甄建園,于德爽,王曉霞,陳光輝,杜世明,袁夢飛,張 帆

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低C/N(<3)條件下SNEDPR系統(tǒng)啟動及其脫氮除磷特性研究

甄建園,于德爽,王曉霞*,陳光輝,杜世明,袁夢飛,張 帆

(青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266071)

為了解同步硝化內(nèi)源反硝化除磷(SNEDPR)系統(tǒng)處理低C/N(<3)污水的脫氮除磷特性,采用厭氧/低氧(溶解氧0.5~1.0mg/L)運行的SBR反應(yīng)器,以低碳城市污水為處理對象,考察了C/N對SNEDPR啟動、脫氮除磷性能優(yōu)化與菌群結(jié)構(gòu)變化的影響.結(jié)果表明:進水C/N由4.3提高至5.15時,系統(tǒng)脫氮除磷性能均逐漸增強,系統(tǒng)總氮(TN)和PO43--P去除率最高達(dá)89.3%和90.6%;降低進水C/N<3后,系統(tǒng)脫氮、除磷性能均呈現(xiàn)先降低后逐漸升高的趨勢,但低C/N對PAOs(聚磷菌)除磷性能的影響高于其對反硝化聚糖菌(DGAOs)內(nèi)源反硝化脫氮性能的影響,表現(xiàn)為TN和PO43--P去除率分別先降低至21.4%和3.4%后逐漸升高至92.9%和94.1%.系統(tǒng)穩(wěn)定運行階段,單位COD平均釋磷量和SNED率達(dá)437.1mgP/gCOD和89.1%,出水NH4+-N、NO--N和PO43--P濃度平均為0,4.4,0.2mg/L.經(jīng)136d的運行,系統(tǒng)內(nèi)PAOs, GAOs, AOB(氨氧化菌)和NOB(亞硝酸鹽氧化菌)分別占全菌的(16±3)%, (8±3)%, (7±3)%和(3±1)%,其保證了系統(tǒng)除磷、硝化和反硝化脫氮性能.此外,系統(tǒng)好氧段存在同步短程硝化內(nèi)源反硝化,是實現(xiàn)低C/N(<3)污水高效脫氮除磷的原因.

同步硝化內(nèi)源反硝化(SNED)；反硝化除磷(DnPR)；碳氮比(C/N)；聚磷菌(PAOs)；反硝化聚糖菌(DGAOs)

在傳統(tǒng)的城市污水處理工藝中,低碳源往往制約著其脫氮除磷效果[1].通常,城市污水處理廠為了實現(xiàn)污水的達(dá)標(biāo)排放,往往需要進行外碳源的投加[2],其在一定程度上增加了運行成本.目前,已有研究將強化生物除磷系統(tǒng) (EBPR)[3-6]與同步硝化內(nèi)源反硝化系統(tǒng)(SNED)[7-9]耦合(即形成同步硝化內(nèi)源反硝化除磷,SNEDPR)用于污水的脫氮除磷[10-11].在厭氧/好氧條件下運行的SNEDPR系統(tǒng)中,聚磷菌(PAOs)[12]和聚糖菌(GAOs)[13]在厭氧段將外碳源儲存為細(xì)胞內(nèi)的聚羥基脂肪酸(PHAs)可用于后續(xù)好氧段的吸磷過程及SNED脫氮過程,進而降低出水中NO--N的含量,其可在提高系統(tǒng)脫氮率而且同時

減少 NO--N對下一反應(yīng)周期PAOs釋磷過程的影響[14].與傳統(tǒng)生物脫氮除磷(BNR)工藝相比,SNEDPR系統(tǒng)可實現(xiàn)“一碳多用”,解決了反硝化脫氮過程與除磷過程之間對碳源的矛盾與競爭,且具有曝氣能耗低、無需外加有機碳源等優(yōu)勢,是一種節(jié)能、降耗的污水處理工藝.

