反硝化除磷菌的脫氮除磷效應(yīng)

反硝化除磷菌的脫氮除磷效應(yīng)

工藝穩(wěn)定性分析氮、磷等植物營養(yǎng)化污染物流入水體，藻類和其他微生物異常生長，加速水體的富營養(yǎng)化過程。廢水處理廠負責整個城市的廢水處理，排放量高。處理效果對整個水體的富營養(yǎng)化過程起著重要作用。2ao工藝由于其綜合去除有機物、脫氮、去除磷、處理成本低等優(yōu)點而聞名。然而，該工藝可以交替操作不同類型的厭氧菌、厭氧菌和好氧。不同類型的微生物（如聚磷菌（pao）、反硝化菌和硝化菌，這將不可避免地導致不同的水質(zhì)。同時，通過回瘀污泥中傳輸?shù)膩喯跛猁}也會抑制厭氧條件下磷的釋放。由于上述矛盾，系統(tǒng)中不可能實現(xiàn)三種不同功能的細菌的最佳生長條件。這種相互分離和限制的影響意味著該工藝中脫氮和除磷效率不高。針對傳統(tǒng)A2O工藝存在的矛盾,研究者發(fā)現(xiàn)一種兼性厭氧反硝化除磷菌(DPB),該細菌可以在缺氧條件下,利用硝酸鹽作為電子受體氧化胞內(nèi)貯存的PHB,并從環(huán)境中攝磷,實現(xiàn)同時反硝化和超量攝磷,在很大程度上緩解了聚磷菌與反硝化菌對碳源的競爭,克服了污水水質(zhì)特征的不足,提高脫氮除磷效果.與傳統(tǒng)脫氮除磷工藝相比,在保證系統(tǒng)對營養(yǎng)物去除的條件下,對COD的需求可減少50%左右,氧的消耗和污泥產(chǎn)量可分別下降30%和50%,因此,強化反硝化除磷現(xiàn)象成為目前解決碳源不足的最佳方式.本試驗在傳統(tǒng)A2O工藝基礎(chǔ)上,重點考察了A2O工藝是否存在反硝化除磷現(xiàn)象及其對系統(tǒng)性能的影響,同時考察了過量曝氣對生物除磷效能的作用,在碳源不足條件下,旨在通過“一碳兩用”的方式同時實現(xiàn)反硝化脫氮和吸磷作用,為傳統(tǒng)推流式活性污泥系統(tǒng)的改造、升級,實現(xiàn)污水回用和資源化開辟新的途徑.1試驗材料和方法1.1試驗系統(tǒng)和運行條件A2/O系統(tǒng)試驗裝置見圖1.裝置用有機玻璃制作,合建式推流反應(yīng)器由8個隔室組成,其中第一個隔室為預缺氧區(qū),第二隔室為厭氧區(qū),第三、四隔室為缺氧區(qū),后4個隔室為好氧區(qū).反應(yīng)器體積為51L,其中預缺氧區(qū)∶厭氧區(qū)∶缺氧區(qū)∶好氧區(qū)體積比為1∶1.5∶2.5∶5.二沉池采用豎流式,體積為25L.如圖1所示,進水分為兩部分,一部分進入預缺氧區(qū),另一部分進入?yún)捬鯀^(qū).回流污泥進入預缺氧區(qū),內(nèi)循環(huán)混合液由好氧區(qū)最后隔室回流到缺氧區(qū)第一隔室.試驗進水、回流污泥和硝化液回流流量采用蠕動泵控制,預缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和缺氧區(qū)內(nèi)安裝攪拌器.溫度由溫控儀控制在21℃,試驗正常運行條件如下:進水量為150L·d-1,相應(yīng)HRT為8.5h,SRT為12d,反應(yīng)器中MLSS為3000mg·L-1,污泥回流比為0.5,內(nèi)循環(huán)回流比為2.5,好氧區(qū)DO濃度設(shè)定在2～3mg·L-1.1.2試驗2.2試驗項目及方法試驗采用啤酒廢水為考察對象,通過控制不同的啤酒投量達到不同COD值,投加NaHCO3和NaOH控制進水的pH值.