倒置 AAO 工藝聚磷微生物的吸磷行為

1、倒置 AAO 工藝聚磷微生物的吸磷行為陳洪斌 1,2*,唐賢春 1,何群彪 2,屈計寧 1,高廷耀 2 (1.同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實驗室,上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國家工程研究中心,上海 200092)摘要：采用人工配水和市政污水研究了“缺氧-厭氧-好氧”(倒置 AAO)脫氮除磷工藝中,聚磷微生物(PAOs)在低碳源、高硝酸鹽環(huán)境下的釋磷和吸磷行為.結(jié)果表明,在低碳源、高氮和磷環(huán)境中,盡管 PAOs 在缺氧厭氧段釋磷程度低,如果適當(dāng)延長厭氧段和好氧段的 HRT、且好氧曝氣較充分,仍能超量吸收磷.PAOs 過量吸磷的能量來源不僅僅是厭氧段吸收與合成的胞內(nèi)聚合物在好

2、氧段的氧化,還來自好氧環(huán)境正常代謝過程中多余的能量.外加碳源的投加時間點(diǎn)對 PAOs 吸磷的影響不顯著.PAOs 在厭氧段后期出現(xiàn)過量吸磷現(xiàn)象,推測是細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物厭氧降解產(chǎn)生的 ATP 通過某種代謝途徑被用于無機(jī)磷的吸收.關(guān)鍵詞：生活污水；脫氮除磷；聚磷菌；厭氧磷吸收中圖分類號：X703.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-6923(2007)01-0049-05Phosphorus uptaking behavior of phosphorus accumulating organisms in reversed AAO Process. CHENHong-bin1,2*, TANG X

3、ian-chun1, HE Qun-biao2, QU Ji-ning1, GAO Ting-yao2 (1.State Key Laboratory of PollutionControl and Resource Reuse；2.National Engineering Research Center for Urban Pollution Control, Tongji University,Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2007,27(1)：4953Abstract: The phosphorus relea

4、se and uptake behavior of phosphorus accumulating organisms (PAOs) in “anoxic-anaerobic-aerobic” denitrification and phosphorus removal process (namely reversed AAO) with low carbon nutrients andhigh nitrate were explored using artificial wastewater and municipal wastewater. Phosphorus release of PA

5、Os isincomplete with low carbon nutrient and high nitrate in anoxic and anaerobic stage, however, a suitable prolongedanaerobic time, aerating time and enough oxygen can initiate phosphorus ultra-uptake of PAOs; the energy source ofphosphorus ultra-uptake by PAOs was due to not only the intracellula

6、r PHB synthesized during anaerobic stage, but alsothe surplus energies during aerobic stage. The position of adding external carbon nutrients has nearly no influence tobehaviors of PAOs. It was found that PAOs can re-uptake phosphate in the later anaerobic stage, a possible explanationwas that its e

7、nergy 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生物脫氮除磷研究的深入發(fā)展,促進(jìn)了新型生物脫氮除磷工藝的研制與開發(fā)1-2.張波,高廷耀等3-5研究了“厭氧-缺氧-好氧”脫

8、氮除磷工藝的厭氧段和缺氧段倒置效應(yīng),并由此在常規(guī)AAO 工藝的基礎(chǔ)上開發(fā)出倒置 AAO 工藝,該工藝投資和能耗均有所降低.目前,倒置 AAO 工藝的研究和應(yīng)用多以外排水的氮、磷達(dá)到一級 B排放標(biāo)準(zhǔn)為主,若使工藝達(dá)到一級 A 排放標(biāo)準(zhǔn)或歐盟排放標(biāo)準(zhǔn),則需回流的 NO3-N 總量大幅增加,因而造成反硝化細(xì)菌和聚磷菌(PAOs)對營養(yǎng)物的競爭加劇.碳源與TN和TP的比例失調(diào),以及碳源不足,對 PAOs 除磷的影響更加突出.為此,本研究采用德國Darmstadt市某污水處理廠的進(jìn)水及人工配水,探討在高 NO3-N 和 PO43-P、低碳源條件下倒置 AAO 工藝的 PAOs 吸磷規(guī)律以及污水碳源缺乏時

