研究背景

反硝化除磷菌(denitrifying polyphosphate accumulating organisms, DNPAOs)以硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮作為電子受體，細(xì)胞內(nèi)聚羥基烷酸(PHAs)為電子供體。相對(duì)于傳統(tǒng)的好氧生物處理，DNPAOs理論上可節(jié)約50%的碳源、減少30%的曝氣量，同時(shí)減少50%的剩余污泥產(chǎn)量。

王建龍等以厭氧-好氧-缺氧-好氧模式運(yùn)行SBR反應(yīng)器，成功實(shí)現(xiàn)了反硝化除磷；王曉蓮等通過控制部分運(yùn)行參數(shù)在A2/O反應(yīng)器中成功富集了反硝化除磷菌。但無論是SBR還是A2/O工藝都屬于單污泥系統(tǒng)，系統(tǒng)中的功能微生物如硝化菌、反硝化除磷菌等在碳源、HRT和SRT等因素上存在競(jìng)爭(zhēng)，很難在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)氮磷的高1效去除。而ABR具有微生物相分離等特征，且在生物產(chǎn)氫-產(chǎn)甲烷方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，馬天楠等采用Andrews模型建立了ABR處理效能與能量回收率之間的內(nèi)在聯(lián)系。MBR反應(yīng)器具有良好的截流作用，可保留世代周期較長(zhǎng)的微生物，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的深度凈化。通過反硝化除磷“一碳兩用”的特性將厭氧ABR與好氧MBR耦合起來，可實(shí)現(xiàn)低耗經(jīng)濟(jì)的脫氮除磷。

近年來，通過ABR-MBR耦合工藝實(shí)現(xiàn)反硝化除磷的研究，雖然都取得了良好的脫氮除磷效果，但由于在ABR中主動(dòng)回流污泥，并通過攪拌等措施使污泥在ABR中循環(huán)流動(dòng)，喪失了ABR相分離的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于ABR自身良好的水利條件，使得系統(tǒng)內(nèi)易于形成顆粒污泥，但回流污泥采用的蠕動(dòng)泵及攪拌等措施，會(huì)對(duì)顆粒污泥的形成造成不利影響，而顆粒污泥因其內(nèi)外層存在溶氧梯度，硝態(tài)氮可由顆粒污泥外部擴(kuò)散進(jìn)入顆粒內(nèi)使得DPAOs積聚磷酸鹽。故污泥回流影響了ABR自身具有的許多優(yōu)勢(shì)。

本研究在不回流污泥的情況下，維持ABR自身的特點(diǎn)，探究系統(tǒng)在該狀態(tài)下的氮、磷及COD的去除規(guī)律，以及反硝化除磷的影響因素和機(jī)理。

摘 要

采用ABR-MBR耦合工藝，調(diào)控MBR以好氧硝化運(yùn)行，考察耦合工藝穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的除碳及反硝化除磷的去除效果及其影響因素，并分析了該耦合條件下的除磷機(jī)理。結(jié)果表明：在容積負(fù)荷為0.9kg/(m3·d)及硝化液回流比為200%的情況下，耦合工藝對(duì)COD、總氮、磷酸鹽的去除率分別為90%、70%和67%，反硝化除磷率隨硝化液回流比增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，但隨著系統(tǒng)容積負(fù)荷的增加，ABR的第3格室出現(xiàn)了亞硝積累的情況，影響了反硝化除磷效果，運(yùn)行過程中ABR逐漸形成的顆粒污泥也對(duì)耦合系統(tǒng)的除磷具有積極作用。

01 試驗(yàn)部分

1.研究裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，反應(yīng)器總有效容積為14.8 L，進(jìn)水先經(jīng)ABR后進(jìn)入好氧MBR，其中ABR和MBR的有效容積比約為2∶1，ABR的5個(gè)格室依次稱為A1至A5格室。反應(yīng)器溫度控制在31 ℃左右。采用可編程邏輯控制器(PLC)控制膜組件出水泵和反沖洗泵的啟閉，一個(gè)周期為10 min(8 min出水，2 min反沖洗)。采用真空壓力表來測(cè)量跨膜壓差(TMP)以表征膜的污染狀況，當(dāng)TMP增加至30 kPa時(shí)，對(duì)膜組件進(jìn)行清洗。

