不同C/P下AOA-SBR工艺磷形态转化规律及污泥特性

曲 红,石雪颖,聂泽兵,2,李清哲,3,刘文爱,于 鸽,马云广,边德军,2*

不同C/P下AOA-SBR工艺磷形态转化规律及污泥特性

曲 红1,石雪颖1,聂泽兵1,2,李清哲1,3,刘文爱1,于 鸽1,马云广1,边德军1,2*

(1.长春工程学院,吉林省城市污水处理重点实验室,吉林 长春 130012；2.东北师范大学环境学院,吉林省城市污水处理与水质保障科技创新中心,吉林 长春 130117；3.中国市政工程东北设计研究总院有限公司,吉林 长春 130021)

采用5组厌氧/好氧/缺氧(AOA)模式运行的SBR反应器,考察不同C/P(120, 40, 24, 17, 13)下AOA-SBR系统磷形态转化规律及污泥特性.结果表明,5组反应器的COD、TN、NH4+-N去除效果均优于一级A标准.随着C/P的降低,系统TP去除量逐渐提高.C/P小于24时,TP的去除效果开始变差且波动剧烈,在C/P为40时系统TP去除效果最稳定,平均去除率为99.22%.磷形态结果表明,随着C/P的降低,污泥中各项磷形态含量均有所升高.IP是TP最主要的磷形态,不同C/P下IP占TP的含量相近(约96%).随着C/P的降低,NAIP、AP占污泥TP的含量与IP都呈先上升后下降的趋势,而OP占污泥TP的含量保持下降趋势.生物有效磷(NAIP与OP之和)对污水除磷效果影响最大,C/P为40的系统中污泥中生物有效磷占比最高,污水TP去除效果最好.污泥MLSS与SVI值随着C/P的降低而增大,C/P较低的系统有发生污泥膨胀的风险.高通量测序表明,随着C/P的降低,除外,PAOs与DPB含量均有所下降,污水TP去除效果较差且波动较大.

AOA-SBR工艺；C/P；磷形态；污泥特性；PAOs

污水厂尾水磷超标排放是导致缓流水体富营养化的主要成因.近来,随着人们生活水平的提高,污水总量逐年增加、污水结构逐渐向低C/N和低C/P转变,这产生了污水处理碳源不足的问题[1],加大了污水除磷脱氮的难度.

低碳源背景下的污水处理已成为目前研究热点之一.大部分研究显示,C/P为30时系统除磷效果最好,过高或过低的C/P均会对污水处理效果产生不良影响.不同的C/P会改变微生物的种群结构与代谢能力,进而影响污泥的性状特征和污染物的去除效果.高C/P下聚糖菌(GAOs)具有比聚磷菌(PAOs)更强的碳源竞争与代谢能力而成为系统的优势菌种,弱化系统除磷能力[2].低C/P下碳源的严重缺乏使得PAOs聚磷释磷能力遭到大幅削弱[3].目前大多数研究偏向微观视角,聚焦于不同C/P下微生物变化与污水处理效果的关系.然而对于磷在介质中的转化和改变,即液相磷向固相磷转变后的磷形态变化过程研究较少.同时,近年来为探究节省碳源,优化碳源利用模式的污水处理工艺,Tsuneda等[4]利用反硝化除磷原理,将后置缺氧反硝化除磷系统与序批式运行相结合,首次提出序批式AOA系统的概念.序批式AOA系统在缺氧段可以利用聚羟基脂肪酸(PHB)等内碳源实现反硝化除磷与传统SBR工艺运行灵活等优势相结合,表现出节省碳源和药耗能耗,处理效果好等特点.

根据上述实际问题及技术背景,本文通过考察AOA-SBR系统不同培养阶段磷形态的变化,以磷的液相与固相转化关系为角度,阐述不同C/P下的污水的处理效果、污泥性状与微生物变化.本试验采用序批式AOA反应器重点研究不同C/P下AOA-SBR系统磷形态转化规律及污泥特性,对比分析不同C/P下AOA-SBR系统污染物去除效率、磷形态组分变化、污泥性状变化.以期为序批式AOA工程实际的应用提供技术参考,进而为水体富营养化的改善提供思路.

