SPNED-PR系统内PAOs-GAOs的竞争关系及其氮磷去除特性

王晓霞,王淑莹,赵 骥,戴 娴,彭永臻 (.北京工业大学,国家工程实验室,北京市水质科学与水环境科学重点实验室,北京 0024；2.青岛大学,水污染控制实验室,山东 青岛 26607)

实现城市污水的达标排放,是解决水体富营养化的关键[1-2].然而,采用传统生物脱氮除磷工艺进行城市污水处理时,始终存在着脱氮与除磷过程对有限碳源、溶解氧(DO)和污泥龄(SRT)等方面的矛盾与竞争,使得污水的脱氮与除磷不能同时达到最好[3].

同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)技术[3-4],实现了强化生物除磷(EBPR)与同步硝化内源反硝化(SNED)的耦合,将其用于污水的脱氮除磷,不但工艺流程简单,且具有非常显著的优势.在厌氧条件下, SNEDPR系统内聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)可同时利用污水中的碳源进行内碳源(聚羟基脂肪酸,PHAs)的储存;在低氧条件下,硝化菌群将污水中的氨氮()转化为亚硝酸盐氮()和硝酸盐氮(), PAOs进行好氧和反硝化除磷,同时, GAOs进行内源反硝化脱氮.与传统生物脱氮除磷工艺相比,SNEDPR系统内聚磷菌(PAOs)富集程度较高,可实现污水的高效、稳定除磷;且好氧段SNED的产生可降低出水中和的含量,在提高系统脱氮效果的同时,减少和对下一反应周期释磷过程的影响[3].此外,通过结合延时厌氧搅拌技术,可进一步提高原水中有限碳源的利用率及内碳源PHAs的储存率,进而为后续低氧段吸磷过程及SNED脱氮过程提供充足的内碳源,避免外碳源的投加,并同时节省曝气能耗[5-6].

目前有关采用同步硝化反硝化除磷技术进行低C/N污水脱氮除磷时,脱氮过程仍主要是通过全程反硝化实现的,系统内短程反硝化率较低[7-9].此外,关于采用实时控制同步短程硝化内源反硝化除磷(SPNED-PR)技术进行低C/N比污水脱氮除磷还未见报道,且有关该系统内PAOs和GAOs在低氧段氮磷去除中的贡献比例,两者之间对不同电子受体(DO,和)的竞争机理尚不清楚.本文以实际生活污水(C/N约为4)为处理对象,采用3组序批式反应器(SBR),研究了不同DO、和浓度分别对SPNED-PR系统氮磷去除特性和底物转化特性的影响;并通过基于系统内功能菌的代谢模型[4],分析了不同电子受体条件下PAOs和GAOs在氮去除中贡献比例的变化情况,确定了该系统内PAOs和GAOs的竞争关系,以期为进一步提高SPNED-PR系统的脱氮除磷性能及其在中小型污水处理厂的推广应用提供试验数据支撑.

1 试验材料和方法

1.1 主反应器

试验用泥取自本实验室运行220d的SPNED-PR主反应器,其为序批式反应器(SBR),采用有机玻璃制成,有效容积为10L.每天运行4个周期,每周期进水4L.主SBR在延时厌氧搅拌/低氧曝气搅拌交替的条件下运行,运行工序为:厌氧150min(包括进水10min),好氧180min(包括末期排泥2min),沉淀20min,排水5min,静置5min.反应器内污泥浓度维持在(2200±300)mg/L,SRT为11.6d,好氧段DO浓度控制在0.5～0.7mg/L.系统经220d驯化后,已实现稳定的氮磷去除性能.系统出水浓度稳定低于0.5mg/L,去除率高达95%,TN去除率达80%以上.系统好氧段亚硝酸盐积累率平均达94.3%.

