在AO工藝中過度曝氣對磷的吸收和生物除磷影響的研究

1、中文譯文：Desalination189（2006）155164在AO工藝中過度曝氣對磷的吸收和生物除磷影響的研究Yong-zhen Peng, Xiao-lian Wanga, Bai-kun Li北京水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京工業(yè)大學(xué)，平樂園100, 朝陽區(qū)， 北京 100022,中國電話/傳真+86 (10) 67392627; 電子郵件: wxl921環(huán)境工程項目，賓夕法尼亞州立大學(xué)哈里斯堡，米德爾敦，PA 17057，美國收到2004年9月20 ；接受2005年6月7日摘要在改進(jìn)的AO系統(tǒng)中，對反硝化聚磷有機(jī)物的發(fā)生過程和對生物脫氮所起的作用進(jìn)行了調(diào)查。此外，對過度通氣對生物除磷

2、（BPR）的影響進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的AO工藝相比改進(jìn)AO工藝中可能發(fā)生了缺氧吸磷?？梢詫崿F(xiàn)對化學(xué)需氧量，總磷，氨氮和總氮好的去除率（分別為92.3%，95.5%，96%和79.5%）。此外，對污泥的分析表明，在這樣的系統(tǒng)中厭氧吸磷率相比有氧吸磷效率能夠達(dá)到69%，硝酸鹽濃度和有機(jī)基質(zhì)引入了對厭氧階段磷的吸收有顯著影響。也有人發(fā)現(xiàn)，如果在良好的缺氧磷吸收條件下，空氣供應(yīng)沒有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，對活性污泥過度曝氣可能導(dǎo)致生物除磷過程的惡化。關(guān)鍵詞：AO工藝；缺氧生物吸磷；過度曝氣；脫氮除磷1. 引言 在過去的幾十年中，生物脫氮除磷（BNR）的進(jìn)程已廣泛用于處理含氮和磷的廢水，同時相比于其他化

3、學(xué)方法，在經(jīng)濟(jì)效益上占有優(yōu)勢的化學(xué)需氧量（COD）對防止水體富營養(yǎng)化也起到了很好的效果。生物脫氮除磷系統(tǒng)的發(fā)展包括序批式反應(yīng)器（SBR法），開普頓大學(xué)（UCT）系統(tǒng)，Bardenpho工藝和厭氧-缺氧-好氧（AO）系統(tǒng)等，在這些系統(tǒng)中，最常用的方法是AO工藝。它是一種把單污泥暫停生長系統(tǒng)納入?yún)捬酰毖?，和好氧階段序列中的工藝。在這個系統(tǒng)中，反硝化菌發(fā)揮重要作用，脫氮和磷酸鹽積累的有機(jī)體（PAOs）負(fù)責(zé)增強(qiáng)生物除磷（EBPR）。這兩種微生物需要碳源（或COD）進(jìn)行獨立反應(yīng)。因此，為了去除氮和磷，提供足夠的COD是一個重要的的限制因素。Sorm 1 發(fā)現(xiàn)這一對COD供應(yīng)量的要求導(dǎo)致反硝化反應(yīng)速度的

4、降低，原因是在氧條件下發(fā)生了螯合反應(yīng)。因此，在厭氧條件下反硝化細(xì)菌不適宜生存。 不過，雖然硝酸鹽的存在不適于磷的吸收，但Comeau 等人 2 還是發(fā)現(xiàn)了缺氧或反硝化條件下磷酸鹽的吸收 3,4 。這一現(xiàn)象證明了某些聚磷細(xì)菌，反硝化聚磷生物體（DNPAOs），有能力使用硝酸鹽而不是氧氣作為電子受體 5-7 。如果反硝化聚磷生物體（DNPAOs）出現(xiàn)在AO系統(tǒng)中，他們可以抵消磷存在的負(fù)面影響，而由由普通異養(yǎng)生物（OHOs）去除磷酸鹽，他們主要是反硝化細(xì)菌。一些生物脫氮除磷的進(jìn)程（SBR，UCT，dephonox等） 8-10 中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的存在。庫巴等人 11 提出反