1 材料与方法

1.1 试验装置

图1 AOA-SBR试验装置示意

采用5个相同的SBR反应器开展试验, AOA- SBR反应器由有机玻璃柱加工而成(图1).装置内径150mm,有效高度200mm,工作容积3L.曝气装置为海利电磁式空气压缩机(ACO-318),采用玻璃转子流量计控制气量、曝气砂头扩散空气.循环周期全程采用磁力搅拌器进行泥水混合(好氧阶段曝气作用不足以使混合液均匀),其中初始厌氧阶段仅磁力搅拌,好氧阶段启动曝气,通过控制好氧尾端DO和搅拌作用实现缺氧条件.控制转子转速为350r/min,悬空曝气砂头距转子10mm.排水管、排泥管位于圆筒侧壁.装置上盖开孔,用来注射器吸取混合液样品,进行指标测定.

1.2 试验用水和接种污泥

本实验采用人工模拟生活污水为处理对象.称取定量的淀粉、高岭土、NaAc、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3、牛肉膏、蛋白胨和微量元素(FeSO4·7H2O、AlCl3·6H2O、CuSO4·5H2O、ZnCl2)溶于自来水配制而成(自来水静置24h以消除余氯),药品均为分析纯.控制进水pH值在6.95～7.42之间,进水水质如表1所示.控制5个系统进水COD均为360mg/L左右,不同系统C/P分别为120, 40, 24, 17, 13.

接种污泥取自长春市某污水处理厂好氧池末端,具有一定的脱氮除磷性能.经过45d的厌氧/好氧(A/O)交替驯化,污泥具有较强的同步脱氮除磷能力.接种污泥浓度(MLSS)为(5000±300)mg/L.

表1 进水水质

1.3 反应器运行特征

预实验分析设定系统运行参数:水温(20±1)℃、排水比50%、污泥龄(SRT)60d、曝气量180mL/min,控制系统序批式运行.系统采用厌氧阶段初始一次性投加碳源,控制厌氧段、好氧段和缺氧段DO分别为0, 2～4和0.5～0.9mg/L.每天运行2个周期,每周期12h,确定厌氧、好氧和缺氧时间分别为1, 5和2h,闲置4h.培养期运行天数20d,中期30d,稳定期20d.稳定阶段,每周排泥350mL以控制SRT为60d,并保持稳定的MLSS和系统稳定性.

SBR1～5分别对应C/P:120, 40, 24, 17, 13,此外,将AOA-SBR工艺的厌氧段、好氧段和缺氧段分别记为A1、O和A2,其中A2段末沉淀后上清液记为反应器出水.

1.4 分析方法

1.4.1 污水水质指标检测方法 用注射器吸取污泥混合液和周期结束沉淀出水,并立即进行检测分析.采用国标法[5]测定COD、TN、NH4+-N、TP等指标,NO3--N采用离子色谱法,MLSS采用重量法.

1.4.2 污泥磷形态检测方法 污泥磷形态的测定采用欧洲标准测试测量组织提出的SMT协议,即化学连续提取SMT法.该方法将污泥TP分为无机磷(IP)和有机磷(OP),又将IP分为非磷灰石态无机磷(NAIP)和磷灰石态无机磷(AP).其中NAIP指吸附在铁、锰、铝氧化物及其氢氧化物表面的不稳定弱结合态磷;AP指各种与Ca结合的惰性磷;NAIP与OP合称为生物有效磷,能直接被微生物利用.每个提取步骤中上清液(pH值调至中性)含量均以正磷酸盐形态用钼酸铵分光光度法测定,具体步骤如图2所示.本实验在运行前期(10d),运行中期(30d),运行末期(60d)从排泥管处取曝气阶段泥水混合液进行磷形态分析.

图2 化学连续提取SMT法

1.4.3 微生物高通量测序方法 微生物菌群结构采用16SrRNA高通量测序,其测序步骤包括微生物总DNA提取、目标PCR扩增、扩增产物回收纯化、扩增产物荧光定量、测序文库制备、上机高通量测序,之后对上述各样本序列按照97%的序列相似度进行归并以及OTU的划分,最后将每个OTU中丰度最高的序列与细菌数据库的模板序列进行对比,即可获得每个OTU所对应的分类学信息.

