楊 杰,李 冬*,羅亞紅,李曉瑩,曾輝平,張 杰,3

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SBR后置缺氧反硝化除磷的啟動(dòng)及去除性能

楊 杰1,李 冬1*,羅亞紅2,李曉瑩1,曾輝平1,張 杰1,3

(1.北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124；2.河南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院黃淮水環(huán)境與污染防治省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、河南省環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 新鄉(xiāng) 453007；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)氮磷的高效同步去除,采用將缺氧后置的SBR工藝,以生活污水為處理對(duì)象,考察反硝化除磷工藝的啟動(dòng)與運(yùn)行效果.結(jié)果表明,先通過短污泥齡(SRT)馴化富集聚磷菌(PAOs),再延長污泥齡并引入缺氧段,39d即可實(shí)現(xiàn)反硝化除磷工藝的啟動(dòng),COD、TP、NH4+-N、TN去除率分別為92.9%、98.4%、100%和87.6%.進(jìn)水COD與TN比(C/N)對(duì)系統(tǒng)氮磷去除有一定影響:C/N短暫的降低幅度不超過17.65%時(shí),氮磷去除效率并沒有明顯變化;當(dāng)超過33.3%時(shí),脫氮除磷性能下降,但伴隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,出水COD濃度減少,反硝化除磷菌(DPAOs)在PAOs比例也會(huì)提升,這在一定程度上彌補(bǔ)了DPAOs反硝化脫氮效率的下降.周期實(shí)驗(yàn)表明,pH值與DO可以作為厭氧釋磷結(jié)束與周期結(jié)束的實(shí)時(shí)控制參數(shù),大大縮短反應(yīng)時(shí)間,降低曝氣能耗.

SBR；后置缺氧；反硝化除磷；啟動(dòng)；C/N；實(shí)時(shí)控制

反硝化除磷工藝是通過反硝化除磷菌(DPAOs)在缺氧條件下,利用NO3--N作為電子受體將儲(chǔ)存在體內(nèi)的PHA氧化提供能量以過量吸磷的一種工藝,它能夠?qū)⒎聪趸摰c除磷兩個(gè)生化過程結(jié)合到一起同時(shí)進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的同步脫氮除磷[1].相比傳統(tǒng)的脫氮除磷系統(tǒng),反硝化除磷工藝可節(jié)省30%的O2消耗量,50%的COD消耗量,CO2的產(chǎn)量也得到降低,污泥產(chǎn)量能夠減少50%[2-5].反硝化除磷工藝目前已經(jīng)在連續(xù)流和SBR反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)[6-8].其中SBR反應(yīng)器因結(jié)構(gòu)高效簡潔、反應(yīng)條件更易控制(如調(diào)整周期、改變曝氣時(shí)間和進(jìn)水流量等)[9],反硝化除磷工藝更易在其中運(yùn)行穩(wěn)定[10-11].Marcelino等[12]以雙污泥SBR系統(tǒng)反硝化除磷達(dá)到對(duì)氮磷的同步去除.但是雙污泥SBR的反硝化除磷工藝操控復(fù)雜,尤其在進(jìn)水磷濃度較高的情況下,出水則難以達(dá)到GB18918—2002一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[13-14].同時(shí),雙污泥SBR反應(yīng)器由于將硝化反應(yīng)與反硝化除磷分割開來,反應(yīng)器利用率較低,而在連續(xù)流中,較多的攪拌設(shè)備與污泥回流裝置亦增加其運(yùn)行能耗.

本研究以模擬生活污水為處理對(duì)象,通過合理控制后置缺氧SBR反應(yīng)器的曝氣時(shí)間與曝氣強(qiáng)度,探討了反硝化除磷工藝在SBR單污泥系統(tǒng)中的啟動(dòng)及處理效果,并開展了不同C/N進(jìn)水對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響研究.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

SBR裝置由有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑13cm,高35cm,有效容積4L,換水比50%.在反應(yīng)器壁垂直方向設(shè)置一排間距為5cm的取樣口,用以排水和取樣.反應(yīng)器底部設(shè)置曝氣環(huán)微孔曝氣,由氣泵與氣體流量計(jì)控制曝氣強(qiáng)度,反應(yīng)器內(nèi)置攪拌機(jī)使反應(yīng)器混合均勻,此外裝置pH值、DO探頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測.SBR反應(yīng)器的進(jìn)水、攪拌、曝氣、排水均由時(shí)間控制器自動(dòng)控制.

