A/O复合生物膜工艺处理石油炼化废水
石油炼化过程中会产生大量含油废水，这类废水成分复杂、生物毒性高，直接排放将导致严重的环境问题。A/O工艺（缺氧/好氧工艺）由于操作简单、工艺成熟、高效稳定，广泛应用于石油炼化废水的处理。
但是近年来，伴随着生产油品的重质化和劣质化，以及炼化废水排放标准的提标升级，现有的A/O工艺因存在污泥流失严重、耐冲击性能差、脱氮效率低等问题，难以实现废水的达标排放。A/O复合生物膜工艺，即在传统A/O系统中投加填料，构建活性污泥与生物膜共存系统，以达到固定微生物、提高污染物去除率的目的。该工艺可以减少污泥流失、增强耐冲击能力，进而提高处理效果。A/O复合生物膜工艺适用于污水处理厂的低成本、原位升级改造。
本研究在A/O系统中投加填料构建了A/O复合生物膜系统，对比研究了传统A/O工艺和A/O复合生物膜工艺对石化含油废水的处理效果和微生物群落结构，以期为A/O工艺的升级改造提供参考，为A/O复合生物膜在处理石油炼化废水中的应用提供技术支持。
01
实验材料与方法
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接种污泥和石油炼化废水
缺氧池（A池）和好氧池（O池）接种污泥分别取自辽河石化污水处理厂水解酸化池和CAST池，接种污泥质量浓度分别为3 000、2 600 mg/L，污泥性质如表1所示。
实验采用模拟石油炼化废水，配水用油取自辽河石化公司减压油。模拟废水采用胶体磨机械搅拌方式制得，胶体磨转速和研磨时间分别为2 800 r/min和10 min。废水COD 350~450 mg/L，BOD5/COD 0.23，分别投加NH4Cl和KH2PO4作为氮源和磷源，COD、N与P的质量比基本维持在100:5:1；微量元素组成：CuSO4·5H2O 50 μg/L，FeSO4·7H2O 180 μg/L，CoCl2·6H2O 150 μg/L，MnCl2·H2O 120 μg/L，ZnSO4·7H2O 120 μg/L。进水pH控制在7.5~8.5。
表1 接种污泥特性
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实验装置及运行方式
实验所用A/O反应器为有机玻璃材质，缺氧池高度550 mm，内径400 mm，有效容积69 L；好氧池高度550 mm，内径500 mm，有效容积108 L。缺氧池设有搅拌器，转速70 r/min。曝气系统由外部空气压缩机、气体流量计和好氧池底部环形曝气管组成，好氧池DO控制在3.0~4.0 mg/L，缺氧池DO为0.5~1.0 mg/L。
A/O复合生物膜系统中的缺氧池和好氧池分别装填半软性填料和硬性填料。反应器处理量250 L/d，停留时间16 h，硝化液回流比100%，污泥回流比50%。实验装置见图1。
图1 实验装置示意
A/O反应器运行161 d，不同时期葡萄糖和石油炼化废水的COD如图2所示。
图2 不同时期葡萄糖和石油废水的COD
运行初期（1~12 d），以葡萄糖培养，实现污泥活性的快速恢复。13~92 d为污泥驯化期，逐渐增加石油炼化废水的浓度并降低葡萄糖投加量。
稳定运行期（93~118 d），以石油炼化废水为唯一碳源，经过25 d培养，反应器的COD、NH4+-N和TN去除率达到稳定。
第119天分别向缺氧池和好氧池投加半软性填料和硬性填料，构建A/O复合生物膜系统。运行42 d后，系统处理效能提高并稳定运行。
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测定参数及分析方法
COD采用国家标准方法测定，NH4+-N采用石化水质分析仪（CleverChem Petro，德国）测定，TN采用总有机碳分析仪（TOC-L，岛津，日本）测定，有机物组成采用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS，安捷伦，美国）进行分析。微生物群落结构采用高通量基因测序方法进行分析，测序选取16S rRNA基因组的V3和V4区域进行PCR扩增，扩增引物为515F（5’-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3’）和806R（5’-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3’），样品测序委托上海美吉生物公司完成。
02
结果与讨论
