高碳低氮比cn污水反硝化除磷工藝研究

高碳低氮比cn污水反硝化除磷工藝研究

為了控制水體的富營養(yǎng)化，許多國家嚴格限制了天然水體的氮和磷養(yǎng)分含量。中國制定的《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準》（gb18918-2002）也對氮和磷提出了更嚴格的要求，使中國的城市污水處理廠能夠分離和去除氮和磷。2ao（厭氧氧-好氧）技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，水力運行時間短，運營成本低，且不容易分解。同時，氮和磷的綜合去除成本。已成為中國城市污水處理廠的選擇工藝之一。在a2o工藝中，脫氮和除磷過程包括硝化、抗硝化、釋放磷和吸收磷的各種生化反應(yīng)過程。每個過程所需的功能、基質(zhì)類型和環(huán)境條件都不同。其中，抗硝化菌和聚磷菌之間的競爭導(dǎo)致了2012年處理低（c）/（n）廢水的脫氮和除磷效率低下。反硝化聚磷菌(denitrifyingphosphateaccumulatingorganism,DNPAO)與普通聚磷菌(phosphateaccumulatingorganism,PAO)都能在厭氧條件下,利用原水中揮發(fā)性有機酸(volatilefattyacid,VFA)進行釋磷,同時在體內(nèi)合成聚-β-羥基烷酸酯(poly-β-hydroxyalkanoate,PHA).普通聚磷菌僅能在好氧條件下利用體內(nèi)貯存的PHA,以氧氣為電子受體進行吸磷反應(yīng).而反硝化聚磷菌不僅能在好氧條件下以氧氣為電子受體進行吸磷反應(yīng),而且能在缺氧條件下以PHA為電子供體、NO-x-N為電子受體進行吸磷,同時能將NO-x-N還原成N2,從而能利用原水中的碳源達到同步脫氮除磷的目的.因此強化A2O工藝的反硝化除磷能力,可以有效提高碳源利用效率和系統(tǒng)的脫氮除磷能力.目前,國內(nèi)外學(xué)者普遍采用SBR工藝研究碳源、電子受體、pH等條件對DNPAO的反硝化除磷特性的影響;但是在連續(xù)流系統(tǒng)中對DNPAO的研究還相對較少.我國城市生活污水的ρ(C)/ρ(N)一般較低,氨氮含量相對較高.尤其在北方城市,城市生活污水的ρ(C)/ρ(N)一般在3.0左右,而ρ(NH+44+-N)卻在50mg/L以上.目前國內(nèi)研究者大都采用模擬生活污水來進行A2O工藝相關(guān)參數(shù)以及運行效果的研究,但由于模擬生活污水成分的復(fù)雜性以及可生化性都與實際生活污水有較大差別,故利用模擬生活污水進行相關(guān)研究時,在一定程度上并不能有效指導(dǎo)實際污水處理廠的運行.而部分采用低ρ(C)/ρ(N)實際生活污水的研究中,由于進水氨氮含量偏低,致使A2O系統(tǒng)的氨氮負荷較低,從而彌補了碳源缺乏對A2O系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響.本試驗在傳統(tǒng)A2O工藝的基礎(chǔ)上,通過設(shè)立預(yù)缺氧區(qū)、外加碳源等手段,強化系統(tǒng)的反硝化除磷能力,最大程度地降低碳源缺乏對A2O系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響,提高碳源的利用效率,為采用A2O工藝處理低ρ(C)/ρ(N)生活污水的污水處理廠提供理論依據(jù).1材料和方法1.1試驗設(shè)備及操作條件本試驗采用的A2O試驗裝置如圖1所示.該裝置由有機玻璃制成,由合建式的(預(yù)缺氧-)厭氧-缺氧-好氧反應(yīng)器和二沉池組成.其中合建式反應(yīng)器有效容積為80L,可以通過活動隔板的設(shè)置靈活調(diào)整內(nèi)部各個格室的容積和分布.試驗期間將合建式反應(yīng)器分為8個格室.