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果分析

2.1.1 COD去除效果分析 不同C/P下AOA-SBR工艺的进出水COD浓度及去除率随时间变化情况如图3所示.系统运行前20d为微生物的培养驯化阶段.该阶段进水COD浓度由250mg/L逐步增加到350mg/L并保持稳定.由图3可知,5组不同C/P的AOA-SBR系统进水COD均值为352.50mg/L,出水COD均稳定在(33.82±5)mg/L,去除率均达到90%以上.碳源在AOA-SBR系统的3个循环阶段均有降解,在厌氧阶段主要进行活性污泥吸附絮凝、反硝化菌代谢、厌氧同化、PAOs吸收挥发性脂肪酸(VFAs)合成PHB贮存能量等作用.在好氧段主要为微生物的同化作用,微生物把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质或能量储存.本系统后置的缺氧反应区,有利于反硝化聚磷菌(DPB)的富集,反硝化作用增强,污水中COD浓度进一步下降.结果表明,C/P不影响AOA-SBR系统COD的去除,5组AOA-SBR系统的循环特性使得微生物具有较高的活性,出水COD均优于GB18918-2002一级A标准[6].

图3 不同C/P下AOA-SBR工艺COD去除效果分析

2.1.2 NH4+-N去除效果分析 由图4可知,5组AOA-SBR工艺进水NH4+-N均值为29.79mg/L,出水NH4+-N均低于0.5mg/L,去除率接近100%.同普通SBR工艺相比,AOA-SBR工艺在A2段,氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)仍可利用系统中有限的DO发生硝化反应,NH4+-N浓度进一步下降,实现了较为彻底的去除,为反硝化除磷和同步硝化反硝化(SND)提供条件.综上,C/P不影响AOA-SBR系统NH4+-N的去除,AOA-SBR特殊的后置缺氧区为NH4+-N的去除提供了有效的保障.

图4 不同C/P下AOA-SBR工艺NH4+-N去除效果分析

2.1.3 TN去除效果分析 不同C/P比AOA-SBR系统的TN去除效果如图5所示,系统平均进水TN浓度为36mg/L.运行60d后,各系统的出水TN浓度稳定在7mg/L左右,优于GB18918-2002一级A标准.TN在A1段主要为稀释作用,由于此阶段污水中缺少NO3--N不进行反硝化反应,污水中TN保持稳定.在O段主要发生硝化作用,NH4+-N大量转化为NO3--N,且该阶段存在较强的SND作用TN缓慢降解,NO3--N未有较大积累.A2段主要依赖于系统培养的DPB和内源反硝化菌共同的代谢作用.缺氧段碳源的缺乏产生了以NO3--N为电子受体,以胞内糖原为电子供体的后置反硝化反应[7-8].水中的NO3--N转化为N2,污水中的TN浓度再次下降,最终去除率达到75%左右,由此可知后置缺氧段可以明显提高系统的脱氮效率.对比SBR1～5,SBR2(C/ P=40)系统经培养一个月后稳定状态TN去除率始终维持在80%以上,远高于其他反应器.这可能与不同C/P下优势菌种的选择有关,由高通量测序可知在SBR2系统中两类DPB即气单胞菌属()和β-变形菌纲脱氯菌属()占比最高分别为2.40%、0.88%,为系统的反硝化脱氮除磷提供了保障.

图5 不同C/P下AOA-SBR工艺TN转化规律分析

2.1.4 TP去除效果分析 由图6可知,AOA-SBR工艺中SBR1、SBR2出水TP低于0.5mg/L,优于一级A排放标准.进水C/P比对系统TP的出水效果影响较大,随着C/P的降低,系统TP的去除率先升高至99%后降至30%.产生此现象的原因主要在于系统不同功能微生物菌群对于碳源的争夺和系统的磷吸附能力差异.一方面当进水C/P过高时, GAOs的强碳源竞争力使得PAOs难以成为优势菌种[9-10];另一方面当进水C/P过低会导致PAOs厌氧释磷不充分,产生的PHB较少,好氧吸磷量也因此受到限制[4].对比SBR1～5,在运行中期(第20～50d)时进水磷浓度的升高对应着磷的去除量有所提升,去除量均值分别为2.52, 9.01, 14.09, 13.80, 15.55mg/L,结果表明低C/P下AOA-SBR系统仍具有较强的磷吸收能力.不同C/P下AOA-SBR系统磷的去除量和转化率皆不同,磷的去除途径主要为存在介质的转变,即从液相磷到固相磷的转化.因此研究富磷活性污泥的磷含量和磷形态对掌握污水TP去除规律是很有必要的.为此,开展了污泥磷形态的试验研究.

