反硝化除磷菌的脱氮除磷效应

反硝化除磷菌的脱氮除磷效应

工艺稳定性分析氮、磷等植物营养化污染物流入水体，藻类和其他微生物异常生长，加速水体的富营养化过程。废水处理厂负责整个城市的废水处理，排放量高。处理效果对整个水体的富营养化过程起着重要作用。2ao工艺由于其综合去除有机物、脱氮、去除磷、处理成本低等优点而闻名。然而，该工艺可以交替操作不同类型的厌氧菌、厌氧菌和好氧。不同类型的微生物（如聚磷菌（pao）、反硝化菌和硝化菌，这将不可避免地导致不同的水质。同时，通过回瘀污泥中传输的亚硝酸盐也会抑制厌氧条件下磷的释放。由于上述矛盾，系统中不可能实现三种不同功能的细菌的最佳生长条件。这种相互分离和限制的影响意味着该工艺中脱氮和除磷效率不高。针对传统A2O工艺存在的矛盾,研究者发现一种兼性厌氧反硝化除磷菌(DPB),该细菌可以在缺氧条件下,利用硝酸盐作为电子受体氧化胞内贮存的PHB,并从环境中摄磷,实现同时反硝化和超量摄磷,在很大程度上缓解了聚磷菌与反硝化菌对碳源的竞争,克服了污水水质特征的不足,提高脱氮除磷效果.与传统脱氮除磷工艺相比,在保证系统对营养物去除的条件下,对COD的需求可减少50%左右,氧的消耗和污泥产量可分别下降30%和50%,因此,强化反硝化除磷现象成为目前解决碳源不足的最佳方式.本试验在传统A2O工艺基础上,重点考察了A2O工艺是否存在反硝化除磷现象及其对系统性能的影响,同时考察了过量曝气对生物除磷效能的作用,在碳源不足条件下,旨在通过“一碳两用”的方式同时实现反硝化脱氮和吸磷作用,为传统推流式活性污泥系统的改造、升级,实现污水回用和资源化开辟新的途径.1试验材料和方法1.1试验系统和运行条件A2/O系统试验装置见图1.装置用有机玻璃制作,合建式推流反应器由8个隔室组成,其中第一个隔室为预缺氧区,第二隔室为厌氧区,第三、四隔室为缺氧区,后4个隔室为好氧区.反应器体积为51L,其中预缺氧区∶厌氧区∶缺氧区∶好氧区体积比为1∶1.5∶2.5∶5.二沉池采用竖流式,体积为25L.如图1所示,进水分为两部分,一部分进入预缺氧区,另一部分进入厌氧区.回流污泥进入预缺氧区,内循环混合液由好氧区最后隔室回流到缺氧区第一隔室.试验进水、回流污泥和硝化液回流流量采用蠕动泵控制,预缺氧区、厌氧区和缺氧区内安装搅拌器.温度由温控仪控制在21℃,试验正常运行条件如下:进水量为150L·d-1,相应HRT为8.5h,SRT为12d,反应器中MLSS为3000mg·L-1,污泥回流比为0.5,内循环回流比为2.5,好氧区DO浓度设定在2～3mg·L-1.1.2试验2.2试验项目及方法试验采用啤酒废水为考察对象,通过控制不同的啤酒投量达到不同COD值,投加NaHCO3和NaOH控制进水的pH值.人工合成废水配方为:啤酒(3～3.4ml·L-1),氯化铵(0.1～0.30g·L-1),KH2PO4(0.02～0.07g·L-1),NaHCO3(0.05～0.15g·L-1),MgSO4·7H2O(0.05g·L-1),CaCl2·2H2O(0.01g·L-1),水质情况见表1.检验分析方法采用国家规定的标准方法,项目包括TCOD、SCOD、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、TN、PO3-4-P、pH、TP、总碱度、DO、ORP、MLSS、MLVSS,水样值经过滤后测定.DO、ORP、pH测定采用WTW-pH/OXi340i便携式在线测定仪.试验接种污泥为城市污水厂排出的剩余污泥,经过连续培养待系统具有良好生物脱氮除磷功能后开始跟踪测定.试验方案见表2.2试验结果与分析2.1第二,系统磷的去除及释放速率A2O工艺作为传统的同步生物脱氮除磷工艺备受青睐,但是,该工艺存在聚磷菌(PAO)和反硝化菌对碳源的竞争,所以,强化碳源的利用对有效提高其脱氮除磷效果具有重要的意义.