在試驗第1階段,第1、2格室為厭氧區(qū),第3、4格室為缺氧區(qū),剩下的4個格室為好氧區(qū);厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為1∶1∶2.在試驗第2和第3階段通過改變原水進水位置,將第1格室改為預(yù)缺氧區(qū),其他格室不變;預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為1∶2∶3∶6.在預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和缺氧區(qū)安裝攪拌器以提供充分的攪拌,好氧區(qū)通過固定在反應(yīng)器底端的曝氣頭供氧.為避免返混現(xiàn)象對試驗結(jié)果的影響,各格室間均以連通管相連,預(yù)缺氧區(qū)和厭氧區(qū)出水采用溢流形式.反應(yīng)器內(nèi)水溫通過溫控裝置控制在(22±1)℃.二沉池采用豎流式沉淀池,有效容積為24L.試驗期間回流污泥進入第1格室;原水全部進入第1格室(第1階段)或第2格室區(qū)(第2、3階段);內(nèi)循環(huán)混合液由好氧區(qū)最后1個隔室回流到缺氧區(qū)第1隔室.試驗進水、回流污泥和內(nèi)循環(huán)混合液流量均采用蠕動泵控制.試驗運行工況如下:進水流量為188L/d,反應(yīng)區(qū)HRT為9.3h(不包括二沉池);通過從二沉池底部排泥,控制SRT在18～25d,反應(yīng)器內(nèi)ρ(MLSS)為(3500±500)mg/L.污泥回流比為50%～80%,內(nèi)循環(huán)回流比為100%～300%,好氧區(qū)ρ(DO)維持在1.5～2.5mg/L.試驗所用污泥取自北京某城市污水處理廠的二沉池回流污泥,種泥具有良好的脫氮除磷效果.試驗期間,每個試驗階段均在系統(tǒng)調(diào)整后穩(wěn)定運行1～2周后進行采樣分析.試驗分為3個階段進行.階段Ⅰ(1～16d):不設(shè)置預(yù)缺氧區(qū),無外加碳源;厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為1∶1∶2.階段Ⅱ(17～32d):設(shè)置預(yù)缺氧區(qū),無外加碳源;預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為1∶2∶3∶6.階段Ⅲ(33～106d):設(shè)置預(yù)缺氧區(qū),外加碳源;預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比為1∶2∶3∶6.1.2外碳源調(diào)整試驗階段采用取自某生活小區(qū)化糞池的實際生活污水作為試驗用水.該生活污水屬于典型的低ρ(C)/ρ(N)比生活污水,其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示.僅在試驗第3階段向該生活污水中投加一定量的乙酸鈉和丙酸鈉的混合物作為外碳源,調(diào)節(jié)進水ρ(COD);其中丙酸鈉與乙酸鈉的C物質(zhì)的量(以碳原子計)比為2∶1,該階段進水ρ(COD)為273.6～424.9mg/L,平均值為352.4mg/L;ρ(C)/ρ(N)為3.76～6.89,平均值為5.06;ρ(C)/ρ(P)為43.75～77.17,平均值為61.55.1.3dnpoa相對于全部聚磷菌paos的代謝活性測定試驗分析方法均采用國家規(guī)定的標(biāo)準方法,項目包括ρ(COD)、ρ(NH+44+-N)、ρ(NO-3-N)、ρ(NO-2-N)、ρ(PO3-4-P)等,水樣經(jīng)濾紙過濾后進行分析測定.ρ(TN)和ρ(TOC)采用MultiNC3000總有機碳/總氮測定儀進行測定.PHA的測定參照文獻中的方法,采用高純N2作為載氣,氣相色譜為Agilent6890N,色譜柱型號為AgilentDB-1型.糖原的測定采用蒽酮比色法.pH和ρ(DO)采用德國WTW-Multi-340i便攜式在線測定儀進行測定.