图6 不同C/P下AOA-SBR工艺TP去除效果分析

2.2 不同C/P下AOA-SBR系统污泥磷形态转化规律

污泥中TP及磷形态测定采用化学连续提取法(SMT法),该方法通过采用不同类型的选择性提取剂连续地对活性污泥样品中的不同形态磷进行提取,根据各级提取剂的用量反映各类磷形态的含量[11-12].磷形态及其分布影响着污水处理的效果与污泥磷回收的效率.此外,磷的释放机制、稳定性及其生物有效性也与磷形态密不可分[13-14].因此通过污泥磷形态入手探索不同磷形态对污水处理效果的影响,减少污泥中磷酸盐的二次释放,是解决水体富营养化的关键.

2.2.1 培养期 在培养期,随着C/P的降低,污泥中各项磷形态总量均有所上升.不同C/P下污泥TP含量分别为26.20,37.60,43.40,46.90,48.80mg/g,污泥TP含量随着C/P的降低而增加.这与Sudiana等[15]的研究结果:低C/P(100:10)条件下污泥TP含量远高于高C/P(100:2)的系统一致.污泥TP由IP和OP组成,IP分别占TP的84.35%、84.18%、86.64%、85.50%和84.32%.IP是TP的主要成分,这与文献[16-19]研究结果一致,TP含量的改变主要受IP含量的影响. TP中OP含量较少,均值约为15%.本实验进水TP浓度从3mg/L增加至27mg/L,而污泥中OP含量也仅从0.41%增加到0.77%,可见进水TP的增加对培养阶段污泥OP含量的影响不明显.分析原因在于不同C/P下系统均保有较强的代谢性能,大部分作为生物有效磷成分的OP被快速分解利用,OP随着进水TP增加的增幅微弱.NAIP与OP合称为生物有效磷,包括可以被立即使用的磷或经过自然发生的物理、化学、生物过程转变而成的可利用的形态磷,在一定情况下可作为污泥能否被填埋处置的标准之一[20].因此在一定条件下,生物有效磷含量高的剩余污泥进入水体中,会释放可被生物利用的磷酸盐,加速水体富营养化的进程.在培养阶段,微生物处于生长繁殖阶段,营养物质充足,外界良好的生存环境与空间使得微生物处于活跃状态,不同C/P下生物有效磷含量均为20～30mg/g左右,系统培养驯化较为成功,污水处理效果逐渐增强并趋于稳定.但处于良性增长阶段的活跃态污泥中生物有效磷含量较高,应妥善处理以降低环境危害.

2.2.2 中期 在系统中期,不同C/P下AOA-SBR系统污泥TP分别达到30.30,44.80,53.30,58.00, 60.50mg/g.经过培养段的适应期,污泥在中期得到妥善的驯化,不同C/P的出水TP浓度降低,下降范围为0.02～9.20mg/L.在中期低C/P下生化系统仍具相对有较强的聚磷性能.由图7可知,中期不同系统中IP含量持续增加,不同C/P系统IP含量分别为29.36, 41.60,51.36,54.52,54.60mg/g.占TP的比例分别为96.90%、92.86%、96.36%、94.00%、90.25%.其中C/P为120的情况下IP占TP的比例最高为96.90%,C/P为13的情况下IP占TP的比例最低为90.25%,分析认为可能与PAOs的代谢活性有关,IP占TP比例愈高反映出PAOs代谢活性愈高,出水TP效果愈好.中期不同C/P下OP变化不明显,微弱的增加应是进水TP浓度增加所致.生物有效磷NAIP与OP之和在C/P为120和40时占TP比例最高,分别为82.28%与73.30%,在C/P为24, 17, 13时百分含量均低于65%.这可能的原因是,C/P为120和40的系统碳源相对充足,有利于竞争碳源能力较弱的PAOs富集,系统具有较高的生物有效磷,污水处理效果也较好.

