毕业论文-基于污水再生全流程的AO除磷工艺研究.docx

基于污水再生全流程的A/O除磷工艺研究北京工业大学建筑工程学院 给水排水工程专业11届 摘 要基于传统污水处理工艺存在的同步脱氮除磷之间的矛盾，张杰、李冬等研究者率先提出将A/O活性污泥法生物除磷工艺与厌氧氨氧化生物自养脱氮工艺相结合的“污水再生全流程”工艺。本试验针对“污水再生全流程”中的首端处理单元A/O除磷工艺进行了研究。试验主要从A/O除磷系统准佳运行参数的研究、系统中氮素的转化、COD的同时去除以及群落结构分析几个方面进行研究。通过对相关运行参数的优化调整，确立了系统的准佳运行参数，实现了出水磷和有机物达到国家城镇污水处理厂一级A排放标准的要求；同时最大限度地保留了出水中氨氮的浓度，并且无亚硝酸盐氮和硝酸盐积累，为全流程中后续的脱氮单元提供了适宜的进水。与此同时，还将反应器宏观运行与微生物微观变化相结合，在研究宏观运行工况基础上，开展了微生物实验，进行分子生物学的DGGE分析，探索了反应器宏观变化的同时，研究了微观微生物种群的变化规律。关键词：污水再生全流程；A/O除磷工艺；COD污泥负荷率；变性梯度凝胶电泳ABSTRACTIn view of traditional nutrient removal process in which N, P removal cant be taken into account at the same time, Zhang Jie, Li Dong etal proposed the Technology of “the Integrated Process of Reclamation for Municipal Sewage”, which is the combination of the A/O activated sludge phosphorus removal process and anammox autotrophic nitrogen removal process.The subject of this experiment is the starting processing unit of “the Integrated Process of Reclamation for Municipal Sewage”A/O phosphorus removal process. The A/O phosphorus removal systems quasi-good operating parameters, the nitrogen transformation in the system and the analysis of microbial community structure was studied in this experiment. Through the optimization of operating parameters adjustment, established the quasi-goodoperating parameters of the system, the reactor effluent TP and COD can meet the national emission standards, and maximize the retention of the effluent ammonia concentration for the whole process unit to provide follow-up of nitrogen and water. Meanwhile, based on the study of operating conditions carried out microbial experiments, DGGE analysis of molecular biology to explore the variation of the microbe while study the macroscopic changes in the reactor.Keywords: the Integrated Process of Reclamation for Municipal Sewage; A/O phosphorus removal process; COD sludge loading rate; denaturing gradient gel electrophoresisIV目 录摘 要IABSTRACTII1.绪论11.1水环境恢复与污水再生全流程的提出11.1.1我国水环境现状11.1.2污水脱氮除磷难题11.1.3污水再生全流程的提出21.1.4生物除磷机理31.1.5除磷工艺的选择41.2A/O除磷研究现状51.2.1提高磷去除率的研究51.2.2除磷微生物特征的研究61.2.3污泥膨胀等异常现象的研究61.3全流程赋予A/O的新特点72.