目前,有關(guān)SNEDPR工藝的研究主要集中在高C/N污水的處理過程[15-16],以及人工配水條件下SNEDPR系統(tǒng)的啟動過程[17][-18].有關(guān)城市污水條件下SNEDPR系統(tǒng)的啟動及其脫氮除磷性能優(yōu)化的研究相對較少,且均存在同步硝化反硝化率(SND率)低或處理性能低等問題[19-20]. Lo等[21]在SBR中以C/N為15啟動的SNDPR,SND率僅為16.7%,TN去除率僅為26.7%.有關(guān)低C/N比(<3)條件下,SNEDPR系統(tǒng)的啟動與脫氮除磷特性及其性能優(yōu)化方面的研究尚未見報道.

本研究以實際低C/N城市污水為處理對象,采用延時厭氧(180min)/好氧(溶解氧0.5~1.0mg/L)運行的SBR反應(yīng)器,通過調(diào)控進水COD和C/N及低氧段曝氣量,實現(xiàn)SNEDPR的啟動和高效、穩(wěn)定運行.分析系統(tǒng)典型周期內(nèi)基質(zhì)濃度、pH值和DO濃度等的變化情況,研究系統(tǒng)的脫氮除磷機理,以期為低C/N(<3)城市污水同步脫氮除磷SNEDPR工藝的開發(fā)和實際工程應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行工序

試驗裝置采用序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR),由有機玻璃制成,高為50cm,直徑為19cm,總體積為13L,有效容積為8L.反應(yīng)器底部設(shè)有排泥管和放空管,側(cè)面設(shè)有出水口,以方便進水和取樣.SBR反應(yīng)器采用延時厭氧/好氧的運行方式,每天運行4周期,每周期為6h,運行的工序為:延時厭氧攪拌180min(包括進水5min),好氧曝氣攪拌150min(包括排泥5min),沉淀20min,排水5min,靜置5min.反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度維持在2800~3500mg/L,SRT為15d,好氧段DO通過轉(zhuǎn)子流量計控制在0.5~1.0mg/ L范圍內(nèi).

此外,SBR反應(yīng)器中SNEDPR啟動與性能優(yōu)化試驗研究主要分為2個過程:在過程1,通過提高進水COD濃度和C/N,實現(xiàn)SNEDPR的啟動,強化PAOs和GAOs在厭氧段的內(nèi)碳源儲存特性,保證后續(xù)好氧段中好氧吸磷、反硝化除磷和內(nèi)源反硝化的高效進行;在過程2,通過降低C/N實現(xiàn)SNEDPR系統(tǒng)處理低C/N城市污水的性能優(yōu)化.

1.2 接種污泥和試驗水質(zhì)

接種污泥取自青島市某污水處理廠二沉池剩余污泥,接種后反應(yīng)器內(nèi)MLSS為4080mg/L,SVI為106mL/g.試驗用水取自青島市某污水處理廠粗格柵預(yù)處理后生活污水,試驗過程中通過向城市污水中投加固體乙酸鈉或氯化銨的方式來提高進水COD濃度或調(diào)控進水C/N.根據(jù)實驗過程中系統(tǒng)不同進水C/N下表現(xiàn)不同的脫氮除磷性能,可將試驗過程分為4個階段,其中不同運行階段反應(yīng)器進水水質(zhì)情況見表1.

表1 不同階段下進水水質(zhì)情況

1.3 檢測項目及分析方法

1.3.1 常規(guī)檢測方法 水樣經(jīng)11cm定性濾紙過濾后測定以下參數(shù):COD采用連華5B-3ACOD多元快速測定儀測定;NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定[22];NO2--N采用-(1-萘基)-乙二胺光度法測定[22];NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定[22]; PO43--P采用鉬銻抗分光光度法測定[22];pH值采用雷磁PHB-3CpH計測定;DO采用雷磁JPB-607溶解氧測定儀測定;MLSS、SVI采用重量法測定.此外, SBR反應(yīng)器運行第130d時,測定一個典型運行周期內(nèi)NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P和COD 濃度及pH值、DO濃度的變化情況.

