石油煉化過程中會(huì)產(chǎn)生大量含油廢水，這類廢水成分復(fù)雜、生物毒性高，直接排放將導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題。A/O工藝（缺氧/好氧工藝）由于操作簡單、工藝成熟、高效穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于石油煉化廢水的處理。

但是近年來，伴隨著生產(chǎn)油品的重質(zhì)化和劣質(zhì)化，以及煉化廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的提標(biāo)升級(jí)，現(xiàn)有的A/O工藝因存在污泥流失嚴(yán)重、耐沖擊性能差、脫氮效率低等問題，難以實(shí)現(xiàn)廢水的達(dá)標(biāo)排放。A/O復(fù)合生物膜工藝，即在傳統(tǒng)A/O系統(tǒng)中投加填料，構(gòu)建活性污泥與生物膜共存系統(tǒng)，以達(dá)到固定微生物、提高污染物去除率的目的。該工藝可以減少污泥流失、增強(qiáng)耐沖擊能力，進(jìn)而提高處理效果。A/O復(fù)合生物膜工藝適用于污水處理廠的低成本、原位升級(jí)改造。

本研究在A/O系統(tǒng)中投加填料構(gòu)建了A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)，對(duì)比研究了傳統(tǒng)A/O工藝和A/O復(fù)合生物膜工藝對(duì)石化含油廢水的處理效果和微生物群落結(jié)構(gòu)，以期為A/O工藝的升級(jí)改造提供參考，為A/O復(fù)合生物膜在處理石油煉化廢水中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

01 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1 接種污泥和石油煉化廢水

缺氧池（A池）和好氧池（O池）接種污泥分別取自遼河石化污水處理廠水解酸化池和CAST池，接種污泥質(zhì)量濃度分別為3 000、2 600 mg/L，污泥性質(zhì)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)采用模擬石油煉化廢水，配水用油取自遼河石化公司減壓油。模擬廢水采用膠體磨機(jī)械攪拌方式制得，膠體磨轉(zhuǎn)速和研磨時(shí)間分別為2 800 r/min和10 min。廢水COD 350~450 mg/L，BOD5/COD 0.23，分別投加NH4Cl和KH2PO4作為氮源和磷源，COD、N與P的質(zhì)量比基本維持在100:5:1；微量元素組成：CuSO4·5H2O 50 μg/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 180 μg/L，CoCl2·6H2O 150 μg/L，MnCl2·H2O 120 μg/L，ZnSO4·7H2O 120 μg/L。進(jìn)水pH控制在7.5~8.5。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式

實(shí)驗(yàn)所用A/O反應(yīng)器為有機(jī)玻璃材質(zhì)，缺氧池高度550 mm，內(nèi)徑400 mm，有效容積69 L；好氧池高度550 mm，內(nèi)徑500 mm，有效容積108 L。缺氧池設(shè)有攪拌器，轉(zhuǎn)速70 r/min。曝氣系統(tǒng)由外部空氣壓縮機(jī)、氣體流量計(jì)和好氧池底部環(huán)形曝氣管組成，好氧池DO控制在3.0~4.0 mg/L，缺氧池DO為0.5~1.0 mg/L。

A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)中的缺氧池和好氧池分別裝填半軟性填料和硬性填料。反應(yīng)器處理量250 L/d，停留時(shí)間16 h，硝化液回流比100%，污泥回流比50%。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

A/O反應(yīng)器運(yùn)行161 d，不同時(shí)期葡萄糖和石油煉化廢水的COD如圖2所示。

運(yùn)行初期（1~12 d），以葡萄糖培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)污泥活性的快速恢復(fù)。13~92 d為污泥馴化期，逐漸增加石油煉化廢水的濃度并降低葡萄糖投加量。

穩(wěn)定運(yùn)行期（93~118 d），以石油煉化廢水為唯一碳源，經(jīng)過25 d培養(yǎng)，反應(yīng)器的COD、NH4+-N和TN去除率達(dá)到穩(wěn)定。

第119天分別向缺氧池和好氧池投加半軟性填料和硬性填料，構(gòu)建A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)。運(yùn)行42 d后，系統(tǒng)處理效能提高并穩(wěn)定運(yùn)行。

3 測(cè)定參數(shù)及分析方法

COD采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，NH4+-N采用石化水質(zhì)分析儀（CleverChem Petro，德國）測(cè)定，TN采用總有機(jī)碳分析儀（TOC-L，島津，日本）測(cè)定，有機(jī)物組成采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS，安捷倫，美國）進(jìn)行分析。微生物群落結(jié)構(gòu)采用高通量基因測(cè)序方法進(jìn)行分析，測(cè)序選取16S rRNA基因組的V3和V4區(qū)域進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增引物為515F（5’-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3’）和806R（5’-GGACTACNVGGGTWTCTAAT-3’），樣品測(cè)序委托上海美吉生物公司完成。