材料与方法82.1实验装置82.2运行参数92.3原水水质92.4分析方法与仪器93.全流程A/O除磷准佳运行参数的研究123.1出水水质要求123.2影响A/O除磷效果的运行参数123.3DO与NSCOD的优化133.3.1DO与NSCOD对A/O除磷效果的调控133.3.2系统沿程DO的优化143.4pH变化与生物除磷的关系153.5进水碱度对生物除磷的影响153.6本章小结164.A/O除磷系统中氮素转化研究184.1A/O深度除磷中氮的形态与转化184.2A/O系统低氮素转化研究194.2.1进出水氮素变化194.2.2影响氨氮转化的因素研究194.2.3A/O系统中氮素损失析因224.2.4氨氧化细菌、亚硝化细菌淘汰机制研究224.3本章小结235.A/O除磷系统中COD的同时去除245.1出水水质要求245.2除磷对COD去除的影响245.3氮素转化对COD去除的影响265.4本章小结276.A/O除磷系统中群落结构分析286.1DGGE技术简介286.2A/O系统微生物群落结构分析296.2.2样品总DNA的提取与纯化296.2.3目的基因的PCR扩增306.2.4总细菌16S rDNA V3片段的DGGE分析326.2.5Quantity One软件的DGGE图谱分析336.2.6DGGE条带的测序和同源性分析356.3本章小结35结 论37致 谢38参考文献391. 绪论1.1 水环境恢复与污水再生全流程的提出1.1.1 我国水环境现状据2010年中国环境状况公报1报道，26个国控重点湖泊（水库）中，满足类水质的1个，占3.8%；类的5个，占19.2%；类的4个，占15.4%；类的6个，占23.1%；劣类的10个，占38.5%。主要污染指标是总氮和总磷。大型水库水质好于大型淡水湖泊和城市内湖。26个国控重点湖泊（水库）中，营养状态为重度富营养的1个，占3.8%；中度富营养的2个，占7.7%；轻度富营养的11个，占42.3%；其他均为中营养，占46.2%。全国600多个城市中有2/3供水不足，其中1/6的城市严重缺水，且随着社会经济的发展，对水的需求将不断增长，缺水势态也将随之更加突出2。据资料3报道，2008年全国废水排放量为1347亿t，在现有废水处理水平正常提高的情景下，到2020年将达到1697亿t，增长约26%，废水排放总量呈上升趋势，水污染的威胁正在不断增加。而我国现有的污水处理厂主要集中于有机物的去除，对氮、磷等营养物的去除率只达到10%20%，其结果远达不到国家二级排放标准，造成大量氮磷污染物进入水体，引起水体的富营养化。随着我国经济的高速发展，水资源短缺的状况正在逐步加剧，水污染还没有得到有效遏制，整体水环境质量还在不断下滑。1.1.2 污水脱氮除磷难题自20世纪初，以活性污泥法为代表的污水生化处理技术建立以来，都是以去除含碳有机物为核心的污水二级生化处理。其处理水的水质水平仅能达到BOD520mg/L、SS20mg/L，而原污水中氨氮和磷只有部分用于细胞合成，出水中只少有去除。近年，我国明确提出污水处理厂逐步要达到.GB18918-2002城镇污水处理厂综合排放新标准4一级A的要求，该标准对氮、磷都做了严格的规定，其中TN15mg/L，TP0.5mg/L，绝大多数污水处理厂都未能达到要求。传统的脱氮除磷工艺，将氮、磷在同一反应器中去除，聚磷菌和硝化菌、反硝化菌等多种微生物共同生长在一个系统内，不同功能的微生物均不能在各自最佳的生长条件下生长，进而存在下列问题5。1.1.2.1 碳源的争夺 厌氧环境下反硝化与释磷过程对碳源存在着竞争。根据生物除磷原理，在厌氧条件下，聚磷菌通过菌种间的协作，将有机物转化为挥发酸，借助水解聚磷释放的能量将之吸收到体内，并以聚羟基丁酸PHB形式贮存，提供后续好氧条件下过量摄磷和自身增殖所需的碳源和能量。如果厌氧区存在较多的硝酸盐，反硝化细菌会以硝酸盐为电子受体，有机物为电子供体进行反硝化，消耗进水中有机碳源，反硝化反应基本结束时磷的释放过程才开始进行。由于反硝化菌与聚磷菌争夺碳源而使释磷时间大大滞后；溶解性有机物浓度的降低又使释磷反应进入非线性阶段，释磷速度大大下降，而释磷量的减少会导致好氧阶段磷的吸收能力下降，磷的去除率降低。1.1.2.2 泥龄的矛盾 硝化菌基本上属于自养型专性好氧细菌，由于其代谢产能低，其突出的特点是生长速率慢、世代期长，在系统内要保持较高浓度的硝化菌，就要求在较长的泥龄下运行。系统除磷的主体聚磷菌多为短世代微生物，可以在较短的泥龄下正常生长，因此在较短的泥龄下运行时可获得较高的除磷效率。显然，在运行泥龄上，传统工艺在脱氮与除磷之间存在着矛盾。1.1.2.3 工艺本身的矛盾脱氮靠硝化液回流 传统工艺脱氮一般采用前置反硝化手段，依靠回流硝化液实现脱氮。回流硝化液向厌氧段注入了大量硝酸盐，加剧了厌氧段反硝化细菌与聚磷菌对碳源的争夺。