此外,按照Amann等[10]的操作方法进行荧光原位杂交技术(FISH)分析,结果显示该系统内PAOs 约占全菌总数 29%±3% (包含49.2%的反硝化聚磷菌(DPAOs,根据Wachtmeister等[11]分析方法)); GAOs约占全菌总数的33%±3%; AOB和NOB分别约占全菌总数的14%±3%和4%±2%.本试验FISH分析过程中采用的聚磷菌探针为PAOmix,由PAO462, PAO651和PAO846按相同比例混合而成;全菌探针为EUBmix,是由EUB338,EUB338II和EUB338III按相同比例混合而成;聚糖菌探针为GAOmix,由GAO431和GAO989按相同比例混合而成[12]. AOB探针由NSO1225和NSO190混合而成; NOB探针包括NIT3和Ntspa662[12].

1.2 试验方案设计

图1 批次试验SBR试验装置示意Fig.1 Experimental device for batch SBR tests

不同DO浓度(0.5, 1.0, 1.5和2.0mg/L)、浓度(5, 10, 15, 20, 27, 33和40mg/L)和浓度(5, 10, 15, 20, 27, 33和40mg/L)对SPNED-PR系统氮磷去除特性、内碳源转化特性和PAOs-GAOs竞争关系的影响试验在3组批次试验(1#:DO,曝气搅拌150min;2#:,缺氧搅拌150min;3#:,缺氧搅拌150min)中进行.批次试验装置为小型SBR,有效容积1.0L(图1),采用磁力搅拌器进行搅拌,其转速为100r/min.试验过程中,取主SBR厌氧末期混合活性污泥,经清洗后平均分装到批次SBR中,并保证每个批次SBR中活性污泥浓度(MLSS)控制在2000mg/L左右,初始浓度在25mg/L左右.1#试验过程中,通过调整曝气量,使4组批次SBR中DO浓度分别维持在所需试验值;2#试验过程中,通过分别向7组批次SBR中投加不同体积的亚硝酸钠母液(3g/L),使其初始浓度分别维持在所需试验值;3#试验过程中,通过分别向7组批次SBR中投加不同体积的硝酸钠母液(3g/L),使其初始浓度分别维持在所需试验值.此外,试验过程中pH值维持在7.4～7.6之间,并每隔10min进行取样检测、、、PHAs和糖原浓度.

1.3 试验用水和接种污泥

主SBR试验用水取自北京市某家属区化粪池生活污水,具体水质为: COD浓度为142.4～268.3mg/L,浓度为50.2～69.4mg/L,浓度＜1mg/L,浓度＜1mg/L,浓度5.1～7.9mg/L, pH值为7.2～7.6.主SBR启动时的接种污泥取自某大学处理生活污水的短程硝化反硝化中试SBR,且其具有正常的脱氮除磷性能.

1.4 检测分析方法

1.5 PPAOs和PGAOs的计算方法

在SPNED-PR系统,氮的去除主要是通过PAOs的反硝化除磷过程和GAOs的内源反硝化过程实现的[4].PPAOs和PGAOs分别指PAOs和GAOs在该系统内源反硝化脱氮过程中的贡献比例.其计算方法分别见公式(2)和公式(3):

式中:NRA为氮去除量,mg(N)/L;NRAPAOs和NRAGAOs分别为PAOs和GAOs的氮去除量,mg(N)/L,其中以为电子受体时分别称为NiRAPAOs和NiRAGAOs,以为电子受体时分别称为NaRAPAOs和NaRAGAOs; 1.71和2.10分别为PAOs以和为电子受体进行反硝化除磷过程中/Δ的值, mgP/mgN[14-15]; PUA为PAOs在反硝化除磷过程中的吸磷量, mg(P)/L.

2 结果与讨论

2.1 DO浓度对SPNED-PR系统内PAOs和GAOs活性的影响

由图2可知,当DO浓度由0.5mg/L逐渐升高至2.0mg/L时, SPNED-PR系统内吸磷速率(PUR)和吸磷量(PUA)变化不明显,其分别维持在约10.3mgP/(gVSS·h)和25mg/L;且反应末期浓度均在0.5mg/L以下.此处的PUR是通过对不同DO浓度条件下吸磷曲线上前80min的点进行线性拟合得出的.说明DO浓度对SPNED-PR系统吸磷特性的影响并不明显,且低DO浓度也几乎未影响PAOs的好氧吸磷特性.