9、外加碳源的投加時間點(diǎn)對 PAOs的影響.1 材料與方法1.1 材料與制備利用連續(xù)流小試裝置培養(yǎng)批次試驗所需的富磷污泥.試驗裝置由缺氧厭氧池、好氧池及二沉池組成,處理水量4060L/d,缺氧厭氧池的攪拌轉(zhuǎn)速 1020r/min,泥水混合液僅從二沉池回流,回流比可調(diào).進(jìn)水按德國標(biāo)準(zhǔn)方法由人工配制6,CODCr 500600mg/L, TN 80100mg/L, TP 915mg/L.污水在缺氧厭氧段和好氧段的停留時間(HRT)模擬德國污水處理廠生物處理裝置的實際 HRT(1012h),缺氧厭氧段和好氧段的比例為1:1.5 或 1:1.2;批次試驗所用的市政污水取自Darmstadt 市 Ebsta

10、dt 污水處理廠,B/C 約為 0.5,人工配水與連續(xù)流實驗的配制方法相同,可根據(jù)試驗需要對NO3-N或PO43-P的濃度有所調(diào)整;批次試驗的污泥 TP 含量為 4.06%4.76%干物質(zhì)(DS);批次試驗的缺氧厭氧段利用磁力攪拌器混合,轉(zhuǎn)速維持于防止污泥下沉.1.2 分析方法CODCr、NH3-N、TN、TP、NO3-N 和 PO43-P均采用 HACH 快速分析儀測試,利用事先測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線來修正測試結(jié)果.污泥的 TP 與 VFA 測定方法見文獻(xiàn)6.2 結(jié)果與討論2.1 缺氧厭氧段碳源缺乏、NO3-N 濃度較高時的吸磷行為利用批次試驗探討了碳源缺乏、回流NO3-N 濃度較高條件下,PAOs

11、 在缺氧厭氧段和好氧段的釋磷與吸磷現(xiàn)象,同時對比了常規(guī)AAO工藝在高NO3-N濃度條件下的磷釋放和吸收規(guī)律.批次試驗(2 個裝置同步進(jìn)行)的缺氧攪拌時間均為 4h,曝氣時間 6h,實驗結(jié)果見圖 1,圖 2. 圖 1 中 1 號和 2 號反應(yīng)器模擬了回流比250%、高 NO3-N 狀態(tài)下的 PAOs 釋磷和吸磷效果.試驗初始的 CODCr 分別為 109,151mg/L,NO3-N濃 度均為21.6mg/L, PO43-P分別為5 .25,8.95mg/L,碳氮比和碳磷比都很低.由圖 1 可見,缺氧厭氧段即將結(jié)束時,NO3-N 才被徹底反硝化.與此同時,厭氧段結(jié)束時水中的 PO43-P 分別比試

12、驗初提高了 9.25,11.2mg/L,釋磷量分別占污泥干重的 0.40%和 0.31%.好氧段的曝氣較充足,盡管水溫不高,但4h后NH3-N被徹底氧化, 6h時水中殘余的 PO43-P 僅為 0.19,0.61mg/L. 3 號反應(yīng)器采用人工配水,初始 CODCr 為 150.5mg/L,PO43-P 和 NO3-N 分別高達(dá) 15.4,22.6mg/L.同樣地,NO3-N 經(jīng)過 4h 才消耗完畢,PAOs 的釋磷量僅為污泥干重的 0.14%,不過好氧結(jié)束時水中殘余的 PO43-P 為 0.18mg/L.可見,缺氧厭氧段釋磷充分與否對后續(xù)好氧段的吸磷行為影響不明顯.圖 2 對比了倒置 AAO

