MUCT工艺不同硝化液内循环比的PHA和磷代谢

鹿钦礼，王晓玲

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 吉林建筑工程学院 市政与环境工程学院， 吉林 长春 130021）

水处理技术

MUCT工艺不同硝化液内循环比的PHA和磷代谢

鹿钦礼1，王晓玲2

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 吉林建筑工程学院 市政与环境工程学院， 吉林 长春 130021）

以低C/N比污水为处理对象、基于物料平衡分析，研究了在MUCT工艺中硝化液内循环比与COD降解转化、PHA的代谢、磷的转移以及氮的转化等4个过程的关系。进水COD浓度恒定为(290±10)mg/L，TN浓度恒定为(55±0.5)mg/L，TP浓度恒定为(7.0±0.5)m g/L，改变硝化液内循环比，测定各反应段及出水COD、TN、TP浓度以及污泥中的PHA含量。试验结果表明：厌氧段去除的COD的63%～67%左右转化为PHA，在第二缺氧段和好氧段，PHA被消耗用于吸收污水中的磷，硝化液内循环比对第二缺氧段的消耗量有较明显的影响；硝化液内循环比对磷的释放过程影响较小，是第二缺氧段的吸磷过程的主要影响因素。

MUCT工艺； 硝化液内循环比； 物料平衡； 转化

生物法去除营养物质工艺（Biological Nutrient Removal，BNR）中，是传统活性污泥法的延伸，但原理更复杂，因为该系统中至少包括3种反应段－厌氧、缺氧、好氧，且在各段之间循环混合液[1]。其中最重要的生化反应过程包括：①厌氧段，PAO吸收易生物降解COD，并将其转化成PHA贮存在体内；PAO体内的聚磷水解释放磷；②缺氧段，反硝化菌进行将硝酸盐氮转化成氮气；③好氧段，PAO利用PHA产生能量进行生长、合成糖原以及吸磷；好氧环境条件下的另一个重要的反应器是硝化过程。在运行过程中发现，BNR系统的活性污泥中存在一种既可以吸磷又可以转化硝酸盐氮的微生物——反硝化聚磷菌[2-4]。

在各种BNR系统中，MUCT（Meliorate University of Cape Town）工艺由于消除了硝酸盐氮对厌氧释磷过程的影响，强化了BNR工艺脱氮除磷的功能，而得到较为广泛的应用[5-8]。但在MUCT工艺中，硝化液内循环比较高时，将使进入到第二缺氧段的溶解氧增加和使混合液在第二缺氧段的实际水力停留时间缩短，导致该段的反硝化容量和吸磷量降低。

为了深入分析硝化液内循环比与COD降解转化、PHA的代谢、磷的转移以及氮的转化等4个过程的关系，本文以模拟生活污水为考察对象进行了试验研究。

1 原理与方法

1.1 试验装置

MUCT系统试验装置如图1所示。装置由有机玻璃制成，为二廊道推流式反应器，分为4个反应段，依次为厌氧段、第一缺氧段、第二缺氧段、好氧段。试验的进水、硝化液内循环α、内循环混合液γ以及回流污泥s等流量均由蠕动泵控制。

1.2 试验方案

试验期间进水水质保持在一个水平，COD浓度恒定为(290±10) mg/L，TN浓度恒定为(55±0.5) mg/L，TP浓度恒定为(7.0±0.5) mg/L。试验过程中保持硝化液内循环比以外的其他运行条件和参数不变。调节硝化液内循环比α，进行了4组试验，每组试验为一个阶段。ANA∶ANO1∶ANO2∶AE各段体积比为2∶1∶2∶5。s为0.5，γ为1。好氧段末端溶解氧浓度控制在2 mg/L左右，剩余污泥污泥龄控制在12 d，污泥量根据Zhu等推荐的公式进行计算[9]，温度控制在(20±1)℃。实时监测反应器的DO、pH值以及ORP值，用以反馈系统状态。