1.3.2 FISH 分析方法 本實驗FISH分析過程中使用的全菌探針為EUBmix,是由EUB338, EUB338Ⅱ,EUB338Ⅲ組成聚磷菌探針為PAOmix,由PAO462, PAO651和PAO846混合而成.聚糖菌探針為GAOmix,是由GAO431和GAO989混合而成[23].相同目標(biāo)探針均以相同比例混合為PAOmix, GAOmix和EUBmix. AOB探針由NSO1225和NSO190混合而成;NOB探針包括NIT3和Ntspa662[24].圖片采用OLYMPUS DP72數(shù)字成像系統(tǒng)采集,采用Image plus軟件計數(shù),得到各目標(biāo)菌占總菌EUBmix的百分?jǐn)?shù).

1.4 SNED率

SNED率用以表示在SNEDPR系統(tǒng)好氧段的氮損失情況[25],其計算方法見式(1):

SNED(%)=[1-(DNO3-+DNO2-)/DNH4+]′100% (1)

式中:ΔNH4+、ΔNO2-、和ΔNO3-分別為系統(tǒng)低氧段NH4+-N、NO2--N 和NO3--N濃度的變化量.

2 結(jié)果與討論

2.1 SNEDPR系統(tǒng)運行過程中COD去除特性

SNEDPR系統(tǒng)的運行過程中,根據(jù)系統(tǒng)進水COD和C/N變化情況,可將整個運行過程分為4個階段.其中,系統(tǒng)運行期間進出水COD、COD去除率、系統(tǒng)厭氧段COD消耗量(CODAC)與系統(tǒng)好氧段COD消耗量 (CODOC)的變化情況見圖1.

由圖1(a)可知,在階段Ⅰ(1~18d),系統(tǒng)進水COD濃度平均為217.2mg/L,厭氧末期和出水COD濃度分別由129.4和119.7mg/L逐漸降低至79.8和64.4mg/L,COD去除率由44.6%逐漸升高至70.9%.由圖(b)可知,在該階段CODAC由2.6mg/L逐漸升高至.52.3mg/L,CODOC則由46.7mg/L逐漸降低至3.9mg/L說明,該階段系統(tǒng)COD的去除主要是通過厭氧段實現(xiàn)的,且隨著系統(tǒng)運行時間的逐漸延長,CODAC在系統(tǒng)COD去除中的貢獻(xiàn)逐漸增大,分析其原因可能在于PAOs和GAOs內(nèi)碳源儲存特性的逐漸增強.

在階段Ⅱ(19~36d),當(dāng)系統(tǒng)進水COD濃度提高至310.5mg/L左右時,系統(tǒng)厭氧末期和出水COD濃度依然保持逐漸降低的趨勢,兩者分別由76.2, 61.2mg/L逐漸降低至51.6,47.2mg/L.同時,COD平均去除率由57.4%逐漸提高至83.4%.在該階段, CODAC由34.4mg/L迅速升高至93.5mg/L,而CODOC僅為5.2mg/L.

(a)COD濃度和去除率變化情況;(b) CODAC與CODOC的變化情況

在階段Ⅲ(37~122d),當(dāng)系統(tǒng)進水COD濃度降低至180mg/L左右時,系統(tǒng)出水COD濃度穩(wěn)定維持在51.6mg/L左右,COD去除率平均為72.5%.說明,進水 COD 負(fù)荷的變化對系統(tǒng) COD 去除性能的影響不大,這與戴嫻等[26]的研究結(jié)果一致.此外,在該階段CODAC由第37d時的9.7mg/L逐漸升高至第50d時的57.6mg/L,并在之后的51~122d內(nèi)穩(wěn)定維持在52.2mg/L左右;同時,CODOC則由第37d時的22.2mg/L逐漸降低至第50d時的5.8mg/L,并在之后的72d內(nèi)維持在4.2mg/L左右.分析該階段CODAC先升高后趨于穩(wěn)定的原因可能在于低COD濃度條件下PAOs釋磷過程和GAOs內(nèi)碳源儲存過程中內(nèi)碳源儲存作用的逐漸增強.