02 結(jié)果與討論

1 廢水處理效果分析

圖3顯示了不同工藝對(duì)廢水COD、NH4+-N、TN的去除效果。

由于接種污泥的活性較差，經(jīng)過12 d的培養(yǎng)，污泥活性恢復(fù)，COD、NH4+-N和TN去除率分別達(dá)到94.5%、96.22%和95.63%。

污泥馴化期（13~92 d），逐漸提高廢水比重，葡萄糖投加量則逐漸降為0，最終系統(tǒng)COD去除率穩(wěn)定在95%以上；但出水NH4+-N和TN波動(dòng)較大，特別是30~60 d，出水NH4+-N達(dá)到10.1~13.1 mg/L，NH4+-N去除率不足45%，TN去除率僅為32%左右。

穩(wěn)定運(yùn)行期（93~118 d），出水COD維持在20 mg/L以下，脫氮效果有所提升，NH4+-N和TN平均去除率分別為80%和79%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，A/O工藝可實(shí)現(xiàn)石油煉化廢水大部分有機(jī)物的去除，但脫氮性能仍有待提高。

第119天分別向缺氧池和好氧池投加半軟性填料和硬性填料，構(gòu)建了A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)。經(jīng)過42 d的運(yùn)行，反應(yīng)器運(yùn)行基本穩(wěn)定。相比于A/O工藝，A/O復(fù)合生物膜工藝對(duì)污染物的去除效果明顯提高，出水COD低于10 mg/L，COD平均去除率可達(dá)99%，TN去除率由79%提高至94.5%，出水TN低于1.2 mg/L。這表明生物填料可顯著強(qiáng)化A/O系統(tǒng)的運(yùn)行性能，特別是對(duì)硝化和反硝化菌的富集。

2 有機(jī)物組成分析

采用GC-MS對(duì)A/O和A/O復(fù)合生物膜工藝的進(jìn)出水有機(jī)物組成進(jìn)行了分析，結(jié)果見表2。

在廢水中可檢測(cè)到92種化合物，主要為烷烴類（45.67%）、芳香類（9.78%）、酯類（11.38%）、醇類（4.66%）、醛酮醚類（13.2%）、有機(jī)酸類（4.22%）、胺類（1.88%）和雜原子類（2.57%）；同時(shí)，在廢水中還檢測(cè)到甲苯、萘等有毒物質(zhì)，表明模擬廢水具有石油煉化廢水的典型特性，如成分復(fù)雜和生物毒性高。

經(jīng)A/O工藝和A/O復(fù)合生物膜工藝處理后廢水中有機(jī)物的組成變化顯著。A/O工藝出水中化合物數(shù)量減少到87種，大部分烷烴類化合物被降解，相對(duì)豐度由45.67%降至22.34%；而芳香類化合物難以降解，由9.78%增加到14.19%；醛酮醚類化合物則由13.2%增加到30.2%，推測(cè)反應(yīng)過程中產(chǎn)生了醛酮醚類中間產(chǎn)物。

A/O復(fù)合生物膜工藝出水中化合物數(shù)量降至83種，烷烴類和醛酮醚類化合物的相對(duì)豐度分別為16.79%和27.65%，均低于A/O工藝出水的22.34%和30.2%。由此可見，A/O復(fù)合生物膜法污染物降解能力更強(qiáng)，更適用于石油煉化廢水的處理。

3 污泥性能分析

不同時(shí)期缺氧池和好氧池的污泥特性見圖4。

由圖4可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，污泥的生物活性不斷增強(qiáng)，VSS/TSS值逐漸提高。運(yùn)行120 d，缺氧池和好氧池VSS/TSS值分別增加了20%和21%。投加填料后（150 d），缺氧池和好氧池VSS/TSS值進(jìn)一步提高，分別達(dá)到91.25%和90.75%，這表明A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)更有利于微生物的積累和富集。

SVI是判斷污泥沉降性能的重要參數(shù)。在整個(gè)運(yùn)行過程中，缺氧池和好氧池的SVI值呈先增后減的變化趨勢(shì)。第60天，由于廢水比重的增加，抑制了微生物的生長，沉降性能降低，SVI值最高（缺氧池：73 mL/g；好氧池：66 mL/g）。穩(wěn)定運(yùn)行期，A/O系統(tǒng)（120 d）與A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)（150 d）缺氧池的SVI值分別為67、63 mL/g，好氧池SVI值分別為58、56 mL/g，可見A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)有效改善了污泥的沉降性能。

4 微生物群落分析

（1）物種多樣性分析

對(duì)接種污泥、A/O系統(tǒng)和A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果見表3。樣品標(biāo)簽“A”和“O”分別代表缺氧池和好氧池的污泥樣本，A0/O0、A1/O1和A2/O2分別代表接種污泥、A/O系統(tǒng)和A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)的污泥樣品。