为获得较高的脱氮效果，常采用较大的硝化液流比，根据脱氮率与混合液回流比RN的关系式=RN/(1+RN)6，如果以硝化液回流比400%为上限，那么脱氮理论上的最大效率也仅为80%。且大的回流比使更多的硝酸盐进入到厌氧池进行反硝化处理，造成回流混合液中溶解氧破坏了缺氧硝化环境。溶解氧的存在抑制了异养硝化盐还原反应，其作用机理为：氧阻碍硝酸盐还原酶的形成(有些反硝化细菌必须在厌氧和有硝酸盐存在的条件下才能诱导合成硝酸盐还原酶)；氧可作为电子受体，竞争性地阻碍硝酸盐的还原。1.1.3 污水再生全流程的提出既然N、P不可能在一个反应器内同时深度去除，那么就应该在不同的反应器中分步实现。与化学除磷相比，生物除磷有很大的优势，由于不投加药剂，可以节省大量运行费用，而且在生物除磷的同时又可以去除有机物，因此可以强化生物除磷单元，实现磷和有机物的深度去除，这也完全符合低碳经济的目标。由于在生物除磷的同时也去除了大量有机物，在不投加碳源的前提下，脱氮单元的工艺就应该采用以自养脱氮工艺为核心的一系列脱氮工艺。20世纪90年代发现的厌氧氨氧化（ANAMMOX）现象为这一设想提供了可能性。张杰、李冬等研究者7, 8通过对城市污水再生全流程理念进行研究，研发能够高效低耗地去除COD、磷和氮等污染物的处理单元及关键技术，在此基础上将各处理单元进行耦合优化，最终确立了以生物除磷、除有机物单元为首，后接自养脱氮单元的一套较为经济高效的城市污水再生全流程8，如图1.1所示。图1.1 城市污水再生全流程1.1.4 生物除磷机理对于生物除磷机理的探寻是环境工程领域最热门的研究课题之一。自生物除磷设想的提出至今，生物除磷原理的研究得到了长远发展，其具体发展历程如表1.1所示。表1.2 生物除磷研究进展时间人物研究成果1955Greenburg9首先提出除磷设想：活性污泥吸收超过其自身正常生长所需要的磷，进而将污水中的磷转移到剩余活性污泥中最终去除。1959Srinath等10最先报道了利用活性污泥来快速去除污水中磷的现象，并发现磷的去除量与曝气强度有关。1965Levin和Shapiro11证实了上述磷的去除是生物代谢所致，并提出碳源的投加有利于微生物对磷的过量摄取，且曝气时间的延长会导致磷的释放。1975-1976Barnard12, 13在前人研究的基础上，指出了生物除磷过程中厌氧/好氧（anaerobic/oxic，A/O）交替的必要性，认为硝酸盐会对生物除磷产生抑制作用，无溶解氧（DO）和硝酸盐的厌氧段的存在是除磷能力得到发挥的必要条件，并于1976年提出了Phoredox（phosphorus reduction oxidation）工艺，标志着A/O生物除磷工艺的诞生。1978Osborn和Nicholls14在硝酸盐异化还原过程中观测到了磷的快速吸收现象，即反硝化除磷现象。1982Rensink等15建立起释磷与吸磷之间的关系，并提出在A/O生物除磷工艺中的厌氧段可为好氧的聚磷微生物（即聚磷菌，PAOs）提供挥发性有机酸，从而使PAOs在与其他异养菌的竞争中处于优势。1985Lotter和Murphy16证实了反硝化聚磷菌（DPB）的存在，并指出DPB能够以NO3-为电子受体，在吸磷的同时将NO3-N转变为N2。1986Comeau等17在前人提出的交替式磷的厌氧释放及好氧同化吸收原理的基础上，从能量代谢的角度提出了污水强化生物除磷（EBPR）的微生物学机理之后，随着分子微生物学的发展，对于除磷细菌的微生物生态学研究得到不断深入。纵观整个生物除磷研究进展，在A/O生物除磷工艺确立之前，人们一直致力于传统生物除磷机理的研究，而在反硝化除磷现象发现之后，人们逐渐热衷于反硝化除磷机理的研究。1.1.4.2 传统生物除磷机理 传统的生物除磷机理18可以概述为一句话：聚磷微生物在厌氧条件下释放磷，在好氧条件下过量吸收磷，通过定期排泥来达到除磷的目的。具体来说：在厌氧的条件下，聚磷菌(PAOs，poly-phosphate-accumulating organisms)把细胞中的多聚磷酸盐水解为正磷酸盐释放胞外，并从中获取能量，并利用污水中易降解的有机物，如挥发性脂肪酸(VFA)，合成储能物质聚-羟基丁酸(PHB)等储于细胞内，在好氧的条件下，利用O2为最终电子受体氧化细胞内PHB获得能量，并利用该反应产生的能量，过量从污水中摄取磷酸盐，合成高能ATP，其中一部分又转化为多聚磷酸盐，作为能量储于细胞内，好氧吸磷量大于厌氧释磷量，通过排放富磷污泥来实现高效除磷目的。1.1.4.3 反硝化除磷机理 近年来，随着除磷研究在微生物学领域的深入，人们发现这样一种微生物，不仅能够利用氧为电子受体，也可以利用硝态氮或亚硝态氮为电子受体。在厌氧条件下，这种微生物与好氧聚磷菌一样，储存PHB，释放磷；在缺氧(无氧但存在硝态氮或亚硝态氮)条件下能够利用硝态氮或亚硝态氮作为电子受体，过量吸收磷，而且在吸磷的同时，硝态氮被还原为氮气，实现同时反硝化和除磷，这种微生物被称之为“反硝化聚磷菌”(denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB)19。