在階段Ⅳ(123~136d),系統(tǒng)進水COD濃度維持在階段Ⅲ的水平(平均為180.9mg/L),系統(tǒng)出水COD濃度穩(wěn)定維持在50mg/L以下(平均為44.8mg/L), COD去除率平均為74.8%.在該階段,CODAC和CODOC分別穩(wěn)定維持在在48.9,3.6mg/L左右.說明,污水中的有機碳源在厭氧段得到充分的儲存與利用,可保障后續(xù)好氧段吸磷過程和脫氮過程進行.

2.2 SNEDPR系統(tǒng)的除磷特性

由圖2可知,在階段Ⅰ(1~18d),系統(tǒng)除磷性能較差.在該階段,系統(tǒng)進水PO43--P濃度平均為4.9mg/ L,出水PO43--P濃度平均為2.7mg/L.厭氧段釋磷量(PRA)與好氧段吸磷量(PUA)分別為7.1,7.8mg/L, PO43--P去除率僅為46.0%.有文獻(xiàn)指出[27],低碳源條件下,BNR工藝中異養(yǎng)反硝化菌會優(yōu)先利用污水中的有機碳源進行外源反硝化,使得PAOs釋磷過程中碳源不足且內(nèi)碳源儲存量減少,導(dǎo)致后續(xù)吸磷過程可利用的內(nèi)碳源不足,引起出水PO43--P濃度升高.

在階段Ⅱ(19~36d),隨著進水COD濃度的提高(310mg/L,C/N為5~6),系統(tǒng)除磷性能逐漸增強, PO43--P去除率由46.8%逐漸提高并穩(wěn)定維持在93.3%左右,同時出水PO43--P濃度從第28d時開始穩(wěn)定低于0.5mg/L.在該階段,PRA由16.2mg/L逐漸提高至26.9mg/L,說明進水COD濃度的提高,有利于PAOs釋磷過程的進行,可提高系統(tǒng)的除磷性能.

圖2 SNEDPR運行過程中不同運行階段PO43--P濃度和去除率的變化情況

在階段Ⅲ(37~122d),當(dāng)進水COD濃度降低到約180mg/L后(C/N<3),系統(tǒng)的除磷性能呈現(xiàn)先降低后逐漸恢復(fù)的趨勢.在該階段,出水PO43--P濃度先逐漸升高至3.8mg/L(58d)后逐漸降低至0.4mg/L(110d),并在第111~122d內(nèi)保持在0.5mg/L以下;同時PO43--P去除率先逐漸降低至0.5%,并在后續(xù)的第109d逐漸恢復(fù)至86%左右.PRA由第38d時的25.5mg/L逐漸降低至第82d時的0.1mg/L后逐漸恢復(fù)至23.8mg/L,并在之后在103~122d時穩(wěn)定維持在21.2mg/L左右.分析38~82d內(nèi)系統(tǒng)除磷性能變差的原因在于進水COD濃度的大幅降低,使得PAOs可利用的碳源減少,從而造成釋磷過程和吸磷過程受阻;而在83~122d內(nèi)系統(tǒng)除磷性能逐漸恢復(fù)的原因可能在于有限碳源條件下PAOs較GAOs已占據(jù)競爭優(yōu)勢.

在階段Ⅳ(123~136d),當(dāng)系統(tǒng)進水COD濃度穩(wěn)定維持在180mg/L左右(C/N<3)時,系統(tǒng)的除磷性能得以穩(wěn)定維持.出水PO43--P濃度平均為0.2mg/L, PO43--P去除率高達(dá)95.7%,PRA和PUA的平均值分別為19.1,24.3mg/L.與階段Ⅱ相對比,該階段系統(tǒng)PRA和PUA雖分別降低約7.8,7.6mg/L,但其除磷性能均保持在較高水平.夏平等[28]研究發(fā)現(xiàn)在低碳源情況下DPAOs會以硝態(tài)氮作為吸磷的電子受體,以達(dá)到同步反硝化除磷效果,從而提高了碳源的利用效率.本試驗過程中采用逐步調(diào)控進水COD濃度(或C/N)的方式,可以實現(xiàn)C/N<3時SNEDPR系統(tǒng)的高效除磷.

