聯合厭氧/微好氧的A/(O/A)n強化好氧顆粒污泥脫氮除磷

李 冬,王歆鑫,張玉君,張 杰,2

聯合厭氧/微好氧的A/(O/A)強化好氧顆粒污泥脫氮除磷

李 冬1*,王歆鑫1,張玉君3,張 杰1,2

(1.北京工業大學,水質科學與水環境恢復工程北京市重點實驗室,北京 100124；2.哈爾濱工業大學,城市水資源與水環境國家重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150090；3.中國雄安集團城市發展投資有限公司,河北 保定 071000)

設置3組規格相同的SBR反應器R1、R2和R3,分別采用A/O/A-A/O/A、A/O/A-A/O、A/(O/A)-A/O方式運行,以模擬廢水為進水基質,接種實驗室4℃長期饑餓儲存的好氧顆粒污泥及絮狀污泥(70%顆粒污泥+30%絮狀污泥),在相同初始條件下,探討了不同運行方式下顆粒污泥的活性恢復情況及短程硝化反硝化除磷性能.實驗結果表明,聯合厭氧/微好氧的A/(O/A)交替運行模式在實現顆粒污泥的活性恢復及污染物處理性能上表現出較大的優勢,R3形成了平均粒徑為802.98μm的密實顆粒,分泌的胞外聚合物(EPS)含量達到了94.52mg/gVSS,表明聯合厭氧/微好氧的交替運行模式刺激了微生物分泌更多的EPS,顆粒結構更穩定.在穩定運行期間,R3的COD、TP、TN去除率分別達到了92.45%、93.72%和97.24%.系統內以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌所占比例達到了51.46%,實現了氨氧化菌(AOB)與反硝化聚磷菌(DPAOs)的同步富集,具有良好的污染物去除效果.

好氧顆粒污泥(AGS)；厭氧/微好氧；短程硝化；反硝化除磷；影響因素

好氧顆粒污泥(AGS)獨特的分層結構形成了自內向外的厭氧-缺氧-好氧環境,使聚磷菌、反硝化菌、氨氧化菌等得以同時生存,可以在單個反應器內完成硝化、反硝化和除磷[1-2].其中短程硝化反硝化除磷工藝具有節約碳源、減小反應器容積,節省基建投資等優點,研究表明采用間歇曝氣手段能夠實現良好的短程硝化性能,由于氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)對氧氣的親和力不同,低溶解氧環境下NOB的活性受到抑制,通過在厭氧和低溶解氧條件之間交替可實現同步短程硝化、反硝化和除磷,從而顯著降低生物脫氮除磷的能量和碳需求[3-4].

然而,實現短程硝化需要保持較低的溶解氧量,長期維持低溶解氧水平易發生亞硝酸鹽的積累進而抑制聚磷菌的活性,使生物除磷性能變差[5-7].研究表明[8],反硝化聚磷菌(DPAOs)能以亞硝酸鹽為電子受體同時進行反硝化和吸磷,從而降低系統內亞硝酸鹽的積累量,提高除磷效率.目前,已有研究表明在厭氧/缺氧的運行條件下能夠富集一類利用亞硝酸鹽作為電子受體的反硝化聚磷菌,使生物除磷與反硝化脫氮同步進行[9-10],但其中大多數是通過分步富集方法進行的,未能實現DPAOs與AOB的同步富集.對于好氧顆粒污泥而言,在厭氧/好氧/缺氧運行方式的基礎上進行厭氧/缺氧的交替循環,可以創造一種持續缺氧環境,實現亞硝酸鹽的積累,同時滿足AOB與DPAOs的生存條件,在實現短程硝化的同時富集DPAOs以持續消耗生成的亞硝酸鹽,提高系統的同步脫氮除磷性能且降低能耗.鑒于此,本研究提出了聯合厭氧/微好氧的A/(O/A)交替運行模式,在實現顆粒污泥活性恢復的同時提高AOB與DPAOs的活性,達到長期穩定高效的脫氮除磷效果.