图2 不同DO浓度条件下SPNED-PR系统吸磷和内碳源转化情况Fig.2 Phosphorus uptake and intracellular carbons transformations in the SPNED-PR system at various DO concentrations

从图2还可看出,当DO浓度由0.5mg/L逐渐升高至2.0mg/L时,SPNED-PR系统内PHAs和糖原变化量(ΔPHAs和ΔGly)也分别维持在6.2mmolC/L和4.9mmolC/L.由于该系统内的去除只是通过PAOs的作用实现的,并且已知PAOs进行好氧吸磷时的内源代谢化学计量学参数PUA/ΔPHAs值和ΔGly/ΔPHAs值分别为0.41molP/molC和0.42molC/molC[16],可估算出PAOs在系统内碳源转化过程中的贡献比例,用ΔPHAsPAOs/ΔPHAs值的百分比来表示(其中ΔPHAsPAOs为通过PAOs吸磷过程消耗的PHAs量).不同DO浓度条件下ΔPHAsPAOs/ΔPHAs值稳定保持在32.5%(图2),说明DO浓度几乎未对系统内PAOs和GAOs的好氧代谢过程产生影响,即不同DO浓度条件下PAOs和GAOs之间几乎不存在DO竞争.此外,不同DO浓度条件下PUA、PUR和ΔPHAsPAO的稳定维持,说明SPNED-PR系统PAOs的好氧吸磷过程是实现系统稳定除磷的主要途径.

由图3可知, SPNED-PR系统内PAOs和GAOs以为电子受体进行脱氮除磷时,随着浓度的升高,去除速率(NiRR)和PUR均呈现先升高后趋于稳定再逐渐降低的趋势.当浓度由4.7mg/L逐渐升至14.7mg/L时,NiRR和PUR分别由1.34mgN/(gVSS·h)和0.61mgP/(gVSS·h)迅速增加到2.42mgN/(gVSS·h)和2.02mgP/(gVSS·h);此后,当浓度继续增加至26.2mg/L时, NiRR稳定保持在2.42mgN/(gVSS·h)左右,但PUR缓慢降低至1.90mgP/(gVSS·h);最后,当浓度增加至39.9mg/L时,NiRR和PUR分别降低至2.28mgN/(gVSS·h)和1.68mgP/(gVSS·h).此处的NiRR和PUR是通过对不同浓度条件下去除曲线和吸磷曲线上前80min的点进行线性拟合得出的.此外,不同浓度条件下去除量(NiRA)和PUA也均随着浓度的升高呈现先升高后趋于稳定再逐渐降低的趋势,并均在浓度为20.5mg/L时达最大值,分别为15.1mg/L和12.7mg/L.

图3 不同浓度条件下SPNED-PR系统的氮磷去除情况Fig.3 Phosphorus and nitrite removal characteristics in the SPNED-PR system at various concentrations

本实验得出的SPNED-PR系统内反硝化除磷过程中亚硝抑制浓度与其他研究结论[17-19]不同的原因可能在于本系统污泥自身的特性[20].Meinhold等[17]认为当低于5mg/L时不会影响吸磷过程,而当其大于8mg/L时会完全抑制PAOs的活性;史静等[18]认为PAOs利用进行反硝化吸磷时,抑制浓度为2.3～7.7mg/L; Hu等[19]认为当浓度达35mg/L时也不会对PAOs产生抑制.为了进一步了解浓度对本研究SPNED-PR系统内PAOs和GAOs活性的影响,对不同浓度下系统内碳源转化特性和PPAOs的变化情况进行分析(图4).

图4 不同浓度条件下SPNED-PR系统内碳源转化情况和PPAOs变化情况Fig.4 Intracellular carbons transformations and PPAOs variations in the SPNED-PR system at variousconcentrations