2.2.3 稳定期 在系统的稳定期,不同系统污泥TP含量分别为35.40,49.80,58.30,63.00,65.00mg/g.污泥TP含量随着进水TP浓度的升高而增加,当污泥TP含量达到6%左右时接近饱和.这与郝王娟等[21]等采用2组SBR工艺探究污泥磷含量,当进水C/P为10时(进水TP=20mg/L),活性污泥含磷量为6.70%的结果相近.略低于周娜等[22]采用的A2O- SBR系统进水TP浓度为30mg/L时,污泥含磷量为9.23%的结论.污泥中TP含量上升幅度不同的成因可能有两点,一是与不同C/P下优势菌种的选择有关,C/P的降低促进了PAOs的生长,且进水TP的增加为PAOs的好氧吸磷作用提供了充足的原料,使得污泥中TP含量上升;二是随着C/P的降低,污水中碳源竞争的压力逐渐增大,微生物为抵抗外界不利的生存条件分解自身的胞外聚合物(EPS),减弱了EPS中高价阳离子对磷的吸附作用[23].此外,在极端条件下微生物发生了细胞自溶现象,细胞中的磷脂双分子层被打破,细胞核中的脱氧核糖核苷酸(DNA)与核糖核苷酸(RNA)释放,均使得水相中的磷含量上升.在稳定期,不同C/P下,各系统IP占TP的含量均保持在95%左右.NAIP为IP的主要形态,分别占IP形态的70.83%、81.40%、72.06%、77.05%、76.48%. C/P为40时,污泥NAIP含量最高.由SBR2污水处理效果可知,C/P为40时,系统具有更好的除磷效果. NAIP含量升高表明生化系统中PAOs等与除磷有关的微生物占据主导地位,且具有良好的代谢水平.AP主要包含与Ca结合的各种磷形态,该形态磷具有较低的生物可利用性,对污水处理效果无明显影响.OP占TP的含量较低,稳定期不同C/P的OP含量介于3%～6%之间,这与杨小梅[19]A/O-SBR反应器中OP百分比含量为1%～8%的结果类似,略高于郭超等[24]探究的SBR反应器中除磷颗粒污泥2.4%～3.0%的OP含量稳定期生物有效磷含量分别为2.56%、4.08%、4.26%、4.90%和5.03%,占比TP分别为72.32%、81.74%、73.07%、77.78%和77.38%.生物有效磷是一种易被动植物吸收利用的磷形态,是动植物代谢活动的磷来源.然而有研究表明,不同磷形态释放到上覆水中的难易程度具有很大差别,因温度、pH值、水动力条件与生物扰动等因素变化的只有活性的铁铝锰的氧化物及其氢氧化物上的吸附态磷[25],因此将含有高浓度生物有效磷的污泥填埋会增加水体富营养化的风险.

C/P为40的AOA-SBR系统出水TP处理效果稳定且始终优于一级A排放标准,分析最主要原因是进水磷低,且该系统污泥TP中IP含量占比较高,IP中NAIP占比最高为81.40%,OP含量占TP含量也高达6.83%.NAIP与OP作为生物有效磷,一定程度上从侧面反应了PAOs的优势菌种地位,其含量越高越有利于污水中TP的去除.但NAIP受外界因素影响较大,被认作为评价污泥短期和长期可利用磷的重要手段[26].高NAIP污泥填埋处理后经过地质自然作用容易释放到上覆水体中,改变湖泊海洋的营养状态.因此,污水处理过程中产生的高生物有效磷污泥应妥善处理,以避免加重水体富营养化.

2.3 不同C/P对AOA-SBR工艺污泥特性的影响

2.3.1 MLSS与SVI的变化规律 活性污泥是微生物附着的载体,MLSS从客观上可以反映环境中微生物量的宏观变化,影响着系统的脱氮除磷能力.图9为不同C/P下各系统MLSS和SVI的变化规律, SBR1～5稳定后MLSS值分别为(3900±500), (4000±500), (4300±500), (4200±500), (4600±500)mg/ L,C/P为13时,MLSS值最高.

图8 不同C/P下AOA-SBR系统MLSS 和SVI变化情况

SVI反映的是污泥的沉降性能,在稳定阶段各C/P系统SVI分别约为80, 75, 105, 105, 120mL/g. C/P为40时活性污泥具有更好的沉降性能且具有最佳的污水处理效果,由高通量测序可知,这可能是因为系统PAOs占据优势地位且具有较高的活性.研究表明,PAOs的菌群密度较大,污泥中PAOs的增加或者污泥TP含量较高时,有利于改善污泥的沉降性能[27],减少污泥膨胀发生的可能性,这可能稳定期是SBR2沉降性能良好的原因.随着C/P的降低,SVI值升高.C/P为13时SVI值最高,由高通量测序可知,该系统中丝状菌含量较高导致污泥沉降性能变差,后期有发生污泥膨胀的风险.

