污水處理中氮磷的超標排放導致水體富營養化日益嚴重, 有效地控制出水氮磷含量對城市污水處理至關重要.然而, 由于城市污水水質和水量的波動性等諸多因素的影響, 使得污水處理廠很難實現穩定的脫氮除磷目的.同步硝化反硝化(SNEDPR)系統指在厭氧/好氧交替運行的反應器中, 聚磷菌(PAOs)在厭氧條件下分解體內的多聚磷酸鹽(Poly-P)和糖原(Gly)產生能量來吸收污水中的外碳源并將其儲存為PHAs, 此階段伴隨著PO43--P的釋放; 而在好氧條件下反硝化聚磷菌(DPAOs)利用細胞內儲存的PHAs作為內碳源, 以NO3-、NO2-為電子受體進行缺氧反硝化(除磷), 進而完成污水中磷的去除.在SNEDPR-SBR系統好氧段發生常規硝化、內源反硝化反應的同時, 存在反硝化除磷以及好氧除磷的過程, 可實現污水的同步脫氮除磷.此工藝解決了反硝化與除磷過程對碳源競爭的矛盾, 通過“一碳多用”的方式, 可實現污水的深度脫氮除磷, 且具有節省能耗、簡化工藝流程的優勢.
而有關污水生物脫氮除磷的影響因素的研究主要集中在碳源種類及濃度、溶解氧(DO)、污泥齡(SRT)和HRT等方面, 近年來, 有研究發現C/P是生物脫氮除磷關鍵因素之一.有學者發現, 在富集PAOs的系統內除PAOs外, 還存在著一類代謝過程與PAOs類似的微生物聚糖菌(GAOs).厭氧段GAOs能吸收外界有機基質合成PHA, 在好氧段能分解PHA產能, 并用于細胞內碳源的合成和細胞生長, 但其體內不存在磷代謝途徑.有研究報道, GAOs的過量富集是導致富集PAOs系統崩潰的主要原因之一, 而系統進水PO43--P負荷會影響系統中兩種菌類的競爭優勢.目前, 有關C/P對同步硝化反硝化、反硝化除磷的影響鮮有報道, 有關C/P對SBR反應器處理城市污水SNEDPR系統脫氮除磷性能的影響尚未見報道.
本研究以實際城市污水為處理對象, 采用延時厭氧(180min)/低氧(DO:0.5~1.0mg·L-1)運行的SBR反應器, 通過固定COD進水濃度并調節進水PO43--P濃度的方式來考察不同進水C/P比對SNEDPR系統除磷特性和同步硝化反硝化脫氮特性的影響, 以期為SNEDPR系統在不同C/P比廢水處理中的實際應用提供理論依據.
1 材料與方法1.1 試驗裝置與運行工序
本試驗裝置采用SBR反應器, 由有機玻璃制成, 總體積為4 L, 有效容積為3.2 L, 反應器側面設有出水口, 以方便進水和取樣, 磁力攪拌器進行攪拌.采用延時厭氧/低氧的運行方式, 每天運行4個周期, 每周期為6 h, 運行的工序為:延時厭氧攪拌180 min(包括進水5 min), 低氧曝氣攪拌150 min(包括排泥5 min), 沉淀20 min, 排水5 min, 靜置5 min.反應器內污泥濃度維持在2.8~3g·L-1, SRT為15 d, 低氧段DO通過轉子流量計控制在0.5~1.0mg·L-1范圍內.
1.2 試驗用泥和試驗水質
本試驗用接種污泥取自青島大學處理低C/N城市污水的厭氧/低氧同步硝化內源反硝化SBR反應器, 該污泥具有高效穩定的脫氮除磷和(短程)硝化(內源)反硝化性能, SNED率和TN去除率平均達89.1%和96.2%, 出水PO43--P濃度均低于為0.2mg·L-1.接種后SBR內污泥濃度(MLSS)為3.2g·L-1, 污泥沉降比(SV%)為36%.
本文用水取自青島市某污水處理廠粗格柵預處理后城市污水, 試驗過程中通過投加固態無水乙酸鈉為碳源調節其進水COD濃度為300mg·L-1, 同時以磷酸氫二鉀配置PO43--P母液, 用以調配不同濃度的C/P.試驗過程中不同C/P條件下反應器進水水質情況見表 1.