13、 工藝和常規(guī) AAO 工藝在碳源不足、高 NO3-N 環(huán)境中的釋磷和吸磷行為,前者在厭氧段結(jié)束時釋磷量處于最高水平,占污泥干重的0.50%;加入NO3-N后出現(xiàn)反硝化吸磷現(xiàn)象,曝氣后繼續(xù)吸磷,直到好氧結(jié)束;而后者在缺氧厭氧段的釋磷量低于前者,釋磷量占污泥干重的0.36%;但好氧結(jié)束時水中殘余的PO43-P濃度與前者相近,分別為 0.22,0.25mg/L.可見,在高 NO3-N 和 PO43-P、低碳源環(huán)境中,雖然倒置 AAO 工藝的缺氧厭氧階段 PAOs 釋磷不充分,吸收有機(jī)物并合成胞內(nèi)聚合物的數(shù)量有限,但在好氧段較長的HRT和充足曝氣條件下,仍能過量吸收磷,說明 PAOs 吸收磷的能量來源

14、并不唯一.2.2 延長缺氧厭氧段 HRT 對 PAOs 吸磷的作用圖 3,圖 4 為碳源不足、高 NO3-N 回流量條件下分別以市政污水和人工配水延長缺氧厭氧段的HRT對PAOs釋磷和吸磷量變化.批次試驗的前4h攪拌由1 號反應(yīng)器(體積10L)完成,4h 后虹吸出一半混合液轉(zhuǎn)入 2 號反應(yīng)器并曝氣,剩余部分繼續(xù)攪拌 2h 后曝氣,兩反應(yīng)器的 DO 控制相同.由圖 3 可見,較低溫度下 3h 后 NO3-N 才消耗完畢;4h 后反應(yīng)器的 PO43-P 的濃度達(dá)到21.1mg/L;攪拌至 6h 后 PO43-P 達(dá)到 24.4mg/L,而 CODCr的下降幅度不大.2 個反應(yīng)器在好氧段的曝氣 5h

15、 后 NH3-N 均降低為 0, 6h 時 PO43-P 分別降低到0.51,0.61mg/L.同樣條件下水溫為25的試驗表明,缺氧厭氧段的HRT為4h和6h對PAOs的釋磷和吸磷效果的影響弱于較低溫度條件.由圖 4 可見,水溫為 2327、人工配水延長缺氧厭氧段 HRT 對 PAOs 釋磷和吸磷的影響弱于市政污水.盡管反應(yīng)初始 NO3-N 達(dá)到 26.1mg/L,PO43-P 高達(dá) 22.7mg/L,但缺氧 1h 后 NO3-N 就被消耗殆盡,反應(yīng)器的 ORP 很快低于-100mV,第 4h 時 PAOs 釋磷達(dá)到高峰,水中的 PO43-P 為71.0mg/L, PAOs 釋磷量占污泥干重的

16、 1.4%;繼續(xù)延長厭氧時間,PAOs 表現(xiàn)為重新吸磷現(xiàn)象,至 6h時水中的 PO43-P 降低至 38.8mg/L, COD 為63.1mg/L.好氧曝氣 6h 時水中的 PO43-P 濃度分別為 0.29,0.35mg/L(缺氧厭氧段 HRT 為 6,4h).可見,當(dāng)碳源不足、回流 NO3-N 含量高的條件下,適當(dāng)延長缺氧厭氧段的 HRT 對生物除磷有促進(jìn)作用,但在不同的水溫下有所差異. 2.3 外加碳源的位置對吸磷和釋磷的影響為考察在較低的溫度條件下不同位置投加甲醇對 PAOs 釋磷與吸磷的影響,以市政污水在13.3,17.2、分別位于缺氧段伊始與攪拌 2h 后投加甲醇 30mg/L(某

