倒置 AAO 工艺聚磷微生物的吸磷行为.docx

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倒置AAO工艺聚磷微生物的吸磷行为

倒置AAO工艺聚磷微生物的吸磷行为

倒置AAO工艺聚磷微生物的吸磷行为

陈洪斌1,2*,唐贤春1,何群彪2,屈计宁1,高廷耀2（1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092；2.同济大学城市污染控制国家工程研究中心,上海200092）

摘要：

采用人工配水和市政污水研究了“缺氧-厌氧-好氧”（倒置AAO）脱氮除磷工艺中，聚磷微生物（PAOs）在低碳源、高硝酸盐环境下的释磷和吸磷行为。

结果表明，在低碳源、高氮和磷环境中，尽管PAOs在缺氧厌氧段释磷程度低，如果适当延长厌氧段和好氧段的HRT、且好氧曝气较充分，仍能超量吸收磷。

PAOs过量吸磷的能量来源不仅仅是厌氧段吸收与合成的胞内聚合物在好氧段的氧化，还来自好氧环境正常代谢过程中多余的能量。

外加碳源的投加时间点对PAOs吸磷的影响不显著。

PAOs在厌氧段后期出现过量吸磷现象，推测是细胞内有机物厌氧降解产生的ATP通过某种代谢途径被用于无机磷的吸收。

关键词：

生活污水；脱氮除磷；聚磷菌；厌氧磷吸收

中图分类号：

X703.5文献标识码：

A文章编号：

1000-6923（2007）01-0049-05

PhosphorusuptakingbehaviorofphosphorusaccumulatingorganismsinreversedAAOProcess.

CHENHong-bin1,2*,TANGXian-chun1,HEQun-biao2,QUJi-ning1,GAOTing-yao2（1.StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse；2.NationalEngineeringResearchCenterforUrbanPollutionControl,TongjiUniversity,Shanghai200092,China）.ChinaEnvironmentalScience,2007,27

（1）：

49~53

Abstract:

Thephosphorusreleaseanduptakebehaviorofphosphorusaccumulatingorganisms（PAOs）in“anoxic-anaerobic-aerobic”denitrificationandphosphorusremovalprocess（namelyreversedAAO）withlowcarbonnutrientsandhighnitratewereexploredusingartificialwastewaterandmunicipalwastewater.PhosphorusreleaseofPAOsisincompletewithlowcarbonnutrientandhighnitrateinanoxicandanaerobicstage,however,asuitableprolongedanaerobictime,aeratingtimeandenoughoxygencaninitiatephosphorusultra-uptakeofPAOs;theenergysourceofphosphorusultra-uptakebyPAOswasduetonotonlytheintracellularPHBsynthesizedduringanaerobicstage,butalsothesurplusenergiesduringaerobicstage.ThepositionofaddingexternalcarbonnutrientshasnearlynoinfluencetobehaviorsofPAOs.ItwasfoundthatPAOscanre-uptakephosphateinthelateranaerobicstage,apossibleexplanationwasthatit’senergydemandderivedfromtheanaerobicdegradationoforganicsandutilizedtouptakephosphateformwater.

Keywords：

municipalwastewater；denitrificationandphosphorusremoval；phosphorusaccumulatingorganisms；anaerobicphosphorusuptake

生物脱氮除磷研究的深入发展，促进了新型生物脱氮除磷工艺的研制与开发[1-2]。

张波，高廷耀等[3-5]研究了“厌氧-缺氧-好氧”脱氮除磷工艺的厌氧段和缺氧段倒置效应，并由此在常规AAO工艺的基础上开发出倒置AAO工艺，该工艺投资和能耗均有所降低。

目前，倒置AAO工艺的研究和应用多以外排水的氮、磷达到一级B排放标准为主，若使工艺达到一级A排放标准或欧盟排放标准，则需回流的NO3--N总量大幅增加，因而造成反硝化细菌和聚磷菌（PAOs）对营养物的竞争加剧。