1.2 接種污泥與實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

接種污泥取自北京高碑店污水處理廠二沉池回流污泥,具有良好的脫氮除磷能力,經(jīng)燜曝24h后接種3.5L至反應(yīng)器,MLSS為3.5g/L.

試驗(yàn)廢水為模擬北京市北京工業(yè)大學(xué)家屬院化糞池污水,水質(zhì)情況如下:COD(CH3COONa) 220~440mg/L,NH4+-N((NH4)2SO4)70mg/L,TP(KH2PO4) 7mg/L,CaCO3堿度(NaHCO3)550mg/L, CaCl240mg/L,MgSO4·7H2O 80mg/L.試驗(yàn)時(shí)另加入微量元素溶液1mL/L.

微量元素溶液組成為FeCl3·6H2O 1.5g/L, H3BO30.15g/L,CuSO4·5H2O 0.03g/L,KI 0.18g/L, MnCl2·4H2O 0.06g/L,NaMoO4·2H2O 0.06g/L, ZnSO4·7H2O 0.12g/L,CoCl2·7H2O 0.15g/L,EDTA 10g/L[15].

1.3 運(yùn)行方法

反應(yīng)器每周期運(yùn)行6h,每天運(yùn)行4周期,每周期進(jìn)水10min,反應(yīng)300min,沉淀40min,排水5min,閑置5min.溫度通過水浴控制在20~25℃,污泥齡由排放周期末泥水混合液控制.實(shí)驗(yàn)分為5個(gè)階段,分別記為Phase I,II,III,IV和V.在Phase I,反應(yīng)器以厭氧/好氧(A/O)運(yùn)行,馴化富集聚磷菌(PAOs).在Phase II~V,反應(yīng)器以厭氧/好氧/缺氧/好氧(A/O/A/O)運(yùn)行,培養(yǎng)以硝酸鹽為電子受體的DPAOs.實(shí)驗(yàn)各階段的具體運(yùn)行參數(shù)見表1.

表1 實(shí)驗(yàn)各階段的運(yùn)行參數(shù)Table 1 The operational parameters of each phase in the experiment

1.4 分析方法

本試驗(yàn)COD、T的測定采用5B-3B COD多參數(shù)快速測定儀,NH4+-N、 NO2--N、NO3--N、MLSS、SV30、SVI等指標(biāo)均采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法測定[16],TN為NH4+-N、NO2--N和NO3--N三者的加和,pH值、DO和溫度采用WTW-pH/Oxi340i型多參數(shù)測定儀在線檢測.

1.5 反硝化除磷菌占聚磷菌比例的批次實(shí)驗(yàn)

確定反硝化除磷菌(DPAOs)在聚磷菌中的比例的方法按照Wachtmeister等[17]推薦的方法進(jìn)行.本文取1L周期末泥水混合液,用蒸餾水清洗3遍,以去除殘留物質(zhì)的影響,之后置于密閉的SBR反應(yīng)器,投加CH3COONa為碳源(COD= 300.0mg/L)進(jìn)行90min的厭氧攪拌,反應(yīng)結(jié)束后平均分成2份,一份曝氣好氧運(yùn)行(初始DO= 1mg/L)60min,另一份加入20mg/L的NO3--N缺氧運(yùn)行60min,系統(tǒng)中DPAOs占PAOs的比例為缺氧最大吸磷速率和好氧最大吸磷速率的比值Kano/Kaer.

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)的COD去除效果

系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果見圖1(a).可以看出,第1d出水COD就降到20.47mg/L,去除率為94.7%.整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間,在不同進(jìn)水C/N下,出水COD濃度均低于50mg/L,去除率維持在90%以上,滿足GB18918—2002一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)[18].而在第40d,C/N由6降至4后,COD去除率稍有下降,隨后又上升穩(wěn)定至95%左右,但出水COD基本不變,隨著對(duì)進(jìn)水基質(zhì)濃度的適應(yīng),出水濃度最終穩(wěn)定在10~15mg/L左右,優(yōu)于GB18918—2002一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)[18].這一方面是由于本實(shí)驗(yàn)采用的有機(jī)碳源為乙酸鈉,更易于被PAOs與DPAOs利用[19-20];另一方面,C/N降低意味著可利用的碳源減少,使得微生物對(duì)COD的降解更加徹底,出水COD進(jìn)一步降低.

