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(dòng)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(yùn)行的SBR反應(yīng)器,以低碳城市污水為處理對(duì)象,考察了C/N對(duì)SNEDPR啟動(dòng)、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(jìn)水C/N由4.3提高至5.15時(shí),系統(tǒng)脫氮除磷性能均逐漸增強(qiáng),系統(tǒng)總氮(TN)和PO43--P去除率最高達(dá)89.3%和90.6%;降低進(jìn)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(duì)PAOs(聚磷菌)除磷性能的影響高于其對(duì)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)污水的達(dá)標(biāo)排放,往往需要進(jìn)行外碳源的投加[2],其在一定程度上增加了運(yùn)行成本.目前,已有研究將強(qiáng)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(yùn)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(chǔ)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(jìn)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(shí)

減少 NO--N對(duì)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(shí)現(xiàn)“一碳多用”,解決了反硝化脫氮過程與除磷過程之間對(duì)碳源的矛盾與競爭,且具有曝氣能耗低、無需外加有機(jī)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(dòng)過程[17][-18].有關(guān)城市污水條件下SNEDPR系統(tǒng)的啟動(dòng)及其脫氮除磷性能優(yōu)化的研究相對(duì)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(dòng)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(dòng)與脫氮除磷特性及其性能優(yōu)化方面的研究尚未見報(bào)道.

本研究以實(shí)際低C/N城市污水為處理對(duì)象,采用延時(shí)厭氧(180min)/好氧(溶解氧0.5~1.0mg/L)運(yùn)行的SBR反應(yīng)器,通過調(diào)控進(jìn)水COD和C/N及低氧段曝氣量,實(shí)現(xiàn)SNEDPR的啟動(dòng)和高效、穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(shí)際工程應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行工序

試驗(yàn)裝置采用序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR),由有機(jī)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(jìn)水和取樣.SBR反應(yīng)器采用延時(shí)厭氧/好氧的運(yùn)行方式,每天運(yùn)行4周期,每周期為6h,運(yùn)行的工序?yàn)?延時(shí)厭氧攪拌180min(包括進(jìn)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(jì)控制在0.5~1.0mg/ L范圍內(nèi).

此外,SBR反應(yīng)器中SNEDPR啟動(dòng)與性能優(yōu)化試驗(yàn)研究主要分為2個(gè)過程:在過程1,通過提高進(jìn)水COD濃度和C/N,實(shí)現(xiàn)SNEDPR的啟動(dòng),強(qiáng)化PAOs和GAOs在厭氧段的內(nèi)碳源儲(chǔ)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(jìn)行;在過程2,通過降低C/N實(shí)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(jìn)水COD濃度或調(diào)控進(jìn)水C/N.根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)不同進(jìn)水C/N下表現(xiàn)不同的脫氮除磷性能,可將試驗(yàn)過程分為4個(gè)階段,其中不同運(yùn)行階段反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)情況見表1.

表1 不同階段下進(jìn)水水質(zhì)情況

1.3 檢測項(xiàng)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(jì)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(yùn)行第130d時(shí),測定一個(gè)典型運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(yùn)行過程中COD去除特性

SNEDPR系統(tǒng)的運(yùn)行過程中,根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)水COD和C/N變化情況,可將整個(gè)運(yùn)行過程分為4個(gè)階段.其中,系統(tǒng)運(yùn)行期間進(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)的,且隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(chǔ)存特性的逐漸增強(qiáng).

在階段Ⅱ(19~36d),當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水COD濃度提高至310.5mg/L左右時(shí),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(shí),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(jìn)水COD濃度降低至180mg/L左右時(shí),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(jìn)水 COD 負(fù)荷的變化對(duì)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(shí)的9.7mg/L逐漸升高至第50d時(shí)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(shí),CODOC則由第37d時(shí)的22.2mg/L逐漸降低至第50d時(shí)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(chǔ)存過程中內(nèi)碳源儲(chǔ)存作用的逐漸增強(qiáng).

在階段Ⅳ(123~136d),系統(tǒng)進(jìn)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(jī)碳源在厭氧段得到充分的儲(chǔ)存與利用,可保障后續(xù)好氧段吸磷過程和脫氮過程進(jìn)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(jìn)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(huì)優(yōu)先利用污水中的有機(jī)碳源進(jìn)行外源反硝化,使得PAOs釋磷過程中碳源不足且內(nèi)碳源儲(chǔ)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(jìn)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(qiáng), 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(shí)出水PO43--P濃度從第28d時(shí)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(jìn)水COD濃度的提高,有利于PAOs釋磷過程的進(jìn)行,可提高系統(tǒng)的除磷性能.

圖2 SNEDPR運(yùn)行過程中不同運(yùn)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(jìn)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(shí)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(shí)的25.5mg/L逐漸降低至第82d時(shí)的0.1mg/L后逐漸恢復(fù)至23.8mg/L,并在之后在103~122d時(shí)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(jìn)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(jìn)水COD濃度穩(wěn)定維持在180mg/L左右(C/N<3)時(shí),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(duì)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(huì)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(yàn)過程中采用逐步調(diào)控進(jìn)水COD濃度(或C/N)的方式,可以實(shí)現(xiàn)C/N<3時(shí)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(jìn)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(jìn)行不完全.

在階段Ⅱ(19~36d),隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(jìn)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(yùn)行過程中不同運(yùn)行階段NH4+-N濃度變化情況

2.4 SNEDPR系統(tǒng)運(yùn)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(shí)的40.8%和9.3%分別逐漸升高至第18d時(shí)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(jìn)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(shí)TN去除率逐漸升高至89.98%.說明提高進(jìn)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(jī)物的剩余 (CODOC僅約為5.2mg/L,見圖1(b)).因此,上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(duì)SNEDPR系統(tǒng)內(nèi)PAOs除磷性能的影響高于其對(duì)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(jìn)水COD濃度維持在180mg/L(C/N<3)時(shí),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(shí)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(jìn)一步分析SNEDPR系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行過程中的氮磷去除機(jī)理,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)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(shí)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)的, 但GAOs也參與了外源COD向內(nèi)碳源的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)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(shí)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(shí)厭氧180min可通過強(qiáng)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(shí)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(shí)間段內(nèi)吸磷量(PUA)為20.1mg/L,氮損失(NRA)為11.2mg/L,其證實(shí)了硝化、好氧吸磷、反硝化除磷或內(nèi)源反硝化過程的同時(shí)存在.此外,PO43--P濃度在好氧段第50min時(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)發(fā)生,解釋了該系統(tǒng)可以在低C/N(<3)條件下實(shí)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(jìn)行和進(jìn)水COD中有機(jī)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(jìn)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(jìn)行逐漸降低至7.24,并在290~330min時(shí)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(diǎn)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(diǎn).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(jìn)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(dòng)及穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)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(shí)系統(tǒng)GAOs分別占全菌總數(shù)約1%和(8±3)%,系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)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(duì)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(shí)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(yùn)行第1d和第136d的FISH結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 采用延時(shí)厭氧/好氧運(yùn)行的SBR反應(yīng)器,通過調(diào)控進(jìn)水C/N可實(shí)現(xiàn)低C/N(<3)城市污水SNEDPR系統(tǒng)的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行.系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)水C/N由4提高至6時(shí),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(qiáng)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(duì)PAOs除磷性能的影響高于其對(duì)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(jìn)水中的有機(jī)碳源主要用于內(nèi)碳源的儲(chǔ)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(jìn)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(shí)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(xiàng)目(51778304;51708311);山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2017BEE002);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017M612209)

* 責(zé)任作者, 講師,elainewangxx@163.com