5、硝化聚磷生物體（DNPAOs）在化學(xué)計量和動力學(xué)性質(zhì)方面與脫氮和磷酸鹽積累的有機(jī)體 也有類似的功能和特點。在生物脫氮除磷系統(tǒng)中使用反硝化聚磷生物體（DNPAOs）是十分有利于減少COD需求，從而降低曝氣成本和減少污泥產(chǎn)量。 目前，一些研究證實，在AO系統(tǒng)12,13中缺氧條件下能發(fā)生磷的吸收反應(yīng)。此外，反硝化聚磷生物體（DNPAOs）在A2O系統(tǒng)中的作用尚不清楚。本研究的主要目標(biāo)是為了優(yōu)化反硝化聚磷生物體（DNPAOs）降低在去除氮和磷的過程中對COD的需求。為此，在A2O系統(tǒng)中我們對反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的積累對氮，磷和COD去除率作出的貢獻(xiàn)進(jìn)行了研究。對影響缺氧磷吸收的幾個因素進(jìn)行

6、了測試。此外，對過量曝氣對磷的吸收產(chǎn)生的負(fù)面影響也進(jìn)行了研究。2. 材料與方法2.1 反應(yīng)器系統(tǒng)早這項研究中（圖1）將會用到一個模擬的厭氧-缺氧-好氧（AO）反應(yīng)器與一個工作貨量為50.4升的容器。在反應(yīng)器中有8個區(qū)域，用分離擋板實現(xiàn)厭氧、缺氧和好氧條件。前兩個區(qū)域作為缺氧反應(yīng)區(qū)，而其余4個區(qū)域有氧反應(yīng)區(qū)并通過那些曝氣系統(tǒng)分隔開。在每個厭氧和好氧區(qū)內(nèi)通過攪拌器的攪拌來保持足夠的生物量。通過在每個好氧區(qū)提供加壓空氣并進(jìn)行長時間的擴(kuò)散來提供氧氣。每個區(qū)域都要提供足夠的需氧量，合適的pH值和ORP傳感器。由控制水泵來控制硝酸鹽再循環(huán)流，污泥循環(huán)流量和進(jìn)水流量。AO系統(tǒng)中的廢水是由一個容積為25L的圓

7、筒形澄清池來提供的。AO系統(tǒng)的設(shè)計和操作參數(shù)的配置見表1，進(jìn)水的化學(xué)指標(biāo)見表2。2.2 廢水和污泥 在這項研究中用的綜合廢水（每公升）：釀造工業(yè)廢水（乙醇含量為3.5%，COD 114g/l），2.83.4ml；NHCl，.0200.3g；KHPO,0.020.08g；MgSO.7HO，0.05g；NaHCO,0.050.15g還有CaCl.2HO，0.01g。加入碳酸氫鈉和氫氧化鈉溶液控制pH值在7.27.6.溫度控制在2023.反應(yīng)器的活性污泥來自文昌污水處理廠（中國哈爾濱），他是一個應(yīng)用反硝化去除含氮物質(zhì)的污水處理廠。對啤酒廢水處理數(shù)據(jù)的檢驗表明該系統(tǒng)可以再2個月內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。定期從不

8、同地區(qū)采集樣本進(jìn)行氨氮，硝酸鹽，亞硝酸鹽，總氮（TN），總磷（TP），磷酸鹽，化學(xué)需氧量，生化需氧量，混合液懸浮固體濃度（MLSS）溶解氧，ph，ORP控制在反應(yīng)條件下。實驗時間進(jìn)行了半年時間，分為三個階段，如圖表3所示。2.3 批次測序 進(jìn)行批次實驗的污泥是在第72天從AO系統(tǒng)中提取的。由于在散裝液體中P釋放回影響第二澄清階段所以污泥首先要經(jīng)過5分鐘的曝氣以減少磷的濃度。當(dāng)醋酸鈉和磷酸鹽的濃度分別控制在206毫克/升和19毫克/升時加入醋酸鈉和磷酸鹽的混合液（PO）,此時混合液懸浮固體濃度會控制在3.6克/升。這個檢測被放在20條件下的一個5L的SBR反應(yīng)器中進(jìn)行。通過調(diào)節(jié)加入0.05mol