2.3 SNEDPR系統(tǒng)的硝化特性

由圖3可見,在階段Ⅰ(1~18d),反應(yīng)器進水NH4+-N濃度平均約為61.2mg/L,出水NH4+-N 濃度由12.4mg/L逐漸升高至23.6mg/L, NH4+-N去除率由72.3%逐漸降低至51.9%,系統(tǒng)硝化性能較差.分析其原因可能在于該階段系統(tǒng)好氧段曝氣量較低(DO范圍0.5~1.0mg/L),使得硝化菌的活性變差,從而導(dǎo)致硝化過程進行不完全.

在階段Ⅱ(19~36d),隨著系統(tǒng)運行時間的延長,硝化菌逐漸適應(yīng)好氧環(huán)境,系統(tǒng)的硝化性能得以恢復(fù).在該階段,系統(tǒng)出水NH4+-N濃度由10.5mg/L逐漸降低至0.3mg/L,NH4+-N去除率高達(dá)99.51%.

在階段Ⅲ(37~122d),系統(tǒng)的硝化性能得以進一步提高.系統(tǒng)出水NH4+-N濃度平均僅為0.4mg/L, NH4+-N去除率高達(dá)100%.在階段Ⅳ(123~136d),系統(tǒng)的硝化性能穩(wěn)定維持在較高水平,系統(tǒng)出水NH4+-N濃度為0,NH4+-N去除率穩(wěn)定維持在100%.

圖3 SNEDPR運行過程中不同運行階段NH4+-N濃度變化情況

2.4 SNEDPR系統(tǒng)運行過程中好氧段SNED率及其脫氮特性

由圖4可知,在階段Ⅰ(1~18d),系統(tǒng)好氧段初始NO--N濃度由0.87mg/L逐漸降低至0mg/L,出水NO--N濃度由22.8mg/L逐漸降低至10.7mg/L;系統(tǒng)TN去除率和好氧段SNED率分別由第1d時的40.8%和9.3%分別逐漸升高至第18d時的55.5%和19.9%.在該階段,SNED率的變化趨勢與CODAC的變化趨勢(見圖1(b))相一致,其解釋了系統(tǒng)脫氮性能得以逐漸提高的原因.

圖4 SNEDPR好氧段NOx--N濃度,SNED率和TN去除率的變化情況

在階段Ⅱ(19~36d),當(dāng)進水COD濃度提高到310mg/L后,系統(tǒng)好氧段初始NO--N濃度和出水NO--N濃度分別由2.2和10.67mg/L逐漸降至0和4.28mg/L,SNED率由27.19%逐漸升高至75.91%,同時TN去除率逐漸升高至89.98%.說明提高進水COD濃度可以提高系統(tǒng)的脫氮性能.此外,結(jié)合2.1可知,該階段SNEDPR系統(tǒng)好氧段幾乎無可生物降解有機物的剩余 (CODOC僅約為5.2mg/L,見圖1(b)).因此,上述試驗結(jié)果進一步證實了SNEDPR系統(tǒng)好氧段氮的去除途徑主要是同步硝化內(nèi)源反硝化.

在階段Ⅲ(37~122d),當(dāng)進水COD降低至180mg/L(C/N<3)后,系統(tǒng)好氧段初始NO--N濃度和出水NO--N濃度均分別先逐漸升高至7.8, 25.3mg/L后逐漸降低為0,2.07mg/L,同時SNED率和TN去除率分別由21.4%和58.1%逐漸升高至85.2%和94.5%.該階段系統(tǒng)的氮去除特性與CODAC的變化規(guī)律相吻合,其解釋了該階段37d~48d系統(tǒng)脫氮性能變差(出水NO--N濃度升高)的原因在于進水COD濃度的降低使得SND脫氮過程內(nèi)碳源缺乏,而該階段49~122d系統(tǒng)脫氮性能得以恢復(fù)的原因在于CODAC的逐漸升高.結(jié)合PO43--P去除特性可知,低COD濃度對SNEDPR系統(tǒng)內(nèi)PAOs除磷性能的影響高于其對GAOs內(nèi)源反硝化脫氮性能的影響,但該系統(tǒng)中PAOs較GAOs占競爭優(yōu)勢.

