牟 妍
(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院,遼寧 沈陽 110168)
反硝化除磷工藝(DPR)是目前具有極大發(fā)展前景的污水處理方式[1]。DPR是培養(yǎng)以NO3--N為電子受體的DPAOs,以不同馴化方式獲得DPAOs污泥微生物群落結構[2],并基于“一碳兩用”,發(fā)生反硝化并超量吸磷的工藝。這意味著反硝化除磷工藝利用一種微生物實現(xiàn)脫氮除磷,其需氧量、碳源消耗和污泥產量均有所降低。然而反硝化除磷工藝的應用受到諸多因素的限制,因此研究反硝化除磷工藝的影響因素具有重要的現(xiàn)實意義。
在厭氧/缺氧交替運行條件下,DPAOs通過自身代謝實現(xiàn)同步脫氮除磷。反硝化除磷的機理和傳統(tǒng)除磷工藝的機理極為相似。在厭氧段,DPAOs和聚磷菌(PAOs)作用過程基本一致。在厭氧段,DPAOs將多聚磷酸鹽(Ploy-P)水解成磷酸鹽(PO43--P)釋放到水體中并產生能量,將水中低分子揮發(fā)性脂肪酸(VFA)合成聚β羥基丁酸(PHB)并累積在體內[3];在缺氧段,DPAOs以NO3--N或NO2--N為電子受體進行代謝,利用菌體內的PHB產生的ATP,主要用于過量吸收水中PO43--P合成Ploy-P并合成糖原[4],部分富磷污泥通過剩余污泥排出系統(tǒng),同時將硝態(tài)氮還原成氮氣排出系統(tǒng)。
反硝化除磷工藝可分為單污泥工藝和雙污泥工藝,其區(qū)別在于在反硝化裝置中DPAOs與硝化細菌是否同時存在。
單污泥工藝系統(tǒng)是多系統(tǒng)內所有細菌都同時存在且都要通過厭氧、缺氧、好氧3種交替環(huán)境。單泥工藝主要有UCT、MUCT和BCFS工藝。
2.1.1 UCT工藝和MUCT工藝
南非開普頓大學基于傳統(tǒng)的A2/O工藝,在缺氧池和厭氧池之間增設了混合液回流,強化了厭氧缺氧交替的環(huán)境,有助于DPAOs富集,并且活性污泥不是回流到厭氧池而是到缺氧池,大量硝態(tài)氮在缺氧池中被還原,大大減少了進入厭氧池的硝態(tài)氮,使硝態(tài)氮抑制厭氧池釋磷的作用降到最低[5],從而開發(fā)出UCT工藝及MUCT工藝,使得優(yōu)化后的工藝除磷效果提高。UCT工藝和MUCT工藝的優(yōu)點在于明顯提升了污染物去除效果以及碳源的利用率。而UCT工藝和MUCT工藝的缺點在于在3種交替環(huán)境中,DPAOs、硝化細菌與其它具有脫氮除磷功能的菌共存且有不同程度的競爭,無法保證反硝化除磷和硝化反應均處于最適環(huán)境中,導致了脫氮除磷相互矛盾。
2.1.2 BCFS工藝
荷蘭Delft技術大學首先提出BCFS工藝,該工藝是基于Carrousel氧化溝和UCT工藝開發(fā)出來的。BCFS工藝也最大程度創(chuàng)造DPAOs富集的條件,為DPAOs的生長提供了有利條件,同UCT工藝一樣避免了NO3--N干擾DPAOs釋磷。BCFS工藝增設了接觸池,充分利用厭氧池剩余的化學需氧量(COD),回流污泥中NO3--N快速進行反硝化反應,對污泥膨脹有抑制作用;同時增設了混合池,有助于污泥在好氧池中再生,在混合池的低氧(DO≈0.5mg·L-1)條件下實現(xiàn)同步硝化和反硝化,大大降低出水總氮濃度[6];在厭氧段還增設了化學除磷段,不僅可以排除其他因素對除磷的影響,提高工藝中磷的去除效率,而且可以降低工藝的能源消耗。BCFS工藝的污染物處理效果較好,氮的去除率可達到90%以上,出水磷的濃度可低于0.2mg·L-1,但也存在著一些缺點,當進水C/P比過低或污泥齡過長時都不利于除磷,BCFS工藝占地面積較大,結構較復雜,基建與運行成本較高。
雙泥系統(tǒng)是DPAOs與硝化細菌2種菌種相互獨立,分別存在于相互獨立的反應器中,同時具有硝化和反硝化除磷雙泥回流系統(tǒng),其主要代表工藝為Dephanox和A2N。
2.2.1 Dephanox工藝