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废水处理效果分析
图3显示了不同工艺对废水COD、NH4+-N、TN的去除效果。
图3 不同工艺对废水COD、NH4+-N、TN的去除效果
由于接种污泥的活性较差，经过12 d的培养，污泥活性恢复，COD、NH4+-N和TN去除率分别达到94.5%、96.22%和95.63%。
污泥驯化期（13~92 d），逐渐提高废水比重，葡萄糖投加量则逐渐降为0，最终系统COD去除率稳定在95%以上；但出水NH4+-N和TN波动较大，特别是30~60 d，出水NH4+-N达到10.1~13.1 mg/L，NH4+-N去除率不足45%，TN去除率仅为32%左右。
稳定运行期（93~118 d），出水COD维持在20 mg/L以下，脱氮效果有所提升，NH4+-N和TN平均去除率分别为80%和79%。
实验结果表明，A/O工艺可实现石油炼化废水大部分有机物的去除，但脱氮性能仍有待提高。
第119天分别向缺氧池和好氧池投加半软性填料和硬性填料，构建了A/O复合生物膜系统。经过42 d的运行，反应器运行基本稳定。相比于A/O工艺，A/O复合生物膜工艺对污染物的去除效果明显提高，出水COD低于10 mg/L，COD平均去除率可达99%，TN去除率由79%提高至94.5%，出水TN低于1.2 mg/L。这表明生物填料可显著强化A/O系统的运行性能，特别是对硝化和反硝化菌的富集。
2
有机物组成分析
采用GC-MS对A/O和A/O复合生物膜工艺的进出水有机物组成进行了分析，结果见表2。
表2 进出水GC-MS分析结果
在废水中可检测到92种化合物，主要为烷烃类（45.67%）、芳香类（9.78%）、酯类（11.38%）、醇类（4.66%）、醛酮醚类（13.2%）、有机酸类（4.22%）、胺类（1.88%）和杂原子类（2.57%）；同时，在废水中还检测到甲苯、萘等有毒物质，表明模拟废水具有石油炼化废水的典型特性，如成分复杂和生物毒性高。
经A/O工艺和A/O复合生物膜工艺处理后废水中有机物的组成变化显著。A/O工艺出水中化合物数量减少到87种，大部分烷烃类化合物被降解，相对丰度由45.67%降至22.34%；而芳香类化合物难以降解，由9.78%增加到14.19%；醛酮醚类化合物则由13.2%增加到30.2%，推测反应过程中产生了醛酮醚类中间产物。
A/O复合生物膜工艺出水中化合物数量降至83种，烷烃类和醛酮醚类化合物的相对丰度分别为16.79%和27.65%，均低于A/O工艺出水的22.34%和30.2%。由此可见，A/O复合生物膜法污染物降解能力更强，更适用于石油炼化废水的处理。
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污泥性能分析
不同时期缺氧池和好氧池的污泥特性见图4。
图4 缺氧池和好氧池污泥VSS/TSS和SVI的变化
由图4可知，随着运行时间的延长，污泥的生物活性不断增强，VSS/TSS值逐渐提高。运行120 d，缺氧池和好氧池VSS/TSS值分别增加了20%和21%。投加填料后（150 d），缺氧池和好氧池VSS/TSS值进一步提高，分别达到91.25%和90.75%，这表明A/O复合生物膜系统更有利于微生物的积累和富集。
SVI是判断污泥沉降性能的重要参数。在整个运行过程中，缺氧池和好氧池的SVI值呈先增后减的变化趋势。第60天，由于废水比重的增加，抑制了微生物的生长，沉降性能降低，SVI值最高（缺氧池：73 mL/g；好氧池：66 mL/g）。稳定运行期，A/O系统（120 d）与A/O复合生物膜系统（150 d）缺氧池的SVI值分别为67、63 mL/g，好氧池SVI值分别为58、56 mL/g，可见A/O复合生物膜系统有效改善了污泥的沉降性能。
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微生物群落分析
（1）物种多样性分析
对接种污泥、A/O系统和A/O复合生物膜系统的微生物群落结构进行研究，结果见表3。样品标签“A”和“O”分别代表缺氧池和好氧池的污泥样本，A0/O0、A1/O1和A2/O2分别代表接种污泥、A/O系统和A/O复合生物膜系统的污泥样品。
表3 Alpha多样性分析结果