2.進(jìn)水和接種污泥

試驗(yàn)用水采用生活污水進(jìn)行人工配制，見表1所示。接種的污泥取自蘇州城市污水處理廠的A2/O工藝的二沉池污泥。經(jīng)悶曝24 h后接種至反應(yīng)器中，ABR反應(yīng)器各格室接種高濃度污泥至ρ(MLSS)約為30000 mg/L，MBR反應(yīng)器中接種污泥至ρ(MLSS)約為4000 mg/L。

3.試驗(yàn)方案

研究運(yùn)行共分為3個(gè)階段：第1階段為污泥適應(yīng)期，待ABR實(shí)現(xiàn)高1效去碳，MBR穩(wěn)定硝化后開始回流硝化液至ABR；第2階段通過提升硝化液回流比的方式來富集反硝化除磷菌；第3階段在上階段研究的優(yōu)情況下，提升負(fù)荷，考察對(duì)反應(yīng)器去碳及脫氮除磷效能的影響，各階段具體的運(yùn)行參數(shù)見表2所示。

4.分析測(cè)定方法

水樣經(jīng)過0.45 μm中性濾紙過濾，以去除懸浮物的影響。試驗(yàn)中檢測(cè)項(xiàng)目及其分析方法詳見表3。

02 結(jié)果與討論

1.污泥適應(yīng)期對(duì)碳氮去除特性

反應(yīng)運(yùn)行1～20 d為接種污泥的適應(yīng)階段，ABR的HRT設(shè)置為16 h，MBR為8 h，為避免由于回流造成的局部水力停留時(shí)間縮短，使得ABR尚未去碳完全就進(jìn)入MBR，影響MBR內(nèi)的自養(yǎng)硝化，先不進(jìn)行回流。污水流經(jīng)ABR第1和第2格室，經(jīng)水解酸化以及在產(chǎn)酸菌的作用下，將污水中的復(fù)雜大分子有機(jī)物分解為VFAs，為反硝化除磷提供***碳源, 系統(tǒng)啟動(dòng)初期COD的去除情況見圖2a。系統(tǒng)進(jìn)水ρ(COD)為350 mg/L左右，因接種的污泥為污水廠性能良好的A2/O二沉池污泥，啟動(dòng)初期系統(tǒng)出水COD去除率可達(dá)70%左右。適應(yīng)期后，系統(tǒng)出水的COD去除率穩(wěn)定在90%左右。ABR第2格室的出水ρ(COD)從初期的250 mg/L以下降到了一百 mg/L左右，為后續(xù)除磷提供了足夠的***碳源的同時(shí)，也避免了硝化液回流后，COD與硝態(tài)氮優(yōu)先發(fā)生反硝化反應(yīng)，消耗反硝化除磷所需的電子供體。適應(yīng)期末期，第5格室的出水ρ(COD)穩(wěn)定在50 mg/L以下，ABR反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的高1效去除，保證了后端MBR硝化過程的順利進(jìn)行，為硝化菌生長(zhǎng)富集提供條件。韋佳敏等的研究也指出ABR后段對(duì)殘余COD的去除，可保證反硝化除磷菌處于佳的富集條件，有利于DPBs淘汰異養(yǎng)反硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌群。

2.各運(yùn)行工況下ABR-MBR耦合系統(tǒng)脫氮除磷去除特性

所有運(yùn)行工況下ABR-MBR系統(tǒng)對(duì)磷的去除特性見圖3a，系統(tǒng)進(jìn)水的磷酸鹽質(zhì)量濃度為7～10 mg/L，在污泥適應(yīng)期A工況下，污泥具有一1定的吸磷能力，說明該接種污泥中就含有一1定量的PAOs。隨著在B工況下開始進(jìn)行硝化液回流，回流比為一百%時(shí)，PAOs中反硝化除磷菌活性增強(qiáng)，磷酸鹽的去除率得到一1定提高，但此時(shí)因有機(jī)負(fù)荷較低，可供DPBs利用的碳源有限。在第二階段，將負(fù)荷提升到0.9 kg/(m3·d)時(shí)，除磷效率穩(wěn)定在20%左右。運(yùn)行一段時(shí)間后A4、A5格室出現(xiàn)了磷反釋現(xiàn)象，根據(jù)Comeau等的研究，ρ(NO-3-N)>5 mg/L時(shí)可抑制磷反釋的現(xiàn)象。故在D階段將回流比提高至200%，保證A5格室ρ(NO-3-N)>5 mg/L，系統(tǒng)穩(wěn)定后出水的磷濃度下降到2 mg/L左右，去除率穩(wěn)步提升至65%以上。隨后進(jìn)一步提升了回流比至300%，除磷效果出現(xiàn)了下降，分析是由于過高的回流比攜帶了大量的溶解氧至ABR中，影響了ABR中厭氧缺氧環(huán)境，導(dǎo)致DPBs活性的下降。

