联合厌氧/微好氧的A/(O/A)n强化好氧颗粒污泥脱氮除磷

李 冬,王歆鑫,张玉君,张 杰,2

联合厌氧/微好氧的A/(O/A)强化好氧颗粒污泥脱氮除磷

李 冬1*,王歆鑫1,张玉君3,张 杰1,2

(1.北京工业大学,水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京 100124；2.哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150090；3.中国雄安集团城市发展投资有限公司,河北 保定 071000)

设置3组规格相同的SBR反应器R1、R2和R3,分别采用A/O/A-A/O/A、A/O/A-A/O、A/(O/A)-A/O方式运行,以模拟废水为进水基质,接种实验室4℃长期饥饿储存的好氧颗粒污泥及絮状污泥(70%颗粒污泥+30%絮状污泥),在相同初始条件下,探讨了不同运行方式下颗粒污泥的活性恢复情况及短程硝化反硝化除磷性能.实验结果表明,联合厌氧/微好氧的A/(O/A)交替运行模式在实现颗粒污泥的活性恢复及污染物处理性能上表现出较大的优势,R3形成了平均粒径为802.98μm的密实颗粒,分泌的胞外聚合物(EPS)含量达到了94.52mg/gVSS,表明联合厌氧/微好氧的交替运行模式刺激了微生物分泌更多的EPS,颗粒结构更稳定.在稳定运行期间,R3的COD、TP、TN去除率分别达到了92.45%、93.72%和97.24%.系统内以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌所占比例达到了51.46%,实现了氨氧化菌(AOB)与反硝化聚磷菌(DPAOs)的同步富集,具有良好的污染物去除效果.

好氧颗粒污泥(AGS)；厌氧/微好氧；短程硝化；反硝化除磷；影响因素

好氧颗粒污泥(AGS)独特的分层结构形成了自内向外的厌氧-缺氧-好氧环境,使聚磷菌、反硝化菌、氨氧化菌等得以同时生存,可以在单个反应器内完成硝化、反硝化和除磷[1-2].其中短程硝化反硝化除磷工艺具有节约碳源、减小反应器容积,节省基建投资等优点,研究表明采用间歇曝气手段能够实现良好的短程硝化性能,由于氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)对氧气的亲和力不同,低溶解氧环境下NOB的活性受到抑制,通过在厌氧和低溶解氧条件之间交替可实现同步短程硝化、反硝化和除磷,从而显著降低生物脱氮除磷的能量和碳需求[3-4].

然而,实现短程硝化需要保持较低的溶解氧量,长期维持低溶解氧水平易发生亚硝酸盐的积累进而抑制聚磷菌的活性,使生物除磷性能变差[5-7].研究表明[8],反硝化聚磷菌(DPAOs)能以亚硝酸盐为电子受体同时进行反硝化和吸磷,从而降低系统内亚硝酸盐的积累量,提高除磷效率.目前,已有研究表明在厌氧/缺氧的运行条件下能够富集一类利用亚硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌,使生物除磷与反硝化脱氮同步进行[9-10],但其中大多数是通过分步富集方法进行的,未能实现DPAOs与AOB的同步富集.对于好氧颗粒污泥而言,在厌氧/好氧/缺氧运行方式的基础上进行厌氧/缺氧的交替循环,可以创造一种持续缺氧环境,实现亚硝酸盐的积累,同时满足AOB与DPAOs的生存条件,在实现短程硝化的同时富集DPAOs以持续消耗生成的亚硝酸盐,提高系统的同步脱氮除磷性能且降低能耗.鉴于此,本研究提出了联合厌氧/微好氧的A/(O/A)交替运行模式,在实现颗粒污泥活性恢复的同时提高AOB与DPAOs的活性,达到长期稳定高效的脱氮除磷效果.

本研究设置3组不同的运行方式,讨论颗粒污泥的特性、污染物(C、N、P)的去除性能及胞外聚合物(EPS)的分泌情况等,以期为好氧颗粒污泥提供一种更稳定高效的同步富集AOB与DPAOs的运行模式.