碳源与TN和TP的比例失调，以及碳源不足，对PAOs除磷的影响更加突出。

为此，本研究采用德国Darmstadt市某污水处理厂的进水及人工配水，探讨在高NO3--N和PO43--P、低碳源条件下倒置AAO工艺的PAOs吸磷规律以及污水碳源缺乏时外加碳源的投加时间点对PAOs的影响。

1材料与方法

1.1材料与制备

利用连续流小试装置培养批次试验所需的富磷污泥。

试验装置由缺氧厌氧池、好氧池及二沉池组成，处理水量40~60L/d，缺氧厌氧池的搅拌转速10~20r/min，泥水混合液仅从二沉池回流，回流比可调。

进水按德国标准方法由人工配制[6]，CODCr500~600mg/L，TN80~100mg/L，TP9~15mg/L。

污水在缺氧厌氧段和好氧段的停留时间（HRT）模拟德国污水处理厂生物处理装置的实际HRT（10~12h），缺氧厌氧段和好氧段的比例为1:

1.5或1:

1.2；批次试验所用的市政污水取自Darmstadt市Ebstadt污水处理厂，B/C约为0.5，人工配水与连续流实验的配制方法相同，可根据试验需要对NO3--N或PO43--P的浓度有所调整；批次试验的污泥TP含量为4.06%~4.76%干物质（DS）;批次试验的缺氧厌氧段利用磁力搅拌器混合，转速维持于防止污泥下沉。

1.2分析方法

CODCr、NH3-N、TN、TP、NO3--N和PO43--P均采用HACH快速分析仪测试，利用事先测定的标准曲线来修正测试结果。

污泥的TP与VFA测定方法见文献[6]。

2结果与讨论

2.1缺氧厌氧段碳源缺乏、NO3--N浓度较高时的吸磷行为

利用批次试验探讨了碳源缺乏、回流NO3--N浓度较高条件下，PAOs在缺氧厌氧段和好氧段的释磷与吸磷现象，同时对比了常规AAO工艺在高NO3--N浓度条件下的磷释放和吸收规律。

批次试验（2个装置同步进行）的缺氧搅拌时间均为4h，曝气时间6h，实验结果见图1，图2。

图1中1号和2号反应器模拟了回流比250%、高NO3--N状态下的PAOs释磷和吸磷效果。

试验初始的CODCr分别为109、151mg/L，NO3--N浓度均为21.6mg/L，PO43--P分别为5.25、8.95mg/L，碳氮比和碳磷比都很低。

由图1可见，缺氧厌氧段即将结束时，NO3--N才被彻底反硝化。

与此同时，厌氧段结束时水中的PO43--P分别比试验初提高了9.25、11.2mg/L，释磷量分别占污泥干重的0.40%和0.31%。

好氧段的曝气较充足，尽管水温不高，但4h后NH3-N被彻底氧化，6h时水中残余的PO43--P仅为0.19、0.61mg/L。

3号反应器采用人工配水，初始CODCr为150.5mg/L，PO43--P和NO3--N分别高达15.4、22.6mg/L。

同样地，NO3--N经过4h才消耗完毕，PAOs的释磷量仅为污泥干重的0.14%，不过好氧结束时水中残余的PO43--P为0.18mg/L。

可见，缺氧厌氧段释磷充分与否对后续好氧段的吸磷行为影响不明显。

图2对比了倒置AAO工艺和常规AAO工艺在碳源不足、高NO3--N环境中的释磷和吸磷行为,前者在厌氧段结束时释磷量处于最高水平,占污泥干重的0.50%;加入NO3--N后出现反硝化吸磷现象,曝气后继续吸磷,直到好氧结束;而后者在缺氧厌氧段的释磷量低于前者,释磷量占污泥干重的0.36%;但好氧结束时水中残余的PO43--P浓度与前者相近,分别为0.22,0.25mg/L.

可见,在高NO3--N和PO43--P、低碳源环境中,虽然倒置AAO工艺的缺氧厌氧阶段PAOs释磷不充分,吸收有机物并合成胞内聚合物的数量有限,但在好氧段较长的HRT和充足曝气条件下,仍能过量吸收磷,说明PAOs吸收磷的能量来源并不唯一.