人工合成廢水配方為:啤酒(3～3.4ml·L-1),氯化銨(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),水質(zhì)情況見表1.檢驗分析方法采用國家規(guī)定的標準方法,項目包括TCOD、SCOD、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、TN、PO3-4-P、pH、TP、總堿度、DO、ORP、MLSS、MLVSS,水樣值經(jīng)過濾后測定.DO、ORP、pH測定采用WTW-pH/OXi340i便攜式在線測定儀.試驗接種污泥為城市污水廠排出的剩余污泥,經(jīng)過連續(xù)培養(yǎng)待系統(tǒng)具有良好生物脫氮除磷功能后開始跟蹤測定.試驗方案見表2.2試驗結(jié)果與分析2.1第二,系統(tǒng)磷的去除及釋放速率A2O工藝作為傳統(tǒng)的同步生物脫氮除磷工藝備受青睞,但是,該工藝存在聚磷菌(PAO)和反硝化菌對碳源的競爭,所以,強化碳源的利用對有效提高其脫氮除磷效果具有重要的意義.圖2為A2O工藝前兩個階段進水、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和出水中磷濃度.隨著系統(tǒng)的不斷進行,由圖中可以看出,在前40天內(nèi)除磷率較低,從最初的22.5%上升到60%,隨后在第2階段系統(tǒng)除磷效率變好,磷去除率從第40天的79.5%上升到100%,平均去除率為95%,進水磷濃度為5.6～8.9mg·L-1,平均出水磷濃度為0.30mg·L-1.另外發(fā)現(xiàn)隨著厭氧區(qū)放磷量的增加,系統(tǒng)出水磷濃度逐漸降低,處理效果逐漸變好,經(jīng)計算表明,平均吸磷量和平均放磷量的比例為1.28,這也和WarangkanaPunrattanasin的報道一致.圖3為A2O工藝前兩個階段系統(tǒng)磷的去除率及缺氧區(qū)除磷量占厭氧區(qū)總放磷量的百分比.由圖3可知,缺氧吸磷量逐漸增加,缺氧區(qū)除磷量占厭氧區(qū)總放磷量的比率由20%增至65%(第40天),隨后當系統(tǒng)除磷效果穩(wěn)定后,缺氧區(qū)除磷量占厭氧區(qū)總放磷量的平均比率為71.3%.系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時,缺氧除磷量平均為22.2mg·L-1,好氧吸磷量平均為8.2mg·L-1.由于缺氧除磷量的增大,降低了好氧區(qū)吸磷量,因而一定程度上減少好氧區(qū)曝氣能耗,在試驗運行中為了維持好氧區(qū)的設(shè)定DO濃度,必須減少曝氣量,經(jīng)計算表明,曝氣量減少了25%(控制DO濃度維持基本不變時,供氣量從0.42m3·h-1降到0.32m3·h-1),這也充分證明了提高系統(tǒng)反硝化除磷的貢獻是可以節(jié)省系統(tǒng)的運行費用.一般認為,聚磷菌分為兩部分,反硝化聚磷菌和好氧聚磷菌,反硝化聚磷菌利用氧或硝酸鹽作為電子受體,好氧聚磷菌只能利用氧作為電子受體.一些研究表明,反硝化聚磷菌以硝酸鹽為電子受體時每摩爾電子轉(zhuǎn)移吸收的磷量較以氧為電子受體的低20%～40%,本試驗通過對污泥特性進行分析,所得結(jié)果高于40%.如圖4所示為A2O工藝中污泥的磷釋放速率和吸收速率.