在階段Ⅳ(123~136d),當(dāng)進水COD濃度維持在180mg/L(C/N<3)時,系統(tǒng)的脫氮得以穩(wěn)定維持.該階段系統(tǒng)好氧段初始NO--N濃度和出水NO--N濃穩(wěn)定維持在0和4.4mg/L左右,SNED率和TN去除率平均達(dá)89.1%和96.2%.說明SNEDPR系統(tǒng)可以實現(xiàn)低C/N比污水的高效脫氮.

2.5 SNEDPR典型周期內(nèi)基質(zhì)濃度變化情況分析

為進一步分析SNEDPR系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程中的氮磷去除機理,對系統(tǒng)運行第130d典型周期內(nèi)基質(zhì)濃度以及pH值、DO濃度變化情況進行了分析(圖5).系統(tǒng)厭氧段初始COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和PO43--P濃度分別為83.1,25.7,0.3,0.4,7.3mg/L.

在厭氧段(180min),COD濃度逐漸降低至42.7mg/L,同時PO43--P濃度逐漸升高至24.3mg/L; NO2--N和NO3--N濃度變化較小(均為0.3mg/L),用于反硝化的COD僅為1.6mg/L;釋磷量(PRA)與用于內(nèi)碳源儲存的COD(CODintra)[25]的比值(PRA/ CODintra)0.44molP/molC低于PAOs厭氧代謝模型中的參數(shù)值(0.5molP/molC)[29],說明該階段大部分的CODintra(88.6%)是通過PAOs的厭氧釋磷過程實現(xiàn)的, 但GAOs也參與了外源COD向內(nèi)碳源的轉(zhuǎn)化和儲存過程.此外,該階段COD和PO43--P濃度的變化主要發(fā)生在前60min,在之后的60~180min內(nèi)兩者幾乎保持不變.說明60~180min內(nèi),CODintra主要是通過GAOs的作用實現(xiàn)的.因此,在厭氧段,異養(yǎng)反硝化菌、PAOs和GAOs均參與了COD的去除,且延時厭氧180min可通過強化GAOs的作用來提高外碳源的利用特性及其向內(nèi)碳源的轉(zhuǎn)化.另外,該階段, NH4+-N濃度稍有降低(約2.1mg/L),但保持在25.1mg/L左右

在好氧段前30min,PO43--P濃度迅速降低至4.2mg/L,同時NH4+-N濃度逐漸降低至12.9mg/L,但NO--N濃度保持在零左右.在該時間段內(nèi)吸磷量(PUA)為20.1mg/L,氮損失(NRA)為11.2mg/L,其證實了硝化、好氧吸磷、反硝化除磷或內(nèi)源反硝化過程的同時存在.此外,PO43--P濃度在好氧段第50min時降低至0.5mg/L以下(PUA為3.8mg/L),但氨氧化過程持續(xù)至第90min后結(jié)束,且主要產(chǎn)物為NO2--N(NRA為6.2mg/L), PUA/NRA(0.6mgP/mgN)遠(yuǎn)低于DPAOs缺氧代謝模型中的參數(shù)值(1.7和2.1mgP/mgN)[30],其證實了同步短程硝化反硝化除磷現(xiàn)象的存在[31].在好氧段的270~330min內(nèi), PO43--P和NH4+-N濃度均維持在0.2mg/L以下,NO2--N由8.1mg/L逐漸降低至0.2mg/L,同時NO3--N濃度逐漸升高至4.4mg/L,氮損失達(dá)3.5mg/L,證明了同步硝化內(nèi)源反硝化過程的進行.因此, SNEDPR系統(tǒng)好氧段同步短程硝化、好氧(反硝化)吸磷和內(nèi)源(短程)反硝化的同時發(fā)生,解釋了該系統(tǒng)可以在低C/N(<3)條件下實現(xiàn)污水高效同步脫氮除磷的原因.