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行方式

本实验采用3组相同高径比的有机玻璃SBR反应器R1、R2和R3,工作容积为10L,内径为14cm,有效高度为65cm.每个循环周期的容积交换率为60%.通过底部曝气柄向反应器内注入空气,转子流量计控制曝气量大小.

图1 反应器周期运行情况示意

R1采用A/O/A-A/O/A-SBR工艺运行,R2采用A/O/A-A/O-SBR工艺运行,R3采用A/(O/A)-A/O- SBR工艺运行.3组反应器每天均运行2个周期,每个周期12h,包括进水-反应-排水-补充基质-反应-出水,具体运行情况如图1所示.其中A/O/A的好氧段曝气量为0.8L/min,A/O的好氧段曝气量为0.3L/min.所有装置均通过时控开关自动控制.将每个周期分为两阶段,阶段I结束后添加基质进入阶段II.

1.2 接种污泥与实验用水

3组反应器均接种实验室在4℃且不添加基质的条件下长期储存的好氧颗粒污泥及絮状污泥(70%颗粒污泥+30%絮状污泥),接种污泥的初始污泥浓度(MLSS)约为2500mg/L.

本实验用水为模拟废水,以丙酸钠作为有机碳源,添加NH4Cl、KH2PO4、CaCl2和MgSO4.7H2O,投加NaHCO3调节碱度,各项水质指标见表1.

表1 模拟废水水质(mg/L)

1.3 批次实验

选取3组反应器中运行稳定阶段的污泥进行烧杯实验,计算系统内DPAOs占总PAOs的比例.实验方法为:在每个反应器内分别取2L运行周期末的泥水混合液,过滤后进行污泥清洗,排出上清液后定容至2L,加入丙酸钠使其COD浓度为300mg/L,在厌氧条件下进行2h的充分释磷,将污泥进行再次清洗后均分为2份,分别加定量的水定容至1L,然后加入磷酸二氢钾使烧杯内磷的浓度与厌氧2h后的磷浓度相同,其中一份不曝气,加入一定量的亚硝酸钠溶液,另一份进行曝气将DO浓度保持在2mg/L左右,分别运行3h,分别测定2个烧杯内好氧段和缺氧段的磷浓度变化,计算出最大缺氧吸磷速率和好氧吸磷速率,两者的比值即以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌在聚磷菌中所占的比例.

1.4 分析项目与检测方法

每2d测定一次阶段I和阶段II的出水水质变化,使用COD多参数快速测定仪测定化学需氧量(COD)和总磷(TP)的含量,采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮(NH4+-N)浓度,采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定亚硝酸盐氮(NO2ˉ-N)浓度,采用溴麝香草酚蓝紫外分光光度法测定硝酸盐氮(NO3ˉ-N)浓度;采用WTW多参数测定仪监测pH值与溶解氧(DO);MLSS、MLVSS和SVI按照标准方法测定[11];采用Mastersize 2000型激光粒度仪测定颗粒粒径.采用热提取法进行胞外聚合物的提取,其中蛋白质(PN)采用Lowry法测定,多糖(PS)采用蒽酮-硫酸法测定.

2 结果与讨论

2.1 不同运行方式下的污泥特性

如图2所示,启动初期3个反应器的平均粒径约为900μm,污泥呈黑色,这是由于接种了冰箱内长期储存的颗粒污泥.在运行到第8d时观察到各反应器内颗粒均发生了解体现象,形成大量絮状污泥,这可能是因为微生物在长期饥饿条件下活性降低或死亡,污泥结构较为松散,细菌之间发生分离,死细胞增多并脱落导致颗粒解体.第17d时观察到絮状污泥聚集,有细小颗粒出现.第45d时,R1、R2和R3的平均粒径分别达到了337.97,349.18和365.82μm,认为均已成功颗粒化.R2和R3的颗粒化过程较快,这可能是因为联合厌氧/微好氧的循环方式更适合缓慢生长微生物(尤其是反硝化聚磷菌)的生长,R3还采用了间歇曝气的方式,刺激了EPS的分泌,有利于促进颗粒的形成.稳定运行时期3个反应器的粒径分别达到了862.06,811.58和802.98μm,R3