2.2延长缺氧厌氧段HRT对PAOs吸磷的作用

图3,图4为碳源不足、高NO3--N回流量条件下分别以市政污水和人工配水延长缺氧厌氧段的HRT对PAOs释磷和吸磷量变化.批次试验的前4h搅拌由1号反应器（体积10L）完成,4h后虹吸出一半混合液转入2号反应器并曝气,剩余部分继续搅拌2h后曝气,两反应器的DO控制相同.

由图3可见,较低温度下3h后NO3--N才消耗完毕;4h后反应器的PO43--P的浓度达到21.1mg/L;搅拌至6h后PO43--P达到24.4mg/L,而CODCr的下降幅度不大.2个反应器在好氧段的曝气5h后NH3-N均降低为0,6h时PO43--P分别降低到0.51,0.61mg/L.同样条件下水温为25℃的试验表明,缺氧厌氧段的HRT为4h和6h对PAOs的释磷和吸磷效果的影响弱于较低温度条件.

由图4可见,水温为23~27℃、人工配水延长缺氧厌氧段HRT对PAOs释磷和吸磷的影响弱于市政污水.尽管反应初始NO3--N达到26.1mg/L,PO43--P高达22.7mg/L,但缺氧1h后NO3--N就被消耗殆尽,反应器的ORP很快低于-100mV,第4h时PAOs释磷达到高峰,水中的PO43--P为71.0mg/L,PAOs释磷量占污泥干重的1.4%;继续延长厌氧时间,PAOs表现为重新吸磷现象,至6h时水中的PO43--P降低至38.8mg/L,COD为63.1mg/L.好氧曝气6h时水中的PO43--P浓度分别为0.29,0.35mg/L（缺氧厌氧段HRT为6,4h）.可见,当碳源不足、回流NO3--N含量高的条件下,适当延长缺氧厌氧段的HRT对生物除磷有促进作用,但在不同的水温下有所差异.

2.3外加碳源的位置对吸磷和释磷的影响

为考察在较低的温度条件下不同位置投加甲醇对PAOs释磷与吸磷的影响,以市政污水在13.3,17.2℃、分别位于缺氧段伊始与搅拌2h后投加甲醇30mg/L（某污水处理厂曝气生物滤池外加甲醇的剂量,活性污泥经过驯化）,试验结果见图5.由图5可见,13.3℃时由于反应初始的NO3--N浓度较低,2h时均已消耗殆尽并进入厌氧状态;5h厌氧结束时水中的PO43--P均达到22.5mg/L,曝气6h后终浓度分别为0.37mg/L（反应初始投加甲醇）和0.23mg/L（搅拌2h后投加甲醇）.在17.2℃时,初始NO3--N和PO43--P浓度分别提高至20.4,15.5mg/L.NO3--N到第4h才消耗完毕;从PAOs释磷和吸磷效果看,初始投加和2h后投加甲醇的磷释放和吸收曲线均相似,2h内仅增加了3mg/L,此后3h水中的PO43--P均持续减少,也即PAOs开始重新吸收磷,好氧结束时水中的PO43--P分别为0.04,0.03mg/L.可见,碳源不足时,低温下外碳源的投加位置对PAOs的释磷和吸磷影响不明显.即使缺氧厌氧段PAOs释磷量少,PHB等合成不足,但PAOs在好氧段吸收磷的数量仍达到污泥干重0.41%,进一步说明缺氧厌氧段PAOs的释磷程度与最终吸收量没有必然的相关性.而且以市政污水开展试验,同样在厌氧段后期发现了磷的吸收现象.在生产性装置中倒置AAO工艺如需外加碳源以提高反硝化和生物除磷效率时,建议外碳源投加点设定在缺氧厌氧段的初始点,这样不仅可促进NO3--N快速还原,而且有利于维持较长的厌氧时间。

2.4连续流小试装置高氮环境的除磷效果

连续流小试装置稳定运行时进水为人工配水,试验期间考察了高NO3--N回流量对生物除磷的影响,结果见表1.

