缺氧反应时间对反硝化除磷系统脱氮除磷效果的影响

潘 芳，郭 刚，王 鸿，王亚宜

(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092)

反硝化除磷工艺作为一种有效解决水体N、P含量超标的新技术已经引起广泛关注，其优势主要有:(1)同步脱氮除磷，实现“一碳两用”，有效解决当前水体中C/N比偏低的问题;(2)利用NO3--N或NO2--N代替O2作电子受体，节省曝气量;(3)DPAOs属于慢速生长微生物，污泥产量较传统工艺少。

反硝化除磷工艺是指在厌氧/缺氧条件下驯化出来一类能以NO2-/NO3-为电子受体的反硝化聚磷菌(DPAOs)在厌氧缺/氧交替条件下将水体中的磷转化到污泥中排出系统达到除磷目的的新型工艺。DPAOs能在厌氧条件下将体内的聚磷 (poly-P)水解成正磷酸盐释放出胞外，利用水解产生的能量ATP快速吸收挥发性脂肪酸 (VFA)，并以糖酵解提供还原力 (NADH2)合成聚羟基烷酸酯(PHA)贮存于胞内。在缺氧段，DPAOs利用胞内碳源PHA提供电子，以NO-x作电子受体进行氧化磷酸化产生能量，一部分提供细胞合成和维持生命活动，一部分用于糖原再生成和过量摄取污水中的无机磷酸盐，并合成为poly-P贮存于细胞内，同时把NO-x还原成N［1］2。

反硝化除磷功效主要在缺氧阶段完成，因此维持适当的缺氧反应时间对于保证良好的脱氮除磷效果至关重要。缺氧时间过短会使反硝化除磷不充分，导致出水N、P浓度无法达标。相反，缺氧反应时间过长，微生物在缺氧反应后期会因为电子供体和受体的消耗殆尽而处于饥饿状态，引起微生物活性下降，甚至“二次”释磷，也会造成脱氮除磷效果的下降［2，3］。据 Bassin 等［4］报道，在 EBPR系统中，随着缺氧反应时间的延长，微生物除磷效果逐渐增强。但当缺氧时间设定过长时，脱氮除磷效果虽然最好，其却会在缺氧末期发生二次释磷、PHA合成、糖原部分降解的现象，这会对后续周期的运行状况产生影响。Wang等［3］利用DPAOs研究缺氧水力停留时间 (HRT)对双污泥系统 (A2N-SBR)脱氮除磷的影响，研究结果也显示缺氧时间过长会使得微生物在缺氧期后段处于内源状态，发生内源消耗和二次释磷。但是，这些研究并未检测胞内聚合物之间的变化，也未解释缺氧时间影响脱氮除磷效果的微观机理。

本实验在反硝化除磷SBR系统中通过调节缺氧时间(150 min、210 min、270 min)考察了缺氧时间变化对下一周期厌氧段机理代谢的冲击影响，同时也考察了不同缺氧反应时间长期运行状态下对内源物质、胞外聚合物 (EPS)、N2O产量以及脱氮除磷效果的影响。

1 材料和方法

1.1 实验装置与运行

缺氧反应时间对反硝化除磷效果的影响试验在序批式反应器(SBR)中进行。通过在母反应器中厌氧/缺氧/好氧循环条件下驯化以富集 DPAOs。反应器有效容积为7.5 L，充水比0.7。SBR母反应器每天3个周期，每一个周期为8 h∶15 min进水，2 h厌氧，3.5 h缺氧，0.5 h好氧，0.5 h沉淀，15 min出水和1.5 h闲置。污泥龄控制在20 d左右，好氧段溶氧维持在2～3 mg/L。系统驯化120 d后，达到稳定的N、P去除效果，MLSS稳定在4.3 g/L 左右，VSS/SS值稳定在0.65 ～0.7。通过荧光原位杂交技术 (FISH)检测母反应器中微生物种群结构，结果显示，PAO(主要是Accumulibacter)约占总细菌的65.0%，聚糖菌Competibacter和Defluvicoccus分别占总细菌的20.8%和2.3%，可见聚磷菌已成为系统中优势菌种，系统驯化完成。

1.2 模拟配水

本实验每升模拟配水中含有的各种物质的量如下:276.8 mg CH3COONa+72.0 mg CH3CH2COONa(COD=300 mg/L)、32.9 mg KH2PO4+42.0 mg K2HPO4、57.4 mg NH4Cl、85.0 mg MgSO4·7H2O、10.0 mg CaCl2、110.0 mg NaHCO3。另外，加入适量的微量元素和硝化抑制剂 (ATU)［2］。厌氧末投加一定浓度的KNO3溶液使NO-3-N初始浓度为50.0 ±5.0 mg/L。