2.2 系統(tǒng)的TP去除效果

系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果見圖1(b).污泥接種3d后,出水TP由最初的1.378mg/L降至0.463mg/L,而TP去除率也由79.9%增加到92.8%,至此,種泥中的PAOs已基本恢復(fù)了活性.此后直至Phase I結(jié)束,出水TP均穩(wěn)定在0.5mg/L以下,去除率最終達(dá)到97.3%,PAOs在系統(tǒng)內(nèi)大量富集.本階段,在10d的低污泥齡下,PAOs雖然得以富集,MLSS不斷下降(圖2).

進(jìn)入Phase II后,調(diào)整污泥齡為20d,隨著缺氧段的引入,系統(tǒng)出水TP上升至0.999mg/L,隨后又逐步降至并穩(wěn)定在0.2mg/L左右,去除率達(dá)98%.在較高的C/N下(C/N=6),充足的有機(jī)碳源可保證PAOs在厭氧段有效的釋磷,避免了厭氧段反硝化細(xì)菌與PAOs競爭碳源造成的干擾,最終使得PAOs迅速的在系統(tǒng)中確立其菌群優(yōu)勢(shì)地位,實(shí)現(xiàn)對(duì)TP的高效去除.盡管在Phase II出水TP基本維持在0.2mg/L以下,但是由于PAOs的不斷富集,好氧階段溶解氧不足,使得NH4+-N氧化不完全,階段末第24d出水NH4+-N濃度升到6.53mg/L(圖1(c)).因此,在Phase III提高曝氣到1.2L/min,好氧段1(O1)出水NH4+-N迅速降至1mg/L以下,NO3--N為主要的氧化產(chǎn)物,為后續(xù)的缺氧反硝化除磷的提供充足的電子受體,富集以硝酸鹽為電子受體的DPAOs.最終,出水NO3--N逐漸穩(wěn)定在10mg/L以下(圖1(c)),出水TP低于0.2mg/L,出水N、P滿足DB11/ 890— 2012A標(biāo)準(zhǔn)[21],優(yōu)于GB18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[18],共歷時(shí)39d,標(biāo)志著以硝酸鹽為電子受體的反硝化除磷菌馴化完成.鄒海明等[22]分別富集培養(yǎng)好氧氨氧化菌與反硝化除磷菌,歷時(shí)55d實(shí)現(xiàn)雙污泥SBR反硝化除磷.吳昌永等[23]在A2/O工藝中,經(jīng)過50d左右的馴化,達(dá)到比較穩(wěn)定的脫氮除磷性能.本文首先犧牲部分MLSS為代價(jià),以短污泥齡富集馴化大量PAOs,之后延長污泥齡,馴化DPAOs,補(bǔ)足污泥的流失,保持反應(yīng)器內(nèi)MLSS濃度,最終在39d較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了SBR后置缺氧反硝化除磷的啟動(dòng).

在Phase IV,當(dāng)C/N降至4以后,進(jìn)水碳源減少,MLSS下降(圖2),出水TP升高,TP去除率下降到93%~95.7%.尤其在第43d,出水TP增加至0.661mg/L,去除率僅為90.4%.可見C/N降低,系統(tǒng)內(nèi)PAOs與DPAOs在厭氧段可供吸收的有機(jī)碳源減少,進(jìn)而影響其生長繁殖速率與TP的去除效率.Wang等[24]也指出,在進(jìn)水磷充足的條件下,高有機(jī)負(fù)荷有利于聚磷菌的繁殖.這與本文的分析結(jié)果大致相同.直到本階段末,即第47d,出水TP再次恢復(fù)到原來的水平,降至0.186mg/L,這可能是菌群數(shù)量趨于平衡.雖然系統(tǒng)TP的去除能力已經(jīng)恢復(fù),在Phase III階段原有的曝氣量下,O1出水TP僅為5.625mg/L,導(dǎo)致缺氧段反硝化可利用的磷酸鹽不足,嚴(yán)重抑制了DPAOs的活性,出水NO3--N猛增至27.7mg/L(圖1(c)),反硝化除磷性能惡化.因此,在Phase V調(diào)整SRT至25d以維持系統(tǒng)污泥濃度,同時(shí)降低曝氣至0.8mg/L,保證缺氧段足夠的磷酸鹽,第48d,出水NO3--N下降直至17.52mg/L(圖1(c)),DPAOs反硝化能力恢復(fù).這也進(jìn)一步印證了前文指出的較高的曝氣量導(dǎo)致O1出水TP減少,進(jìn)而抑制DPAOs的活性,這也是改變曝氣量后反硝化除磷能力能夠迅速恢復(fù)的原因.雖然反硝化除磷能力已經(jīng)基本恢復(fù),但是系統(tǒng)出水TP卻有所上升,TP去除率下降至90%~97%,并最終穩(wěn)定在96%~97%之間,出水TP略高于Phase III階段,但是仍滿足GB18918— 2002一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)[18].研究表明,較低的C/N更有利于富集馴化DPAOs[23].本階段相比于Phase III,C/N由6降至4,更有利于提升DPAOs在PAOs中的比例,逐步提升系統(tǒng)脫氮除磷性能.至本階段末,出水NO3--N由17.52mg/L逐步降低并穩(wěn)定在15mg/L以下,出水TP也由0.4~0.5mg/L降至0.2~0.3mg/L.可以看出,C/N的降低雖然造成PAOs與DPAOs菌群數(shù)量的下降,引起系統(tǒng)脫氮除磷性能的惡化,但是卻有利于提升DPAOs在PAOs中的比例,從而彌補(bǔ)系統(tǒng)中DPAOs與PAOs數(shù)量降低引起的去除效率的下降.