整個(gè)運(yùn)行期間系統(tǒng)對(duì)氮的去除情況見圖3b。啟動(dòng)初期，MBR就具有良好的氨氮去除率，A工況后期，出水的氨氮基本維持在1～2 mg/L左右，出水的TN基本以NO-3-N的形式存在，啟動(dòng)初期出水TN的去除是依靠MBR內(nèi)部存在的DO濃度梯度，通過同步硝化反硝化去除的。在工況B下回流硝化液后，因啟動(dòng)初期DPBs尚未在系統(tǒng)中處于優(yōu)勢(shì)地位，在硝酸鹽與碳源同時(shí)存在的情況下，會(huì)存在異養(yǎng)反硝化的情況，使得TN去除率進(jìn)一步提升至50%左右。隨著負(fù)荷的提升，TN去除率稍有下降，在工況D下取得了優(yōu)的TN去除率，約為65%左右，繼續(xù)提升回流比時(shí)，由于磷的去除受到了影響，導(dǎo)致DPBs的活性受到了抑制，TN去除率也呈下降趨勢(shì)。

3.影響因素分析

3.1 不同硝化液回流比對(duì)磷去除效能的影響

將MBR的硝化液，回流至ABR的第2格室的出水區(qū)，并以不同回流比（1.00%、200%、300%）考察反應(yīng)器除磷效果的影響（見圖4）?？芍?dāng)硝化液回流比為200%時(shí)效果1佳?；亓鞅容^低時(shí)，反硝化除磷可利用的電子受體較少。當(dāng)回流比上升至200%時(shí)，硝態(tài)氮濃度的增加刺激了反硝化除磷菌的代謝活性。王聰?shù)葘?duì)A2/O-BCO工藝中硝化液回流比對(duì)反硝化除磷特1效的影響研究中，也發(fā)現(xiàn)隨著回流比的增加，總磷的去除率呈現(xiàn)出上升。然而當(dāng)回流比繼續(xù)增加至300%時(shí)，可能將MBR中大量的溶解氧帶入到了缺氧段，破壞了ABR中缺氧（厭氧）環(huán)境，抑制了DPB的缺氧吸磷能力，同時(shí)過高的硝態(tài)氮濃度也抑制了反硝化除磷菌的生長(zhǎng)代謝?；亓鞅鹊脑龃?，間接使得缺氧段負(fù)荷增加，水力停留時(shí)間縮短。楊小梅等通過對(duì)A2/O-MBBR工藝反硝化除磷下的研究也發(fā)現(xiàn)，缺氧吸磷量會(huì)隨著硝化液回流比的增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。

3.2 反硝化除磷與反硝化之間的競(jìng)爭(zhēng)

傳統(tǒng)的反硝化除磷工藝將厭氧與缺氧區(qū)域分隔開，故污水中的***碳源先在厭氧區(qū)通過DPB轉(zhuǎn)化為PHB等，以內(nèi)碳源的方式貯存在細(xì)胞內(nèi)，避免了發(fā)生在硝化液回流位置與異養(yǎng)反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)碳源的情況。本研究并未設(shè)置污泥回流，故反硝化菌與反硝化除磷菌存在競(jìng)爭(zhēng)碳源的情況。但有研究指出，當(dāng)碳源足夠時(shí)，反硝化除磷菌比反硝化菌更占優(yōu)勢(shì)，故本研究了考察了3個(gè)有機(jī)負(fù)荷下有機(jī)物的沿程變化情況。通過調(diào)節(jié)水力停留時(shí)間，將系統(tǒng)進(jìn)水容積負(fù)荷控制在0.5，0.9，1.3 kg/(m3·d)，考察了3個(gè)工況下有機(jī)物、磷的去除及亞硝態(tài)氮生成情況。由圖***可知，當(dāng)負(fù)荷為0.5 kg/(m3·d)時(shí)，A1格室對(duì)系統(tǒng)COD的去除貢獻(xiàn)占到了70%左右，同時(shí)由圖5b可知，經(jīng)過第1第2格室后，剩余的可生化降解的有機(jī)物已經(jīng)很少，可供發(fā)生反硝化反應(yīng)利用的碳源已經(jīng)很有限，亞硝態(tài)氮積累量處在較低的水平，同時(shí)也受碳源限制，磷的去除也僅有1 mg/L左右。隨著負(fù)荷的提升，水力停留時(shí)間縮短，有機(jī)物的去除開始向后面格室推移，0.9 kg/(m3·d)時(shí)A1格室的去除較第1階段有所下降，A2格室對(duì)COD去除貢獻(xiàn)率較第1階段下明顯提升，A3格室對(duì)COD的去除占比約為20%左右。該階段中，磷的去除效果也較好，且亞硝態(tài)氮的積累量在1 mg/L以下。在此負(fù)荷下，碳源大部分被反硝化除磷菌吸收為內(nèi)碳源貯存在細(xì)胞體內(nèi)，反硝化反應(yīng)也較適宜。