2.3.2 比耗氧速率(SOUR)的变化规律 SOUR指的是单位质量的活性污泥在单位时间内所利用的氧的质量,将混合液内活性污泥对氧气的消耗量标准化,单位为mgO2/(gMLSS·h).SOUR可反映出微生物的代谢活性强度,在实际水处理过程中常被用作为一项重要的水质控制参数.

如图9所示,在厌氧初始阶段,C/P为40, 24, 17的系统SOUR值均为12mgO2/(gMLSS·h)左右,微生物代谢活性较强.在好氧阶段,SOUR已降至2mgO2/(gMLSS·h),此时系统营养物质缺乏,微生物进入内源呼吸期.在缺氧阶段,SOUR基本维持稳定水平,甚至略有升高,表明该周期污染物已基本降至最低水平.值得注意的是,C/P为120和13的系统在初始阶段的SOUR明显低于其他C/P,分别为7和4mgO2/(gMLSS·h).表明这2个系统厌氧阶段污泥活性低于其他系统.原因可能是由于C/P为120的生化系统PAOs数量和活性远低于高磷生化系统,系统生化性较低;另一方面,C/P为13的系统PAOs性能已趋于饱和状态且微生物种类比较单一,故系统表现出较低的活性.

稳定期SBR2系统具有良好的污染物降解效果,该系统在缺氧段前期SOUR升高至5mgO2/ (gMLSS·h),表明系统在此阶段仍具有较高的生物活性,能够进行一定的污染物降解和转化.结合上文污染物去除效果可知,可能是DPB吸收了VFAs为碳源,以NO3--N为电子受产生了同步脱氮除磷效果,系统各项污染物浓度均得到下降,出水效果良好.

图9 不同C/P下系统SOUR历时变化规律

2.4 不同C/P下AOA-SBR工艺菌群结构变化分析

由图10可知,系统中主要存在丝状菌属()、伯克氏菌属(--)、不动杆菌属()、聚磷菌属()、气单胞菌属()、聚糖菌属(-)等优势菌属.在污水厂原泥样本(Origin)中,没有、--的存在.

各类菌种均具备有机物降解能力,主要的脱氮菌为Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia、Acinetobacter.主要的除磷菌为Tetrasphaer、Aeromonas.

在5个C/P系统中,始终是系统的优势菌属,比例分别为33.82%、29.24%、34.55%、36.52%、38.10%.当C/P逐渐降低,在系统中所占的比例逐渐增加,结果表明污泥TP的增加会刺激数量的增长.

从系统的脱氮效果分析,在C/P为120的系统中菌属占比极低,在C/P为40, 24, 17, 13系统,其比例分别为17.29%、20.13%、18.06%、21.64%.随着C/P的降低,生物有效磷百分含量的减少,加上后置缺氧AOA-SBR系统的特殊性可能促进了-的富集.--具有同步硝化、好氧反硝化的能力,此类菌种的存在有利于强化系统的脱氮能力[28].能够对复杂有机物进行生物降解,不同C/P下此类菌种含量相当,因此不同C/P下,各系统COD出水效果好且各组间差异性小.此外,(PHB)某些细菌具有类似于DPB的功能,能够利用NO3--N为电子受体氧化PHB,使硝酸盐氮氧化成氮气的同时超量摄取环境中的磷酸盐,此类菌种的存在增强了系统的同步脱氮除磷效果[29].SBR1的TP出水效果好,与其含量占比最多有一定的关系.

对系统除磷产生的影响的主要菌群为与其中,被认定为PAOs的一种,主要在厌氧/好氧交替模式下发挥除磷功能,本系统AOA的运行模式有利于r的富集,可利用环境中的大分子有机物(如淀粉等)和VFAs(如葡萄糖、乙酸钠等)进行厌氧释磷,在好氧段超量吸磷[30],提高了系统的除磷效率,有利于高效除磷.随着C/P的降低,其比例分别为3.27%、2.32%、2.12%、1.75%、2.13%.在高C/P下,生物有效磷、OP含量占污泥TP含量较高,的相对丰富度高,系统的除磷效果良好且保持稳定.为DPB的一种[31],其比例随着C/P的减小而减小,占比分别为2.44%、2.40%、2.12%、1.59%、1.23%.综上所述,磷浓度的增加与碳源的减少,伴随着生物有效磷百分含量的减少,此环境不利于PAOs的生长繁殖,削弱了系统的除磷效果.当C/P为40时,系统达到2.4%,这保障了该系统反硝化除磷的进行.