而DPB在缺氧环境下摄磷的这一现象，使得摄磷和反硝化(脱氮)这两种不同的生物过程借助同一种细菌在同一过程完成。总的来说，生物除磷机理可归纳如图1.2所示。图1.2 生物除磷机理1.1.5 除磷工艺的选择考虑到反硝化除磷工艺现在并不成熟，对其研究还停留在实验研究阶段，工程实际应用研究有待进一步发展19。并且作为城市污水再生全程后续工艺的自养脱氮单元对氨氮浓度有要求，除磷单元应尽可能少的减小氮素损失。以及反硝化除磷需要利用硝态氮或亚硝态氮作为电子受体完成磷的吸收，而城市生活污水中其含量几乎为零。所以全流程的除磷单元不采用反硝化除磷。表1.4 典型的传统生物除磷工艺工艺名称主要原理主要特点A/O工艺厌氧条件下，聚磷微生物将污水中的有物转化为体内的PHB，同时释磷；在好氧条件下，聚磷微生物以游离氧为电子受体，过量吸收水中的磷。工艺流程简单，不需要投加化学药品；建设费用和运行费用均较低。存在的题是脱磷效果决定于剩余污泥排放量，在二沉池中还难免有磷的释放。A2/O工艺在A/O工艺中增设了缺氧池，使好氧池流出的部分混合液回流至缺氧池前端，以达到硝化脱氮的目的。工艺将生物除磷、脱氮融为一体，流程简单，易于管理；脱氮时不需要额外投加碳源，运行费用较低。存在固有缺欠，很难同时取得好的脱氮、除磷效果。Bardenpho工艺20循环利用内碳源，尽量利用了微生物的胞内碳源物质，又称A/O-A/O工艺。有较好的脱磷效果，但是在二沉池中会有磷的释放，工艺流程长、构筑物多，运行费用高 。UCT工艺18将A2/O工艺二沉池的回流污泥回流到缺氧池而非厌氧池，回流污泥中携带的硝态氮盐在缺氧池中反硝化脱氮后，部分污泥回流进人厌氧池，减少了硝酸盐在厌氧区对释磷的不利影响。除磷效果得到增强，但工艺流程比较复杂，回流次数和回流量大，增加了能耗和运行费用。氧化沟类工艺由于工艺的特殊性，使其在空间或时间布局上存在厌氧、缺氧和好氧区，利用厌氧/好氧交替的原理达到的除磷的目的。在运行情况良好的基础上，氧化沟工艺的除磷率较高。但其占地面积较大，能耗较高。典型的传统生物除磷工艺如表1.2所示。相比较其它工艺存在的工艺流程复杂，构筑物多，能耗大，运行维护费用高等问题，A/O工艺具有工艺流程简单，不需要投加化学药品，建设费用和运行费用均较低等突出优势。因而，将A/O生物除磷工艺作为全流程的首端处理单元，实现磷和有机物的深度去除。1.2 A/O除磷研究现状传统A/O工艺作为一种较为成熟的以去除磷和有机物为主的活性污泥法已有数十年的发展历史，因其良好的除磷效果和可调控性高、不易发生污泥膨胀等诸多优点，该工艺被广泛用于各级污水处理厂中。国内外对于工艺本身运行机理及相关调控方法的研究也比较多，归纳起来研究内容大体可分为三部分：1.2.1 提高磷去除率的研究通过调控运行参数，优化实时监测等措施，进一步提高磷的去除率。如大连经济开发区水质净化厂原采用A2/O工艺，后来进行了厌氧/好氧活性污泥除磷技术改造。实际运行结果表明：改造后出水磷含量稳定于1.0mg/L以下21，然而，水厂将好氧段出水DO控制在为3-3.5mg/L，动力消耗较大，存在过量DO通过回流污泥进入厌氧池的风险。李捷，熊必永，张杰等22, 23提出在A/O生物除磷工艺的影响因子中进水COD/TP与生化反应系统的BOD负荷是关键。其试验结果表明：COD/TP越大，厌氧释磷越多，越有利于除磷，厌氧释磷量是吸收COD量的函数，但是研究表明：进水COD/TP的变化对系统COD的去除不会产生明显的影响，试验通过对比不同COD/TP水平和BOD负荷下的除磷效果，明确了两因素对于除磷的影响关系，其试验结果对本课题中A/O除磷工艺的运行具有指导作用。马菲菲，吴志超，周振等24-27以长距离输送的合流制污水为进水，考察不同污泥回流比下A/O工艺对COD、N、P的去除效果，深入研究污泥回流比对生物除磷代谢过程的影响。其试验结果表明：污泥回流比对COD 及NH4+-N的去除没有明显影响，但对TN、TP、PO43-P的去除影响较大。随着污泥回流比的增大，PAOs的厌氧释磷量逐渐减小，磷的去除率逐渐降低。减小污泥回流比，可延长A/O工艺厌氧池实际HRT，增加PAOs在厌氧池可有效利用的碳源，使PAOs在厌氧池充分释磷，从而提高除磷效率。但是，其实验用水中污染物浓度低于常规城市生活污水，实验结果具有一定的局限性。郑燕清，周建华等28, 29通过静态试验考察聚磷菌的厌氧释磷和好氧吸磷情况。在厌氧状态、低有机负荷率的条件下，污泥释磷的速率随有机负荷率的升高而增加，但当有机负荷率超过临界数值0.12gCOD/gMLSS后有机负荷率不再成为聚磷菌厌氧释磷的限制性因素。此外，试验考察了硝态氮的存在对厌氧释磷和后续好氧吸磷的影响，发现硝态氮的存在不利于PAOs的厌氧释磷，从而限制了其在后续好氧环境下的吸磷效果，但是其硝态氮浓度维持在24-25mg/L左右，并不具有普遍代表性。