本研究設置3組不同的運行方式,討論顆粒污泥的特性、污染物(C、N、P)的去除性能及胞外聚合物(EPS)的分泌情況等,以期為好氧顆粒污泥提供一種更穩定高效的同步富集AOB與DPAOs的運行模式.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與運行方式

本實驗采用3組相同高徑比的有機玻璃SBR反應器R1、R2和R3,工作容積為10L,內徑為14cm,有效高度為65cm.每個循環周期的容積交換率為60%.通過底部曝氣柄向反應器內注入空氣,轉子流量計控制曝氣量大小.

圖1 反應器周期運行情況示意

R1采用A/O/A-A/O/A-SBR工藝運行,R2采用A/O/A-A/O-SBR工藝運行,R3采用A/(O/A)-A/O- SBR工藝運行.3組反應器每天均運行2個周期,每個周期12h,包括進水-反應-排水-補充基質-反應-出水,具體運行情況如圖1所示.其中A/O/A的好氧段曝氣量為0.8L/min,A/O的好氧段曝氣量為0.3L/min.所有裝置均通過時控開關自動控制.將每個周期分為兩階段,階段I結束后添加基質進入階段II.

1.2 接種污泥與實驗用水

3組反應器均接種實驗室在4℃且不添加基質的條件下長期儲存的好氧顆粒污泥及絮狀污泥(70%顆粒污泥+30%絮狀污泥),接種污泥的初始污泥濃度(MLSS)約為2500mg/L.

本實驗用水為模擬廢水,以丙酸鈉作為有機碳源,添加NH4Cl、KH2PO4、CaCl2和MgSO4.7H2O,投加NaHCO3調節堿度,各項水質指標見表1.

表1 模擬廢水水質(mg/L)

1.3 批次實驗

選取3組反應器中運行穩定階段的污泥進行燒杯實驗,計算系統內DPAOs占總PAOs的比例.實驗方法為:在每個反應器內分別取2L運行周期末的泥水混合液,過濾后進行污泥清洗,排出上清液后定容至2L,加入丙酸鈉使其COD濃度為300mg/L,在厭氧條件下進行2h的充分釋磷,將污泥進行再次清洗后均分為2份,分別加定量的水定容至1L,然后加入磷酸二氫鉀使燒杯內磷的濃度與厭氧2h后的磷濃度相同,其中一份不曝氣,加入一定量的亞硝酸鈉溶液,另一份進行曝氣將DO濃度保持在2mg/L左右,分別運行3h,分別測定2個燒杯內好氧段和缺氧段的磷濃度變化,計算出最大缺氧吸磷速率和好氧吸磷速率,兩者的比值即以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌在聚磷菌中所占的比例.

1.4 分析項目與檢測方法

每2d測定一次階段I和階段II的出水水質變化,使用COD多參數快速測定儀測定化學需氧量(COD)和總磷(TP)的含量,采用納氏試劑分光光度法測定氨氮(NH4+-N)濃度,采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定亞硝酸鹽氮(NO2ˉ-N)濃度,采用溴麝香草酚藍紫外分光光度法測定硝酸鹽氮(NO3ˉ-N)濃度;采用WTW多參數測定儀監測pH值與溶解氧(DO);MLSS、MLVSS和SVI按照標準方法測定[11];采用Mastersize 2000型激光粒度儀測定顆粒粒徑.采用熱提取法進行胞外聚合物的提取,其中蛋白質(PN)采用Lowry法測定,多糖(PS)采用蒽酮-硫酸法測定.

2 結果與討論

2.1 不同運行方式下的污泥特性

如圖2所示,啟動初期3個反應器的平均粒徑約為900μm,污泥呈黑色,這是由于接種了冰箱內長期儲存的顆粒污泥.在運行到第8d時觀察到各反應器內顆粒均發生了解體現象,形成大量絮狀污泥,這可能是因為微生物在長期饑餓條件下活性降低或死亡,污泥結構較為松散,細菌之間發生分離,死細胞增多并脫落導致顆粒解體.第17d時觀察到絮狀污泥聚集,有細小顆粒出現.第45d時,R1、R2和R3的平均粒徑分別達到了337.97,349.18和365.82μm,認為均已成功顆粒化.R2和R3的顆粒化過程較快,這可能是因為聯合厭氧/微好氧的循環方式更適合緩慢生長微生物(尤其是反硝化聚磷菌)的生長,R3還采用了間歇曝氣的方式,刺激了EPS的分泌,有利于促進顆粒的形成.穩定運行時期3個反應器的粒徑分別達到了862.06,811.58和802.98μm,R3