9、/L的硫酸量把pH值控制在7.2左右上下浮動?；旌弦涸趨捬鯒l件下反應(yīng)4h，然后它被分為兩部分：一個是暴露在有氧的條件下三小時（壓縮的空氣通過一個在反應(yīng)器底部的擴(kuò)散器進(jìn)入反應(yīng)器）。另一個則被放在缺氧條件下3h，硝酸鉀（硝酸鹽濃度是足夠的）投加量為19毫克/升，同時再液面以下沖入氮氣，以防止空氣滲透進(jìn)入反應(yīng)器。因為磷酸鹽濃度的降低，有氧磷酸鹽攝取率也會相應(yīng)的降低。缺氧磷酸鹽攝取率與有氧磷酸鹽攝取率的比例被命名為k。 2.4 分析方法 化學(xué)需氧量，生化需氧量，混合液懸浮固體濃度，堿度，氨氮，NO-N,NO-N,TN,TP和PO-P的測量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法(APHA, 1995)14。3. 結(jié)果與討論3.1

10、 通過調(diào)整內(nèi)部再循環(huán)比率來改變反硝化聚磷生物體（DNPAOs）積累量 這是人們所共知的，如果硝酸鹽是完全消耗在缺氧區(qū)，在P釋放可能發(fā)生的環(huán)境中缺氧區(qū)將變成為厭氧。此外，在早期的調(diào)查中觀察到各種缺氧磷吸收將發(fā)生在傳統(tǒng)的生物脫氮除磷活性污泥法(BNRAS)系統(tǒng)中15。主要的原因是在缺氧區(qū)反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的產(chǎn)生和硝酸鹽進(jìn)入時缺氧條件下的磷吸收。因此，Yuan等人16指出實驗應(yīng)用內(nèi)部循環(huán)控制各階段反應(yīng)來增加反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的積累。K比值與R（內(nèi)部再循環(huán)的比率）不斷改變在反硝化聚磷生物體（DNPAOs）產(chǎn)生的過程。結(jié)果表明，即k增加是隨R的增加而增加的。這一發(fā)現(xiàn)表明，較高

11、的R值可避免缺氧條件下硝酸鹽的全部消耗，從而促進(jìn)反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的積累。3.2 缺氧吸磷的研究圖3顯示了在A2/o反應(yīng)在第一階段和第二階段硝酸鹽和磷的濃度。最初與同比率的缺氧磷吸收和厭氧磷吸收相比缺氧林的吸收效率極差，在第20天只有22.5%。這樣低的磷吸收率，主要是由于反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的增加，磷吸收率的比例在第60天上升至60%，在第80天上升至79.5%。同時NON可以被有效的減少。結(jié)果表明PAOs的懸浮物有兩部分組成：一部分是利用氧或硝酸鹽作為電子受體，另一部分只用氧氣作為電子受體。在A2O系統(tǒng)中，缺氧吸磷可以發(fā)生在有利條件下。3.3 生物脫氮除磷的情況3

12、.3.1除磷圖4顯示了AO系統(tǒng)隨時間改變時P的濃度，P釋放線性增加在0-46天時間段。在第46天，P釋放達(dá)到30毫克/升，此外，在缺氧區(qū)磷的去除的逐漸增加發(fā)生在第一個46天，但污水的總P濃度始終高于3毫克/升，這表明P去除效率仍低于50%。該現(xiàn)象的主要原因是較低含量的微生物。在46天至80天，隨著微生物的增加，磷的釋放速率減緩。缺氧磷吸收往往要維持在22.2毫克/升，而好氧磷吸收只要8毫克/升，在該系統(tǒng)中平均缺氧磷吸收占額磷吸收量的70%左右。結(jié)果，磷去除效率明顯高于95%，在排放的污水中P濃度低于0.5毫克/升。結(jié)果表明，由于發(fā)生反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的積累，即使COD/TN比例的