1.3 实验方案

系列实验Ⅰ (冲击试验):研究不同缺氧反应时间 (150 min，210 min，270 min)对下一周期厌氧段代谢机理的影响。取出母反应器闲置期污泥，用未加入碳源和磷的模拟配水清洗3次后，再用该模拟配水将污泥稀释至2 L，将污泥平均分装到3个2.5 L的批次反应器中进行冲击试验［5］。批次反应器内充5 min N2使反应器在初期维持严格厌氧环境，再向批次反应器内加入配水至2.5 L后开始运行。将缺氧反应时间分别设定为150 min(Ⅰ-R1)、210 min(Ⅰ-R1)和270 min(Ⅰ-R1)，相应调整闲置时间，其它运行时间及参数不变 (初始NO3--N浓度为50.0 mg/L)。本周期结束后，继续进行下一周期的厌氧阶段，比较3个反应器的厌氧效率。

系列实验Ⅱ (不同缺氧时间对反硝化除磷系统的长期影响):实验系列Ⅰ结束后，保持3个反应器的反应周期为:厌氧2h，缺氧分别为2.5 h(Ⅱ-R1)，3.5 h(Ⅱ-R2)，4.5 h(Ⅱ-R3)，好氧0.5h。长期运行100 d后，充5 min N2使各反应器在初期严格厌氧，再向反应器内加入1.8 L的配水，对此周期进行间隔30 min的密集取样，比较3个反应器的反硝化除磷效率。

两系列实验中系统pH值通过投加0.3 mol/L NaOH 和 0.3 mol/L HCl使其维持在 7.5 ±0.1，其他条件参数与母反应器保持一致。

1.4 分析项目及方法

水样经0.45 μm孔径膜头过滤后进行NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、PO34--P的检测。以上指标及MLSS、MLVSS根据中国国家环境保护署 (SEPA)标准方法进行测量 (SEPA，2002)。游离亚硝酸(FNA)检测依据Ma等报道的方法［6］。糖原(Gly)检测依据Jenkins等报道的方法［7］。气体和液体中N2O浓度以及乙酸 (HAc)和丙酸 (Pro)测量参照 Wangd等报道的方法［8］。胞外聚合物(EPS)的检测Bo Frolund报道的方法［9］。聚β羟基丁酸 (PHB)、据羟基戊酸 (PHV)、聚二甲基三羟基戊酸 (PH2MV)测量依据Oehmen等报道的方法［10］。所有的测量值为3个平行样的平均值。PHA的总量为PHB、PHV、PH2MV之和。

2 结果与讨论

2.1 缺氧反应时间对下一周期的厌氧代谢影响

如图1所示，当缺氧反应时间分别为2.5 h、3.5 h 和 4.5 h 时，缺氧吸磷率依次为 81.5%、87.9%和86.1%。值得注意的是，当缺氧时间为4.5 h，缺氧末期合成微量 PHAs(0.34 mmol C/g-VSS)，并伴随少量糖酵解 (0.32 mmol C/g-VSS)，这与传统的DPAOs系统在缺氧阶段的代谢模型不符合。通常，缺氧段PHAs降解产生能量并合成糖原。原因可能是4.5 h缺氧时间过长，电子受体缺失，造成厌氧环境，所以微生物可能利用糖原酵解来提供所需能源和能量 (即内源呼吸)。另外，3个反应器平行的NO-3-N反硝化导致Ⅰ-R1、Ⅰ-R2和Ⅰ-R3中在缺氧过程中NO-2积累情况差异不大(图1a、1b、1c)，但是在缺氧末期时Ⅰ-R1中NO2-浓度为8.8 mg/L，而Ⅰ-R2和Ⅰ-R3中缺氧末期无NO2-积累，从另一方面说明Ⅰ-R1中2.5 h缺氧时间过短，从而系统反硝化除磷效率低。

图2反映了缺氧反应时间的改变对下一周期厌氧段VFAs的吸收影响情况。不同缺氧反应时间改变其吸收效率没有明显的影响:乙酸在前90 min基本完全吸收，丙酸在前30 min完全吸收;另外，由于NO3-在本周期缺氧段前60 min基本吸收完，所以缺氧反应时间的一次冲击没有影响到下一周期VFAs的吸收。然而糖原及聚磷的降解有较大区别，从图1可以看出，Ⅰ-R3中下一周期释磷量最大，PHAs水平也最高。Ⅰ-R1、Ⅰ-R2和Ⅰ-R3在本周期的释磷量分别为 44.3 mg/L、44.4 mg/L、44.0 mg/L，下一周期释磷量依次为43.8 mg/L、44.4 mg/L和46.8 mg/L;本周期缺氧初PHAs水平依次为 2.1 mmol C/g-VSS、2.2 mmol C/g-VSS、2.2 mmol C/g-VSS，到下周期厌氧末PHAs水平依次为3.2 mmol C/g-VSS、3.3 mmol C/g-VSS 和3.4 mmol C/g-VSS。如图1所示，正是由于Ⅰ-R3缺氧段糖原酵解使得下一周期厌氧段中糖原水平较Ⅰ-R1和Ⅰ-R2低(Ⅰ-R1、Ⅰ-R2和Ⅰ-R3中下一周期厌氧初糖原水平分别为 5.5 mmol C/g-VSS、5.5 mmol C/g-VSS和5.1 mmol C/g-VSS)，造成Ⅰ-R3中降解更多的聚磷来提供VFAs合成PHAs所需的能量［11］。Zhu等研究［12］也表明，厌氧段较多糖原的酵解会产生更多的PHAs。