3.3 顆粒污泥的形成及強(qiáng)化處理效能

反應(yīng)器內(nèi)污泥性狀的變化見圖6，在顯微鏡下觀察接種污泥，基本呈現(xiàn)絮狀。運(yùn)行40 d后，取A3格室反硝化除磷功能區(qū)的污泥進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)絮狀污泥中有顆粒污泥出現(xiàn)，但較細(xì)小，形狀不規(guī)則；第90 d時(shí)，A3格室的污泥呈亮黑色，粒徑在0.2 mm以上，且部分顆粒聚集在一起，小顆粒正逐漸聚合成大顆粒。反硝化除磷的污泥顆?；粌H能實(shí)現(xiàn)反硝化除磷低耗的特點(diǎn)，還能利用顆粒污泥內(nèi)外環(huán)境差異強(qiáng)化系統(tǒng)厭氧缺氧環(huán)境，進(jìn)一步提高了反應(yīng)器處理效能。

4.除磷機(jī)理分析

從整體上看，本工藝只存在ABR厭氧和MBR好氧兩個(gè)狀態(tài)，但當(dāng)考察局部單個(gè)格室ORP時(shí)如圖7所示，底部的ORP數(shù)值穩(wěn)定在-200 eV左右，明顯大于格室內(nèi)中部的ORP，推測(cè)是因?yàn)橄趸夯亓鞲綆Я艘?定的溶解氧，在ABR內(nèi)形成了下部缺氧中部厭氧微環(huán)境，同時(shí)由于水力沖刷、產(chǎn)氣擾動(dòng)作用以及重力沉降等使得污泥在厭氧缺氧區(qū)域內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，此環(huán)境中反硝化除磷菌實(shí)現(xiàn)厭氧釋磷，缺氧吸磷。在微觀上，ABR易于形成顆粒污泥，顆粒污泥內(nèi)外存在溶解氧梯度，也強(qiáng)化了這種厭氧缺氧交替的環(huán)境。隨著顆粒污泥的逐漸形成，在一1定程度上促進(jìn)了反硝化除磷效能的提高。反硝化除磷顆粒污泥除了生物除磷作用外，還具有磷酸鹽固化于污泥顆粒方式除磷。因ABR具有良好的相分離特性，保證了微生物的多樣性，使得微生物在各自適宜的環(huán)境中生存。故在A3格室反硝化除磷功能區(qū)也可能存在適宜該類環(huán)境而可直接除磷的新型PAOs，未來還需通過高通量測(cè)序等分子生物學(xué)手段對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步論證。

03 結(jié) 論

1)采用低C/N生活污水為研究對(duì)象，考察了ABR-MBR耦合工藝脫氮除磷的可行性。控制容積負(fù)荷為0.9 kg/(m3·d)，MBR中溶解氧為1～2 mg/L，在硝化液回流比為200%的情況下，磷及總氮的去除率近70%。

2)硝化液回流比對(duì)磷的去除有顯著影響，硝化液回流比從百1分之百逐漸增加至300%時(shí)，ABR缺氧吸磷量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，A3格室平均缺氧吸磷量分別為1.12，3.19，2.23 mg/L。

3)本研究證明了在無污泥回流情況下，利用ABR-MBR耦合工藝實(shí)現(xiàn)了反硝化除磷。宏觀上，硝化液回流為ABR創(chuàng)造了厭氧缺氧的環(huán)境，同時(shí)又由于水力、微生物產(chǎn)氣、重力等綜合作用使得活性污泥在厭氧缺氧環(huán)境中循環(huán)流動(dòng)；微觀上，逐漸形成的顆粒污泥內(nèi)外存在著溶解氧梯度，進(jìn)一步強(qiáng)化了厭氧缺氧的微環(huán)境。