按照文獻中的方法確定DNPAO相對于全部聚磷菌(PAOs)的代謝活性.本試驗中具體操作為:從厭氧區(qū)取污泥混合液2.4L于2.5L抽濾瓶中,加入一定量乙酸鈉,先厭氧反應(yīng)30min,然后將污泥平均分為2份.其中一份進行曝氣,控制ρ(DO)在1.5～2.5mg/L,好氧反應(yīng)60min;同時向另一份污泥中投加約24mg/L的NO-3-N,缺氧攪拌60min;每間隔20min取樣.缺氧最大吸磷速率和好氧最大吸磷速率的比值Kanox/Kaer反映了污泥中DNPAO相對于PAOs的代謝活性.根據(jù)物料平衡,計算系統(tǒng)中厭氧放磷量G、缺氧吸磷量U及缺氧區(qū)除磷率T(忽略微生物同化作用消耗的磷),計算公式為:厭氧放磷量G(mg/L)G=cb?c0+ca×R1+R厭氧放磷量G(mg/L)G=cb-c0+ca×R1+R缺氧吸磷量U(mg/L)U=cb×(1+R)+cd×r1+R+r?cc缺氧吸磷量U(mg/L)U=cb×(1+R)+cd×r1+R+r-cc缺氧區(qū)除磷率T(%)其中,r為硝化液回流比;R為污泥回流比;c0為原水PO3?443--P質(zhì)量濃度(mg/L);ca為預(yù)缺氧區(qū)內(nèi)PO3?443--P質(zhì)量濃度(mg/L);cb為厭氧區(qū)末端PO3?443--P質(zhì)量濃度(mg/L);cc為缺氧區(qū)末端PO3?443--P質(zhì)量濃度(mg/L);cd為好氧區(qū)末端PO3?443--P質(zhì)量濃度(mg/L);缺氧吸磷量U和缺氧區(qū)除磷率T表征的是缺氧區(qū)對從厭氧區(qū)溢流和好氧區(qū)回流液中的PO3?443--P的去除效果.2試驗結(jié)果與分析2.1系統(tǒng)污染物治理情況總覽圖2給出了試驗期間各個階段反應(yīng)器內(nèi)ρ(COD)的變化情況.由圖中可以看出,雖然進水ρ(COD)波動較大,但是系統(tǒng)對COD的去除效果穩(wěn)定.在系統(tǒng)運行的前2個階段,進水ρ(COD)為175.7～223.8mg/L,平均值為194.5mg/L;厭氧出水ρ(COD)為54.1～90.3mg/L,平均值為73.1mg/L;二沉池出水ρ(COD)為30.8～45.1mg/L,平均值為35.9mg/L;系統(tǒng)對COD的去除率為77.3%～84.3%,平均值為81.6%.第3階段外投碳源后,進水ρ(COD)調(diào)節(jié)為273.6～424.9mg/L,平均值為352.4mg/L;厭氧出水ρ(COD)為55.2～116.3mg/L,平均值為87.3mg/L;二沉池出水ρ(COD)為19.2～52.4mg/L,平均值為36.5mg/L;COD去除率為81.9%～94.5%,平均值為89.5%,外投碳源后系統(tǒng)對COD的去除仍有較好效果.系統(tǒng)在試驗運行期間,出水ρ(COD)均能達到GB18918—2002中一級A標(biāo)準.2.2缺氧區(qū)產(chǎn)磷的去除效果圖3為A2O系統(tǒng)在試驗運行期間對氮的去除情況,其中進水TN中以氨氮為主,占進水TN的95%以上.試驗期間系統(tǒng)具有良好的硝化性能,氨氮的去除率穩(wěn)定在95%以上;出水TN中以硝態(tài)氮為主,占出水TN的90%以上.圖4為試驗期間系統(tǒng)對PO3?443--P的去除情況,圖5為試驗期間ρ(PO3?443--P)在A2O系統(tǒng)不同格室內(nèi)的變化情況.在試驗第1階段并沒有設(shè)立預(yù)缺氧區(qū),試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于進水的ρ(C)/ρ(N)平均值僅為3.22,致使系統(tǒng)的TN去除率僅為47.1%左右,出水中ρ(NO-3-N)在35mg/L以上,污泥回流液中攜帶大量的NO-3-N進入?yún)捬鯀^(qū).