3個反應器內的MLSS、MLVSS、及SVI變化如圖3所示.接種污泥的平均污泥濃度約為2500mg/L,SVI值約為72mL/g.反應器運行過程中,每5d進行一次測定,啟動初期系統內污泥濃度降低,這是由于顆粒發生了解體,隨后通過逐漸降低沉降時間和提供足夠的攪拌剪切力促進顆粒重組,整個反應期間3組反應器的污泥濃度都呈現先減小后增大的趨勢.后期R2和R3反應器的MLSS增長較R1更為平穩,同時值(MLVSS/MLSS)表現為R3>R2> R1,這說明R3的生物量最高,分析原因可能是R1始終采用A/O/A的運行方式導致系統后期曝氣量較高,MLSS仍能快速增長,而R2和R3采用聯合厭氧/微好氧的交替運行方式更能促進顆粒核心微生物(主要是反硝化聚磷菌)的生長,始終保持著較高的生物量,有助于提高顆粒結構的穩定性[12].運行末期3個反應器的SVI值都在30～35mL/g,均表現出良好的沉降性能,其中R3的沉降性能最好,顆粒結構最密實,這也與粒徑的變化相符.

本主動托換體系設計的特點是受力明確、承載力可靠、變形易于控制、能夠適應現有結構布置和樁基布置條件、托換施工期間和托換完成以后的建筑物安全控制設計采取靜態應變測試系統、電子位移計、傾角儀、裂縫觀測儀對新托換梁的撓度、沉降、傾斜度、裂縫進行高精度動態監測，得出同步頂升時托換梁的即時變化結果，以便更準確地指導托換梁頂升工作。

2.2 AGS系統脫氮除磷性能變化

2.2.1 不同運行方式下系統的COD去除性能 如圖4所示,3個反應器進水的COD濃度在300mg/L波動,運行初期,前8d內COD的去除率較低,這是因為微生物處于恢復適應階段,污泥沉降性能較差,發生了污泥解體和流失.隨著反應器運行、粒徑的增大和污泥沉降性能的提高,微生物活性增強,污泥濃度上升,系統內COD的去除率不斷提高,為了提高除磷性能,第16～24d時將COD濃度短暫升高一周,第32d后,3個反應器兩階段出水COD的平均去除率分別達到了92.41%、91.79%和92.45%,出水COD< 50mg/L符合一級A要求. 3個反應器均有較好的COD去除性能,這可能是因為COD的去除主要發生在厭氧階段,被充分利用合成細胞內碳源以進行后續反硝化和除磷,故不同的運行方式基本不影響系統內COD的去除性能.

2.2.2 不同運行方式下系統的TP去除性能 如圖5所示,進水磷濃度在6～8mg/L,前14d內,3個反應器除磷效率均在50%左右波動,除磷效率較低,這可能是因為長期饑餓條件下污泥結構松散,啟動初期系統內生物量減少.為了強化除磷效果,在第16d時將進水COD濃度提高到400mg/L左右,運行1周后,系統的除磷效果逐漸恢復,將進水COD恢復到正常水平.最終3個反應器兩階段的平均出水TP濃度分別為0.72,0.63和0.42mg/L,TP的平均去除率分別為88.96%、90.53%和93.72%. R1的除磷效率較低且出現硝酸鹽氮的大量積累,可能是因為R1在單一運行方式下連續曝氣富集了大量以氧氣為電子受體的聚磷菌,出現了反硝化菌與聚磷菌爭奪碳源造成的,而R2和R3的除磷效率高且出水沒有NOˉ-N的大量積累,說明這兩個反應器內反硝化聚磷菌富集程度高于R1,間接證明了聯合厭氧/微好氧的A(O/A)交替運行方式更有利于DPAOs的生長.