13、條件很低(COD/TN < 6)，良好的P去除也可以實現(xiàn)。3.3.2脫氮圖5顯示了在AO系統(tǒng)中當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度在36.6毫克/升和55.8毫克/升之間，廢水中氨氮的濃度和總氮濃度均分別低于4毫克/升和12毫克/升取得了良好的脫氮效果（80%-96%）。調(diào)查同時發(fā)現(xiàn)污水總氮濃度主要成份是硝酸鹽，他在AO系統(tǒng)中為硝化作用做出貢獻(xiàn)。此外，在缺氧區(qū)脫氮效果高于90%（圖5）。3.3.3COD的去除圖6顯示COD的去除效率在90%左右，出水COD低于26.5mg/l。其中超過79%的COD在厭氧階段被去除，在缺氧區(qū)COD的去除率為6%11%，好氧階段COD的去除率非常低。事實上，由于缺乏碳的來源降低

14、了P的釋放能力，在缺氧區(qū)COD的去除率只有6%11%。因此，當(dāng)只有硝酸鹽和殘余COD存在時，在缺氧區(qū)是磷的吸收。3.4 分析污泥特性 為了更深入的研究在AO系統(tǒng)中反硝化聚磷生物體（DNPAOs）對生物脫氮除磷性能的影響，要進(jìn)行污泥特性的批次試驗。圖7顯示了在AO系統(tǒng)中把污泥中缺氧和好氧條件下磷吸收率最大時的值進(jìn)行比較。缺氧磷吸收率是4.62毫克P/克污泥濃度/小時，而有氧磷吸收率為6.7毫克P/克污泥濃度/小時，顯示有氧磷吸收率與有氧磷吸收率的比值（以下簡稱k）為69%。Meinhold等人研究17結(jié)果顯示約有69%的微生物可以用于硝酸鹽硝化，同時與微生物相比反硝化聚磷生物體（DNPAOs）作

15、用很大。在AO系統(tǒng)中，如果有足夠的有機(jī)物脫氮除磷反應(yīng)可有效利用進(jìn)水中同一類型的有機(jī)物。這可以解決在AO系統(tǒng)中有機(jī)物脫氮除磷反應(yīng)可有效利用進(jìn)水中同一類的有機(jī)物。這可以解決在AO系統(tǒng)中有機(jī)物供應(yīng)不足的缺點。在批次實驗中在AO系統(tǒng)中，與污泥，最大P釋放達(dá)到65毫克/升相比，啤酒廢水作為碳源的P釋放只有25毫克/升。在P釋放反應(yīng)中不同的碳源產(chǎn)生了重大影響。因為反硝化反應(yīng)，磷的吸收和釋放發(fā)生在缺氧區(qū)，硝酸鹽濃度預(yù)計將影響對P攝取。在第一個30分鐘的缺氧階段，缺氧磷吸收率只有3.76毫克PO-P/g MLSS.h，低于有足夠的的硝酸鹽（4.62mg P/g MLSS.h）時的磷吸收率（圖8）。該磷吸收與單

16、位硝酸鹽去除比值為0.54mg PO-P/NO-N，表明硝酸鹽濃度對反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的生成起抑制作用。隨著硝酸鹽濃度的降低P濃度也逐漸降低，在A點硝酸鹽完全消耗（圖8），反硝化完成。在P濃度的拐點，與邊坡概況由負(fù)轉(zhuǎn)正，這說明第二次磷釋放開始了。據(jù)推測，初始時SCOD是很高，但硝酸鹽濃度相對較低，此時P攝取和釋放同時發(fā)生，但缺氧磷吸收率很低。一旦硝酸鹽完全消耗，缺氧階段就轉(zhuǎn)換為厭氧階段，從而導(dǎo)致二次磷的釋放。因此，當(dāng)外部硝酸鹽每100分鐘補(bǔ)充一次時，批次試驗（B點在圖8）結(jié)果顯示，對于第一次25分鐘，硝酸鹽濃度急劇下降，磷吸收與單位硝酸鹽去除比值為1.22 mg PO-P/NO-