2.3 系統(tǒng)的TN去除效果

圖1(c)為氮去除效果的變化趨勢(shì).實(shí)驗(yàn)期間,進(jìn)水總氮主要由NH4+-N組成,為60~78mg/L,出水NH4+-N濃度基本均在1mg/L以下,去除率在99%以上,進(jìn)出水幾乎不含有NO2--N.在Phase I階段,接種污泥第1d,出水NH4+-N為14.56mg/L,經(jīng)過2d的恢復(fù),第3d出水幾乎沒有NH4+-N,之后均穩(wěn)定在1mg/L以下.說明接種污泥有良好的硝化性能,僅2d后硝化能力就基本恢復(fù).2d后,出水總氮降至21~24mg/L,污泥活性恢復(fù),總氮去除率達(dá)到65%~67%,這一方面是由于進(jìn)水的稀釋作用(換水比為50%),另一方面是因?yàn)楹醚醵未嬖谖⑷毖醐h(huán)境.以第11d為例(圖3(a)),好氧段存在總氮損失的現(xiàn)象.在好氧段初期,由于厭氧段沒有將COD去除完全,存在著總氮的損失與COD的去除2個(gè)過程,這可能是反硝化細(xì)菌在微缺氧環(huán)境下(DO=0.5~1mg/L)反硝化脫氮.

在Phase II,缺氧段的引入使得出水總氮迅速降低至14~17mg/L,總氮去除率升到74%~79%.缺氧段的引入加強(qiáng)了反硝化脫氮作用,這也是總氮去除率能夠迅速上升的原因.本階段后期, PAOs迅速富集,使得O1段溶解氧不足, NH4+-N不能完全氧化,最終出水NH4+-N增加到6.53mg/L.因此,在Phase III增加曝氣量,以保證硝化細(xì)菌所需的溶解氧,使缺氧段有充足的NO3--N,為DPAOs富集提供條件.在本階段好氧段仍存在總氮損失的現(xiàn)象,由于PAOs在菌體中已經(jīng)占有主體地位,進(jìn)水COD由PAOs在厭氧段轉(zhuǎn)化為PHA,經(jīng)檢測,厭氧段出水與周期出水COD幾乎相等.即便好氧段存在微缺氧環(huán)境,反硝化細(xì)菌也沒有可利用的基質(zhì)反硝化.但是在長期的厭氧/好氧(缺氧)的交替環(huán)境,適宜DPAOs生長[25],這可能是DPAOs在微缺氧環(huán)境下(好氧段初期DO僅為0.5mg/L),以NO3--N為電子受體進(jìn)行脫氮過程.同時(shí),由于缺氧段有足量的NO3--N, DPAOs的反硝化脫氮作用得以加強(qiáng),出水總氮最終降至12.28mg/L,去除率達(dá)到82.5%.由于為DPAOs提供了適宜的生長環(huán)境,DPAOs生長繁殖,反硝化除磷能力得以提升,最終在第34d出水總氮降至10mg/L以下,這與出水TP減少至0.2mg/ L(圖1(b))相呼應(yīng).