在厭氧區(qū),反硝化細菌將優(yōu)先利用原水中的碳源進行反硝化反應(yīng),而聚磷菌在厭氧區(qū)卻無法獲得原水中的VFA進行釋磷,從而嚴重影響了聚磷菌在后續(xù)缺氧段和好氧段的吸磷能力.該階段,缺氧區(qū)內(nèi)并沒有發(fā)生反硝化吸磷,反而有磷的無效釋放;在好氧區(qū)也僅有少量的磷被去除,系統(tǒng)對PO3?443--P的平均去除率僅為9.8%.在試驗第2階段,由于預(yù)缺氧區(qū)的設(shè)立,系統(tǒng)的TN去除率得到明顯的改善;TN去除率平均值上升到60.7%,出水ρ(NO-3-N)降為25mg/L左右.污泥回流液中的大部分NO-3-N在預(yù)缺氧區(qū)通過內(nèi)源反硝化得以去除;但由于預(yù)缺氧區(qū)的內(nèi)源反硝化能力有限,并不能完全去除污泥回流液中的NO-3-N.如圖3所示,預(yù)缺氧區(qū)出水ρ(NO-3-N)在4.1～12.7mg/L,平均值為7.6mg/L.未降解的NO-3-N進入?yún)捬鯀^(qū),消耗進水中易降解COD組分,影響了聚磷菌的釋磷和合成PHA的能力;從而導(dǎo)致系統(tǒng)對PO3?443--P去除能力受限.如圖4、圖5所示,該階段的出水ρ(PO3?443--P)在1.3～3.4mg/L,平均值為2.4mg/L,PO3?443--P平均去除率為55.4%,仍沒有達到國家排放標(biāo)準.但是該階段缺氧區(qū)發(fā)生較為明顯的反硝化除磷現(xiàn)象,缺氧區(qū)除磷率為31.4%～46.9%,除磷量為3.3～7.1mg/L.試驗第3階段,當(dāng)向原水中投加外碳源后,由于進水ρ(C)/ρ(N)平均值提高到5.06,系統(tǒng)對TN去除率平均達到74.4%,出水ρ(NO-3-N)平均值降為18mg/L.如圖3所示,預(yù)缺氧區(qū)出水ρ(NO-3-N)為0.1～10mg/L,平均值僅為2.4mg/L;降低了NO-3-N對聚磷菌厭氧釋磷的影響.而且由于進水COD中含有大量的VFA組分,聚磷菌能在厭氧區(qū)充分放磷,在體內(nèi)合成大量的PHA.如圖5所示,由于缺氧段的聚磷菌體內(nèi)含有充足的PHA進行反硝化吸磷,本階段缺氧段除磷率可達66.2%～90.9%,缺氧段除磷量為3.5～14.6mg/L.同時由于體內(nèi)富含PHA的反硝化聚磷菌和一定質(zhì)量濃度的硝態(tài)氮存在,二沉池和預(yù)缺氧區(qū)都沒有發(fā)生磷的二次釋放現(xiàn)象,保證了出水水質(zhì).該階段PO3?443--P的去除率為84.5%～100%,出水ρ(PO3-4-P)平均值小于0.5mg/L,達到GB18918—2002中的一級A標(biāo)準.2.3外碳源對2ao系統(tǒng)的影響2.3.1ro343-p的去除效果在本試驗第3階段,研究了外投碳源對系統(tǒng)的有機物、氮、磷去除能力的影響.圖6是系統(tǒng)穩(wěn)定運行后具有代表性的各項水質(zhì)參數(shù)沿程變化情況.綜合圖2、圖3和圖4的數(shù)據(jù)可得,該階段系統(tǒng)對COD、TN、PO3?443--P平均去除率分別為89.5%、74.4%和98.1%.出水ρ(COD)和ρ(PO3?443--P)滿足GB18918—2002中的一級A標(biāo)準.盡管系統(tǒng)存在明顯的反硝化除磷現(xiàn)象,但由于進水中ρ(C)/ρ(N)仍較低,致使出水中以硝酸鹽為主的ρ(TN)仍較高,該階段出水ρ(TN)僅能達到GB18918—2002中的一級B標(biāo)準.2.3.2氧指數(shù)和phv的降解乙酸和丙酸為生活污水中VFA的主要組分,研究表明以丙酸(鈉)作為碳源時,聚磷菌在厭氧段合成的PHA組分為PHB、PHV和PH2MV等,其中以PHV為主;而采用乙酸(鈉)作為碳源時,聚磷菌在厭氧段合成的PHA組分為PHB、PHV等,其中以PHB為主.本試驗第3階段投加的外碳源為丙酸鈉和乙酸鈉的混合物,在厭氧段聚磷菌體內(nèi)合成的PHA組分應(yīng)包括PHB、PHV和PH2MV.