17、N，高于前者，即0.54 mg PO-P/NO-N。上述污泥特性分析表明，硝酸鹽濃度在缺氧第一階段對缺氧P攝取有顯著影響。3.5 過多曝氣的影響和去除磷的回收 在傳統(tǒng)的AO系統(tǒng)中，當(dāng)建立穩(wěn)定反硝化P去除能力時，為了證實是否可以減少耗氧量，要進(jìn)行第三階段的檢測。出第四好氧區(qū)外，在前面三個好氧區(qū)溶解氧濃度要維持在2毫克/升左右。不同的第四好氧區(qū)有不斷的空氣供應(yīng)（0.42立方米/小時）。結(jié)果表明，該區(qū)溶解氧濃度增加了2.3-5.28毫克/升，在好氧區(qū)的末端。這表明，當(dāng)反硝化聚磷生物體（DNPAOs）的數(shù)量保持恒定，系統(tǒng)的氧氣的要求可以降低在缺氧吸磷系統(tǒng)根據(jù)學(xué)術(shù)因素（做了更好的控制在2毫克/升，在缺氧

18、區(qū)），可以使抵氧耗發(fā)生在好氧區(qū)。因此，減少了操作費用。這一發(fā)現(xiàn)是通過以往的研究18得到的。但是，還有人發(fā)現(xiàn)，在此期間磷去除率急劇減少，這種現(xiàn)象類似Brdjanovic10和Temmink19的報告。他們指出，造成此種惡化原因可能是由于過度曝氣導(dǎo)致短時間系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)負(fù)荷降低。也有人證明了磷的吸收停止時，聚羥基丁酸基丁酸酯（PHB）產(chǎn)生在一個過度曝氣過程。聚羥基丁酸酯導(dǎo)致在好氧階段磷的吸收降低。因此，造成了在厭氧第一階段過度釋放的磷，在好氧階段無法處理。因此，PHB限制磷的吸收率。因此，磷不能被完全攝取導(dǎo)致暫時性的BPR效率的降低。因此，從第84天開始調(diào)整空氣供應(yīng)，以維持溶解氧濃度在2-3毫克/升，

19、在這種條件下，由于低氧耗發(fā)生在好氧區(qū)，空氣供應(yīng)必須減少0.32立方米/小時。然而，污水磷濃度仍較高，超過9毫克/升，P的釋放是很難承受過度曝氣（圖9），導(dǎo)致磷的釋放仍然在30-34毫克/升，而從第80天到87天缺氧和好氧條件下磷的吸收分別減少到7毫克/升和9.3毫克/升。在第87天污水磷濃度逐漸增加，達(dá)到9.6毫克/升，即使需氧量的濃度調(diào)整到正常濃度。第88天之后，污水磷濃度開始緩慢下降。P的去除沒有恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，直到第105天。在這惡化的期間，厭氧情況下污水磷的濃度經(jīng)歷了數(shù)次變化，但缺氧和好氧條件下污水中磷的濃度先增加然后下降。最終差值是P的去除效率。造成這種緩慢復(fù)蘇情況的主要原因，也許是

20、因為P吸收速度依賴于聚羥基丁酸酯量，而在好氧條件下聚羥基丁酸酯量存在一個緩慢上升的過程?；谏鲜鲇懻?，有人提議，WWTPs應(yīng)該有一個可調(diào)靈活的曝氣系統(tǒng)，尤其是當(dāng)大部分缺氧磷吸收發(fā)生時。根據(jù)曝氣階段需氧量的的濃度，空氣供應(yīng)應(yīng)予以調(diào)整以防止過度曝氣，在好氧條件下耗盡PHB。4. 結(jié)論 實驗結(jié)果表明，在AO系統(tǒng)中缺氧P吸收和反硝化作用有很大的作用。良好的化學(xué)需氧量，磷，氨氮和總氮的去除率可分別達(dá)到92.3%、99%、79.5%和95.5%。然而在良好的缺氧吸磷條件下不能很好地調(diào)整空氣供應(yīng)量將導(dǎo)致活性污泥的過度曝氣，最后造成的惡性循環(huán)。污泥分析表明，在這個系統(tǒng)中，該比例缺氧P攝取率將減少到69%。此外

21、，研究發(fā)現(xiàn)，在AO系統(tǒng)中缺氧階段硝酸鹽濃度和厭氧階段不同的有機(jī)物基質(zhì)對生物脫氮除磷產(chǎn)生了重大作用。5. 符號和縮略語AO Anaerobic-anoxic-oxicAer. AerobicAna. AnaerobicAno. AnoxicBNR Biological nutrient removalBPR Biological phosphate removalCOD Chemical oxygen demand, mg/lDNPAOs Denitrifying phosphate-accumulating organismsDO Dissolved oxygen concentration,

