倒置 AAO 工艺聚磷微生物的吸磷行为Word下载.docx

1、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）01-0049-05Phosphorus uptaking behavior of phosphorus accumulating organisms in reversed AAO Process. CHEN Hong-bin1,2*, TANG Xian-chun1, HE Qun-biao2, QU Ji-ning1, GAO Ting-yao2 （1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reus

2、e；2.National Engineering Research Center for Urban Pollution Control, Tongji University,Shanghai 200092, China）. China Environmental Science, 2007,27（1）：4953Abstract: The phosphorus release and uptake behavior of phosphorus accumulating organisms （PAOs） in “anoxic-anaerobic-aerobic” denitrification

3、and phosphorus removal process （namely reversed AAO） with low carbon nutrients and high nitrate were explored using artificial wastewater and municipal wastewater. Phosphorus release of PAOs is incomplete with low carbon nutrient and high nitrate in anoxic and anaerobic stage, however, a suitable pr

4、olonged anaerobic time, aerating time and enough oxygen can initiate phosphorus ultra-uptake of PAOs; the energy source of phosphorus ultra-uptake by PAOs was due to not only the intracellular PHB synthesized during anaerobic stage, but also the surplus energies during aerobic stage. The position of

5、 adding external carbon nutrients has nearly no influence to behaviors of PAOs. It was found that PAOs can re-uptake phosphate in the later anaerobic stage, a possible explanation was that its energy demand derived from the anaerobic degradation of organics and utilized to uptake phosphate form wate

6、r.Key words：municipal wastewater；denitrification and phosphorus removal；phosphorus accumulating organisms；anaerobic phosphorus uptake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

7、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4060L/d，缺氧厌氧池的搅拌转速1020r/min，泥水混合液仅从二沉池回流，回

8、流比可调。进水按德国标准方法由人工配制6，CODCr 500600mg/L，TN 80100mg/L，TP 915mg/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（1012h），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

9、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

10、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-

11、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

12、-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

13、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 2327、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.

14、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.

15、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-

16、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

17、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1217；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

18、 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

19、的缺氧段和厌氧段界限,ORP 为-100mV,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

20、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

21、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

22、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.3.3 PAOs 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.参考文献：1 Merzouki M, Bernet N, Delgenes J P, et al. Biological denit

23、rifying phosphorus removal in SBR: effect of added nitrate concentration and sludge retention time J. Wat. Sci. Tech.,2001,43（3）:191-194.2 Zilles J L, Peccia J, Noguera D R. Micro-biology of enhanced biological phosphorus removal in aerated- anoxic Orbal processesJ. Water Environment Research, 2002,

24、74（5）:428-436.3 张 波,高廷耀.倒置 A2/O 工艺的原理与特点研究 J. 中国给水排水,2000,16（7）:11-15.4 毕学军,高廷耀.缺氧/厌氧/好氧工艺的脱氮除磷研究 J. 上海环境科学,1999,18（1）:19-21.5 黄理辉,毕学军,马鲁铭,等.倒置 A2/O 工艺的生产性试验研究J. 中国给水排水,2004,20（6）:12-15.6 DEV. Deutische einheitsverfahren zur wasser-, abwasser-, und schlamm-untersuchung. DIN 38412 Teil 26: abbau-und

25、eliminations-test fr tenside zur simulation kommunaler kl?ranlagen M. KgaA: Verlag GmbH&Co, 2004.7 Wang X, Ji M, Wang F, et al. Anaero-bic uptake of phosphate in an anaerobic-aerobic granular sludge sequencing batch reactor J.Wat. Sci. Technol., 2006,53（9）:63-70.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.