由圖5(b)可知:在厭氧段前20min內(nèi),隨著PAOs釋磷過程的進行和進水COD中有機碳源的逐漸減少,pH值由7.50迅速下降至7.35;隨著釋磷過程的結(jié)束,pH值逐漸趨于平穩(wěn)(維持在7.34左右);此外,在厭氧段DO濃度一直維持在0左右.在好氧段,pH值隨著PAOs吸磷過程的進行由7.32迅速升高至7.66,但在吸磷過程結(jié)束后,其隨著硝化反應(yīng)的進行逐漸降低至7.24,并在290~330min時穩(wěn)定維持在7.22左右.說明,SNEDPR系統(tǒng)內(nèi)pH值曲線的折點可以指示釋磷過程和吸磷過程的結(jié)束,及氨氧化反應(yīng)的終點.從好氧段DO濃度的變化趨勢來看,在吸磷結(jié)束之前(即前30min)DO濃度一直為0;但隨著硝化反應(yīng)的進行,DO濃度逐漸升高至1.2mg/L左右,并在硝化反應(yīng)結(jié)束后穩(wěn)定維持在1.2mg/L左右.

2.6 SNEDPR系統(tǒng)啟動及穩(wěn)定運行過程中功能菌群結(jié)構(gòu)變化情況

圖6顯示，SNEDPR系統(tǒng)啟動前后(第1d和第136d),PAOs分別占全菌總數(shù)約2%和(16±3)%,系統(tǒng)PAOs的富集使系統(tǒng)的除磷性能得以提高,這與系統(tǒng)PO43--P去除率由低到高的變化趨勢相一致;同時系統(tǒng)GAOs分別占全菌總數(shù)約1%和(8±3)%,系統(tǒng)穩(wěn)定運行階段SNED率較第1d提高,且出水NO--N降低,說明GAOs的增多保證了系統(tǒng)SNED的進行.且PAOs和GAOs的富集,使系統(tǒng)厭氧段CODintra升高,這與2.5節(jié)中結(jié)論相對應(yīng).系統(tǒng)AOB占全菌的比例由(9±3)%降至(7±3)%其中,氨氧化 Proteobacteria菌所占比例由(5±2)%變化為(4±3)%;系統(tǒng)NOB占全菌的比例由(7±3)%降至3%±1%,其中和所占比例分別由(5±3)%和(2±3)%)降低為(2±1)%和約1%.AOB含量的穩(wěn)定維持保證了系統(tǒng)的硝化性,而NOB含量的降低為系統(tǒng)短程硝化內(nèi)源反硝化的實現(xiàn)提供了可能.硝化菌群結(jié)構(gòu)的變化情況與系統(tǒng)硝化特性(2.3節(jié))及脫氮特性的變化相吻合.

圖6 SNEDPR系統(tǒng)運行第1d和第136d的FISH結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 采用延時厭氧/好氧運行的SBR反應(yīng)器,通過調(diào)控進水C/N可實現(xiàn)低C/N(<3)城市污水SNEDPR系統(tǒng)的啟動和穩(wěn)定運行.系統(tǒng)穩(wěn)定運行階段,出水PO43-P和TN濃度平均值分別為0.24和1.2mg/L,單位COD平均釋磷量和SNED率達(dá)437.1mgP/gCOD和89.1%.該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低C/N城市污水的深度脫氮除磷.

3.2 當(dāng)系統(tǒng)進水C/N由4提高至6時,系統(tǒng)TN和PO43--P去除率分別由40.8%和46.8%提高至90.0%和93.3%,單位COD釋磷量和SNED率分別由98.36mgP/gCOD和27.2%逐漸升高至302.1mgP/ gCOD和75.9%,NH4+-N去除率維持在100%水平.C/N的提高有利于強化SNEDPR系統(tǒng)的除磷性能,而系統(tǒng)硝化性能未受影響.