图2为A2O工艺前两个阶段进水、厌氧区、缺氧区和出水中磷浓度.随着系统的不断进行,由图中可以看出,在前40天内除磷率较低,从最初的22.5%上升到60%,随后在第2阶段系统除磷效率变好,磷去除率从第40天的79.5%上升到100%,平均去除率为95%,进水磷浓度为5.6～8.9mg·L-1,平均出水磷浓度为0.30mg·L-1.另外发现随着厌氧区放磷量的增加,系统出水磷浓度逐渐降低,处理效果逐渐变好,经计算表明,平均吸磷量和平均放磷量的比例为1.28,这也和WarangkanaPunrattanasin的报道一致.图3为A2O工艺前两个阶段系统磷的去除率及缺氧区除磷量占厌氧区总放磷量的百分比.由图3可知,缺氧吸磷量逐渐增加,缺氧区除磷量占厌氧区总放磷量的比率由20%增至65%(第40天),随后当系统除磷效果稳定后,缺氧区除磷量占厌氧区总放磷量的平均比率为71.3%.系统达到稳定状态时,缺氧除磷量平均为22.2mg·L-1,好氧吸磷量平均为8.2mg·L-1.由于缺氧除磷量的增大,降低了好氧区吸磷量,因而一定程度上减少好氧区曝气能耗,在试验运行中为了维持好氧区的设定DO浓度,必须减少曝气量,经计算表明,曝气量减少了25%(控制DO浓度维持基本不变时,供气量从0.42m3·h-1降到0.32m3·h-1),这也充分证明了提高系统反硝化除磷的贡献是可以节省系统的运行费用.一般认为,聚磷菌分为两部分,反硝化聚磷菌和好氧聚磷菌,反硝化聚磷菌利用氧或硝酸盐作为电子受体,好氧聚磷菌只能利用氧作为电子受体.一些研究表明,反硝化聚磷菌以硝酸盐为电子受体时每摩尔电子转移吸收的磷量较以氧为电子受体的低20%～40%,本试验通过对污泥特性进行分析,所得结果高于40%.如图4所示为A2O工艺中污泥的磷释放速率和吸收速率.由图中可以看出,好氧最大比吸磷速率为6.7mgP·gMLSS-1·h-1,缺氧最大比吸磷速率为4.62mgP·(gMLSS)-1·h-1,低于好氧比吸磷速率2.08mgP·(gMLSS)-1·h-1,对应的缺氧条件下PHB消耗速率也低于好氧条件下,与过去研究结果一致.尽管如此,在A2O工艺中反硝化吸磷量明显高于好氧吸磷量,其原因是,聚磷菌在厌氧区将充分利用易于生物降解的挥发性短链脂肪酸进行PHB合成和储存,而在缺氧段DPB以硝酸盐氮为电子受体,以体内的PHB为能量,过量吸收溶液中的磷同时实现氮的去除,在该环境下,由于电子受体和能量均充足,根据Mond模式,聚磷菌吸磷量和聚磷菌的量成正比,虽然缺氧吸磷速率相对于好氧吸磷速率较慢,而进入好氧段PHB明显不足,在较短的时间内完成好氧吸磷过程,导致即使好氧吸磷速率高于缺氧吸磷速率,但PHB的不足限制了好氧吸磷量,与试验结果相符.需要注意的是为了提高缺氧区的吸磷量,必须提供充足的电子受体(即硝酸盐氮),否则硝酸盐氮不充分,甚至为0,一方面会降低缺氧区的吸磷量,另外会导致缺氧区二次放磷,所以对内循环的控制非常重要.2.2出水tn浓度图5为A2O工艺前两个阶段进水、出水总氮浓度以及总氮去除率,由图中可以看出,前两阶段系统对总氮的去除一直都很稳定.在运行期间,进水氨氮浓度为36.6～55.8mg·L-1,平均为45.44mg·L-1;出水TN浓度为7.6～10.8mg·L-1,平均为9.2mg·L-1;平均去除率为79.9%;试验中还发现缺氧区硝态氮浓度基本为1～2mg·L-1,这样一方面极大程度上提高了系统总氮的去除率,也符合Yuan的理论,Yuan通过试验证明,保持缺氧区末端的硝酸氮浓度维持在1～3mg·L-1,可充分利用进水中溶解性可生物降解COD,提高缺氧区反硝化潜力,降低溢流到好氧区COD的量,实现氮的最优控制.另外可以充分提供缺氧区反硝化除磷所需电子受体.2.3cod的去除图6给出了Ⅰ～Ⅱ两个阶段反应器中COD的浓度变化,由图中可以看出,虽然进水COD浓度波动较大,但是系统对COD的去除一直稳定.