Wanner首次提出了Dephanox工藝,通過國內外學者深入的研究開發(fā)出具有雙泥系統(tǒng)的Dephanox工藝。Dephanox工藝中DPAOs在厭氧段充分釋磷并貯存PHB,氨氮濃度較高的中沉池上清液在固定膜反應池中進行硝化反應,超越到缺氧池的DPAOs以NO3--N作為電子受體同步脫氮除磷,經二沉池沉淀后出水,污泥回流至厭氧池繼續(xù)進行反應,剩余污泥直接排放到系統(tǒng)外。該工藝通過增設固定膜反應池使硝化細菌不受其他細菌干擾,從而解決了單泥系統(tǒng)存在的DPAOs和硝化細菌污泥齡矛盾問題,使其分別存在于各自最適環(huán)境中,充分利用碳源,確保缺氧池有較多的電子受體進行除磷反應,從而提高脫氮除磷效果,并且對低碳氮比的污水有較好的處理效果,當進水COD濃度較高時,好氧池可處理缺氧池未處理完全的磷[7]。Dephanox工藝的缺點在于生活污水的N/P通常不能滿足工藝在缺氧吸磷的要求,除磷效果較差,限制了工藝在工程上的應用。
2.2.2 A2N-SBR工藝
Kuba根據(jù)雙泥系統(tǒng)理論將A2O-SBR和N-SBR系統(tǒng)有機結合開發(fā)可穩(wěn)定脫氮除磷的A2N-SBR工藝,該工藝磷的去除率接近100%,氮的去除率也達到了90%[8]。A2N-SBR工藝是在A2O-SBR和N-SBR系統(tǒng)中分別進行反硝化除磷和硝化反應,并培育篩選DPAOs和硝化菌優(yōu)勢菌種,為DPAOs提供大量的NO3-_N作電子受體,反硝化系統(tǒng)后置降低了回流污泥量。A2N-SBR工藝相互獨立的雙泥系統(tǒng),避免了硝化菌和DPAOs的污泥齡矛盾,易于對各系統(tǒng)進行優(yōu)化,使污染物處理效果更好。該工藝對城市C/N較低的生活污水處理效果更好,在進水N/P為7左右時,碳源利用率最高,比傳統(tǒng)工藝節(jié)省一半碳源,比UCT工藝脫氮效果更好,占地面積更小,能耗更低。A2N-SBR工藝缺點在于對缺氧池硝酸鹽的量要求較嚴格,不足時,由于缺少電子受體,影響缺氧吸磷效果,而過量時,將進入厭氧池,抑制厭氧釋磷和PHB的合成;部分氨氮隨著污泥超越到缺氧池,導致出水氨氮濃度較高。
溫度主要通過影響酶催化速率和基質擴散速率,影響反硝化除磷的生物反應。DPAOs的最適溫度為20~35℃,屬于中溫菌。李微通過實驗發(fā)現(xiàn),水溫24℃時污染物去除率最高,氮磷的去除率可達到94%以上[9]。較低的溫度會影響到微生物的生長速率、活性、污泥沉降性能、PHB的水解和NO3--N的傳遞與反應,進而影響處理效果,其中COD和NH4+-N的處理效果會顯著降低。Li和張帆都在低溫下通過調節(jié)C/N、MLSS及其他影響因素,成功使反硝化除磷系統(tǒng)高效運行[10,11]。因此在低溫條件下,通過合理的調節(jié)運行參數(shù),也可以高效的反硝化除磷。溫度過高會導致微生物失去活性。
pH值會影響厭氧段DPAOs胞內的電荷以及胞外營養(yǎng)物質的吸收,影響細菌代謝,進而影響厭氧釋磷。研究表明,DPAOs的最適pH值為6.5~8.0,Li和鞏有奎證明了隨著pH值升高,DPAOs對碳源吸收和Poly-P水解的能力逐步增強,厭氧釋磷量增多,除磷效果好[12,13]。蔣軼鋒通過研究發(fā)現(xiàn),升高pH值可以使以NO2--N為電子受體的反硝化除磷系統(tǒng)處理效果增強[14]。因此,在適宜的pH范圍內升高pH值,可以得到更好的運行效果。不適宜的pH值會影響DPAOs的生長及活性,可能會導致反硝化除磷失敗。pH值過高時,磷酸鹽易沉淀,除磷速率和釋磷量降低。pH值過低時,DPAOs生長速率降低,甚至停止生長。
溶解氧(DO)濃度會影響吸磷釋磷以及硝化程度。厭氧段的DO值過高時,會影響釋放磷和合成PHB,影響微生物生長。好氧段DO決定了硝化程度,過低時大部分硝化為NO2--N,會對缺氧段DPAOs所利用的電子受體有影響,造成NO2--N和NO3--N的競爭,繆新年實驗表明,溶解氧過低時,亞硝化的速率也會降低,不能把NH4+-N完全氧化[15]。Zhu也證明了低DO濃度會限制磷的吸收以及TN的去除[14]。有限時過高時硝化反應完全,產生過量NO3--N,部分NO3--N進入厭氧段,影響反硝化除磷效果。缺氧段DO值過高,O2會與NO3--N爭作電子受體,影響反硝化過程。