當(dāng)C/N降到4,進(jìn)入Phase IV階段,出水NO3--N增加,第40d到第47d總氮去除率由78%逐漸降至59.1%.一方面,由于C/N降低引起MLSS下降,導(dǎo)致總氮去除率下降[23,26];另一方面,MLSS的下降使得在原有的曝氣量下,O1出水磷酸鹽不足,缺氧段反硝化除磷能力低下.在Phase V階段,調(diào)整曝氣量與SRT后,反硝化除磷能力恢復(fù),出水總氮由27.7mg/L迅速降至17.52mg/L,總氮去除率則提升至72.8%.低C/N有利于提升DPAOs在PAOs中的數(shù)量,經(jīng)過一段時(shí)間的馴化,最終出水TN穩(wěn)定在13.5~15mg/L,去除率則進(jìn)一步提高至77.7%~81.1%,滿足GB18918—2002出水標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[18].

2.4 C/N對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響

由圖1可見,反應(yīng)器中的進(jìn)水C/N并不恒定,而是在-17.65%~26.9%之內(nèi)波動(dòng)(負(fù)值表示低于當(dāng)前進(jìn)水設(shè)定的C/N,正值則表示高于當(dāng)前進(jìn)水設(shè)定的C/N),但系統(tǒng)對(duì)氮磷去除效率并沒有明顯變化.Zhu等[27]指出,C/N短暫下降時(shí),胞內(nèi)PHB的含量不會(huì)迅速降低.在本研究中,PAOs與DPAOs在厭氧段大量儲(chǔ)存的PHB可在短期碳源相對(duì)不足的情況下充當(dāng)胞內(nèi)碳源,保證系統(tǒng)的脫氮除磷效率.但當(dāng)C/N變化較大時(shí),由6降至4后,C/N降低幅度為33.3%,出水氮磷升高,系統(tǒng)脫氮除磷效率降低.

圖4為第39d與第64d PAOs與DPAOs代謝活性實(shí)驗(yàn).在第39d與第64d的Kano與Kaer分別為26.02,38.69,40.04,46.62mg TP/(g MLSS·h).根據(jù)計(jì)算得出,C/N為6和4時(shí),DPAOs占PAOs的比例分別為67.3%與85.9%,較以往在SBR和其他類型反應(yīng)器的比例要高[23,28].分析認(rèn)為,SBR中交替的厭氧/好氧/缺氧環(huán)境為DPAOs的增殖創(chuàng)造了適宜的生長環(huán)境[29],較長的污泥齡有利于其富集[30-31].

2.5 系統(tǒng)沉降性能與SRT的變化趨勢(shì)

如圖2所示,在Phase I階段,反應(yīng)器以A/O運(yùn)行,由于本階段反應(yīng)器主要以馴化PAOs為主,PAOs的污泥齡較短,故污泥齡設(shè)置為10d,雖然本階段MLSS迅速的由3.51mg/L降至2.46mg/L,但是系統(tǒng)的除磷性能并沒有惡化,反而有升高的趨勢(shì)(圖1(b)),而SVI則在91~100mL/g波動(dòng).分析認(rèn)為,接種污泥中存在有大量其它類非PAOs細(xì)菌,同時(shí)接種污泥活性不高,菌群繁殖速率不高,導(dǎo)致MLSS迅速下降至2.46mg/L,但是系統(tǒng)的大量排泥有利于將非PAOs菌群從系統(tǒng)中排除,刺激PAOs的生長代謝,以迅速確立活性污泥中PAOs的主體地位,同時(shí)接種污泥中沉降性能不好的細(xì)菌也得以排除,保證了系統(tǒng)良好的沉淀性能.非PAOs細(xì)菌在系統(tǒng)中大量排除(如傳統(tǒng)反硝化細(xì)菌),這解釋了在本階段末期出水總氮略有升高的原因(圖1(c)).