此外，研究者还证实了DO浓度对PAOs好氧吸磷的速率具有影响等。1.2.2 除磷微生物特征的研究利用微生物技术培养、分离、提纯特定的PAOs并研究其微生物特征，从微观上完善生物除磷技术。如刘亚男，于水利，薛罡等30-32在生物除磷污泥中首次筛选和提纯出产碱杆菌属的聚磷菌，并证明其具有较好的强化除磷效果。孙源，范琛等33采用A/O方式运行的SBR反应器对回流污泥进行诱导驯化，结果表明：在较短时间内系统有明显的聚磷特征，A/O方式运行的反应器除磷效率大于95%，从运行稳定的系统中进行微生物的分离，经过数次分离得到纯种的菌株，通过染色实验表明菌体内含有异染颗粒。然而，上述PAOs均来自于SBR反应器中，由于SBR与连续流在运行方式上截然不同，并不能保证该菌株适用于连续进水和出水的传统A/O工艺。Johwan Ahn等人34研究了能够以硝酸盐作为电子受体进行生物除磷的DPAOs的特征和微生物多样性。3个SBR反应器在三种不同电子受体的条件下运行只有氧气，氧气和硝酸盐一同作为电子受体和只有硝酸盐作为单独电子受体。通过对PCR-DGGE的结果进行分析，发现不同类型的电子受体下，微生物群落发生改变。Rhodocyclus sp.(96%相似度)和Dechlorimonas sp.(97%相似度)包含在所有反应器中，通过DGGE条带的序列分析和系统从属关系判断，它们属于-Proteobacteria。于水利等人35调查了在不同碳源下，三个SBR反应器中的微生物群落。分别投加污水，葡萄糖和乙酸钠，获得了较好的除磷效果。PCR-DGGE分析结果表明，-protebacteria，Actinomyces sp和-protebacteria只存在于污水为碳源的反应器。其微生物多样性超过了另外两个反应器。Bacillales，Actinomyces，Actinobacteridae和uncultured bacteria可以在生物除磷反应器中被找到。1.2.3 污泥膨胀等异常现象的研究研究A/O工艺在实际运行中由各种因素引起的污泥膨胀等异常现象。如杜英豪36、卢晓晶等37结合污水处理厂的实际运行经验分析了由进水高硫化物、F/M偏低、低溶解氧以及反硝化等因素引起的污泥上浮与膨胀现象，并提出了诸多切实可行的调控措施。但是，由于污泥膨胀的成因复杂，影响因素较多，通常是多因素共同影响导致污泥性状变差，而且膨胀极易出现反复，所以，对于污泥膨胀等污水处理中的异常现象仍需进一步研究。1.3 全流程赋予A/O的新特点全流程系统将A/O工艺作为首端处理单元进行生物除磷和去除有机污染物，首先是充分利用其除磷效果好、流程简单、无需投药和设置内循环、不易发生污泥膨胀等传统优点；其次，通过对部分关键运行参数的调控可实现在深度除磷和去除COD的同时满足全流程中后续自养脱氮单元所需的进水水质条件，即最大程度保证混合液中的氨态氮“不损失、不转化”。因此，本处理单元必须抑制硝化和反硝化细菌的增殖，削弱其在整个系统菌群中的影响力，减少硝化和反硝化反应的发生，保证出水中的氨态氮浓度，而这也是与传统污水处理工艺中A/O生物除磷单元最大的区别。此外，由于全流程中的A/O工艺有效避免了传统同步脱氮除磷过程中对于碳源的争夺，所以处理过程中无需另行投加碳源，对有机污染物浓度低的生活污水具有较好的适应性。因此本单元可以在低碳条件下获得较好的除磷效果。-37-2. 材料与方法2.1 试验装置本试验中A/O生物除磷的试验装置由反应池和二沉池两部分构成，其中反应池长宽高=2m0.6m1m，有效容积为1083L，试验装置如图2所示。其中反应池分为厌氧段（A段）和曝气段（O段），中间以穿孔隔板相隔，厌氧池与好氧池池长比为1:1.7。厌氧池设置搅拌机，为完全混合式。好氧池为推流式，利用微生物吸附降解规律采用穿孔曝气管分三阶段递减曝气。二沉池为竖流式沉淀池，采用中心进水周边出水。试验装置照片如图2.1所示，试验装置示意图如图2.2所示。图2.1 试验装置照片图2.2 试验装置示意图2.2 运行参数试验期间反应器各项运行参数见表2.1。表2.2 A/O生物除磷系统运行状态参数运行参数数值温度（）12.1 14.2进水流量（L/h）138.0 152.4水力停留时间（h）6.99 7.72COD污泥负荷（kgCOD（kgMLSSd）-1)0.5 0.7污泥回流量（L/h)132.0 162.0污泥回流比0.96 1.06污泥龄（d）6.1 7.6污泥指数254.1 294.9排泥量（g/d ）171.5 291好氧段溶解氧量（mg/L）0.8 1.852.3 原水水质试验用水为北京市某家属区的化粪池出水，3月5月份运行时，试验原水水质参数见表2.2。表2.3 试验进水水质水质指标单位数值CODmg/L347.1 425.3BODmg/L120 150磷酸盐（以P计）mg/L5.75 6.30氨氮mg/L85.40 95.32亚硝酸盐氮mg/L0 0.15硝酸盐氮mg/L0 1.89碱度mg/L550.59 610.782.4 分析方法与仪器试验从2010年3月至5月份，分三个不同负荷阶段进行，期间水质状况较为稳定。