2.2.3 不同運行方式下系統的脫氮性能 如圖6所示,啟動初期,3個反應器的TN去除效率均處于較低水平,出現硝酸鹽氮的積累,這是因為接種初期微生物處于恢復適應階段,系統內硝化菌的活性較低,反硝化作用不充分.隨著運行時間的延長,絮狀污泥重組再生為顆粒,顆粒污泥的增大有利于顆粒內部形成兼性厭氧環境,促進異養菌的生長,反硝化性能逐漸提高,因此運行初期積累的氮素被反硝化作用消耗,TN的去除率呈上升趨勢. R1的出水氨氮波動較大,直到54d才穩定在3.00～4.00mg/L,R2和R3分別穩定在2.00～3.00和0～1.00mg/L,R1、R2、R3的出水硝酸鹽氮濃度分別為3.14,1.25和0mg/L.與另外兩個反應器相比,R1的出水硝酸鹽氮濃度較高,可能是因為R1的運行環境較R2和R3不利于反硝化聚磷菌的生長,而R2和R3的亞硝化效率高于R1,這是因為采用聯合厭氧/微好氧交替的運行方式反復形成缺氧環境,不僅有利于DPAOs的生長,還有利于淘洗NOB,R3采用了間歇曝氣的手段更大程度地提高了亞硝化率,促進AOB與DPAOs兩種功能菌的同步富集.R1、R2、R3的TN平均去除率分別為81.19%、89.78%和97.24%,R2與R3較R1具有更高的TN去除能力,這可能是由于添加厭氧/微好氧段能夠營造較長時間的缺氧環境,有助于異養菌的生長,所以系統的脫氮性能恢復較快.

圖5 運行期間TP濃度的變化

圖6 運行期間N濃度的變化

Fig.6 Variation of N concentration during operation

2.3 不同運行方式下典型周期實驗

在第73d時對R1、R2、R3反應器進行周期實驗,如圖7所示,階段I與階段II內,厭氧階段COD濃度的下降與磷的釋放趨勢相似,由于進水前反應器內剩余的NOˉ-N濃度較低,外源反硝化消耗的有機物較少,COD則主要由PAOs及DPAOs合成聚羥基脂肪酸酯(PHA)進行內碳源儲存[13];厭氧段磷的釋放量急劇增加,厭氧末期R1、R2、R3的釋磷量分別達到了31.16,33.08和37.32mg/L,DPAOs 主要利用厭氧段細胞內合成PHA完成后續的反硝化和除磷.有研究表明,厭氧段COD消耗量與磷釋放量、缺氧段吸磷量均呈現正相關[14-15],而缺氧段COD基本不變意味著系統內不發生外源反硝化,通過釋磷量可以推測出R2和R3系統內DPAOs豐度較高.進入好氧段后,NH4+-N和PO43--P濃度開始同步下降,吸磷速率明顯高于氨氧化速率,R3的NO2ˉ-N濃度明顯上升,反應過程中NO3ˉ-N濃度幾乎為零,階段II內R2與R3在微好氧段將氨氮穩定轉化為亞硝酸鹽氮和少量硝酸鹽氮,具有良好的亞硝化效果,說明厭氧/微好氧運行方式通過保持較低的曝氣成功實現了對NOB的淘洗,交替曝氣手段強化了對AOB的富集作用,R3內亞氮的產生更穩定,這與前人的研究相符[16-17].如圖7可以看出,在R1中出現了NO3ˉ-N積累現象且磷的濃度僅在好氧段下降,而R2和R3的缺氧段中磷濃度隨著NO2ˉ-N濃度的下降而相應減少,說明R2與R3反應器內進行了以亞硝酸鹽氮為電子受體的除磷作用,分析原因可能是R1采用單一的A/O/A運行模式不能滿足DPAOs生長所需的缺氧環境,導致DPAOs富集量少,而聯合厭氧/微好氧的交替運行模式能夠維持較長時間缺氧環境及提供充足的亞硝酸鹽氮電子受體以促進DPAOs的生長,且亞硝酸鹽氮被持續消耗降低了對吸磷的抑制作用,實現了AOB和DPAOs的同步富集.

整個反應過程中的pH值較為穩定(ΔpH<1).隨著釋磷的發生,pH值在厭氧段降低,pH值下降隨著釋磷速率的降低而變緩,R2和R3的缺氧段pH值均出現了先升高后降低的現象,而R1相對平穩,這與吸磷現象相吻合,其中R3的pH值變化較大,表征著R3的吸磷能力更強,DPAOs數量更多.根據DO曲線可以看出,R1后期DO明顯升高,亞硝化效果不佳,而R2和R3的DO曲線較為平穩且DO濃度保持在較低水平,有利于AOB的富集.階段II內R2、R3的微好氧段能夠有效的將DO保持在1.3mg/L以下,維持了較長時間的缺氧環境,促進了DPAOs的富集,這說明聯合厭氧/微好氧的交替運行模式同時滿足了脫氮除磷微生物生長的條件.