在Phase II與III階段,PAOs已大量富集,并考慮到DPAOs的適宜污泥齡更長,故調(diào)整SRT到20d,MLSS則由2.46g/L逐漸增長到2.88g/L左右,然而SVI卻由Phase II階段的90~100mL/g增加到Phase III階段后期的100~110mL/g.但是這并不意味著活性污泥性能的惡化,有研究指出,反硝化除磷產(chǎn)生的N2對(duì)活性污泥絮體有氣浮作用,這反而說明了DPAOs在反應(yīng)器內(nèi)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)臄?shù)量.由于周期末短時(shí)曝氣對(duì)N2的吹脫, 100~110mL/g的SVI亦不會(huì)對(duì)污泥沉降性能較大破壞,僅有略微影響.在Phase IV,較低的C/N使得PAOs與DPAOs大量死亡,造成了MLSS開始下降,這說明C/N與MLSS存在一定的相關(guān)性.因此在Phase V進(jìn)一步延長污泥齡至25d,以維持系統(tǒng)MLSS,最終MLSS維持在2.75~2.8g/L.Phase IV與V階段,SVI則隨著污泥的馴化略有降低,保持在100~105mL/g.

2.6 各階段典型周期污染物的變化規(guī)律

圖3為反應(yīng)器分別在Phase I、III和V階段典型周期下污染物的變化規(guī)律.在厭氧段,PAOs與DPAOs快速吸收水中的有機(jī)碳源,合成PHA,同時(shí)釋放出無機(jī)磷,表現(xiàn)為COD迅速下降,TP也隨之上升.釋磷過程消耗堿度,pH值下降,在COD消耗殆盡后,釋磷過程也隨之停止,pH值曲線趨于平緩.值得說明的是,每周期末排水完畢后,系統(tǒng)內(nèi)會(huì)殘留一部分NO3--N,在下一周期的厭氧段,傳統(tǒng)反硝化細(xì)菌反硝化脫氮,產(chǎn)生堿度,pH值上升.反硝化過程消耗碳源,但是馴化初期,較高的C/N卻保證了PAOs與DPAOs所需要的有機(jī)碳源.在好氧段,PAOs與DPAOs分解儲(chǔ)存在體內(nèi)的PHA,將磷酸鹽轉(zhuǎn)化為聚磷,產(chǎn)生堿度,pH值上升;同時(shí),硝化細(xì)菌將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N,消耗堿度,pH值下降.好氧初期,反應(yīng)器內(nèi)高濃度的無機(jī)磷大大增加了PAOs與DPAOs的活性,主要以吸磷為主,pH值上升,后期DO濃度有所上升,硝化細(xì)菌與聚磷菌爭奪溶解氧,硝化能力提升,pH值下降.隨著NH4+-N氧化完畢與吸磷反應(yīng)結(jié)束,pH值與DO曲線迅速上升,在曲線上形成低谷.因此,可利用pH值與DO作為厭氧釋磷結(jié)束與周期結(jié)束的指示點(diǎn),對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,可大大減少反應(yīng)時(shí)間,減少曝氣能耗.

厭氧段釋磷過程中,各周期釋磷量分別為39.14,101.56,91.08mg/L,單位污泥釋磷量則為15.91,35.26,32.76mg/g MLSS.釋磷量先升高后降低,這是由于在污泥馴化過程中,單位活性污泥中聚磷菌數(shù)量不斷增加,使得厭氧段釋磷量增加,而低C/N下釋磷量的減少,則歸于碳源不足引起的聚磷菌數(shù)量衰減,進(jìn)一步印證了降低C/N會(huì)造成聚磷菌菌群數(shù)量的減少.在好氧段,各周期均發(fā)生了總氮損失的現(xiàn)象,由于COD濃度沒有變化,排除反硝化細(xì)菌的作用,可能是DPAOs在微缺氧環(huán)境下發(fā)生的反硝化脫氮.缺氧段,發(fā)生了TP與總氮的同步去除,這是DPAOs在缺氧環(huán)境下以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行吸磷,并同步脫氮.這大大減少了能耗,有利于提高系統(tǒng)的去除效率.

3 結(jié)論

3.1 在C/N=6下,接種污水廠二沉池污泥,初期以短污泥齡富集PAOs,排除非PAOs,之后引入缺氧段,延長污泥齡,分階段啟動(dòng),可在39d實(shí)現(xiàn)SBR后置缺氧反硝化除磷,具有良好的同步脫氮除磷效果.

3.2 當(dāng)C/N短暫的降低幅度在不超過17.65%時(shí),不會(huì)影系統(tǒng)的脫氮除磷效率;C/N的降低幅度超過33.3%時(shí),系統(tǒng)脫氮除磷性能有所惡化;但是在進(jìn)水COD濃度減少的長期運(yùn)行下,有利于提升DPAOs在PAOs中的比例,一定程度上能夠彌補(bǔ)其去除效率的降低.