综上所述,随着C/P的降低,污泥TP升高,的比例上升,系统COD去除效果较好但有发生污泥膨胀的风险,的比例上升可能是生物有效磷的百分含量升高和本实验后置缺氧反应区的共同作用强化了系统的脱氮能力.其余优势菌种除外,均随着C/P的减少,污泥TP浓度的升高,生物有效磷浓度的降低,菌种含量有所下降,特别是大部分的PAOs与DPB,因碳源竞争能力较弱,其作为优势菌种的地位愈发薄弱.

图10 不同C/P下污泥微生物属水平优势类群分类

3 结论

3.1 不同C/P不影响AOA-SBR工艺COD、NH4+- N、TN去除,且出水均优于一级A标准.C/P为120, 40的系统污水TP去除效果良好.随着C/P降低,TP去除率降低,但系统TP去除能力增强,TP去除量由3mg/L逐渐升高至16mg/L.C/P值为40的系统TP去除率高达98.6%.

3.2 随着C/P的降低,污泥中各种磷形态含量均有所上升.不同C/P下IP占TP的含量均为96%左右,IP是TP最主要的磷形态.NAIP、AP与IP的变化情况一致.OP占污泥TP的含量随着C/P的增大而减小. C/P为40的系统NAIP、OP含量最高,这保证了系统磷去除率.

3.3 MLSS与SVI随着C/P的减少而增加,但均未发生污泥膨胀现象.随着C/P的增加,SVI值上升,污泥沉降性能开始变差,C/P为40的系统污泥沉降性能最好.

3.4 后置缺氧AOA-SBR工艺有利于脱氮功能菌群富集,提升系统脱氮能力.随C/P的降低,污泥TP升高,生物有效磷百分含量低,PAOs也逐渐降低.

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Phosphorus morphology transformation law and sludge characteristics of AOA-SBR process under different C/P.

QU Hong1, SHI Xue-ying1, NIE Ze-bing1,2, LI Qing-zhe1,3, LIU Wen-ai1,YU Ge1, MA Yun-guang1, BIAN De-jun1,2*

(1.Changchun Institute of Technology, Key Laboratory of Jilin Urban Sewage Treatment, Changchun 130012, China；2.Science and Technology Innovation Center for Municipal Wastewater Treatment and Water Quality Protection, School of Environment, Northeast Normal University, Changchun 130117, China；3.China Northeast Municipal Engineering Design and Research Institute, Changchun 130021, China)., 2022,42(1)：92～101

Five groups of SBR reactors operating in anaerobic, aerobic, anoxic(AOA) mode were used to investigate the transformation rules of phosphorus morphology and sludge characteristics of AOA-SBR system under different C/P(120,40,24,17,13). The results showed that the removal effect of COD, TN and NH4+-N all outperformed the primary A standard. As the C/P decreased, the system TP removal gradually increased. When the C/P was less than 24, the removal effect of the TP began to deteriorate and fluctuate violently. When the C/P was 40, the system was the most stable, with an average removal rate of 99.22%. The results showed that with the decrease of C/P, the phosphorus forms in the sludge increased. IP was the main phosphorus form of TP, and IP was similar under different C/P (about 96%). As C/P decreased, the content of sludge TP and IP decreased, while OP content of sludge TP maintained a downward trend. Biological effective phosphorus (the sum of NAIP and OP) had the greatest impact on sewage phosphorus removal effect, with the highest proportion of bioeffective phosphorus in the sludge with C/P 40, and the best sewage TP removal effect. MLSS and SVI increased with C/P, while the risk of sludge expansion the lower C/P systems.High-throughput sequencing showed that with the decrease of C/P, both PAOs and DPB content decreased except for, and the sewage TP removal effect was poor and fluctuated greatly.

AOA-SBR process；C/P；phosphorus form；sludge characteristics；PAOs

X703

A

1000-6923(2022)01-0092-10

石雪颖(1998-),女,山西太原人,长春工程学院硕士研究生,主要从事污水处理技术与理论研究.

2021-06-06

国家自然科学基金资助项目(51878067);吉林省科技发展计划项目(20200201005JC)

* 责任作者, 教授, ccgcxybiandj@163.com