1.3 检测指标

试验过程中测定DO、ORP、MLSS、COD、NH4

+-N、NO3--N、TP、TN、PHA、pH、水温等指标。PHA采用气相色谱法测定，其他指标均采用国标方法。统计分析各试验阶段稳定运行期间的测定结果，分析用数据点个数在20～30个范围之间［10,11］。

图1 MUCT工艺流程图Fig.1 The sehematic diagram of MUCT process

2 结果与分析

2.1 硝化液内循环比与PHA的代谢

2.1.1 PHA的贮存

试验期间MUCT工艺各反应段出水COD浓度和活性污泥PHA含量见表1。

表1 各反应器出水COD浓度和活性污泥PHA含量Table 1 Effluent COD concentration and PHA content in each bioreactor

从表1中还可以看出，好氧段活性污泥中PHA含量最低，厌氧段最高。为分析COD降解和PHA代谢的反应过程，以厌氧段和第一缺氧段为系统边界，基于混合液COD浓度和PHA含量的平均值（统计结果）进行了物料平衡分析，确定了两段COD的去除量和PHA的贮存量（以COD表示，PHA的COD化学计量学常数取1.67 g COD/g PHA），结果见图2。

图2 试验期间COD、PHA的反应量Fig.2 Relation amount of COD，PHA during experiment

从图中可以看出，试验期间厌氧段PHA的贮存量基本保持不变，说明α对厌氧段PHA贮存量无显著影响。厌氧段去除的COD中63%～67%被转化为PHA贮存在聚磷菌体内，这是该段COD浓度降低的主要原因。PHA的大量贮存有利于生物除磷过程的进行。

从表1中可以得出，第一缺氧段污泥PHA含量降低，而从图2中却可以得出第一缺氧段内PHA总量升高，即贮存了PHA。说明第一缺氧段的主要作用是还原回流污泥中的硝酸盐氮，以避免其对厌氧释磷过程的影响。第一缺氧段COD和硝酸盐氮物料平衡计算结果见表2［10］。

表2 第一、二缺氧段COD、NO3--N反应量Table 2 Amount of COD,NO3--N in No.1 and No.2 anoxic zone

磷菌只占活性污泥中一部分，所以出现了第一缺氧段虽反硝化菌属异养型细菌，为了达到理想的反硝化效果， COD/N比值约为4 g COD/g NO3--N。从表中可以得出，第一缺氧段COD消耗量与硝酸盐氮还原量的比值大于4 g COD/g NO3--N，回流污泥中的硝酸盐氮被完全反硝化，所以该段消耗的COD一部分用于反硝化，一部分被聚磷菌吸收并以PHA形式贮存。回流污泥(PHA含量与好氧段污泥相同)进入到第一缺氧段，经γ循环至厌氧段，为其提供微生物，致使厌氧段活性污泥浓度比第一缺氧段低，加之聚然贮存了PHA，而污泥PHA含量下降的现象［10］。

2.1.2 PHA的消耗

从表1中可以得出，污泥中PHA的含量在第二缺氧段以及好氧段进一步降低。导致2个反应段污泥PHA含量降低主要有2个原因：硝化液内循环比的稀释和PHA的消耗。分别以第二缺氧段和好氧段为系统边界，依据测得的污泥PHA含量，进行了物料平衡分析计算，结果见图3［10］。

图3 试验期间PHA的消耗量Fig.3 Consumption amount of COD，PHA during experiment

从图中可以得出，在第二缺氧段PHA被消耗，且消耗量在α=4时最高。MUCT工艺的第二缺氧段的硝酸盐氮来自于好氧段，主要功能是进行反硝化。从表2中可知，第二缺氧段COD消耗量与硝酸盐氮还原量的比值远小于2.86，据此推测，反硝化菌的主要供氢体是PHA。因此在第二缺氧段PHA被大量消耗，且消耗量与进入到该段的硝酸盐氮量有关，即受硝化液内循环比α的影响，在硝化液内循环比为4时达到最大值20.73 g/d。PHA在第二缺氧段的消耗有助于节省好氧段曝气所需能耗。结合表2和图3可知，好氧段PHA含量继续降低，PHA被消耗，消耗量在α=4时最低。

