倒置 AAO 工艺聚磷微生物的吸磷行为

倒置倒置 AAO 工艺聚磷微生物的吸磷行为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 Phosphorus 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 Reuse 2 National Engineering Research Center for Urban Pollution Control Tongji University Shanghai 200092 China China Environmental Science 2007 27 1 49 53 Abstract The phosphorus release and uptake behavior of phosphorus accumulating organisms PAOs in anoxic anaerobic aerobic denitrification 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 prolonged 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 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 it s energy demand derived from the anaerobic degradation of organics and utilized to uptake phosphate form water 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 CODCr 500 600mg L TN 80 100mg L TP 9 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 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 denitrifying phosphorus removal in SBR effect of added nitrate concentration and