2.2 不同缺氧时间对反硝化除磷系统的长期影响

3个缺氧反应时间不同的反应器长期运行100 d之后，Ⅱ-R3反应器中PHAs水平最高 (Ⅱ-R1、Ⅱ-R2和Ⅱ-R3反应器厌氧初期微生物体内PHAs含量分别为 2.0 mmol-C/g-VSS、2.1 mmol-C/g-VSS和2.3 mmol-C/g-VSS)，这与试验Ⅰ结果是一致的 (如图3)。较高的PHA水平导致Ⅱ-R3反应器的反硝化速率较快。其中，Ⅱ-R1、Ⅱ-R2和Ⅱ-R3三个反应器中前30 min的硝酸盐反硝化速率依次是 1.0 mg NO-3-N/L·min、1.1 mg NO-3-N/L·min 和1.2 mgNO-3-N/L·min(如图3)。

系列Ⅰ的冲击实验表明缺氧时间过长，会导致下一周期厌氧释磷量升高，PHAs合成量升高，且在长期运行情况下形成良性循环，因PHAs水平高，吸磷效果好，导致最终微生物体内聚磷水平在Ⅱ-R3中最高 (如图3)。长期运行条件下，Ⅱ-R1、Ⅱ-R2和Ⅱ-R3三反应器中磷去除率依次为-10.4%、62.5%和 73.6%。

为进一步揭示缺氧反应时间对反硝化除磷的影响机制，在系列Ⅱ实验中，对EPS(包括糖、蛋白质、腐植酸)进行了检测 (如图4)，并对不同系列EPS的含量进行了荧光分析。在3个反应器中，缺氧段的EPS中蛋白质和腐植酸的含量明显增加，好氧段又有部分消耗。在第Ⅱ系列中，缺氧段合成的EPS中腐植酸的含量基本一致，但Ⅱ-R2中蛋白质和碳水化合物的含量分别比Ⅱ-R1少55.9% 和67.7%，比Ⅱ-R3少89.0% 和79.6%，使得Ⅱ-R2中EPS的总量比Ⅱ-R1和Ⅱ-R3分别少48.0%和70.6%(如图4)。这可能是因为Ⅱ-R3反应器内源时间较长，而长期内源过程会刺激微生物产生较多的EPS［13］。EPS会增大微生物与介质间的传质阻力［14］，进而影响基质传输速率等，另外EPS会吸附部分磷酸盐，因此在长期运行中，Ⅱ-R3中释磷量相对于另外两个反应器并未明显升高 (如图3)。

图1 缺氧反应时间对反硝化除磷效果及下一周期厌氧效果的影响:R1(a、d)、R2(b、e)、R3(c、f)Fig.1 Typical cyclic tests during period I:R1(a，d)，R2(b，e)，R3(c，f)

图2 Ⅰ系列下一周期中厌氧段乙酸(HAc)和丙酸(Pro)的变化Fig.2 The changes in HAc and Pro in sequence anaerobic phase during periodⅠ

图3 Ⅱ系列系统中各个指标的沿程变化:Ⅱ-R1(a、d)、Ⅱ-R2(b、e)、Ⅱ-R3(c、f)Fig.3 Typical cyclic tests during periodⅡ:Ⅱ-R1(a，d)，Ⅱ-R2(b，e)andⅡ-R3(c，f)

图4 Ⅱ系列污泥中EPS的组成成分Fig.4 Chemical production and composition of EPS during periodⅡ

3 小结

在反硝化除磷系统中，随着缺氧反应时间从2.5 h延长到4.5 h的长期运行，脱氮除磷效果逐渐增强，但不会影响系统内N2O的生成量。过短的缺氧时间不能使系统内生化反应完全，从而降低了脱氮除磷效果;缺氧时间设定为4.5 h时，脱氮除磷效果最好。而不同缺氧反应时间对下一周期厌氧段的运行情况的短期影响研究表明，过短的缺氧时间会导致缺氧段反硝化不完全;但是缺氧时间太长延长了水力停留时间，降低了系统的经济性。因此，在生物污水处理系统中，设置合理的缺氧反应时间具有很重要的现实意义。既要保证较好的处理效果，又要降低运行成本，必须对工艺实现有效地实时控制或者智能控制。

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