每個(gè)污泥樣本測(cè)序深度均大于99.5%，表明測(cè)序結(jié)果已覆蓋樣本中的全部序列。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)可反映微生物群落的多樣性，Shannon指數(shù)越大，表示群落多樣性越高；而Simpson指數(shù)越大，則說明群落多樣性越低。如表3所示，A1和O1的Shannon指數(shù)分別為4.451 5和4.710 6，均大于A2和O2的4.2058和4.4692，這表明A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)比A/O系統(tǒng)更有利于優(yōu)勢(shì)菌屬的富集。Simpson指數(shù)和檢測(cè)物種數(shù)的變化同樣印證了這個(gè)結(jié)果。

（2）微生物群落結(jié)構(gòu)分析

微生物群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，A0中菌屬主要包括Zoogloea（12.11%）、Saprospira（8.08%）和Azospira（7.02%）。A1中的優(yōu)勢(shì)菌屬為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為主要的石油降解菌屬。Xanthomonas可實(shí)現(xiàn)長鏈烷烴類、芳香烴類有機(jī)物的降解；Clostridium為梭菌屬，多為化能異養(yǎng)型厭氧菌，可有效降解苯酚類有機(jī)物；Anaerolinea為厭氧繩菌屬，可降解石油烴類有機(jī)物；Alcaligenes為產(chǎn)堿桿菌屬，能降解大分子有機(jī)物和多環(huán)芳烴等。

Enterobacter、Zoogloea和Hyphomicrobium為反硝化菌屬。Enterobacter可還原硝酸鹽為亞硝酸鹽，具有反硝化脫氮及聚磷功能；Zoogloea為兼性好氧菌，可實(shí)現(xiàn)硝酸鹽、亞硝酸鹽和氨氮的轉(zhuǎn)化和去除；Hyphomicrobium可同時(shí)去除有機(jī)物和硝態(tài)氮。

A2中的主要菌屬為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與A1的優(yōu)勢(shì)菌屬基本相同，但相對(duì)豐度存在較大差異。A2的石油降解菌和反硝化菌相對(duì)豐度分別為37.01%和23.86%，高于A1的30.64%和21.55%。這表明，A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)更有利于石油降解菌和反硝化菌的富集。

對(duì)于好氧池污泥樣本，O1、O2與O0中的菌屬差異較大。O1中的優(yōu)勢(shì)菌屬為Azospira（9.70%）、Nitrospira（8.24%）、Clostridium（6.72%）、Hyphomicrobium（5.34%）、Pseudomonas（5.23%）、Burkholderia（4.54%）和Comamonas（4.32%）。O2中的優(yōu)勢(shì)菌屬為Nitrospira（11.05%）、Burkholderia（8.34%）、Clostridium（7.10%）、Pseudomonas（6.39%）和Comamonas（5.90%）。

其中，Clostridium、Pseudomonas和Comamonas為石油降解菌。Comamonas為從毛單胞菌屬，可降解芳香類、醚類等有機(jī)物；Pseudomonas屬于假單胞菌科，能去除烷烴類等多種有機(jī)污染物。3種菌屬在O2的相對(duì)豐度達(dá)到19.39%，高于O1的16.27%。Nitrospira、Pseudomonas和Burkholderia為硝化菌。Nitrospira為硝化螺旋菌門類，可將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為硝酸鹽；Burkholderia為好氧棒狀菌，能進(jìn)行異養(yǎng)硝化-好氧反硝化。3種菌屬在O2的相對(duì)豐度為25.78%，高于O1的18.01%。Azospira為固氮螺菌屬，能以硝酸鹽、氨及氨基酸等作為氮源。

這些功能菌屬在A/O復(fù)合生物模系統(tǒng)的相對(duì)豐度明顯高于A/O系統(tǒng)，這很好地解釋了投加填料后，反應(yīng)器COD和TN去除效果得到大幅度提升。

03 結(jié)論

本研究構(gòu)建的A/O復(fù)合生物膜工藝對(duì)石油煉化廢水的處理效果良好，系統(tǒng)平均COD、NH4+-N、TN去除率分別達(dá)到99.0%、95.5%和94.5%。有機(jī)物組成分析發(fā)現(xiàn)，該工藝能有效降解石油煉化廢水中的烷烴類有機(jī)物。

A/O復(fù)合生物膜系統(tǒng)污泥具有高生物活性和優(yōu)良的沉降性能。A/O復(fù)合生物膜工藝可促進(jìn)石油降解菌和脫氮菌的富集，保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。A/O復(fù)合生物膜工藝可作為一種改進(jìn)A/O工藝的良好策略，用于石油煉化污水處理廠的低成本、原位升級(jí)改造。