17、污水處理廠曝氣生物濾池外加甲醇的劑量,活性污泥經(jīng)過馴化),試驗結(jié)果見圖 5.由圖 5 可見,13.3時由于反應(yīng)初始的NO3-N 濃度較低,2h 時均已消耗殆盡并進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài);5h 厭氧結(jié)束時水中的 PO43-P 均達(dá)到22.5mg/L,曝氣 6h 后終濃度分別為 0.37mg/L(反應(yīng)初始投加甲醇)和 0.23mg/L(攪拌 2h 后投加甲醇).在 17.2時,初始 NO3-N 和 PO43-P 濃度分別提高至 20.4,15.5mg/L. NO3-N 到第 4h 才消耗完畢;從 PAOs 釋磷和吸磷效果看,初始投加和 2h后投加甲醇的磷釋放和吸收曲線均相似,2h 內(nèi)僅增加了 3mg/L,此后

18、 3h 水中的 PO43-P 均持續(xù)減少,也即 PAOs 開始重新吸收磷,好氧結(jié)束時水中的 PO43-P 分別為 0.04,0.03mg/L.可見,碳源不足時,低溫下外碳源的投加位置對 PAOs 的釋磷和吸磷影響不明顯.即使缺氧厭氧段 PAOs 釋磷量少,PHB 等合成不足,但 PAOs 在好氧段吸收磷的數(shù)量仍達(dá)到污泥干重 0.41%,進(jìn)一步說明缺氧厭氧段 PAOs 的釋磷程度與最終吸收量沒有必然的相關(guān)性.而且以市政污水開展試驗,同樣在厭氧段后期發(fā)現(xiàn)了磷的吸收現(xiàn)象.在生產(chǎn)性裝置中倒置AAO 工藝如需外加碳源以提高反硝化和生物除磷效率時,建議外碳源投加點(diǎn)設(shè)定在缺氧厭氧段的初始點(diǎn),這樣不僅可促進(jìn)N

19、O3-N快速還原,而且有利于維持較長的厭氧時間.2.4 連續(xù)流小試裝置高氮環(huán)境的除磷效果連續(xù)流小試裝置穩(wěn)定運(yùn)行時進(jìn)水為人工配水,試驗期間考察了高 NO3-N 回流量對生物除磷的影響,結(jié)果見表 1.注: 表中數(shù)據(jù)為連續(xù)運(yùn)行的平均值,小試試驗的水溫 1217;進(jìn)水負(fù)荷率 01.72kgCOD/(kg.d)泥,齡為 15d;生物處理裝置的HRT為22h缺,氧厭氧段與好氧段的比例為1 :1.5;好氧池D O控 制2 3mg/L; - 為檢測由表 1 可見,CODCr、有機(jī)氮和 NH3-N 均被徹底氧化,出水 NH3-N 濃度低于 0.1mg/L.TN 和TP 的去除率受回流比的影響明顯:回流比為220

20、%250%,TN 的去除率平均達(dá)到 74.6%,出水的 NO3-N 濃度平均為 20.3mg/L,TP 和 PO43-P濃度分別達(dá)到 1.65,1.48mg/L.當(dāng)回流比為 150%時,TN的去除率僅為61.3%,出水的TP和PO43-P分別為0.57,0.48mg/L.試驗發(fā)現(xiàn),連續(xù)流條件下高NO3-N 對 PAOs 吸磷的影響與批次試驗有一定的差異性.原因可能是連續(xù)流小試裝置的缺氧厭氧段采用完全混合式池型,沒有明顯的缺氧段和厭氧段界限,ORP 為-100mV,厭氧環(huán)境未形成,對 PAOs 釋磷和吸磷造成了影響.2.5 倒置 AAO 工藝在厭氧段的磷重吸收現(xiàn)象以圖 4 為例,從物料平衡角度分