已知PPAOs值及PAOs在缺氧代谢过程中PUA/ΔPHAs 的理论值与GAOs在缺氧代谢过程中PUA/ΔPHAs 与NiRA/ΔPHAs的理论值分别为0.16molP/molC[21]和0.28molN/molC[4],便可估算出PAOs和GAOs在ΔPHAs的贡献值,分别表示为ΔPHAsPAOs和ΔPHAsGAOs,单位为mmolC/L(图4).从图4可以看出:当浓度由4.7mg/L逐渐升高至39.9mg/L时, ΔPHAsGAOs先升高后趋于稳定,但ΔPHAsPAOs先迅速升高,并在浓度为20.5mg/L时达到最大值2.55mmolC/L后缓慢下降.说明当浓度高于20.5mg/L后, PAOs吸磷过程中PHAs分解释能过程受到抑制,使得PAOs没有足够的能量进行磷的吸收,由此解释了图3中PUR和PUA逐渐降低的原因.至此, SPNED-PR系统内存在时,GAOs较PAOs更具竞争优势,且的去除主要是通过GAOs作用实现的;高浓度(20.5～39.9mg/L)会抑制PAOs的反硝化除磷过程,但几乎不影响GAOs的内源反硝化脱氮过程. SPNED-PR系统内GAOs所具有的较高脱氮活性有利于减弱高浓度亚硝对PAOs反硝化除磷过程的抑制作用,这也是该系统反硝化除磷过程中亚硝抑制浓度高于其他报道[17-19]的主要原因.

由图5可知, SPNED-PR系统内PAOs和GAOs以为电子受体进行脱氮除磷时,随着浓度的升高,去除速率(NaRR)和PUR均先升高后趋于稳定.当浓度由5.0mg/L逐渐升高至19.8mg/L时, NaRR和PUR分别由1.23mgN/(gVSS·h)和1.54mgP/(gVSS·h)逐渐增加到2.02mgN/(gVSS·h)和2.42mgP/(gVSS·h);此后,当浓度继续增加至40.0mg/L, NaRR和PUR分别保持在1.94mgN/(gVSS·h)和2.48mgP/(gVSS·h)左右.此处的NaRR和PUR是通过对不同浓度条件下去除曲线和吸磷曲线上前80min的点进行线性拟合得出的.此外,不同浓度条件下去除量(NaRA)和PUA也均随着浓度的升高先升高后趋于稳定,且无生成;当浓度达19.8mg/L后,两者分别保持在12.2和15.7mg/L左右.说明提高浓度可提高SPNED-PR系统的反硝化脱氮除磷性能,且高浓度(19.8～40.0mg/L)不会对其产生抑制作用.

图5 不同浓度条件下SPNED-PR系统的氮磷去除情况Fig.5 Phosphorus and nitrate removal characteristics in the SPNED-PR system at various concentrations

此外,已知PPAOs值及PAOs和GAOs在缺氧代谢过程中的PUA/ΔPHAs 和NaRA/ΔPHAs理论值分别为0.15molP/molC[21]和0.13molN/molC[4],可估算出不同浓度条件下ΔPHAsPAOs和ΔPHAsGAOs的值(图6).由图6可知,当浓度由5.0mg/L逐渐升高至40.0mg/L时, ΔPHAsPAOs和ΔPHAsGAOs均先升高后趋于稳定.不同的是, ΔPHAsPAOs在浓度达10.2mg/L后便趋于稳定(达2.37mmolC/L),而ΔPHAsGAOs则在浓度达19.8mg/L后才趋于稳定(达3.38mmolC/L).说明浓度为5.0～19.8mg/L时引起NaRA和PUA升高的原因主要在于PAOs活性的增强,而浓度为19.8～40.0mg/L时NaRA和PUA保持不变的原因在于PAOs反硝化除磷过程中PHAs氧化产能受阻[22].

图6 不同浓度条件下SPNED-PR系统内碳源转化情况和PPAOs变化情况Fig.6 Intracellular carbons transformations and PPAOs variations in the SPNED-PR system at various concentrations

2.4 SPNED-PR系统磷去除特性分析

为了解SPNED-PR系统内磷的去除特性,对比分析了不同DO、和浓度对SPNED-PR系统内PAOs吸磷过程的影响(表1).

表1 不同DO、和浓度对SPNED-PR系统内PAOs吸磷过程的影响Table 1 Effects of different DO, andconcentrations on P uptake of PAOs in the SPNED-PR system

表1 不同DO、和浓度对SPNED-PR系统内PAOs吸磷过程的影响Table 1 Effects of different DO, andconcentrations on P uptake of PAOs in the SPNED-PR system

注: “-”:未检测出; “→”:稳定维持或几乎未发生变化; “↓”:呈下降趋势; “↑”:呈上升趋势.