3个反应器内的MLSS、MLVSS、及SVI变化如图3所示.接种污泥的平均污泥浓度约为2500mg/L,SVI值约为72mL/g.反应器运行过程中,每5d进行一次测定,启动初期系统内污泥浓度降低,这是由于颗粒发生了解体,随后通过逐渐降低沉降时间和提供足够的搅拌剪切力促进颗粒重组,整个反应期间3组反应器的污泥浓度都呈现先减小后增大的趋势.后期R2和R3反应器的MLSS增长较R1更为平稳,同时值(MLVSS/MLSS)表现为R3>R2> R1,这说明R3的生物量最高,分析原因可能是R1始终采用A/O/A的运行方式导致系统后期曝气量较高,MLSS仍能快速增长,而R2和R3采用联合厌氧/微好氧的交替运行方式更能促进颗粒核心微生物(主要是反硝化聚磷菌)的生长,始终保持着较高的生物量,有助于提高颗粒结构的稳定性[12].运行末期3个反应器的SVI值都在30～35mL/g,均表现出良好的沉降性能,其中R3的沉降性能最好,颗粒结构最密实,这也与粒径的变化相符.

本主动托换体系设计的特点是受力明确、承载力可靠、变形易于控制、能够适应现有结构布置和桩基布置条件、托换施工期间和托换完成以后的建筑物安全控制设计采取静态应变测试系统、电子位移计、倾角仪、裂缝观测仪对新托换梁的挠度、沉降、倾斜度、裂缝进行高精度动态监测，得出同步顶升时托换梁的即时变化结果，以便更准确地指导托换梁顶升工作。

2.2 AGS系统脱氮除磷性能变化

2.2.1 不同运行方式下系统的COD去除性能 如图4所示,3个反应器进水的COD浓度在300mg/L波动,运行初期,前8d内COD的去除率较低,这是因为微生物处于恢复适应阶段,污泥沉降性能较差,发生了污泥解体和流失.随着反应器运行、粒径的增大和污泥沉降性能的提高,微生物活性增强,污泥浓度上升,系统内COD的去除率不断提高,为了提高除磷性能,第16～24d时将COD浓度短暂升高一周,第32d后,3个反应器两阶段出水COD的平均去除率分别达到了92.41%、91.79%和92.45%,出水COD< 50mg/L符合一级A要求. 3个反应器均有较好的COD去除性能,这可能是因为COD的去除主要发生在厌氧阶段,被充分利用合成细胞内碳源以进行后续反硝化和除磷,故不同的运行方式基本不影响系统内COD的去除性能.

2.2.2 不同运行方式下系统的TP去除性能 如图5所示,进水磷浓度在6～8mg/L,前14d内,3个反应器除磷效率均在50%左右波动,除磷效率较低,这可能是因为长期饥饿条件下污泥结构松散,启动初期系统内生物量减少.为了强化除磷效果,在第16d时将进水COD浓度提高到400mg/L左右,运行1周后,系统的除磷效果逐渐恢复,将进水COD恢复到正常水平.最终3个反应器两阶段的平均出水TP浓度分别为0.72,0.63和0.42mg/L,TP的平均去除率分别为88.96%、90.53%和93.72%. R1的除磷效率较低且出现硝酸盐氮的大量积累,可能是因为R1在单一运行方式下连续曝气富集了大量以氧气为电子受体的聚磷菌,出现了反硝化菌与聚磷菌争夺碳源造成的,而R2和R3的除磷效率高且出水没有NOˉ-N的大量积累,说明这两个反应器内反硝化聚磷菌富集程度高于R1,间接证明了联合厌氧/微好氧的A(O/A)交替运行方式更有利于DPAOs的生长.

