反硝化除磷污泥特性的研究

反硝化去除磷是目前廢水提取領(lǐng)域的最新理論和技術(shù)之一。他的提出是對(duì)傳統(tǒng)生物脫氮和磷分離理論的創(chuàng)新，它不僅解決了傳統(tǒng)生物脫氮和磷分離的問題，而且為廢物的可持續(xù)處理提供了有益的幫助。反硝化去除磷是指在厭氧氧氧（analyc-analyso）的交替運(yùn)行條件下，在電子受體中形成聚磷酶菌（denitricph值）的最終電子受體。它們被用作電子受體的原始硫酸鈉（phb），并通過“一碳兩用”的方式反硝化。與傳統(tǒng)的抗硝化氮去除工藝相比，不僅可以節(jié)省50%，而且氧氣消耗降低30%，污泥產(chǎn)量可達(dá)50%。因此，反硝化磷脫氮處理被認(rèn)為是一種可持續(xù)的工藝。目前，主要技術(shù)有a2nmr和a2nm連續(xù)流技術(shù)（也稱為dephanx技術(shù)）、fuct和bcfs技術(shù)（kubatal.，1996年；b.遺傳，1999年；郝曉地，2002）。生物除磷包括聚磷菌對(duì)磷的釋放和吸收2個(gè)過程,在這2個(gè)過程中,碳源類型、溫度、NO?33--N,MLSS、pH、停留時(shí)間等多種因素都會(huì)對(duì)吸、放磷效果產(chǎn)生較大影響.筆者先前研究(王亞宜,2004)的A2N連續(xù)流工藝是個(gè)動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng),其水流條件復(fù)雜,許多生化反應(yīng)交互影響,因此,系統(tǒng)內(nèi)很多生化反應(yīng)過程以及微生物特性不能直觀地體現(xiàn)出來,這使得連續(xù)流工藝在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的許多問題無法得到合理的解釋,繼而也無法得到妥善地解決.因而,有必要利用間歇試驗(yàn),對(duì)連續(xù)流系統(tǒng)中的主導(dǎo)生化反應(yīng)過程及聚磷污泥諸多的特性進(jìn)行單獨(dú)的研究與考察.有機(jī)物特征和溫度是影響生物反應(yīng)器反硝化和吸磷效果的重要因素.許多研究結(jié)果均已證明,廢水中所含的有機(jī)基質(zhì)對(duì)磷的釋放有很大影響.大部分聚磷菌只能以低級(jí)脂肪酸類小分子有機(jī)基質(zhì)作為利用的對(duì)象,并將其合成的PHB以能量形式貯存在細(xì)胞內(nèi)部.一般認(rèn)為,在生物除磷過程中,聚磷菌只有在厭氧段進(jìn)行充分地放磷,才能保證在后續(xù)的吸磷段實(shí)現(xiàn)良好的效果(MalnouDetal.,1984;GerberA,1986).為此,考察厭氧段進(jìn)水碳源特性不同時(shí)(生活污水、醋酸鈉及內(nèi)碳源),反硝化聚磷污泥所表現(xiàn)出的放磷和缺氧吸磷特性是很必要的.另一方面,研究發(fā)現(xiàn)污水生物處理實(shí)質(zhì)是利用微生物體內(nèi)的酶促生化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)物污染物的代謝過程.由于生物蛋白活性受溫度影響很大,因而酶本身所具有的蛋白質(zhì)特性就決定了污水生物處理反應(yīng)器必須在一定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行才能取得良好的處理效果.探討反硝化除磷系統(tǒng)在不同溫度條件下的處理效能和規(guī)律是生物脫氮除磷技術(shù)研究的關(guān)鍵課題之一.據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,A2N雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)在低溫下的硝化反硝化效果好于單污泥反硝化除磷系統(tǒng),但低溫(5℃)對(duì)聚磷菌的生長(zhǎng)有抑制作用,且低溫對(duì)A2N雙污泥系統(tǒng)的影響更顯著(HaoXDetal.,2000).