但是通過對污泥內(nèi)PHA組分的多次檢測,在各個反應(yīng)區(qū)的污泥中均未發(fā)現(xiàn)含有PH2MV組分.如圖7所示,由于外碳源中丙酸鈉的投加量大于乙酸鈉,導(dǎo)致厭氧段聚磷菌體內(nèi)的PHV含量大于PHB含量.經(jīng)計算,PHB在缺氧區(qū)和好氧區(qū)的單位質(zhì)量MLSS中降解量分別為1.7和2.2mg/g,對應(yīng)物質(zhì)的量(以碳原子計)為0.0767和0.1233mmol/g;PHV在缺氧區(qū)和好氧區(qū)的單位質(zhì)量MLSS中降解量分別為2.4和3.1mg/g,對應(yīng)物質(zhì)的量(以碳原子計)為0.1195和0.1570mmol/g.可見,無論在缺氧段還是在好氧段,PHV的降解量要明顯大于PHB的降解量.即聚磷菌進行好氧吸磷和缺氧吸磷時對體內(nèi)PHV的利用率和利用速率要明顯大于PHB.說明相對于PHB,PHV在生物除磷過程中可能起著更為重要的作用.這也在一定程度上解釋了以丙酸(鈉)為碳源的生物除磷系統(tǒng)的除磷效果和穩(wěn)定性要高于以乙酸(鈉)為碳源的生物除磷系統(tǒng)的原因.如圖7、圖8所示,聚磷菌在厭氧段放磷合成PHA的同時進行糖原的降解;在缺氧段,聚磷菌通過降解體內(nèi)的PHA進行反硝化吸磷,同時在體內(nèi)合成糖原.在好氧段,聚磷菌繼續(xù)吸磷,消耗PHA合成糖原.好氧1段的糖原大幅下降可能是由于系統(tǒng)中其他含有糖原的微生物,如聚糖菌(golycogenaccumulatingorganism,GAO)在好氧條件下進行好氧呼吸,分解體內(nèi)糖原進行自身生長的結(jié)果.這說明了本A2O系統(tǒng)中存在一定量的GAO.GAO在厭氧段會與PAO爭奪碳源,對系統(tǒng)的除磷效果將產(chǎn)生不利影響.在好氧1段出水中已不含PO3?443--P,但PHA仍繼續(xù)消耗,糖原的含量沿程上升.這是由于聚磷菌的吸、放磷是一個同時發(fā)生的動態(tài)過程,聚磷菌在吸磷的同時也在向外界釋放磷,在好氧段聚磷菌凈放磷還是凈吸磷取決于環(huán)境的DO、pH等物化指標(biāo),同時也取決于體內(nèi)PHA和糖原的含量等生化指標(biāo).在本階段,聚磷菌在好氧段體內(nèi)仍含有充足的PHA和糖原,好氧區(qū)的ρ(DO)在1.5～2.5mg/L.聚磷菌在好氧段進行著動態(tài)的吸、放磷過程,但是在好氧2段至好氧4段已經(jīng)屬于過曝氣狀態(tài),聚磷菌需消耗體內(nèi)的內(nèi)含物以維持自身的生長;而PHA的沿程下降和糖原的沿程上升表明相對于糖原,聚磷菌將優(yōu)先利用PHA進行好氧呼吸.由于污泥密實的堆積在二沉池底部,造成了局部的厭氧環(huán)境.在該環(huán)境下,部分活性污泥被水解酸化,產(chǎn)生了VFA組分.聚磷菌利用這些VFA組分進行厭氧釋磷,導(dǎo)致其體內(nèi)的PHA的上升,糖原含量的下降.但是由于該反應(yīng)僅在二沉池底部發(fā)生,且二沉池底部水流狀態(tài)穩(wěn)定,釋放出的PO3?443--P僅停留在二沉池底層,其將通過污泥回流液進入預(yù)缺氧區(qū).在預(yù)缺氧區(qū),DNPAO將進行反硝化吸磷,正如圖7、圖8所示,其導(dǎo)致在預(yù)缺氧段污泥中的糖原含量上升,PHA含量下降.水質(zhì)監(jiān)測也表明預(yù)缺氧段出水不含有PO3?443--P.2.3.2dnpoa的代謝活性如圖9所示,通過對第2階段末期(圖9(a))和第3階段末期(圖9(b))污泥進行DNPAO相對代謝活性的測定表明,經(jīng)過第3階段的馴化、富集,DNPAO的代謝活性得到明顯增強.DNPAO相對于PAOs的代謝活性從第2階段末期的31.1%提高到第3階段末期的74.7%.DNPAO相對代謝活性的增強提高了系統(tǒng)缺氧區(qū)同步脫氮除磷的能力,從而降低了系