3.3 pH值與DO作為厭氧釋磷結(jié)束與周期結(jié)束的指示點(diǎn),對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,可大大減少反應(yīng)時(shí)間,減少曝氣能耗.

3.4 后置缺氧反硝化除磷系統(tǒng),在C/N=6與4時(shí),DPAOs占PAOs中的數(shù)量分別為67.3%與85.9%,較以往在SBR和其他類型反應(yīng)器的比例要高.

[1] 余鴻婷,李 敏.反硝化聚磷菌的脫氮除磷機(jī)制及其在廢水處理中的應(yīng)用 [J]. 微生物學(xué)報(bào), 2015,55(3):264-272.

[2] Xu X, Liu G, Zhu L. Enhanced denitrifying phosphorous removal in a novel anaerobic/aerobic/anoxic (AOA) process with the diversion of internal carbon source [J]. Bioresource Technology, 2011,102(22):10340-10345.

[3] Ma Y, Peng Y, Wang X. Improving nutrient removal of the AAO process by an influent bypass flow by denitrifying phosphorus removal [J]. Desalination, 2009,246(1-3):534-544.

[4] Zhou Y, Pijuan M, Yuan Z. Development of a 2-sludge, 3-stage system for nitrogen and phosphorous removal from nutrient-rich wastewater using granular sludge and biofilms [J]. Water Research, 2008,42(12):3207-3217.

[5] Carvalho G, Lemos P C, Oehmen A, et al. Denitrifying phosphorus removal: Linking the process performance with the microbial community structure [J]. Water Research, 2007,41(19): 4383-4396.

[6] Zeng W, Wang X D, Li B X, et al. Nitritation and denitrifying phosphorus removal via nitrite pathway from domestic wastewater in a continuous MUCT process [J]. Bioresource Technology, 2013,143:187-195.

[7] Zeng R J, Lemaire R, Yuan Z, et al. Simultaneous nitrification, denitrification, and phosphorus removal in a lab-scale sequencing batch reactor [J]. Biotechnology and Bioengineering, 2003,84(2): 170-178.

[8] Park J B, Lee H W, Lee S Y, et al. Microbial community analysis of 5-stage biological nutrient removal process with step feed system [J]. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2002, 12(6):929-935.

[9] Singh M, Srivastava R K. Sequencing batch reactor technology for biological wastewater treatment: A review [J]. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering, 2011,6(1):3-13.

[10] 何 理,高大文.基于反硝化聚磷菌的顆粒污泥的培養(yǎng) [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2014,34(2):383-389.

[11] 張玉秀,張偉偉,薛 濤,等.亞硝酸型反硝化除磷污泥馴化方式的比較 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2009,29(5):493-496.

[12] Marcelino M, Wallaert D, Guisasola A, et al. A two-sludge system for simultaneous biological C, N and P removal via the nitrite pathway [J]. Water Science and Technology, 2011,64(5): 1142-1147.

[13] Wang Y, Peng Y, Stephenson T. Effect of influent nutrient ratios and hydraulic retention time (HRT) on simultaneous phosphorus and nitrogen removal in a two-sludge sequencing batch reactor process [J]. Bioresource Technology, 2009,100(14):3506-3512.

[14] Kapagiannidis A G, Zafiriadis I, Aivasidis A. Effect of basic operating parameters on biological phosphorus removal in a continuous-flow anaerobic-anoxic activated sludge system [J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2012,35(3):371-382.

[15] 胡筱敏,李 微,劉金亮,等. pH對(duì)以亞硝酸鹽為電子受體反硝化除磷的影響 [J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013,44(5): 2144-2149.

[16] 國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版) [J]. 2002:100-104.

[17] Wachtmeister A, Kuba T, Van Loosdrecht M, et al. A sludge characterization assay for aerobic and denitrifying phosphorus removing sludge [J]. Water Research, 1997,31(3):471-478.

[18] GB18918—2002 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S].

[19] Wang Y, Jiang F, Zhang Z, et al. The long-term effect of carbon source on the competition between polyphosphorus accumulating organisms and glycogen accumulating organism in a continuous plug-flow anaerobic/aerobic (A/O) process [J]. Bioresource Technology, 2010,101(1):98-104.