由圖中可以看出,好氧最大比吸磷速率為6.7mgP·gMLSS-1·h-1,缺氧最大比吸磷速率為4.62mgP·(gMLSS)-1·h-1,低于好氧比吸磷速率2.08mgP·(gMLSS)-1·h-1,對應(yīng)的缺氧條件下PHB消耗速率也低于好氧條件下,與過去研究結(jié)果一致.盡管如此,在A2O工藝中反硝化吸磷量明顯高于好氧吸磷量,其原因是,聚磷菌在厭氧區(qū)將充分利用易于生物降解的揮發(fā)性短鏈脂肪酸進行PHB合成和儲存,而在缺氧段DPB以硝酸鹽氮為電子受體,以體內(nèi)的PHB為能量,過量吸收溶液中的磷同時實現(xiàn)氮的去除,在該環(huán)境下,由于電子受體和能量均充足,根據(jù)Mond模式,聚磷菌吸磷量和聚磷菌的量成正比,雖然缺氧吸磷速率相對于好氧吸磷速率較慢,而進入好氧段PHB明顯不足,在較短的時間內(nèi)完成好氧吸磷過程,導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,與試驗結(jié)果相符.需要注意的是為了提高缺氧區(qū)的吸磷量,必須提供充足的電子受體(即硝酸鹽氮),否則硝酸鹽氮不充分,甚至為0,一方面會降低缺氧區(qū)的吸磷量,另外會導致缺氧區(qū)二次放磷,所以對內(nèi)循環(huán)的控制非常重要.2.2出水tn濃度圖5為A2O工藝前兩個階段進水、出水總氮濃度以及總氮去除率,由圖中可以看出,前兩階段系統(tǒng)對總氮的去除一直都很穩(wěn)定.在運行期間,進水氨氮濃度為36.6～55.8mg·L-1,平均為45.44mg·L-1;出水TN濃度為7.6～10.8mg·L-1,平均為9.2mg·L-1;平均去除率為79.9%;試驗中還發(fā)現(xiàn)缺氧區(qū)硝態(tài)氮濃度基本為1～2mg·L-1,這樣一方面極大程度上提高了系統(tǒng)總氮的去除率,也符合Yuan的理論,Yuan通過試驗證明,保持缺氧區(qū)末端的硝酸氮濃度維持在1～3mg·L-1,可充分利用進水中溶解性可生物降解COD,提高缺氧區(qū)反硝化潛力,降低溢流到好氧區(qū)COD的量,實現(xiàn)氮的最優(yōu)控制.另外可以充分提供缺氧區(qū)反硝化除磷所需電子受體.2.3cod的去除圖6給出了Ⅰ～Ⅱ兩個階段反應(yīng)器中COD的濃度變化,由圖中可以看出,雖然進水COD濃度波動較大,但是系統(tǒng)對COD的去除一直穩(wěn)定.在運行期間,進水COD濃度為182～460mg·L-1,平均為342.8mg·L-1;出水COD濃度為9.6～37.4mg·L-1,平均為26.5mg·L-1;COD去除率為87.6%～97.35%,平均為92.3%;另外,可以發(fā)現(xiàn),大量COD在厭氧區(qū)轉(zhuǎn)化為聚磷菌胞內(nèi)聚合物PHB而去除,厭氧區(qū)出水COD濃度為47.4～118mg·L-1,COD去除率為66.6%～85.8%,平均為75.8%;而缺氧區(qū)平均COD去除率僅為9.5%,這也充分證明了反硝化除磷現(xiàn)象的存在,無論進水COD波動多大,厭氧區(qū)儲存的PHB可以“一碳兩用”,在缺氧區(qū)實現(xiàn)同步脫氮除磷.2.4除磷效率試驗結(jié)果及分析為了考察過量曝氣對磷去除的影響及其恢復情況,進行了第三階段試驗,試驗中,維持進水COD和磷酸鹽平均濃度分別為300mg·L-1和7.32mg·L-1.如圖7所示,在第80～84系統(tǒng)好氧區(qū)運行在高DO濃度下,即過量曝氣,由圖中分析發(fā)現(xiàn),出水磷濃度從0.37mg·L-1急劇增加到5.7mg·L-1,磷去除率也由95%下降到僅為25.7%.