2.2.3 不同运行方式下系统的脱氮性能 如图6所示,启动初期,3个反应器的TN去除效率均处于较低水平,出现硝酸盐氮的积累,这是因为接种初期微生物处于恢复适应阶段,系统内硝化菌的活性较低,反硝化作用不充分.随着运行时间的延长,絮状污泥重组再生为颗粒,颗粒污泥的增大有利于颗粒内部形成兼性厌氧环境,促进异养菌的生长,反硝化性能逐渐提高,因此运行初期积累的氮素被反硝化作用消耗,TN的去除率呈上升趋势. R1的出水氨氮波动较大,直到54d才稳定在3.00～4.00mg/L,R2和R3分别稳定在2.00～3.00和0～1.00mg/L,R1、R2、R3的出水硝酸盐氮浓度分别为3.14,1.25和0mg/L.与另外两个反应器相比,R1的出水硝酸盐氮浓度较高,可能是因为R1的运行环境较R2和R3不利于反硝化聚磷菌的生长,而R2和R3的亚硝化效率高于R1,这是因为采用联合厌氧/微好氧交替的运行方式反复形成缺氧环境,不仅有利于DPAOs的生长,还有利于淘洗NOB,R3采用了间歇曝气的手段更大程度地提高了亚硝化率,促进AOB与DPAOs两种功能菌的同步富集.R1、R2、R3的TN平均去除率分别为81.19%、89.78%和97.24%,R2与R3较R1具有更高的TN去除能力,这可能是由于添加厌氧/微好氧段能够营造较长时间的缺氧环境,有助于异养菌的生长,所以系统的脱氮性能恢复较快.

图5 运行期间TP浓度的变化

图6 运行期间N浓度的变化

Fig.6 Variation of N concentration during operation

2.3 不同运行方式下典型周期实验

在第73d时对R1、R2、R3反应器进行周期实验,如图7所示,阶段I与阶段II内,厌氧阶段COD浓度的下降与磷的释放趋势相似,由于进水前反应器内剩余的NOˉ-N浓度较低,外源反硝化消耗的有机物较少,COD则主要由PAOs及DPAOs合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)进行内碳源储存[13];厌氧段磷的释放量急剧增加,厌氧末期R1、R2、R3的释磷量分别达到了31.16,33.08和37.32mg/L,DPAOs 主要利用厌氧段细胞内合成PHA完成后续的反硝化和除磷.有研究表明,厌氧段COD消耗量与磷释放量、缺氧段吸磷量均呈现正相关[14-15],而缺氧段COD基本不变意味着系统内不发生外源反硝化,通过释磷量可以推测出R2和R3系统内DPAOs丰度较高.进入好氧段后,NH4+-N和PO43--P浓度开始同步下降,吸磷速率明显高于氨氧化速率,R3的NO2ˉ-N浓度明显上升,反应过程中NO3ˉ-N浓度几乎为零,阶段II内R2与R3在微好氧段将氨氮稳定转化为亚硝酸盐氮和少量硝酸盐氮,具有良好的亚硝化效果,说明厌氧/微好氧运行方式通过保持较低的曝气成功实现了对NOB的淘洗,交替曝气手段强化了对AOB的富集作用,R3内亚氮的产生更稳定,这与前人的研究相符[16-17].如图7可以看出,在R1中出现了NO3ˉ-N积累现象且磷的浓度仅在好氧段下降,而R2和R3的缺氧段中磷浓度随着NO2ˉ-N浓度的下降而相应减少,说明R2与R3反应器内进行了以亚硝酸盐氮为电子受体的除磷作用,分析原因可能是R1采用单一的A/O/A运行模式不能满足DPAOs生长所需的缺氧环境,导致DPAOs富集量少,而联合厌氧/微好氧的交替运行模式能够维持较长时间缺氧环境及提供充足的亚硝酸盐氮电子受体以促进DPAOs的生长,且亚硝酸盐氮被持续消耗降低了对吸磷的抑制作用,实现了AOB和DPAOs的同步富集.

整个反应过程中的pH值较为稳定(ΔpH<1).随着释磷的发生,pH值在厌氧段降低,pH值下降随着释磷速率的降低而变缓,R2和R3的缺氧段pH值均出现了先升高后降低的现象,而R1相对平稳,这与吸磷现象相吻合,其中R3的pH值变化较大,表征着R3的吸磷能力更强,DPAOs数量更多.根据DO曲线可以看出,R1后期DO明显升高,亚硝化效果不佳,而R2和R3的DO曲线较为平稳且DO浓度保持在较低水平,有利于AOB的富集.阶段II内R2、R3的微好氧段能够有效的将DO保持在1.3mg/L以下,维持了较长时间的缺氧环境,促进了DPAOs的富集,这说明联合厌氧/微好氧的交替运行模式同时满足了脱氮除磷微生物生长的条件.