2.4 不同運行方式下胞外聚合物的含量變化及反硝化聚磷菌富集情況

研究表明,通過缺氧吸磷速率q與好氧吸磷速率q之比可以表征反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例[23].通過批次試驗比較3組反應器的吸磷現象,計算出不同的結果.如圖9所示,R1、R2、R3反應器內反硝化聚磷菌占比分別約為32.31%、42.24%和51.46%,R2和R3的富集量大于R1,且采用間歇曝氣的R3中DPAOs數量高于R2,上述結果說明聯合厭氧/微好氧的A(O/A)的運行方式更有利于富集反硝化聚磷菌.

3 結論

3.1 在不同運行方式下,3組反應器均具有穩定的脫氮除磷性能.R3采用聯合厭氧/微好氧的A/(O/A)交替運行模式,對污染物的去除性能優于R1和R2,其COD、TP和TN的去除率分別達到了92.45%、93.72%和97.24%.

3.2 R1、R2和R3均實現了顆粒污泥的活性恢復,R3的成熟好氧顆粒平均粒徑為802.98μm,顆粒結構最為致密,EPS含量達到了94.52mg/gVSS,PN/PS更高,表明聯合厭氧/微好氧的A/(O/A)交替運行模式刺激了微生物分泌更多的EPS,顆粒結構更加穩定.

3.3 3個反應器系統內以亞硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌所占比例分別為32.31%、42.24%和51.46%,R3表現出明顯優勢,表明聯合厭氧/微好氧的A(O/A)交替運行方式更有利于反硝化聚磷菌的生長,能夠實現AOB與DPAOs的同步富集,具有良好的處理效果.

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Anaerobic/microaerobic combined with A/(O/A)to enhance nitrogen and phosphorus removal of aerobic granular sludge.

LI Dong1*,WANG Xin-xin1,ZHANG Yu-jun3,ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China；3.China Xiong-an Group Urban Development Investment Corporation,Baoding 071000,China),2022,42(8)：3674～3682

Three SBR reactors R1,R2 and R3 with the same specifications were set up,which were operated in A/O/A-A/O/A,A/O/A-A/O,and A/(O/A)-A/O modes respectively. Using synthetic wastewater as the influent substrate,the inoculated sludge,consisting of 70% aerobic granular sludge and 30% flocculent sludge,were obtained from the laboratory for long-term starvation at 4℃. Under the same initial conditions,the activity recovery and short-cut nitrification and denitrification phosphorus removal performance of granular sludge under different operation modes were discussed. The results showed that the combined anaerobic/micro-aerobic A/(O/A)alternating operation mode had great advantages in realizing the activity recovery of granular sludge and the performance of pollutant removal. The dense granules were formed with an average particle size of 802.98μm in R3,and the EPS content reached 94.52mg/gVSS,indicating that the alternating operation mode of combined anaerobic/microaerobic stimulated microorganisms to secrete more EPS,and the granule structure was more stable. During the stable operation period,the removal efficiency of COD,TP and TN of R3 reached 92.45%,93.72% and 97.24% respectively. Meanwhile,the proportion of denitrifying phosphorus accumulating organisms with nitrite as electron acceptor in the system reached 51.46%,which could realize the simultaneous enrichment of AOB and DPAOs,thereby exhibiting good pollutant removal effect.

aerobic granular sludge(AGS)；anaerobic/microaerobic；short-cut nitrification；denitrifying phosphorus removal；influencing factors

X703.1

A

1000-6923(2022)08-3674-09

2022-01-19

北京高校卓越青年科學家計劃項目(BJJWZYJH012019 10005019)

* 責任作者,教授,lidong2006@bjut.edu.cn

李 冬(1976-),女,遼寧丹東人,教授,博士,主要研究方向為水環境恢復理論及關鍵技術.發表論文100余篇.