隨后降低曝氣量,恢復好氧區(qū)DO濃度為2～3mg·L-1,可以發(fā)現(xiàn)磷出水濃度逐漸好轉(zhuǎn),經(jīng)過13天運行,出水磷濃度變?yōu)?.89mg·L-1,去除率也達到了87.15%,隨后系統(tǒng)除磷率恢復到出現(xiàn)過量曝氣狀況之前較高的狀態(tài).在整個試驗過程中發(fā)現(xiàn),厭氧區(qū)釋磷濃度基本保持不變,平均值為31.49mg·L-1.Brdjanovic等報道周末或大雨時導致污水廠低負荷運行,即使再恢復到正常運行負荷時,系統(tǒng)除磷效率也會發(fā)生嚴重惡化,導致出水磷濃度極高,其主要原因在于當?shù)拓摵蛇\行時,沒有對曝氣系統(tǒng)進行有效控制,導致過量曝氣,好氧區(qū)DO大大升高,為了維持微生物的生長,聚磷菌內(nèi)部儲存的PHB部分或完全被消耗,PAO內(nèi)部儲存庫發(fā)生變化,尤其是PHB降到0,PAO體內(nèi)生成的糖元也被作為微生物生長所需的能量而消耗,實際運行表明,為了保持系統(tǒng)較好的除磷效率,PAO體內(nèi)應(yīng)維持最低水平的PHB含量.當系統(tǒng)恢復到正常負荷情況下運行時,磷的釋放不會受到很大影響,聚磷菌仍然以最大速率釋磷,但是這種釋磷過程伴隨著無效釋磷,并不代表實現(xiàn)了PHB的吸收儲存,由于過量曝氣導致糖元的部分和全部消耗,厭氧區(qū)PHB吸收缺乏還原性物質(zhì)NADH+,只有通過逐步積累才能恢復其攝磷能力,這是一個逐步完善的過程.PHB的含量限制了磷的吸收量,導致放磷率和吸磷率的不平衡,最終表現(xiàn)結(jié)果是磷的去除率下降,只有當PAO體內(nèi)的PHB積累到一定程度,才能實現(xiàn)系統(tǒng)較高的除磷效率,這個過程一般持續(xù)半個月左右.為了有效提高污水廠除磷效率,降低出水磷濃度的變化,應(yīng)快速克服污水廠進水負荷低或過量曝氣的情況,采取有效的控制策略,試驗獲得,當進水負荷低時由于系統(tǒng)供氣量恒定導致過量曝氣,即使恢復到正常負荷時,也導致出水磷濃度的惡化時,其控制策略之一是:在低負荷時采取曝氣控制策略,減少曝氣量,基本維持好氧區(qū)DO濃度為2～3mg·L-1,以避免不必要的PHB的消耗;另外一個策略是當?shù)拓摵汕闆r下外投碳源到厭氧區(qū)或厭氧區(qū)出水,這樣可以避免PHB和糖元的消耗,維持細胞內(nèi)最低水平的PHB含量,當正常進水時,仍然可以實現(xiàn)較好的磷出水.另外,如果是在正常運行負荷情況下,由于沒有對系統(tǒng)的曝氣進行有效的控制,導致好氧區(qū)高DO濃度(4～6mg·L-1)時,只要在線控制好氧區(qū)DO濃度,可以恢復系統(tǒng)除磷效率.3比較結(jié)果分析本文以啤酒廢水為研究對象,系統(tǒng)地研究了A2/O工藝中脫氮除磷現(xiàn)象以及過量曝氣對除磷效率的影響,主要結(jié)論如下.(1)A2/O工藝具有較高的有機物去除、脫氮除磷效率,平均去除率分別為92.3%、79.5%和95.5%,平均出水濃度分別為26.5mg·L-1、9.2mg·L-1和0.32mg·L-1.經(jīng)計算表明,平均吸磷量和平均放磷量的比例為1.28.(2)在A2/O工藝中的確存在著較好的反硝化除磷現(xiàn)象,缺氧區(qū)吸磷量占厭氧區(qū)總放磷量的平均比率為71.3%.由于反