2.4 不同运行方式下胞外聚合物的含量变化及反硝化聚磷菌富集情况

研究表明,通过缺氧吸磷速率q与好氧吸磷速率q之比可以表征反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例[23].通过批次试验比较3组反应器的吸磷现象,计算出不同的结果.如图9所示,R1、R2、R3反应器内反硝化聚磷菌占比分别约为32.31%、42.24%和51.46%,R2和R3的富集量大于R1,且采用间歇曝气的R3中DPAOs数量高于R2,上述结果说明联合厌氧/微好氧的A(O/A)的运行方式更有利于富集反硝化聚磷菌.

3 结论

3.1 在不同运行方式下,3组反应器均具有稳定的脱氮除磷性能.R3采用联合厌氧/微好氧的A/(O/A)交替运行模式,对污染物的去除性能优于R1和R2,其COD、TP和TN的去除率分别达到了92.45%、93.72%和97.24%.

3.2 R1、R2和R3均实现了颗粒污泥的活性恢复,R3的成熟好氧颗粒平均粒径为802.98μm,颗粒结构最为致密,EPS含量达到了94.52mg/gVSS,PN/PS更高,表明联合厌氧/微好氧的A/(O/A)交替运行模式刺激了微生物分泌更多的EPS,颗粒结构更加稳定.

3.3 3个反应器系统内以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌所占比例分别为32.31%、42.24%和51.46%,R3表现出明显优势,表明联合厌氧/微好氧的A(O/A)交替运行方式更有利于反硝化聚磷菌的生长,能够实现AOB与DPAOs的同步富集,具有良好的处理效果.

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Anaerobic/microaerobic combined with A/(O/A)to enhance nitrogen and phosphorus removal of aerobic granular sludge.

LI Dong1*,WANG Xin-xin1,ZHANG Yu-jun3,ZHANG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Beijing Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China；3.China Xiong-an Group Urban Development Investment Corporation,Baoding 071000,China),2022,42(8)：3674～3682

Three SBR reactors R1,R2 and R3 with the same specifications were set up,which were operated in A/O/A-A/O/A,A/O/A-A/O,and A/(O/A)-A/O modes respectively. Using synthetic wastewater as the influent substrate,the inoculated sludge,consisting of 70% aerobic granular sludge and 30% flocculent sludge,were obtained from the laboratory for long-term starvation at 4℃. Under the same initial conditions,the activity recovery and short-cut nitrification and denitrification phosphorus removal performance of granular sludge under different operation modes were discussed. The results showed that the combined anaerobic/micro-aerobic A/(O/A)alternating operation mode had great advantages in realizing the activity recovery of granular sludge and the performance of pollutant removal. The dense granules were formed with an average particle size of 802.98μm in R3,and the EPS content reached 94.52mg/gVSS,indicating that the alternating operation mode of combined anaerobic/microaerobic stimulated microorganisms to secrete more EPS,and the granule structure was more stable. During the stable operation period,the removal efficiency of COD,TP and TN of R3 reached 92.45%,93.72% and 97.24% respectively. Meanwhile,the proportion of denitrifying phosphorus accumulating organisms with nitrite as electron acceptor in the system reached 51.46%,which could realize the simultaneous enrichment of AOB and DPAOs,thereby exhibiting good pollutant removal effect.

aerobic granular sludge(AGS)；anaerobic/microaerobic；short-cut nitrification；denitrifying phosphorus removal；influencing factors

X703.1

A

1000-6923(2022)08-3674-09

2022-01-19

北京高校卓越青年科学家计划项目(BJJWZYJH012019 10005019)

* 责任作者,教授,lidong2006@bjut.edu.cn

李 冬(1976-),女,辽宁丹东人,教授,博士,主要研究方向为水环境恢复理论及关键技术.发表论文100余篇.