注：

表中数据为连续运行的平均值，小试试验的水温12~17℃；进水负荷率01.72kgCOD/（kg.d），泥龄为15d；生物处理装置的HRT为22h，缺氧厌氧段与好氧段的比例为1:

1.5；好氧池DO控制2~3mg/L；-为未检测。

由表1可见,CODCr、有机氮和NH3-N均被彻底氧化,出水NH3-N浓度低于0.1mg/L.TN和TP的去除率受回流比的影响明显:

回流比为220%~250%,TN的去除率平均达到74.6%,出水的NO3--N浓度平均为20.3mg/L,TP和PO43--P浓度分别达到1.65,1.48mg/L.当回流比为150%时,TN的去除率仅为61.3%,出水的TP和PO43--P分别为0.57,0.48mg/L.试验发现,连续流条件下高NO3--N对PAOs吸磷的影响与批次试验有一定的差异性.原因可能是连续流小试装置的缺氧厌氧段采用完全混合式池型,没有明显的缺氧段和厌氧段界限,ORP为-10~0mV,厌氧环境未形成,对PAOs释磷和吸磷造成了影响.

2.5倒置AAO工艺在厌氧段的磷重吸收现象

以图4为例,从物料平衡角度分析被重新吸收的磷,假定缺氧厌氧段被去除的CODCr（175.4mg/L）全部被用于合成细胞,那么用于细胞合成的磷不超过2mg/L,而厌氧段结束时减少的PO43--P达到31.2mg/L,显然这部分磷在厌氧后期被PAOs重新吸收.从能量平衡的角度分析,厌氧环境被去除的COD通过厌氧酵解等途径产生的ATP能够满足这部分磷被细胞吸收所需要的能量.wang等[7]在研究厌氧－好氧序批式颗粒污泥床反应器时也发现了厌氧磷吸收现象,不过他们的试验是以易降解物质——乙酸盐作为人工配水的唯一碳源,且于碳源丰富、TN和NH3-N浓度低的条件下发生.本试验采用人工配水和市政污水在碳源较充足和碳源不足的条件下均出现厌氧段后期PAOs吸磷现象.笔者认为,厌氧段出现磷重吸收现象可能不仅与缺氧、厌氧段的时间较长相关,还与易降解有机物的数量、胞内聚合物及PAOs的代谢途径等相关.

2.6倒置AAO工艺PAOs磷吸收的能量来源

试验发现,低碳源和高回流NO3--N数量对倒置AAO工艺的缺氧厌氧段PAOs释磷影响很大,但好氧段出水的PO43--P仍可以达到较低的浓度,厌氧段的释磷程度与好氧段过量吸磷数量没有显著的相关性.只要存在厌氧状态,PAOs即使磷释很低或者没有磷释放,在好氧段仍可过量吸收磷.可以认为,倒置AAO工艺的PAOs在好氧段过量吸磷的能量来源不仅仅是厌氧段合成的PHB等被氧化分解而产生的能量;还来自好氧正常代谢过程中多余的能量.而厌氧后期出现PAOs重新吸收磷的原因推测是有机物厌氧降解过程产生了较多的ATP,被用于从水中吸收无机磷到细胞内.

3结论

3.1高NO3--N、低碳源条件下,PAOs在缺氧厌氧阶段释磷不充分,但在好氧段较长HRT和充足曝气条件下仍能过量吸收磷.适当延长厌氧段的HRT对PAOs的好氧段吸收磷有促进作用.

3.2倒置AAO工艺外加碳源在缺氧段或厌氧段对PAOs释磷和吸收磷的影响不明显.生产性条件下,建议投加于缺氧段初始时,以促进系统尽快进入厌氧环境,提高厌氧程度、推动后续吸磷.

3.3PAOs在好氧段过量吸磷的能量来源不仅仅是厌氧段的PHB等被氧化分解而产生的能量,还有来自好氧正常代谢过程中多余能量.利用市政污水和人工配水均出现厌氧后期出现PAOs重新吸收磷的现象,可能的解释是细胞内有机物厌氧降解过程产生的多余ATP,通过某种代谢途径被用于从水中吸收无机磷到细胞内.

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作者简介：

陈洪斌（1970-）,男,四川渠县人,教授,博士,主要从事水污染控制理论与污染物资源化技术研究.发表论文40余篇.