2.2 硝化液内循环比与磷的代谢

2.2.1 磷的释放

MUCT工艺试验期间各反应段出水TP浓度见表3。可以看出，硝化液内循环比α对系统出水TP浓度影响较小。试验期间，出水TP浓度在0.59～0.84 mg/L之间，TP的去除率在87.60%～91.45%之间。以每个反应段和整个工艺为系统边界，基于测得的各段混合液TP浓度的平均值进行了物料平衡分析。根据活性污泥微生物细胞物质的经验公式可知，细胞物质中的含磷量一般为1.5%～2.0%[12,13]。

从表3数据可以得出，混合液进入第一缺氧段后，TP浓度降低，引起该段TP浓度下降的可能主要有3个原因：一是微生物的同化作用，二是回流污泥、混合液的稀释作用，三是缺氧吸磷作用。在第一缺氧段内发生释磷反应，TP浓度的降低主要由回流污泥的稀释和微生物的同化作用引起的。在MUCT工艺中污泥回流至第一缺氧段，在该段中将进行反硝化反应。从表3中可以看出，第一缺氧段内COD消耗量/硝酸盐氮反应量的比值在8.5左右，所以第一缺氧段内回流污泥中的硝酸盐氮优先被传统反硝化菌利用，不能作为反硝化聚磷菌的电子受体。在硝酸盐氮被反硝化完全后，剩余的COD被聚磷菌吸收并以PHA的形式贮存在体内，同时释放出磷，所以第一缺氧段表现为释磷过程。当硝化液内循环比为4时，因出水硝酸盐氮浓度最低，所以第一缺氧段释磷量最高。

根据TP的物料平衡计算结果可以判断，MUCT工艺的释磷反应主要在厌氧段完成，第一缺氧段的释磷量占总释磷量的比例较低，约为7%左右，对除磷的贡献较小。试验期间，MUCT工艺的总释磷

量保持在6.46～6.66 g/d之间，出水TP浓度在0.59～0.84 mg/L之间波动，保持了较高的除磷率。

2.2.2 磷的吸收

从表3中可以看出，试验期间，第二缺氧段TP浓度大幅降低，主要是由于缺氧吸磷和硝化液的稀释作用导致的。根据TP物料平衡计算结果，确定了MUCT工艺在不同硝化液内循环比条件下运行时的缺氧吸磷量和缺氧段吸磷质量分数。缺氧吸磷质量分数表示缺氧吸磷量占总吸磷量的比例。

表3 各反应器出水TP浓度Table 3 Effluent TP concentration and P content in each bioreactor mg/L

从图中可以看出，缺氧吸磷质量分数随着硝化液内循环比α的升高而增加，从α为2时的0.37增加到α为4时的44%。然而当α继续增加至5时，缺氧吸磷量和缺氧吸磷质量分数下降。

由表2可知，在ANO2中，由于可利用的外碳源COD量较少，所以反硝化的主要供氢体是内碳源PHA，反硝化聚磷菌的反硝化作用占有优势，即在还原硝酸盐氮的同时，大量的磷被吸收，污水中TP浓度降低。在MUCT工艺中进入第二缺氧段的硝酸盐氮量主要与系统硝化效果和硝化液内循环比α有关。在硝化效果一定的条件下，该值随着α的增加而增加，导致缺氧吸磷量从α为2时的3.06 g/d增加到α为4时的3.75 g/d。然而当α增加到5时，由于第二缺氧段实际水力停留时间较短以及随硝化液进入到第二缺氧段的DO量较高（0.37 g/d），所以影响了反硝化聚磷菌的新陈代谢过程，导致缺氧吸磷量和缺氧吸磷质量分数分别降低至3.05和0.37 g/d。试验发现硝化液内循环比α对总吸磷量影响较小。总吸磷量主要受试验期间的总释磷量的影响。吸磷量和释磷量之间的关系见图4。这说明厌氧释磷是生物除磷的关键。