表 1 不同C/P條件下進水水質
1.3 檢測項目及分析方法
水樣經φ11 cm定性濾紙過濾后測定以下參數: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; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定; NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定; PO43--P采用鉬銻抗分光光度法測定; pH采用雷磁PHB-3CpH計測定; 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, 分別在SBR運行第13、29、44、62和79 d測定一個典型運行周期內NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P和COD濃度及pH值和DO濃度的變化情況.
1.4 SNED率
SNED率用以表示在SNEDPR系統好氧段的氮損失情況, 其計算方法見式(1):
式中, ΔNH4+、ΔNO2-和ΔNO3-分別為系統低氧段NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度的變化量.
1.5 CODins率和PPAOs, An
SNEDPR系統厭氧段有機碳源的消耗量(CODAC)主要包括兩部分:一部分是通過異養菌的外源反硝化作用去除的COD量(CODdn), 見公式(2), 另一部分是通過PAOs和GAOs的作用儲存為內碳源的COD量(CODins), 而CODins率(%)指CODins占CODAC的質量分數[23], 見公式(3).PAOs在內碳源PHA儲存過程中的貢獻比例(PPAO, An)的計算方法見公式(4).
式中, ΔNO2--N和ΔNO3--N分別為系統厭氧段NO2--N和NO3--N濃度的變化量, mg·L-1; 1.71和2.86分別為單位質量濃度的NO2--N和NO3--N被異養菌反硝化時所消耗的COD濃度(質量比); PRA為厭氧釋磷量, mg·L-1; 0.5為PAOs厭氧條件下每吸收單位質量的有機碳源所釋放的磷量(摩爾比).
2 結果與討論2.1 不同進水C/P對SNEDPR系統除磷性能的影響
由圖 1可知, 當進水C/P由60降低為30時(PO43--P濃度由5 mg·L-1提高至10mg·L-1), PRA和好氧吸磷量(PUA)分別由19.9mg·L-1和21.9mg·L-1提高至29mg·L-1和32.6mg·L-1, 且出水PO43--P濃度穩定在0.3mg·L-1以下, PO43--P去除率保持在100%水平.說明隨著進水C/P降低, 系統內PAOs有足夠的碳源進行厭氧釋磷, 且進水PO43--P濃度的提高有利于增強聚磷菌(PAOs)在碳源利用的競爭優勢.這與王曉蓮等[24]得出的適當降低C/P有利于PAOs的富集, 系統會表現出更強的除磷性能的研究結果相一致.
圖 1
當進水C/P為20和15時(PO43--P濃度分別為15mg·L-1和20mg·L-1), PRA和PUA分別降低至21.4mg·L-1和12.8mg·L-1, 出水PO43--P濃度高達14.3mg·L-1, PO43--P去除率由51.3%降低至38.1%, 此時, 隨著進水PO43--P濃度的提高, 系統的除磷性能開始下降.可能是由于高磷負荷下PAOs的厭氧儲存PHA性能受抑制引起的[25], 因而其PRA和PUA均有所降低.
當進水C/P進一步降低至10時, PRA和PUA分別僅為2.1mg·L-1和3.3 mg·L-1, 同時出水PO43--P濃度高達27.9mg·L-1, PO43--P去除率僅為3.1%, 系統具有較差的除磷特性且好氧段出現釋磷現象.說明高濃度PO43--P(30mg·L-1)會抑制PAOs儲存PHAs的能力, 且PAOs厭氧段釋磷量的持續降低會導致系統除磷性能的崩潰.此外, 分析系統除磷性能變差的原因可能在于C/P比的降低使得隨著PAOs在厭氧COD利用中競爭優勢減弱, 使得GAOs等其它異養菌活性增強.蔣濤等的研究發現C/P為10時, EBPR系統中GAOs含量會增加而PAOs含量會減少, GAOs會代替PAOs成為優勢菌群, 進而導致系統的除磷性能的降低.