每个污泥样本测序深度均大于99.5%，表明测序结果已覆盖样本中的全部序列。Shannon指数和Simpson指数可反映微生物群落的多样性，Shannon指数越大，表示群落多样性越高；而Simpson指数越大，则说明群落多样性越低。如表3所示，A1和O1的Shannon指数分别为4.451 5和4.710 6，均大于A2和O2的4.2058和4.4692，这表明A/O复合生物膜系统比A/O系统更有利于优势菌属的富集。Simpson指数和检测物种数的变化同样印证了这个结果。
（2）微生物群落结构分析
微生物群落结构分析结果表明，A0中菌属主要包括Zoogloea（12.11%）、Saprospira（8.08%）和Azospira（7.02%）。A1中的优势菌属为Xanthomonas（10.11%）、Enterobacter（9.97%）、Clostridium（8.72%）、Zoogloea（6.69%）、Anaerolinea（6.07%）、Alcaligenes（5.74%）和Hyphomicrobium（4.89%）等。
其中，Xanthomonas、Clostridium、Anaerolinea、Alcaligenes为主要的石油降解菌属。Xanthomonas可实现长链烷烃类、芳香烃类有机物的降解；Clostridium为梭菌属，多为化能异养型厌氧菌，可有效降解苯酚类有机物；Anaerolinea为厌氧绳菌属，可降解石油烃类有机物；Alcaligenes为产碱杆菌属，能降解大分子有机物和多环芳烃等。
Enterobacter、Zoogloea和Hyphomicrobium为反硝化菌属。Enterobacter可还原硝酸盐为亚硝酸盐，具有反硝化脱氮及聚磷功能；Zoogloea为兼性好氧菌，可实现硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮的转化和去除；Hyphomicrobium可同时去除有机物和硝态氮。
A2中的主要菌属为Xanthomonas（10.11%）、Clostridium（10.10%）、Enterobacter（9.65%）、Anaerolinea（8.66%）、Alcaligenes（8.14%）、Zoogloea（8.00%）、Hyphomicrobium（6.21%）和Nitrosomonas（5.94%）。
A2与A1的优势菌属基本相同，但相对丰度存在较大差异。A2的石油降解菌和反硝化菌相对丰度分别为37.01%和23.86%，高于A1的30.64%和21.55%。这表明，A/O复合生物膜系统更有利于石油降解菌和反硝化菌的富集。
对于好氧池污泥样本，O1、O2与O0中的菌属差异较大。O1中的优势菌属为Azospira（9.70%）、Nitrospira（8.24%）、Clostridium（6.72%）、Hyphomicrobium（5.34%）、Pseudomonas（5.23%）、Burkholderia（4.54%）和Comamonas（4.32%）。O2中的优势菌属为Nitrospira（11.05%）、Burkholderia（8.34%）、Clostridium（7.10%）、Pseudomonas（6.39%）和Comamonas（5.90%）。
其中，Clostridium、Pseudomonas和Comamonas为石油降解菌。Comamonas为从毛单胞菌属，可降解芳香类、醚类等有机物；Pseudomonas属于假单胞菌科，能去除烷烃类等多种有机污染物。3种菌属在O2的相对丰度达到19.39%，高于O1的16.27%。Nitrospira、Pseudomonas和Burkholderia为硝化菌。Nitrospira为硝化螺旋菌门类，可将亚硝酸盐转化为硝酸盐；Burkholderia为好氧棒状菌，能进行异养硝化-好氧反硝化。3种菌属在O2的相对丰度为25.78%，高于O1的18.01%。Azospira为固氮螺菌属，能以硝酸盐、氨及氨基酸等作为氮源。
这些功能菌属在A/O复合生物模系统的相对丰度明显高于A/O系统，这很好地解释了投加填料后，反应器COD和TN去除效果得到大幅度提升。
03
结论
本研究构建的A/O复合生物膜工艺对石油炼化废水的处理效果良好，系统平均COD、NH4+-N、TN去除率分别达到99.0%、95.5%和94.5%。有机物组成分析发现，该工艺能有效降解石油炼化废水中的烷烃类有机物。
A/O复合生物膜系统污泥具有高生物活性和优良的沉降性能。A/O复合生物膜工艺可促进石油降解菌和脱氮菌的富集，保证系统的高效稳定运行。A/O复合生物膜工艺可作为一种改进A/O工艺的良好策略，用于石油炼化污水处理厂的低成本、原位升级改造。