本文即利用了A2N連續(xù)流系統(tǒng)中的沉淀池污泥,以SBR間歇運(yùn)行方式,在靜態(tài)條件下對(duì)碳源類型、溫度對(duì)反硝化聚磷菌的影響作用規(guī)律展開了對(duì)比試驗(yàn)研究,旨在通過反硝化聚磷的機(jī)理試驗(yàn),為反硝化除磷脫氮新工藝和新技術(shù)的應(yīng)用推廣提供科學(xué)的運(yùn)行控制參數(shù).1試驗(yàn)材料和方法杏仁1.1dpb污泥系統(tǒng)試驗(yàn)用污泥取自實(shí)驗(yàn)室連續(xù)運(yùn)行的A2N反硝化除磷脫氮工藝,該工藝是采用生物膜法和活性污泥法相結(jié)合的雙污泥系統(tǒng)(見圖1).A2N工藝以生活污水為處理對(duì)象連續(xù)運(yùn)行14個(gè)月以上,反硝化除磷效果穩(wěn)定.中沉池DPB污泥經(jīng)過前序的厭氧放磷反應(yīng),體內(nèi)已經(jīng)貯存了大量的PHB;而出水端的終沉池DPB污泥則是完成了缺氧吸磷作用并于后序快速曝氣池中好氧曝氣1h,體內(nèi)殘留的PHB基本已被完全消耗(王亞宜,2004).1.2磷酸鹽-naac-khpo3--p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-p-n-pb認(rèn)同體系酶活動(dòng)力學(xué)根據(jù)不同的研究目的,從連續(xù)流系統(tǒng)中的中沉池或終沉池取100～240mL污泥與配水混合至4L后置于SBR中(試驗(yàn)系統(tǒng)及控制裝置見圖2,SBR有效容積為4L),用攪拌器緩慢攪拌以防止污泥沉淀,定時(shí)取樣分析.配水分別投加NaAc、K2HPO4和KNO3來達(dá)到不同的COD、PO3?443--P和NO?33--N濃度,同時(shí)加入1.2mL微量元素液(見表1)(阮文權(quán),2002).為了防止吸磷過程pH的升高,引起磷酸鹽的沉淀(pH大于8時(shí)會(huì)引起磷酸鹽的沉淀)(Kubaetal.,1996;1997),反應(yīng)過程以pH儀進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),通過加入HCl和NaOH溶液(濃度均為0.5mo·L-1),將反應(yīng)過程系統(tǒng)的pH值維持在7左右.同時(shí)在線監(jiān)測(cè)DO和pH值.水樣由圖2中所標(biāo)注的取水口取水,后由離心機(jī)經(jīng)3000r·min-1離心1min后測(cè)定.1.2.1no33-p濃度的影響生活污水和乙酸為碳源時(shí)的釋磷和反硝化吸磷:取A2N系統(tǒng)終沉池回流污泥240mL,用清水將污泥清洗2遍,充分沉淀后,撇去上清液,將沉淀污泥均分為2份投入到2個(gè)SBR中.其中1#SBR直接以生活污水為處理對(duì)象;2#SBR則采用先將生活污水加入1/2的清水,然后根據(jù)生活污水的COD和TP值,投加HAc和KH2PO4進(jìn)行補(bǔ)償,以便使該污水能與生活污水具有近似的COD和PO3?443--P濃度值.厭氧攪拌反應(yīng)300min后,一次性投加KNO3使2個(gè)系統(tǒng)的初始NO?33--N濃度均達(dá)到30mg·L-1左右,缺氧反應(yīng)時(shí)間4h.反應(yīng)器運(yùn)行溫度維持在(22±1)℃,pH值維持在7.2左右.測(cè)定系統(tǒng)COD、PO3-4-P和NO?33--N濃度變化,以對(duì)比聚磷菌在生活污水和乙酸為碳源時(shí)的釋磷和反硝化吸磷特征.內(nèi)碳源反硝化脫氮和除磷:試驗(yàn)考察聚磷菌吸磷反應(yīng)時(shí),通常所利用的污泥均首先經(jīng)過厭氧反應(yīng),待體內(nèi)貯存了大量的PHB后,才被用于反硝化和吸磷的研究.如果聚磷污泥未經(jīng)前序的厭氧放磷反應(yīng),而是在充分吸磷以后,直接處于缺氧環(huán)境中,是否能夠進(jìn)行反硝化和吸磷反應(yīng),換句話說,聚磷菌是否可在極度饑餓狀態(tài)下利用自身體內(nèi)的原生質(zhì)物質(zhì)(稱為內(nèi)源呼吸碳源,簡(jiǎn)稱內(nèi)碳源;EndogenousCarbonSources)進(jìn)行內(nèi)源反硝化.為解答這個(gè)問題,開展了貧營(yíng)養(yǎng)條件(外部環(huán)境中無可利用碳源,細(xì)胞內(nèi)也無可利用的PHB顆粒)下的缺氧吸磷試驗(yàn)研究.從終沉池中取100mL污泥,清洗后,投加到SBR反應(yīng)器中.同時(shí)加入配水,使系統(tǒng)初期的PO3-4-P濃度接近10mg·L-1(測(cè)量值為9.75mg·L-1),然后一次性投加NO?33--N濃度達(dá)到30mg·L-1左右,考察PO3?443--P和NO?33--N濃度的變化規(guī)律.1.2.2dpb污泥的放磷試驗(yàn)試驗(yàn)在容積為1L的燒杯中進(jìn)行,采用磁力攪拌器攪拌,其中1#燒杯放置在恒溫箱中,溫度控制為8～10℃,2#燒杯則放置在常溫25～26℃下,考察2個(gè)系統(tǒng)厭氧放磷和反硝化吸磷狀況.