试验期间每天检测进出水TP、COD、氮素指标，每天通过在线检测系统检测厌氧池pH、ORP以及好氧池pH、DO；每天测定污泥沉降比、污泥浓度；试验中期连续20天检测了沿程TP、COD、氮素浓度。其中主要水质指标分析方法见表2.3。表2.4 主要水质指标分析方法测定项目方法名称基本原理检出限COD快速COD测定仪采用密封消解法消解样品，并用先进的冷光源、窄带干涉技术及微电脑处理数据，直接显示COD值。0.1mg/LBOD5稀释与接种法接种生活污水及培养液，在恒温20度下，通过5天培养，测定前后压力差。2mg/L磷酸盐（以P计）钼酸铵分光光度法在酸性条件下，正磷酸盐与钼酸铵、酒石酸锑氧钾反应，生成磷钼杂多酸，被还原剂抗坏血酸还原，变成蓝色络合物。0.01mg/L氨氮纳氏试剂光度法纳氏试剂与氨氮显棕黄色，在420nm波长下定量测量。0.02mg/L亚硝酸盐氮N-（1-萘基）-乙二胺光度法亚氮与磺胺在酸性条件下发生分子重排，与N-1-(萘基)-乙二胺二盐酸盐显紫红色，在波长540nm波长下定量测量。 0.003 mg/L硝酸盐氮紫外分光光度法硝氮在220nm波长有定量吸收，并用275nm波长校正有机物吸收影响。0.08mg/L溶解氧在线溶解氧测定仪采用隔膜电极作换能器，将溶氧浓度（实际上是氧分压）转换成电信号，再经放大、调整（包括盐度、温度补偿） ，由模数转换显示。0.01mg/LpH便携式pH计法利用pH复合电极电动势随氢离子活度变化而发生偏移来测定水样的pH值。0.01碱度电位滴定法用玻璃电极为指示电极，甘汞电极为参比电极，用酸标准溶液滴定，其终点通过电位滴定仪指示。0.01mg/L试验后期运用PCR-DGGE技术对A/O系统中不同反应池的活性污泥进行了群落结构分析，具体分析方法将在第5章进行详细叙述。试验所用主要设备仪器如表2.4所示。表2.5 主要设备仪器表仪器设备名称型号离心机TGL-20B兰格蠕动泵BT00-300（600）M YZ1515高压灭菌锅SANYO MLS-3020空气压缩机TA-80恒温振荡器SHA-B净化工作台CZN-SSPCR仪PowerPac Basic搅拌机YW633-4精密天平METTLER TOLEDO B-S line of balances AB204-S分光光度计720pH值测试仪OAKLON Waterproof pH Test 10BNCMLSS测定仪Total Suspended Solids Interface Level Analyzer-Model便携式溶解氧仪711/71COD快速测定仪5B-3(B)琼脂糖凝胶电泳仪Dice变性梯度凝胶电泳仪DcodeTM Universal多功能在线水质检测仪WTW IQ Sensor Net System 20203. 全流程A/O除磷准佳运行参数的研究3.1 出水水质要求为满足全流程后续处理单元及最终出水排放标准，要求A/O出水中TP浓度小于等于0.5mg/L，应达到GB18918-2002城镇污水处理厂污染物一级A排放标准。3.2 影响A/O除磷效果的运行参数本试验中所选用的A/O工艺为污水再生全流程的首端处理单元，与传统A/O除磷工艺不同，本单元在深度除磷和去除有机污染物的同时要为全流程中的后续亚硝化单元提供“高NH4+-N，低NOx-N”的进水。其中的除磷过程主要利用生物过量聚磷原理，以PAOs为主体优势菌属，通过其在厌氧/好氧段的释磷/吸磷作用，将污水中的含磷污染物去除并最终以剩余污泥的形式排出。在整个除磷过程中，系统会受到环境因子和工艺自身运行参数的共同影响。环境因子为不可控因子，在实际处理过程中主要是通过调控相关运行参数来实现不同工况，进而满足相应处理要求。反应器常用的运行参数包括溶解氧（DO）、pH、碱度、污泥龄（SRT）、水力停留时间（HRT）、COD污泥负荷率（NSCOD）等。好氧段的DO对聚磷菌的磷摄取有很大的影响，为了获得较好的磷释放效果，应保持溶解氧浓度在一定浓度以上，以满足聚磷菌对其贮存的PHB进行氧化，获取能量，而大量摄取磷之用。pH通过对PAOs体内酶的作用而影响其细胞代谢过程，进而影响原水中磷的去除，生物除磷系统的适宜pH值范围为中性弱碱性37。厌氧条件下聚磷菌释放磷时生成H+，消耗碱度。SRT的长短对聚磷菌的摄磷作用和剩余污泥排放量有直接的影响，从而对除磷效果产生影响。SRT越短，污泥中的磷含量越高，加之产泥率和剩余污泥排放量的增加，除磷效果越好，但污泥龄太短又达不到BOD和COD去除的要求38。HRT代表污水与反应器内微生物作用的平均反应时间，其值越高出水水质越好，但反应器处理水量相应减小。在一定范围内，厌氧段释磷量随着NSCOD的增加而升高并生成大量的PHB，为后续好氧段过量摄磷积攒能量。同时，随着NSCOD的增加，更多的COD在厌氧段被消耗，为PAOs的充分释磷提供必需的碳源22。