3.3 PAOs的富集(占全菌的(16±3)%)保證了系統(tǒng)的除磷性能.低C/N(<3)對PAOs除磷性能的影響高于其對DGAOs內(nèi)源反硝化脫氮性能的影響,表現(xiàn)為TN和PO43--P去除率分別先降低至21.4%和3.4%后逐漸升高至92.9%和94.1%;單位COD釋磷量和SNED率分別降低至106.9mgP/gCOD和27.2%后逐漸升高至497.2mgP/gCOD和85.2%.

3.4 SNEDPR系統(tǒng)厭氧段,進水中的有機碳源主要用于內(nèi)碳源的儲存(約83.9%),其可為好氧段同步短程硝化、內(nèi)源(短程)反硝化以及好氧(反硝化)吸磷的進行提供內(nèi)碳源;,GAOs(占全菌的(8±3)%)的增多以及NOB(占全菌的(3±1)%)的減少,實現(xiàn)了系統(tǒng)在低C/N(<3)條件下的高效穩(wěn)定脫氮除磷.

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The nutrient removal characteristic of SNEDPR system during start-up and steady operation phases treating low C/N (<3) sewage.

ZHEN Jian-yuan, YU De-shuang, WANG Xiao-xia*, CHEN Guang-hui, DU Shi-ming, YUAN Meng-Fei, ZHANG Fan

(School of Environmental Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China)., 2018,38(8)：2960~2967

This study focused on the nitrogen (N) and phosphorus (P) removal characteristics in simultaneous nitrification- endogenous denitrification and phosphorus removal (SNEDPR) system treating low carbon/nitrogen (C/N) ratio (<3) wastewater. In order to achieve an efficient nutrient removal, an extended anaerobic/low aerobic (dissolved oxygen: 0.5~1.0mg/L) sequencing batch reactor (SBR) fed with municipal sewage was started up and optimized by regulating the influent C/N ratio. The population dynamics of functional microorganisms were also analyzed. Results indicated that when the influent C/N ratio raised from 4.3 to 5.15, the N and P removal performance of the system became better with total nitrogen (TN) and PO43--P removal efficiencies up to 89.3% and 90.6%, respectively; with C/N ratio reduced to <3, the nutrient removal performance decreased firstly and then increased in the following operation. However, the effect of low C/N on the phosphorus removal performance of PAOs (phosphorous accumulating organisms) was higher than the endogenous denitrification capability of DGAOs (denitrifying glycogen accumulating organisms), showed as the TN and PO43--P removal efficiency reduced to 21.4% and 3.4% firstly, and lately increased to 92.9% and 94.1% gradually. In the stable phase of the system, the average phosphorus release per COD and SNED efficiency reached to 437.1mg/L and 89.1% respectively, with the average effluent concentration of NH4+-N, NO--N and PO43--P was 0, 4.4, and 0.2mg/L, respectively. After 136-day operation, PAOs, GAO, AOB (ammonia oxidizing bacteria) and NOB(nitrite oxidizing bacteria) accounted for 16%±3%, 8%±3%, 7%±3% and 3%±1% of total biomass, respectively, which ensured the P uptake, nitrification and denitrification. Additionally, the occurrence of simultaneous partial nitrification-endogenous denitrification at the low aerobic stage of the system interpreted the efficient nutrient removal from low C/N (<3) wastewater.

simultaneous nitrification-endogenous denitrification (SNED)；denitrifying Phosphorus Removal (DnPR)；C/N ratio；phosphorous accumulating organisms (PAOs)；denitrifying glycogen accumulating organisms (DGAOs)

X703.1

A

1000-6923(2018)08-2960-08

甄建園(1989-),女,山東臨沂人,青島大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事低 C/N城市污水同步脫氮除磷方面研究.

2018-01-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(51778304;51708311);山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2017BEE002);中國博士后科學(xué)基金資助項目(2017M612209)

* 責(zé)任作者, 講師,elainewangxx@163.com