NH 4 -N |
TN |
PO4-P |
COD |
|
|
Mean plusmn; 1 S.D. |
150 plusmn; 50 |
29.5 plusmn; 2.8 |
30.6 plusmn; 2.9 |
13.1plusmn;1.71 |
414plusmn; 78.4 |
|
Range (minemax) |
83-260 |
25.9-35.9 |
27.1-37.3 |
9.4-16.4 |
320-574 |
2.3 采样程序
在中试阶段，定期采集经筛选的进水污水、混合液和经处理二次出水样品。从中试反应器前的接入点采集进水污水，在曝气过程中收集混合液样本，并从两个地点收集出水样本：位置A（图1，地点A）和位置B，以此来复制全规模SBRs使用的表面倾堰样品位置（图1，位置B）。样品收集时间在700至1100小时之间，并在当日微生物分析之前储存于低于4℃条件下。
2.4 微生物指标分析
指示性细菌（大肠杆菌和TC）和保守指示硫酸盐还原梭菌（SRC）芽孢经超纯灭菌水（Barnstead）连续稀释后测定。大肠杆菌和TC 100毫升的稀释样本通过0.45毫米网格过滤器过滤膜（47毫米,微孔,S-Pak），将膜置于选择性琼脂（华晨，Oxoid CM1046）干燥板表面，37℃倒置，有氧培养24-36 h。大肠杆菌按蓝色菌落计数，TC按紫色菌落和蓝色菌落计数。通过对氧化酶试纸（Oxoid, MB0266）的阴性反应确认大肠杆菌菌落。使用产气荚膜菌琼脂基质（Oxoid CM0587）和产气荚膜菌选择性补剂（SR0088）对产气荚膜菌进行SRC孢子丰度的测定。样本通过0.45毫米网格过滤器过滤膜（47毫米,Milipore S-Pak）并在35plusmn;1℃条件下倒置培养24到36个小时。稀释前，提取每个样品50毫升溶液加热至70℃，20分钟可使营养细胞失活（Adcock and Saint, 2001）。大肠杆菌、TC和SRC丰度以每100ml的集落形成单位（CFU）表示。
f-RNA噬菌体通过双琼脂层技术进行定量，如Noble et al.（2004）所述。简而言之，大肠杆菌F-amp宿主（ATCC #700891）在TSB中培养直至建立生长阶段（
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