2.2 不同進水C/P對SNEDPR系統COD去除性能的影響
從圖 2可以看出, 當進水C/P為60時, 系統COD去除率平均為75.7%, 其中厭氧末期和出水COD濃度平均分別為87.4mg·L-1和72.8mg·L-1, CODAC和好氧段消耗COD(CODOC)濃度分別平均為70.6mg·L-1和14.5mg·L-1.在厭氧段, 污水中的COD除一部分用于NOx--N反硝化外, 大部分被PAOs和GAOs用于PHAs儲存.當進水C/P為30時, COD去除率高達81.8%, 厭氧末期和出水COD濃度分別降至56.9mg·L-1和54.5mg·L-1, 其中CODAC高達94.9mg·L-1而CODOC僅為2.33mg·L-1.根據2.1節分析可知, PAOs在C/P為30時PRA最高, 因此厭氧段PAOs消耗的COD也最多.
圖 2
當進水C/P為20時, COD去除率下降至79.1%, 厭氧末期COD濃度由55.7 mg·L-1升高至87.2mg·L-1, 出水COD濃度高達71.2mg·L-1; 同時, CODAC由89.2mg·L-1降至63.9mg·L-1, CODOC由2.3mg·L-1提高至23.4mg·L-1.此時, 系統CODOC所占比例由2.1%升高至18.2%, 而CODAC所占比例由83.6%降低至46.7%.分析原因:由2.1節分析可知, 系統進水COD濃度不變(進水COD濃度為300mg·L-1), 降低進水C/P時, PAOs消耗的COD較C/P為30時有所降低, 系統PRA開始下降.因此, PAOs對COD的競爭優勢特性下降, 使得系統厭氧末期存在COD剩余, 表現為CODAC的降低.而在好氧段CODOC升高的原因可能為系統厭氧末期剩余的可生物降解COD增多, 導致在好氧段COD繼續進行消耗.具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
當進水C/P為15時, COD去除率平均為80.9%, 系統厭氧末期和初始COD濃度分別由82.4mg·L-1和67.2mg·L-1降低至70.2mg·L-1和50.13mg·L-1.此時, CODAC所占比例由43.7%提高至55.3%.對比COD在厭氧末期的消耗以及去除率可知, C/P為15時CODAC大于其C/P為20時的值(79.2mg·L-1>63.9mg·L-1), 分析原因主要是系統出水主要以NO3--N為主(見2.4節), 且由2.5節知GAOs較PAOs在厭氧段COD去除中逐漸占據優勢.
當進水C/P為10時, 系統COD去除率平均為81.3%, 厭氧末期和出水COD濃度分別為72.4mg·L-1和55.9mg·L-1.此時, CODAC和CODOC分別平均為74.7mg·L-1和16.4mg·L-1, 系統厭氧段COD的去除主要是由GAOs的內碳源儲存作用以及異養菌的全程反硝化作用實現, 而系統厭氧末剩余的可生物降解COD則在好氧段得以進一步去除.對比不同C/P下COD去除率可知, 進水C/P的變化幾乎不會對系統COD的去除性能產生影響.
2.3 不同進水C/P對SNEDPR系統硝化性能的影響
從圖 3可以看出, 當進水C/P為60和30時, 系統具有較高的硝化性能, 表現為NH4+-N去除率為100%.由2.1節可知, 在C/P為30時, PRA最高, 而此時好氧段末期NH4+-N為0mg·L-1.說明系統好氧段PO43--P的去除主要是通過缺氧(內源)反硝化實現的.
圖 3
當C/P降低至20, NH4+-N去除率降低為88.7%, 系統反應周期末存在NH4+-N積累, 出水NH4+-N高達7.4mg·L-1.由2.1節可知, C/P為20時, 系統除磷性能開始降低, 同時PO43--P在反應器中開始積累且厭氧段末期PO43--P濃度開始升高.因此, 該C/P條件下系統硝化性能變差的原因可能在于好氧段PAOs和AOB存在對DO的競爭.好氧吸磷與硝化反應的同時進行, 導致系統的硝化反應不完全.
當C/P降低至15時, 系統出水NH4+-N由8.5mg·L-1降至0mg·L-1, NH4+-N去除率逐漸恢復至100%.由2.1節的分析可知, 此時系統PUA基本保持不變, PAOs在系統中不再具有競爭優勢, PAOs對氧氣的利用率較低.因此, 在系統好氧段主要是AOB和NOB在消耗DO, 使其硝化性能得以恢復.同時, 當C/P進一步降低為10時, 系統NH4+-N去除率仍高達100%.