溫度對(duì)DPB厭氧放磷的影響:試驗(yàn)污泥取自終沉池沉淀污泥(120mL),清洗后均分為2份投加到燒杯中.試驗(yàn)過程維持2個(gè)系統(tǒng)的pH值為7.0±0.1左右;在反應(yīng)初期投加HAc至30mg·L-1.監(jiān)測(cè)COD和PO3?443--P濃度,考察1#和2#系統(tǒng)DPB污泥的放磷特征.溫度對(duì)DPB反硝化脫氮吸磷的影響:取中沉池沉淀污泥70mL,清洗后平均分為2份投加到燒杯中.試驗(yàn)過程維持2個(gè)系統(tǒng)pH值為7.0±0.1左右;投加配水,使系統(tǒng)初始PO3?443--P濃度控制在20mg·L-1左右.在反應(yīng)初期一次性投加NO?33--N濃度至42mg·L-1左右,考察1#和2#系統(tǒng)聚磷污泥的缺氧吸磷狀況.1.3財(cái)添加量的測(cè)定CODCr采用5B-1型COD快速測(cè)定儀測(cè)定;硝態(tài)氮采用麝香草酚分光光度法測(cè)定;溶解性磷酸鹽采用氯化亞錫還原光度法測(cè)定;MLSS采用濾紙稱重法測(cè)定(國(guó)家環(huán)保局,1997);pH和DO值采用WTWinolablevel2在線監(jiān)測(cè).2試驗(yàn)結(jié)果結(jié)果2.1厭氧層率高圖3為聚磷污泥在以純生活污水和投加了乙酸的生活污水2種進(jìn)水條件下磷的釋放和吸收情況,圖中曲線可反應(yīng)出DPB污泥良好的厭氧放磷和缺氧吸磷規(guī)律.在厭氧段2種碳源下,系統(tǒng)的釋、吸磷以及對(duì)COD和硝酸鹽的去除曲線規(guī)律具有一定的相似性,但在數(shù)值上表現(xiàn)出較大的差異.同時(shí)列出2種試驗(yàn)條件下各時(shí)間段內(nèi)放磷和吸磷的平均速率(見表2),表中數(shù)據(jù)更加直觀地反應(yīng)出污水中的揮發(fā)性有機(jī)物含量越高,厭氧段初始的放磷速率越大,后續(xù)反硝化脫氮和缺氧吸磷速率也越高.2.2反硝化聚磷微生物的呼吸反應(yīng)特性DPB內(nèi)碳源反硝化脫氮和除磷試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.圖中曲線顯示,反硝化聚磷微生物在貧營(yíng)養(yǎng)內(nèi)源呼吸狀況下,硝態(tài)氮濃度略有輕微下降,而磷的曲線基本無變化,這一現(xiàn)象暗示著反硝化聚磷菌在體內(nèi)缺乏PHB的情況下,無法進(jìn)行正常的反硝化和吸磷反應(yīng).2.3溫度對(duì)聚磷污泥主植物基質(zhì)的影響在低溫(8～10℃)和常溫(25～26℃)條件下,2個(gè)系統(tǒng)的厭氧放磷狀況如圖5所示.可以看出,在反應(yīng)初期,在溫度較低的1#系統(tǒng)中,其釋磷曲線斜率要明顯低于室溫條件下的2#系統(tǒng),但是2h以后2個(gè)系統(tǒng)的放磷量基本持平.圖6為在8～10℃和25～26℃2種溫度條件下聚磷污泥缺氧吸磷的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果,圖中PO3?443--P曲線前60min內(nèi)的斜率變化顯示,低溫下的吸磷速率低于室溫條件下的吸磷速率,但是最終磷還是能被吸收完全;而硝酸鹽氮量在反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)1#系統(tǒng)較2#系統(tǒng)高.3討論3.1缺氧反應(yīng)對(duì)dpb微生物的影響從圖3可以看出,在投加污水后最初的15min內(nèi),由于活性污泥對(duì)有機(jī)物的初期吸附作用,2個(gè)系統(tǒng)混合液的COD濃度都迅速下降.但由于HAc為易降解可溶性的低分子有機(jī)物,故投加HAc的2#系統(tǒng)在最初15min內(nèi)COD的下降速率較1#大.如圖3a所示,1#系統(tǒng)在30min處出現(xiàn)了COD小幅上升現(xiàn)象,這主要是由于活性污泥中微生物的胞外水解酶將吸附的非溶解狀態(tài)的有機(jī)物水解成溶解狀態(tài)的小分子,部分有機(jī)物分子又重新進(jìn)入混合液而引起的,但因有機(jī)物不斷被吸收降解是整個(gè)系統(tǒng)的主導(dǎo)反應(yīng),因而COD上升的現(xiàn)象并不十分明顯.