在运行期间,进水COD浓度为182～460mg·L-1,平均为342.8mg·L-1;出水COD浓度为9.6～37.4mg·L-1,平均为26.5mg·L-1;COD去除率为87.6%～97.35%,平均为92.3%;另外,可以发现,大量COD在厌氧区转化为聚磷菌胞内聚合物PHB而去除,厌氧区出水COD浓度为47.4～118mg·L-1,COD去除率为66.6%～85.8%,平均为75.8%;而缺氧区平均COD去除率仅为9.5%,这也充分证明了反硝化除磷现象的存在,无论进水COD波动多大,厌氧区储存的PHB可以“一碳两用”,在缺氧区实现同步脱氮除磷.2.4除磷效率试验结果及分析为了考察过量曝气对磷去除的影响及其恢复情况,进行了第三阶段试验,试验中,维持进水COD和磷酸盐平均浓度分别为300mg·L-1和7.32mg·L-1.如图7所示,在第80～84系统好氧区运行在高DO浓度下,即过量曝气,由图中分析发现,出水磷浓度从0.37mg·L-1急剧增加到5.7mg·L-1,磷去除率也由95%下降到仅为25.7%.随后降低曝气量,恢复好氧区DO浓度为2～3mg·L-1,可以发现磷出水浓度逐渐好转,经过13天运行,出水磷浓度变为0.89mg·L-1,去除率也达到了87.15%,随后系统除磷率恢复到出现过量曝气状况之前较高的状态.在整个试验过程中发现,厌氧区释磷浓度基本保持不变,平均值为31.49mg·L-1.Brdjanovic等报道周末或大雨时导致污水厂低负荷运行,即使再恢复到正常运行负荷时,系统除磷效率也会发生严重恶化,导致出水磷浓度极高,其主要原因在于当低负荷运行时,没有对曝气系统进行有效控制,导致过量曝气,好氧区DO大大升高,为了维持微生物的生长,聚磷菌内部储存的PHB部分或完全被消耗,PAO内部储存库发生变化,尤其是PHB降到0,PAO体内生成的糖元也被作为微生物生长所需的能量而消耗,实际运行表明,为了保持系统较好的除磷效率,PAO体内应维持最低水平的PHB含量.当系统恢复到正常负荷情况下运行时,磷的释放不会受到很大影响,聚磷菌仍然以最大速率释磷,但是这种释磷过程伴随着无效释磷,并不代表实现了PHB的吸收储存,由于过量曝气导致糖元的部分和全部消耗,厌氧区PHB吸收缺乏还原性物质NADH+,只有通过逐步积累才能恢复其摄磷能力,这是一个逐步完善的过程.PHB的含量限制了磷的吸收量,导致放磷率和吸磷率的不平衡,最终表现结果是磷的去除率下降,只有当PAO体内的PHB积累到一定程度,才能实现系统较高的除磷效率,这个过程一般持续半个月左右.为了有效提高污水厂除磷效率,降低出水磷浓度的变化,应快速克服污水厂进水负荷低或过量曝气的情况,采取有效的控制策略,试验获得,当进水负荷低时由于系统供气量恒定导致过量曝气,即使恢复到正常负荷时,也导致出水磷浓度的恶化时,其控制策略之一是:在低负荷时采取曝气控制策略,减少曝气量,基本维持好氧区DO浓度为2～3mg·L-1,以避免不必要的PHB的消耗;另外一个策略是当低负荷情况下外投碳源到厌氧区或厌氧区出水,这样可以避免PHB和糖元的消耗,维持细胞内最低水平的PHB含量,当正常进水时,仍然可以实现较好的磷出水.另外,如果是在正常运行负荷情况下,由于没有对系统的曝气进行有效的控制,导致好氧区高DO浓度(4～6mg·L-1)时,只要在线控制好氧区DO浓度,可以恢复系统除磷效率.3比较结果分析本文以啤酒废水为研究对象,系统地研究了A2/O工艺中脱氮除磷现象以及过量曝气对除磷效率的影响,主要结论如下.(1)A2/O工艺具有较高的有机物去除、脱氮除磷效率,平均去除率分别为92.3%、79.5%和95.5%,平均出水浓度分别为26.5mg·L-1、9.2mg·L-1和0.32mg·L-1.经计算表明,平均吸磷量和平均放磷量的比例为1.28.(2)在A2/O工艺中的确存在着较好的反硝化除磷现象,缺氧区吸磷量占厌氧区总放磷量的平均比率为71.3%.由于反