2.4 不同進水C/P對SNEDPR系統好氧段脫氮性能的影響
圖 4為不同進水C/P條件下SNEDPR系統中NOx--N濃度、SNED率及TN去除率變化情況.當進水C/P為60時, TN去除率和SNED率均維持在較高的水平, 表現為TN去除率和SNED率分別平均為85.6%和62.8%, 出水NOx--N濃度和NO3--N濃度分別為8.9mg·L-1和0.而當C/P降低為30時, 出水NO2--N濃度由9.1 mg·L-1升高至16.2 mg·L-1, 出水仍無NO3--N, TN去除率和SNED率分別降至65.1%和33.9%.分析出水NO2--N的升高主要是由于PAOs在好氧段的好氧吸磷消耗氧氣導致系統好氧段DO降低.有文獻指出, 低DO有利于實現短程硝化[27].該C/P條件下系統SNED率和TN去除率較C/P為60時有所下降.
圖 4
當C/P為20時, 出水NO2--N濃度由11.29mg·L-1降低至9.3mg·L-1, 出水NO3--N濃度由2.1 mg·L-1升高至5.4 mg·L-1, TN去除率和SNED率分別由67.5%和20.9%提高至75.4%和41.7%.該C/P條件下SNED率提高可能在于系統的除磷性能下降(見2.1節), 使得GAOs能利用更多的內碳源進行反硝化脫氮; 而TN去除率提高可能在于系統硝化性能的提高(見2.3節).
當C/P為15時, 出水NO3--N濃度由3.9mg·L-1提高至10.9mg·L-1, 而出水NO2--N濃度由11.6mg·L-1降至3.1mg·L-1, TN去除率由77.1%升高至84.6%, SNED率由43.8%提高至53.6%.此時, 出水NOx--N主要以NO3--N為主, 出水NO2--N開始逐步降低.分析其原因可能在于隨著系統除磷性能降低, 使好氧段硝化菌可利用的DO增多, 促進NO2--N向NO3--N的進一步轉化.當進水C/P為10時, 系統出水NO2--N由2.9 mg·L-1逐步降低為0mg·L-1, 而出水NO3--N由9.3 mg·L-1升高至14.3 mg·L-1, TN去除率和SNED率分別平均為79.8%和56.4%.
通過對比不同C/P條件下系統出水NO2--N和NO3--N濃度變化可知, 當進水C/P為60~20時, C/P降低使得系統出水以NO2--N為主, 但當C/P進一步降低為10時, 進水C/P的降低會導致系統短程硝化過程的破壞.此外, 還可以得出, 當C/P由60降低至20時, 系統脫氮性能變差的原因在于PAOs反硝化除磷作用的減弱; 而當C/P由20降至10時系統脫氮性能得以恢復原因在于GAOs內源反硝化作用的增強.
2.5 不同進水C/P對SNEDPR系統厭氧段CODins的影響
圖 5為不同進水C/P條件下SNEDPR系統厭氧段CODdn、CODins、CODins率及PPAOs, An變化情況.由圖 5可知, 當進水C/P為60時, 系統CODdn僅為10.2mg·L-1, CODins率平均為85.6%; PAOs在厭氧段內碳源儲存所占比例(PPAOs, An)為68.1%.當C/P為30時, CODdn由9.8mg·L-1提高至14.2mg·L-1, CODins率平均為75.7%, PPAOs, An由75.7%提高至99.1%.CODins的提高主要由PAOs實現, 這也解釋了系統在該C/P條件下除磷性能逐漸提高的原因(2.1節).
圖 5
當C/P為20時, CODdn由13.9 mg·L-1升高至22.1 mg·L-1, CODins率和PPAO, An分別由81.1%和89.6%降低至67.4%和62.1%.說明C/P的降低使系統厭氧段由異養菌去除的COD開始增多, 且PAOs對COD的利用能力減弱.該C/P條件下系統厭氧段內碳源的儲存由PAOs和GAOs共同來完成, 但PAOs較GAOs在厭氧段內碳源的利用仍占優勢.
當C/P為15時, CODdn由20.7 mg·L-1提高至28.1 mg·L-1, CODins和CODins率分別平均為49.9 mg·L-1和72.9%, 但是PPAO, An由83.1%下降為36.2%.說明厭氧段GAOs對內碳源的儲存特性逐漸增強.當C/P為10時, CODdn和CODins率分別平均為23.3 mg·L-1和52.3%, 而PPAO, An由34.6%下降至5.3%.此時, 系統在厭氧段COD的去除主要由異養菌反硝化作用和GAOs內碳源儲存作用來實現的, GAOs較PAOs在厭氧段內碳源儲存占據優勢, 其也解釋了2.1節中系統釋磷和吸磷性能降低的原因.