伴隨著系統(tǒng)中有機(jī)物的繼續(xù)減少,溶液中的PO3?443--P濃度逐漸升高,這意味著DPB微生物已處于進(jìn)入放磷階段.而從表2數(shù)據(jù)可以看出,在反應(yīng)最初的15min,厭氧放磷速率均較大,1#和2#系統(tǒng)已分別達(dá)到6.11mg·g-1·h-1和9.86mg·g-1·h-1.隨著反應(yīng)時(shí)間的延續(xù),系統(tǒng)中磷濃度繼續(xù)升高(見圖3),但從反應(yīng)速率來看,在前60min內(nèi)的磷平均釋放速率較大,隨后速率逐漸變小.當(dāng)反應(yīng)至60min時(shí),2個(gè)系統(tǒng)中COD濃度都降至60～70mg·L-1,放磷速率雖然大幅度減小,但是PO3?443--P濃度曲線仍然在緩緩上升,這主要是由內(nèi)源呼吸導(dǎo)致地磷釋放,故表觀上反映出PO3?443--P濃度在變大。經(jīng)過近300min的放磷反應(yīng)后,1#和2#系統(tǒng)中PO3?443--P濃度已經(jīng)分別達(dá)到13.34mg·L-1和22.28mg·L-1;而COD濃度分別降至74.23mg·L-1和57.89mg·L-1,剩余的COD濃度是由污水中含有不易降解的有機(jī)物引起的.投加KNO3后,系統(tǒng)進(jìn)入缺氧狀態(tài),DPB微生物以NO?33--N作為電子受體,以體內(nèi)貯存的PHB為電子供體,進(jìn)行反硝化和同步吸磷反應(yīng).由圖3和表2都可發(fā)現(xiàn),在缺氧反應(yīng)初期15min內(nèi),2個(gè)系統(tǒng)的吸磷速率都很大,分別為11.18mg·g-1·h-1和23.38mg·g-1·h-1,相對(duì)應(yīng)的反硝化速率也分別達(dá)到了10.41mg·g-1·h-1和17.42mg·g-1·h-1.隨著缺氧反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,系統(tǒng)中的PO3?443--P和NO?33--N濃度都持續(xù)下降:1#系統(tǒng)反應(yīng)至450min時(shí),PO3?443--P濃度接近0mg·L-1,NO?33--N濃度為12.52mg·L-1,至反應(yīng)終點(diǎn)時(shí),NO?33--N濃度降為9.88mg·L-1;2#系統(tǒng)反應(yīng)至480min時(shí),系統(tǒng)的PO3?443--P濃度接近0mg·L-1,此時(shí)相應(yīng)的NO?33--N濃度也已降低至0mg·L-1.根據(jù)圖3b中的磷濃度變化曲線,可觀察到磷的二次釋放現(xiàn)象.上述對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明,乙酸引發(fā)的磷釋放速率比較大,而純污水引發(fā)磷的釋放速率則略微偏低.同時(shí),從另一個(gè)角度也說明,如果厭氧段提供的有機(jī)物充足且易降解,聚磷菌可實(shí)現(xiàn)厭氧環(huán)境中的充分放磷,這利于提高后續(xù)缺氧段脫氮(反硝化)和除磷效果.3.2溫度對(duì)磷的形成和反硝化的影響3.2.1微生物的吸附從試驗(yàn)結(jié)果圖5可以看出,在溫度較低的1#系統(tǒng)中,磷的釋放速率明顯低于室溫條件下的2#系統(tǒng).在前30min內(nèi),1#系統(tǒng)的比吸磷速率為4.69mg·g-1·h-1,2#系統(tǒng)為7.89mg·g-1·h-1.在25℃條件下,經(jīng)過45min的厭氧放磷反應(yīng),微生物吸附的磷基本被全部釋放出來;而在8～10℃的溫度條件下,達(dá)到相同的釋磷量則需要150min,時(shí)間延長(zhǎng)了近3倍多.由此可見,溫度確實(shí)影響磷的釋放速率,特別是在溫度≤10℃的條件下,厭氧條件下聚磷微生物的生化反應(yīng)計(jì)量學(xué)參數(shù)較常溫條件都相應(yīng)發(fā)生了變化.我國(guó)朱懷蘭等人(許保玖,1999),在SBR反應(yīng)器中對(duì)污泥厭氧放磷速率進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),在一定的溫度范圍內(nèi),溫度每增加10℃,放磷速率就增加一倍,這表明在低溫條件下,系統(tǒng)的厭氧區(qū)停留時(shí)間適