22、mg/lEBPR Enhanced biological phosphorus removaleff. Effluenteffi. EfficiencyHRT Hydraulic retention time, hInf. InfluentK Anoxic PUR/ aerobic PURMLSS Mixed liquid suspended solid concentration,g/lOHOs Ordinary heterotrophic organismsPAOs Polyphosphate accumulating organismsPHA PolyhydroxyalkanoatesP

23、HB Poly-hydroxybutyratePUR P uptake rate, mgP/gMLSS.h)Qin Influent flow rate, l/dQR Nitrate recirculation flow rate, l/dQr Recycled sludge flow rate, l/dR Internal recirculation ratior Sludge recycled ratioSBR Sequencing batch reactorSRT Sludge retention time, dUCT University of Cape Town參考文獻(xiàn)1 R. So

24、rm, J. Wanner, R. Saltarelli, G. Bortone and A.Tilche, Verification of anoxic phosphate uptake as the main mechanism of the dephanox process, Wat.Sci. Tech., 35(10) (1997) 8791.2 Y. Comeau, B. Rabionwitz, K.J. Hall and W.K. Oldham,Phosphate release and uptake in enhanced biological phosphorus remova

25、l from wastewater, J. Wat.Pollut. Control Fed., 59(7) (1987) 707715.3 D. Jenkins and V. Tandoi, The applied microbiology of enhanced biological phosphorus removal, accomplishments and needs, Wat. Res., 25(6) (1991) 14711478.4 P.L. Dold, G.A. Ekama and G.v.R. Marais, Kinetics of biological phosphorus

26、 release, Wat. Sci. Tech.,17 (1985) 5761.5 Z.R. Hu, M.C. Wentzel and G.A. Ekama, External nitrification in biological nutrient removal activated sludge systems, Wat. Sci. Tech., 43(1) (2001) 251260.6 T. Shoji, H. Satoh and T. Mino, Quantitative estimation of the role of denitrifying phophate accumul

27、ating organisms in nutrient removal, Wat. Sci. Tech.,47(11) (2003) 2329.7 H.U. Nam, J.H. Lee, C.W. KimM and T.J. Park, Enhanced biological nutrients removal using the combined fixed-film reactor with bypass flow, Wat. Res.,34(5) (2000) 15701576.8 G. Bortone, L. S.Marsili, A. Tilche and J. Wanner,Ano

28、xic phosphate uptake in the dephanox process,Wat. Sci. Tech., 40(45) (1999) 177185.9 J.Y. Hu, S.L. Ong, W.J.Ng, F. Lu and X.J. Fan, A new method for characterizing denitrifying phosphorus removal bacteria by using three different types of electron acceptors, Wat. Res., 37(14) (2003)34633471.10 D. Br

29、djanovic, M.C.M. Van Loosdrecht, P. Versteeg,C.M. Hooijmans, G.J. Alaerts and J.J. Heijnen,Modelling COD N and P removal in a full-scale WWTP Harlem Waarderpolder, Wat. Res., 34(3)(1998) 846858.11 T. Kuba, G. Smolders, M.C.M. van Loosdrecht and J.J. Heijnen, Biological phosphorus removal from wastew

30、ater by anaerobic-anoxic sequencing batchreactor, Wat. Sci. Tech., 27(56) (1993) 241252.12 E. Murnleitner, T. Kuba, M.C.M. van Loosdrecht andH.J. Heijnen, An integrated metabolic model for the aerobic and denitrifying biological phosphorus removal, Biotech. Bioeng., 54(5) (1997) 434450.13 D. Mulkerrins, C. Jordan, S. Mcmahon and E.Colleran, Evaluation of the parameters affecting nitrogen and phosphorus removal in anaerobic/anoxic/oxic (A/A/O) biological nutrient removal systems, J. Chem. Tech. Biotech., 75 (2000) 261268.14 APHA, Standard Methods for the Examination of Water and Was