图4 试验期间释磷量与吸磷量的关系Fig.4 Relationship between prelease and puntake during experiment

2.3 内循环比与TN的转化

试验期间系统对氨氮的去除基本不受硝化液内循环比的影响，出水氨氮浓度均在1.38 mg/L以下，去除率稳定在97%以上。而硝化液内循环比α对TN去除效果影响较大，随着α从2增加到4，TN去除率从72.95%上升到79.45%，但当α继续增加到5时，去除率下降至74.31%。

试验期间，以每个反应段为系统边界，基于测定的TN浓度，进行了物料平衡分析得知，出水中的TN以硝酸盐氮为主（来自于好氧段氨氮的硝化反应），出水TN浓度的变化主要是由硝酸盐氮浓度的变化所导致的；TN主要是在第一缺氧段、第二缺氧段以及好氧段被去除。第一缺氧段、第二缺氧段反生反硝化反应，硝酸盐氮转化为了氮气，实现了污水的脱氮过程；而在好氧段，氮以氨氮的形式被微生物吸收，通过合成代谢过程成为生物体一部分。在本试验中，当α较高时，一方面将有更多的DO随着硝化液进入到第二缺氧段而影响反硝化作用；另一方面，第二缺氧段的实际水力停留时间也随着α的增加而减少，因此，降低了第二缺氧段的反硝化潜力。

3 结 论

（1）硝化液内循环比α对厌氧段PHA贮存量无显著影响。厌氧段去除的COD的63%～67%被转化为PHA；第一缺氧段中首先反生反硝化反应，当硝酸盐氮耗尽后剩余的COD被聚磷菌吸收并转化成PHA贮存，且PHA贮存量在硝化液内循环比为4时最高。在ANO2和AE中，PHA被消耗。随着硝化液内循环比的升高，在ANO2中的消耗量增加，在硝化液内循环比为4时，PHA的消耗量达到最高，为20.73 g/d。

（2）硝化液内循环比α对厌氧段的释磷反应无显著影响，但对ANO1的释磷稍有影响，在硝化液内循环比为4时最大。在ANO2中发生吸磷反应，吸磷量与进入到该段的硝酸盐氮量有关，即受硝化液内循环比的影响。调节硝化液内循环比可强化第二缺氧段的缺氧吸磷性能。

（3）TN的转化主要发生在第二缺氧段，受硝化液内循环比影响。

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PHA and Phosphorus Metabolism Under Various Nitrified Liquor Recycling Conditions in MUCT Process

LU Qin-li1, WANG Xiao-ling2
(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China；
2. College of Environmental Engineering, Jilin Architectural and Civil Engineering Institute, Jilin Changchun 130021, China )

Based on mass balances, relationships between the nitrified liquor recycling condition and COD removal, phosphorus release, phosphorus uptake, nitration, denitrification were discussed by using low C/N rate wastewater as the research object, in which the influent chemical oxygen demand concentration was stabilized at (290±10)mg/L, the influent total nitrogen (TN) concentration was stabilized at (55±0.5)mg/L, the influent total phosphorus (TP) concentration was stabilized at (7.0±0.5)mg/L. The nitrified liquor recycling condition was changed to compare the effluent total nitrogen and total phosphorus concentration. The experimental results show that 63%～67% of the COD removed in the anaerobic zone can be identified as PHA; in the second anoxic and aerobic zone, the PHA has been consumed for phosphate uptake, consumption of PHA is significantly affected by nitrified liquor recycling condition in second anoxic zone; nitrified liquor recycling condition has little effect on phosphorus release, but it is a key factor affecting phosphorus uptake in the second anoxic zone.

MUCT process; Nitrified liquor recycling condition; Mass balance; Conversion

X 703

A

1671-0460（2012）03-0308-04

2012-01-01

鹿钦礼（1977-），男，吉林白城人，讲师，硕士学位，研究方向：主要研究污水物化及生物处理技术。E-m ail：luqinli@sina.com。