参数 浓度(mg/L) PUA(mg/L)PUR(mgP/(gVSS·h))ΔP/ΔN(mgP/mgN)PPAOs(%)PAOs活性 对PAOs吸磷的影响DO 0.5～2.0 25 9.76～10.95 - - → 几乎无影响4.7～20.5 1.97～12.670.61～2.03 0.43～0.8425.3～49.8↑ 浓度提高可促进吸磷过程的进行NO2--N 20.5～39.9 12.67～8.892.03～1.68 0.84～0.6249.8～36.8↓ 亚硝抑制, PAOs活性逐渐减弱5.0～19.8 5.50～15.661.54～2.54 1.10～1.3552.6～64.3↑ 浓度提高可促进吸磷过程的进行NO3--N 19.8～40.0 15.72 2.48 1.32 62.3 → 几乎无影响

由表1知, DO浓度几乎未影响SPNED-PR系统内PAOs的好氧吸磷特性,并且PAOs利用DO为电子受体进行吸磷时的除磷性能最佳,其次为和.PAOs利用DO进行吸磷时的PUR值(PURDO)远大于其利用及进行吸磷时的PUR值(PURnitrate和PURnitrite),即PURDO＞PURnitrate＞PURnitrite.此外,考虑到不同DO浓度条件下SPNED-PR系统的PUR值接近于EBPR系统的PUR值(8.2～14.3mgP/(gVSS·h))[14,23],说明该系统内磷的去除主要是通过好氧吸磷实现的,且PAOs对DO的优先利用,保证了系统的高效除磷性能.

2.5 SPNED-PR系统内PAOs-GAOs的竞争关系与氮去除特性分析

为了解SPNED-PR系统的氮去除特性及PAOs- GAOs的竞争关系,对比分析了不同DO、和浓度对系统内PAOs和GAOs反硝化特性的影响(表2).

由表2可知,不同DO浓度条件下(0.5～2.0mg/L), ΔPHAsPAOs、ΔPHAsGAOs、ΔGlyPAOs和ΔGlyGAOs均保持在相同水平,即DO浓度几乎未影响该系统内PAOs和GAOs好氧代谢活性.不同浓度条件下, GAOs在系统氮去除中的贡献比例大于PAOs, GAOs较PAOs处于竞争优势.但低浓度条件下(4.7～14.7mg/L),浓度的提高有利于PAOs反硝化除磷过程的进行, PAOs活性逐渐增强;高浓度条件下(26.2～39.9mg/L), PAOs反硝化除磷过程受到亚硝抑制, PAOs活性逐渐降低(表2).此外,不同浓度条件下, PAOs在系统氮去除中的贡献比例大于GAOs, PAOs较GAOs处于竞争优势.低浓度条件下(5.7～19.8mg/L),浓度的提高均有利于PAOs反硝化除磷和GAOs内源反硝化过程的进行, PAOs和GAOs的活性均逐渐增强,但PAOs处于竞争优势;高NO2--N浓度条件下(19.8～40.0mg/L),由于PHAs氧化产能受阻[22],两者活性趋于稳定(表2).

表2 SPNED-PR系统内PAOs-GAOs的竞争关系与氮去除特性Table 2 PAOs-GAOs competitions and nitrogen removal characteristics in the SPNED-PR system

3 结论

3.1 DO浓度几乎未对SPNED-PR系统内PAOs和GAOs的好氧代谢过程产生影响,且不同DO浓度(0.5～2.0mg/L)条件下PAOs和GAOs之间几乎不存在竞争.

3.2 SPNED-PR系统中, GAOs较PAOs具有高亚硝耐受力,可减弱高浓度亚硝对PAOs的抑制作用,进而提高系统的脱氮除磷性能.

3.5 SPNED-PR系统磷的去除主要是通过好氧吸磷实现的,且PAOs对DO的优先利用,保证了系统的高效除磷.系统内氮的去除则主要是通过GAOs内源反硝化实现的.

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