[20] Liu L, Tang B, Huang S, et al. Rapid enrichment and cultivation of denitrifying Phosphate-Removal bacteria and its identification by fluorescence in situ hybridization technology [J]. Huanjing Kexue, 2013,34(7):2869-2875.

[21] DB/890—2012 城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn) [S].

[22] 鄒海明,呂錫武,李 婷.反硝化除磷-誘導(dǎo)結(jié)晶磷回收工藝試驗(yàn) [J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014,42(4):127-132.

[23] 吳昌永,彭永臻,彭 軼,等.A~2O工藝中的反硝化除磷及其強(qiáng)化 [J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009,41(8):46-49.

[24] Wang Y, Geng J, Ren Z, et al. Effect of COD/N and COD/P ratios on the PHA transformation and dynamics of microbial community structure in a denitrifying phosphorus removal process [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2013,88(7):1228-1236.

[25] Zhang C Y, Zhang H M, Yang F L. Optimal cultivation of simultaneous ammonium and phosphorus removal aerobic granular sludge in A/O/A sequencing batch reactor and the assessment of functional organisms [J]. Environmental Technology, 2014,35(15):1979-1988.

[26] 戴 嫻,王曉霞,彭永臻,等.進(jìn)水C/N對(duì)富集聚磷菌的SNDPR系統(tǒng)脫氮除磷的影響 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2015,35(9):2636-2643.

[27] Zhu R L, Wang S Y, Li J, et al. Effect of influent C/N ratio on nitrogen removal using PHB as electron donor in a post- denitritation SBR [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2013,88(10):1834-1905.

[28] Bu F, Hu X, Xie L, et al. Cassava stillage and its anaerobic fermentation liquid as external carbon sources in biological nutrient removal [J]. Journal of Zhejiang University-Science B, 2015,16(4):304-316.

[29] Tsuneda S, Ohno T, Soejima K, et al. Simultaneous nitrogen and phosphorus removal using denitrifying phosphate-accumulating organisms in a sequencing batch reactor [J]. Biochemical Engineering Journal, 2006,27(3):191-196.

[30] 王春麗,馬 放,劉 慧,等.泥齡對(duì)反硝化除磷效能的影響 [J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,38(5):637-640.

[31] 傅金祥,趙 璐,池福強(qiáng),等.亞硝酸鹽反硝化除磷工藝的影響因素 [J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009,25(3):531-534.

* 責(zé)任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

The start-up and performance of denitrifying phosphorus removal process in a post-anoxic SBR system

YANG Jie1, LI Dong1*, LUO Ya-hong2, LI Xiao-ying1, ZENG Hui-ping1, ZHANG Jie1,3

(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.Key Laboratory for Yellow River and Huai River Water Environmental and Pollution Control, Ministry of Education, Henan Key Laboratory for Environmental Pollution Control, College of the Environment, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China；3.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2016,36(5)：1376~1383

In order to realize efficient simultaneous nitrogen and phosphorus removal in domestic wastewater, a post-anoxic SBR system was used. The results showed that the denitrifying phosphorus removal process was launched in 39days by firstly shortening the SRT to enrich phosphorus accumulating organisms (PAOs), and then extending the SRT and introducing the anoxic phase. COD, TP, NH4+-N and TN removal efficiency were 92.9%, 98.4%, 100% and 98.4%, respectively. The effect of influent carbon-nitrogen ratio (C/N) was also investigated. There was no obvious change on nitrogen and phosphorus removal efficiency when the decrease of C/N was below 17.65% in a short term. When it exceeded 33.3%, the system had a bad performance on both nitrogen and phosphorus removal, but in the long run, the effluent COD concentration fell, and the proportion of denitrifying phosphorus accumulating organisms (DPAOs) in PAOs increased, which supplemented the removal efficiency of decline to some extent. The cycle test indicated that pH and DO can be the real-time control parameters which decided whether the anaerobic phosphorus release and the cycle ended or not. The reaction time and energy consumption of aeration could be reduced significantly.

SBR；post-anoxic；denitrifying phosphorus removal；startup；C/N；real-time control

X703.5

A

1000-6923(2016)05-1376-08

楊 杰(1989-),男,河北行唐人,北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院碩士研究生,主要從事城市生活污水處理方向研究.

2015-10-12

國家科技重大專項(xiàng)水專項(xiàng)(2012ZX07202-005)