污泥濃度對反硝化除磷工藝的污泥馴化過程有較大影響。研究表明,反硝化除磷污泥系統(tǒng)適宜的MLSS為3000~4000mg·L-1。適度升高MLSS可以加快反硝化的速率,利于厭氧釋磷和缺氧聚磷,加快馴化污泥。Li在實驗中將MLSS從4000mg·L-1提升到6000mg·L-1后,發(fā)現(xiàn)提升MLSS可以提高NH4+-N和NO2--N的氧化速率,提高脫氮效率[17]。MLSS過高時,不利于泥水分離,影響污泥回流,電子受體不足可能引起二次釋磷。朱文韜證實隨著MLSS增加,釋磷量和吸磷量均增加,當過高時,MLSS的影響不大,釋磷量由碳源的含量決定[18]。MLSS過低時,會引起NO2--N積累,反硝化速率降低。MLSS對反硝化除磷系統(tǒng)穩(wěn)定運行至關重要。
污泥齡(SRT)會影響系統(tǒng)中微生物生長環(huán)境和污泥的活性。對于不同的單、雙污泥系統(tǒng),由于裝置中微生物不同,微生物可再生時間不同即最佳SRT也不同。A2N工藝系統(tǒng)只需考慮DPAOs,因此最佳的SRT即為DPAOs的可再生時間,此時DPAOs的生長因素最優(yōu),活性最強,污泥中磷的含量最多,除磷效果最好。當SRT小于DPAOs的再生時,DPAOs無法富集,逐漸從系統(tǒng)中流失。當SRT大于DPAOs的再生時,污泥的活性將下降并老化,除磷效果逐漸下降。王曉霞發(fā)現(xiàn)SRT過大時硝化不完全,污泥沉降性能差,但抗沖擊負荷能力強[19]。因此,當控制系統(tǒng)保持適宜且穩(wěn)定的SRT,反硝化除磷效果好,且能維持穩(wěn)定的污泥濃度,便于系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。
碳源的種類和投加量會對DPAOs吸收碳源和轉化為PHB的效率有一定的影響,從而影響厭氧釋磷。乙酸、丙酸和葡萄糖都可作為碳源來富集DPAOs。乙酸作為碳源時,單位釋磷量較大,加快除磷進度,處理效果好。丙酸作為碳源時,釋磷速率較快,可減少NO2--N的積累,處理效果較好。葡萄糖作為碳源時,處理效果相對較差。不同的碳源對溫室氣體N2O的量及轉化有重要影響,付昆明研究表明,葡萄糖為碳源時N2O釋放量和轉化率均最大[20]。合適的C/N比對反硝化系統(tǒng)也有著重要的影響。Zhu發(fā)現(xiàn),適當提高C/N有助于儲存能量,便于磷的吸收[16]。但碳源濃度過低時,釋磷量和釋磷速率都會下降,導致不能完全釋磷。濃度過高時,聚磷速率和聚磷量下降。為保證反硝化除磷效果,應確定合適的碳源和適宜的投加量。
電子受體對缺氧段的聚磷量和聚磷速率都較大影響,導致處理效果受到影響。對于NO2--N能否作為反硝化除磷的電子受體的問題,目前Yao和Guo等研究人員都證明NO2--N和NO3--N一樣都可作為電子受體被DPAOs利用[21,22]。NO3--N作為電子受體時,聚磷效率以及電子受體利用率都明顯好于NO2--N作為電子受體時。NO3--N含量遠高于NO2--N時,DPAOs僅以NO3--N作為電子受體,NO2--N不影響反硝化聚磷。NO2--N含量較高時,NO2--N不進行反硝化聚磷,且會抑制反硝化聚磷。實驗和污泥條件決定了NO2--N抑制反硝化的臨界濃度。NO3--N濃度過高,會導致厭氧段存在NO3--N,DPAOs會使用碳源反硝化消耗NO3--N,缺氧段沒有足夠的NO3--N和PHB供給反硝化聚磷菌超量吸磷,大大地降低除磷效果。電子受體的投加方式對除磷效率也有重要影響。呂永濤實驗表明分多次投加NO2--N比一次性投加時,除磷效率明顯提高[23]。其根本原因是高濃度的NO2--N會抑制反硝化除磷反應。
反硝化除磷是一種高效低耗、綠色可持續(xù)的生物脫氮除磷工藝,其應用前景廣闊,目前已經受到了廣泛關注并研究。國內外研究人員根據(jù)反硝化除磷機理開發(fā)出了多種單泥雙泥工藝系統(tǒng),并對反硝化除磷工藝的性能進行深入研究。
目前雙泥工藝比單泥工藝脫氮效果更好,碳源利用率更高,能耗更少但結構更復雜,工程應用更困難。現(xiàn)有的工藝對低C/N的處理效果更好,但磷的處理效果不穩(wěn)定。如何簡化雙泥工藝,增強其工程應用,提高單泥工藝的處理效果,除磷效果更穩(wěn)定是未來工藝發(fā)展的研究方向。對于雙泥工藝的應用,可在現(xiàn)有污水廠工藝的基礎上進行改建;對于單泥工藝,可與其他工藝耦合,補充單泥工藝的不足;對于處理效果,深入研究反硝化除磷的影響因素,確定工藝運行的最適條件,使工藝穩(wěn)定高效的運行。