PAOs为兼性异养菌，通过厌氧/好氧的交替循环完成磷的释放/摄取，在此过程中，DO、pH通过影响PAOs代谢过程，进而影响原水中磷的去除。曝气作为好氧工艺的必要手段，研究能保证处理效果的适宜DO，从而优化曝气，能大幅降低能耗，具有较大的工程意义。pH通过对PAOs体内酶的作用而影响其细胞代谢过程，尤其在厌氧条件下PAOs活性受pH影响很大37。碱度影响水中pH，尤其在厌氧条件下聚磷菌释放磷的同时消耗水中碱度。HRT、SRT受反应器中的混合液流态及进水流量的波动等因素的影响，无法直观、精准的反映系统对于污染物的去除能力，而NSCOD则可以避免上述弊端。因此，试验将DO、pH、碱度与NSCOD作为系统深度除磷过程中的主要运行参数进行深入研究。3.3 DO与NSCOD的优化3.3.1 DO与NSCOD对A/O除磷效果的调控试验分三个不同负荷阶段（0.7、0.6、0.5 kgCOD（kgMLSSd）-1）进行，通过调整Q进与回流污泥量，保持Q进和混合液悬浮固体浓度（MLSS）两者相对稳定并维持每个工况运行15天以上（2SRT），同时在较低溶解氧范围(11.8mg/L)内调控好氧段DO，使反应器稳定运行了50天以上（8SRT），A/O除磷系统TP、COD去除效果随O段DO及NSCOD的变化情况如图3.1所示。图3.1 A/O除磷系统TP去除效果随O段DO及NSCOD的变化情况从图3.1可以看出，第05天，在NSCOD为0.7kgCOD（kgMLSSd）-1时，调整好氧段DO约为0.9mg/L，出水TP均大于0.5mg/L，除磷效率低；第617天，增加DO至1.8mg/L ，出水TP仍大于0.5mg/L，除磷效果依旧不理想；第1823天，降低污泥负荷到0.6kgCOD（kgMLSSd）-1，控制DO为1.8mg/L左右时，出水TP去除效果良好，均值为0.45mg/L，去除率均值达到92.6%，基本能达到国家城镇污水处理厂污染物一级A排放标准的要求；第2433天，保持NSCOD为0.6kgCOD（kgMLSSd）-1不变，降低DO至11.5mg/L，出水TP去除效果尚可，出水TP均值为0.49mg/L，去除率均值为92.1%，只要适时辅以少量化学除磷即可实现出水TP达标；第3455天，降低污泥负荷至0.5kgCOD（kgMLSSd）-1，维持好氧段DO在11.5mg/L，出水TP均小于0.5mg/L，出水TP均值仅为0.40mg/L，去除率均值达到93.6%，出水水质完全达到一级A标准。由上述运行情况可知，控制COD污泥负荷为0.6kgCOD（kgMLSSd）-1，好氧段DO约为1.8mg/L时，反应器出水TP浓度即可达到国家一级A排放标准；降低负荷至0.5kgCOD（kgMLSSd）-1时，只需维持好氧段DO在11.5mg/L，就能使出水TP浓度完全达到一级A标准。传统的除磷工艺，在常温时若要保持TP去除率为75%以上、出水TP低于1mg/L，好氧段DO需要控制在23mg/L，甚至更高。而全流程中的A/O系统在保证一定负荷下较高TP去除率的同时，仅需控制好氧段DO为11.5mg/L，与传统除磷工艺相比节约了50%以上的曝气量，实现了高效低能耗运行。分析原因：由于全流程中的A/O系统在好氧段只存在磷的吸收而要抑制硝化作用，因此不存在硝化细菌与聚磷菌竞争氧气和基质的问题，所以较传统的除磷工艺大大节约了曝气量。3.3.2 系统沿程DO的优化反应器好氧段为推流式，利用微生物吸附降解规律采用穿孔曝气管分三阶段递减曝气。为进一步探求低碳高效运行的准佳参数，优化阶段曝气量，节约运行成本，试验期间分析测定了反应器沿程TP的变化趋势。为排除好氧池上层紊流的影响，试验中采取虹吸方式从反应器中部取样，取15天数据的均值后作图，如图3.2所示。图3.2 A/O除磷系统沿程TP变化由图3.2可以看出，反应器厌氧段大量释磷，好氧段前段即完成过量吸磷，而在好氧段中段和后段TP浓度均变化不大。经分析认为：反应器好氧段长度仅为1.25m，而宽、高达到了0.6m、1.0m，加上曝气的搅动作用，好氧段混合现象严重，所以导致了好氧段推流式的作用不明显。但是从厌氧段到好氧前段TP就基本被去除，而在好氧段后半部分的不明显的变化可以说明系统采用递减曝气是合理的，而且进一步适当提高前段曝气量，降低中、后段曝气量可以使聚磷菌更充分利用DO，进而节省曝气，实现除磷系统的低碳高效运行是可行的。针对好氧段难以形成显著的推流作用，实验室对反应器进行了改造，用穿孔隔板将好氧段分成三部分，改用275的钢玉曝气头曝气，使其形成严格的推流式三阶段递减曝气，其最终结论有待后续研究。3.4 pH变化与生物除磷的关系反应器运行期间TP去除效果随A段pH的变化情况如图3.3所以。图3.3 A/O除磷系统TP去除效果随A段pH的变化情况从图3.3可以看出，第017天，A段pH维持在7.357.40，TP去除效果不佳，出水TP均大于0.5mg/L；第18天后，随着负荷降低，A段pH升高至7.507.60，而相应的TP的去除率、出水TP效果也有明显的提高，出水基本达到国家城镇污水处理厂污染物一级A排放标准中对于TP的要求。