21、析被重新吸收的 磷 , 假 定缺 氧 厭 氧段 被 去 除 的 CODCr(175.4mg/L)全部被用于合成細(xì)胞,那么用于細(xì)胞合成的磷不超過 2mg/L,而厭氧段結(jié)束時減少的PO43-P 達(dá)到 31.2mg/L,顯然這部分磷在厭氧后期被 PAOs 重新吸收.從能量平衡的角度分析,厭氧環(huán)境被去除的 COD 通過厭氧酵解等途徑產(chǎn)生的 ATP 能夠滿足這部分磷被細(xì)胞吸收所需要的能量.wang 等7在研究厭氧好氧序批式顆粒污泥床反應(yīng)器時也發(fā)現(xiàn)了厭氧磷吸收現(xiàn)象,不過他們的試驗是以易降解物質(zhì)乙酸鹽作為人工配水的唯一碳源,且于碳源豐富、TN 和 NH3-N濃度低的條件下發(fā)生.本試驗采用人工配水和市政污水在

22、碳源較充足和碳源不足的條件下均出現(xiàn)厭氧段后期 PAOs 吸磷現(xiàn)象.筆者認(rèn)為,厭氧段出現(xiàn)磷重吸收現(xiàn)象可能不僅與缺氧、厭氧段的時間較長相關(guān),還與易降解有機(jī)物的數(shù)量、胞內(nèi)聚合物及 PAOs 的代謝途徑等相關(guān).2.6 倒置 AAO 工藝 PAOs 磷吸收的能量來源試驗發(fā)現(xiàn),低碳源和高回流 NO3-N 數(shù)量對倒置 AAO 工藝的缺氧厭氧段 PAOs 釋磷影響很大,但好氧段出水的 PO43-P 仍可以達(dá)到較低的濃度,厭氧段的釋磷程度與好氧段過量吸磷數(shù)量沒有顯著的相關(guān)性.只要存在厭氧狀態(tài),PAOs 即使磷釋很低或者沒有磷釋放,在好氧段仍可過量吸收磷.可以認(rèn)為,倒置AAO工藝的PAOs在好氧段過量吸磷的能量來

23、源不僅僅是厭氧段合成的PHB 等被氧化分解而產(chǎn)生的能量;還來自好氧正常代謝過程中多余的能量.而厭氧后期出現(xiàn)PAOs 重新吸收磷的原因推測是有機(jī)物厭氧降解過程產(chǎn)生了較多的 ATP,被用于從水中吸收無機(jī)磷到細(xì)胞內(nèi).3 結(jié)論3.1 高 NO3-N、低碳源條件下,PAOs 在缺氧厭氧階段釋磷不充分,但在好氧段較長HRT和充足曝氣條件下仍能過量吸收磷.適當(dāng)延長厭氧段的HRT 對 PAOs 的好氧段吸收磷有促進(jìn)作用.3.2 倒置 AAO 工藝外加碳源在缺氧段或厭氧段對 PAOs 釋磷和吸收磷的影響不明顯.生產(chǎn)性條件下,建議投加于缺氧段初始時,以促進(jìn)系統(tǒng)盡快進(jìn)入?yún)捬醐h(huán)境,提高厭氧程度、推動后續(xù)吸磷.3.3

24、PAOs 在好氧段過量吸磷的能量來源不僅僅是厭氧段的PHB等被氧化分解而產(chǎn)生的能量,還有來自好氧正常代謝過程中多余能量.利用市政污水和人工配水均出現(xiàn)厭氧后期出現(xiàn)PAOs重新吸收磷的現(xiàn)象,可能的解釋是細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物厭氧降解過程產(chǎn)生的多余 ATP,通過某種代謝途徑被用于從水中吸收無機(jī)磷到細(xì)胞內(nèi).參考文獻(xiàn)：1 Merzouki M, Bernet N, Delgenes J P, et al. Biologicaldenitrifying phosphorus removal in SBR: effect of added nitrateconcentration and sludge retention time J. Wat. Sci. Tech.,2001,43(3)