2.6 不同進水C/P條件下典型周期內底物反應速率以及DO變化
在SBR運行第13、29、44、62和79 d時分別測定系統運行一個典型周期內NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P和COD濃度及pH值、DO濃度的變化情況.由圖 6(a)可知, 在系統運行第13 d(C/P為60)和第29 d(C/P為30)時, PRR和PUR(以P/MLSS計, 下同)分別由2.9 mg·(g·h)-1和3.4 mg·(g·h)-1提高至3.5 mg·(g·h)-1和4.2 mg·(g·h)-1.而當系統運行至第79 d(C/P為10)時, PRR和PUR分別降低為0.2 mg·(g·h)-1和0.24 mg·(g·h)-1, 此時系統表現出較差的除磷性能, 這與2.1節的分析一致.
圖 6
同時當系統進水C/P由60降低至30時, 系統厭氧段COD去除速率由8.3 mg·(g·h)-1提高至10.7 mg·(g·h)-1, 好氧段COD去除速率由2.1 mg·(g·h)-1降低至0.3 mg·(g·h)-1.而隨著C/P由30持續降至10, 系統厭氧段COD去除速率降低至8.5 mg·(g·h)-1并維持, 好氧段COD去除速率逐漸提高并維持在2.3 mg·(g·h)-1.該結果與2.2節的解釋相一致.
由圖 6(a)可見, 當系統進水C/P由60降低至10時, 好氧段硝化速率先由3.4 mg·(g·h)-1降低為2.5 mg·(g·h)-1后又逐漸恢復至3.6 mg·(g·h)-1; 且當C/P為20時, 系統好氧段硝化速率最低為2.5 mg·(g·h)-1.同時, 從圖 6(b)可知, 在C/P為20時系統好氧段的DO恒為0, 不同于其他C/P條件下DO上升的趨勢.王曉霞等[28]在研究SNEDPR系統的脫氮特性時同樣發現, 低DO濃度(0.5mg·L-1)會引起硝化細菌硝化速率的降低, 并且低DO濃度會引起氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)硝化速率的同時受限, 造成氨氮去除效果變差.這與2.3節中該C/P條件下出水NH4+-N存在剩余的結果相一致.
3 結論
(1) 適當地降低C/P可以提高SNEDPR系統的除磷性能, 當C/P為30時, 系統除磷性能最高, PRR和PUR分別高達3.5 mg·(g·h)-1和4.2 mg·(g·h)-1, 出水PO43--P濃度均低于0.3mg·L-1.而當進一步降低C/P由20至10時, PRR和PUR分別僅為0.2 mg·(g·h)-1和0.24 mg·(g·h)-1, PO43--P去除率由38.1%降低至3.1%, 系統除磷性能變差.
(2) 進水C/P幾乎不影響系統COD的去除性能, 不同C/P條件下, COD去除率穩定維持在85%左右.但是, 不同C/P條件下系統中消耗COD的功能菌群是不同的.C/P大于30時, 系統主要由PAOs實現COD的去除, 而當C/P為10~20時, 系統COD的去除由GAOs和異養菌來完成.
(3) 隨著進水C/P的降低, 系統脫氮性能呈現降低后恢復的趨勢, 表現為SNED率和TN去除率分別由C/P為60時的62.8%和85.6%降低C/P為20時的36.4%和74.2%后又提高至C/P為10時的59.8%和85.9%, 且C/P由20降至10時系統脫氮性能得以恢復的原因在于GAOs內源反硝化作用的增強.
(4) 當進水C/P由60降低至10時, 系統硝化性能呈現先下降后逐漸恢復的趨勢, 而系統的短程硝化性能先升高后逐漸降低.表現為出水NH4+-N和NO2--N濃度分別由0和6.9mg·L-1升高至5.1mg·L-1和16.2mg·L-1, 而當C/P進一步降低至10時, 出水NH4+-N和NO2--N濃度逐漸降低為0, NO3--N由0.08mg·L-1升高至14.1 mg·L-1.當進水C/P為20時最有利于系統短程硝化的進行.(來源：環境科學 作者：甄建園)