因此可以把厌氧段pH作为聚磷菌活性的指示参数，A段较高的pH说明聚磷菌活性高，磷的去除效果较好。分析原因：在厌氧条件下，聚磷菌对聚磷酸盐的降解如下式：2C2H4O2(有机物)+ (HPO3)(PAO)+H2O(C2H4O2)2(储存的有机物)+PO43-+3H+ （3.1）从上式可以看出，厌氧条件下磷释放过程中磷的积累有H+放出，从反应来看，在一定范围内，厌氧池中pH 值上升对磷的释放有利，而厌氧段释磷量的增加将伴随着大量PHB的生成，为后续好氧段过量摄磷积攒能量，从而增加好氧段摄磷量，进而提高TP的去除效果。3.5 进水碱度对生物除磷的影响在生活污水处理过程中pH值、碱度对脱氮除磷效果起着重要的作用39。传统的脱氮除磷工艺需要投加大量的碱度，为研究碱度对全流程下A/O除磷系统处理效果的影响，连续监测了10天进出水的碱度（以CaCO3计），结果如图3.4所示。图3.4 A/O除磷系统TP去除率与进出水碱度的变化情况从图3.4可以看到，出水碱度损失仅为37mg/L，碱度损失率仅为7.9%。据报道，VFA的生成引起pH值的降低程度是由污水的碱度决定的，在生物除磷系统中，pH值低于7时，聚糖菌会与聚磷菌发生竞争，影响聚磷菌利用VFA的能力，从而影响生物除磷效果，聚磷菌的最佳生长pH值范围为6.5 7.539。运行过程中，反应器pH稳定，厌氧池内pH值为7.35 7.60。说明生活污水中碱度足以满足以聚磷菌为主的微生物的代谢活动要求，进水碱度不是全流程中A/O生物除磷系统中的限制性因素，使得pH与文献报道的最佳范围相符，并且还可以为后续自养脱氮提供充足的碱度。反应器在无需外加碱度的情况下就可以获得较高的TP去除率，由此大大节省了其它脱氮除磷工艺因投加碱度而产生的基建和运行费用。3.6 本章小结1) 好氧段DO与NSCOD可以有效调控A/O除磷系统对于TP与COD的去除效果。控制COD污泥负荷为0.6kgCOD（kgMLSSd）-1，好氧段DO约为1.8mg/L时，反应器出水TP浓度即可达到国家城镇污水处理厂一级A排放标准；降低负荷至0.5kgCOD（kgMLSSd）-1时，只需维持好氧段DO在11.5mg/L，就能使出水TP浓度完全达到一级A标准。2) TP在厌氧段及好氧段前段就基本被去除，而在好氧段后半部分变化不明显，系统采用递减曝气合理，并且应进一步适当提高好氧段前段曝气量，降低中、后段曝气量，进而节省曝气。3) 厌氧段pH可以作为聚磷菌活性的指示参数，其值较高说明聚磷菌活性较高，磷的去除效果较好。厌氧段pH在7.507.60时，系统取得了较好的除磷效果。4) 生活污水中碱度足以满足以聚磷菌为主的微生物的代谢活动要求，并且还可以为后续自养脱氮提供充足的碱度。4. A/O除磷系统中氮素转化研究作为污水再生全流程的首端处理单元，试验在深度除磷的同时还关注了混合液中氮的转化与去除，目的是为后续自养脱氮单元提供高氨氮的进水，与此同时尽量降低出水中的亚硝酸盐和硝酸盐浓度。因此，试验过程中通过分析氮的形态和浓度变化确定其影响参数，同时通过测定延程氮素变化确定系统中氮素损失原因，确保出水满足后续亚硝化单元的进水要求。4.1 A/O深度除磷中氮的形态与转化本试验所用原水为居民小区生活污水，原污水中的含氮化合物主要分为有机氮（动、植物蛋白）、氨态氮（NH4+、NH3）、亚硝酸盐氮（NO2-）、硝酸盐氮（NO3-）。其中，氨态氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮统称为无机氮，可以被微生物直接利用。本试验为全流程首端处理单元，为满足后续亚硝化工艺的进水要求，要求将有机氮的分解与转化尽量控制在氨化反应阶段，以保证后续自养脱氮单元进水中的氨态氮浓度。自然界中有机氮在氨化菌的作用下分解转化为氨态氮，其反应式为：RCHNH2COOH+O2 氨化菌 RCOOH+CO2+NH3 （4.1）水中的氨态氮多以氨离子（NH4+）和游离氨（NH3）状态并存，两者保持动态平衡，关系式为：NH3+H2O NH4+OH- （4.2）除上述反应外，实际处理过程中还伴随少部分硝化反应，即在硝化菌（包括亚硝酸菌AOB和硝酸菌NOB）的作用下氨态氮进一步发生转化。首先，氨态氮在亚硝酸菌的作用下氧化为亚硝酸盐氮，其反应式为：NH4+32O2 亚硝化菌 NO2-+H2O+2H+ （4.3）随后，亚硝酸盐氮在硝酸菌的作用下最终转化为硝酸氮，其反应式为：NO2-+12O2 硝酸菌 NO3- （4.4）总反应式为：NH4+2O2 NO3-+H2O+2H+ （4.5）因此，试验过程中必须尽量抑制硝化菌和反硝化菌的增殖，避免亚硝酸盐氮和硝酸盐氮对PAOs释、吸磷过程产生的不利影响，同时也可以减少A/O出水中氨氮和总氮的损失。此外，氮和磷都是微生物维持其自身细胞正常生理功能所必需的元素，在整个处理过程中还会有