调控内生正磷酸盐强化好氧颗粒污泥脱氮除磷

李 冬,解一博,高飞雁,祝彦均,张 杰,2

调控内生正磷酸盐强化好氧颗粒污泥脱氮除磷

李 冬1*,解一博1,高飞雁1,祝彦均1,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)

采用絮状活性污泥为接种污泥,以人工配水为进水,分别以不同的内生正磷酸盐调节方式运行4组活性污泥序批式反应器(SBR),探究不同内生正磷酸盐调节方式对于富集反硝化聚磷菌(DPAOs)和造粒等方面的影响.结果表明,以内生正磷酸盐排出液回流方式运行的颗粒污泥脱氮除磷效果更好,DPAOs活性更高,并且颗粒沉降性能良好.其中,相较于以微好氧模式运行的颗粒污泥系统,以厌氧/微好氧(AO)模式运行的颗粒污泥系统的污染物处理污染物性能更优,其化学需氧量(COD)、总氮(TN)和总磷(TP)的去除效率可分别达到92.57%、94.7%和97.62%.这主要是由内生正磷酸盐刺激、DPAOs和反硝化聚糖菌(DGAOs)的协同作用等多种因素共同影响的结果,在周期性调控系统中内生正磷酸盐后,系统中污泥的内碳源转化率明显提高,DPAOs和DGAOs的活性得到增强,异养反硝化菌(DOHOs)活性被抑制,这也是在进水水质不变的情况下系统脱氮除磷效果得到明显提高的原因,而在较长的周期运行模式下,氨氧化菌(AOB)与DPAOs形成互生作用的同时也抑制其他异养微生物的生长.本研究结果可为同步短程硝化反硝化除磷(SPNDPR)工艺的实际工程化应用提供理论支持.

内生正磷酸盐；反硝化除磷菌；同步硝化反硝化；颗粒污泥

在城市生活污水处理中,有效去除污水中的氮磷物质是防止污水排入生态系统后造成自然水体富营养化的关键[1-2].与传统污水处理系统相比,反硝化除磷工艺(DPR)的优点在于更低的运行成本,低污泥产量,曝气量需求小与节省碳源等,因此该工艺在未来水处理中具有广阔的应用前景[3-4].

DPR通过富集反硝化聚磷菌(DPAOs),使其转化储存水中有机物,利用硝态氮(NO3--N和NO2--N)代替O2作为电子受体实现氮和磷的同步去除[3,5-6].由于颗粒污泥(GS)具有结构性能好,生物量密度高,抗冲击负荷能力强等特点[7],以颗粒污泥为载体的反硝化除磷工艺(DPR)成为近年来的水处理热点之一[8].

虽然反硝化除磷颗粒污泥工艺具有广阔的应用前景,但在长期实际运行过程中,颗粒污泥解体与除磷效果恶化仍是限制其实际应用的两大主要因素[9-10].颗粒污泥解体的主要原因是DPAOs生长缓慢,分泌的胞外聚合物(EPS)不足以促使微生物自发形成颗粒骨架与维持颗粒结构[11-12];而除磷效果的恶化则是由反硝化聚糖菌(DGAOs)与DPAOs过度竞争碳源导致[5-6,13].但无论是污泥解体还是除磷效果恶化,都与DPAOs活性高度相关. 研究指出合理控制DGAOs和DPAOs相对活性是增强系统微生物去除污染物效果以及增强去除稳定性的关键[14],两者相对活性的差异主要是两者对碳源的竞争;而在进行碳源转化时,DPAOs需要以正磷酸盐为中间介质,而DGAOs则不需要,故系统内正磷酸盐量会影响DPAOs内碳源转化能力而不影响DGAOs内碳源转化能力[3].因此,优化运行参数以调控正磷酸盐的分泌对DPAOs维持颗粒稳定和增加DPAOs活性具有十分重要的意义.

基于以上分析,本实验在不外加碳源的前提下通过调控系统内DPAOs分泌的正磷酸盐量即内生正磷酸盐量来调控DPAOs与DGAOs的相对活性,提高系统碳源利用率,实现污泥颗粒结构与系统运行性能的稳定与提高,以期为今后同步短程硝化反硝化除磷(SPNDPR)工艺的实际工程化应用提供理论支持.

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行方法

表1 反应器运行工况

图1 R2、R4反应器运行模式

本实验设置4套由有机玻璃制成的SBR型反应器.编号R1、R2、R3、R4,每个反应器高径比相同(/=3),有效容积为6L,换水比为2/3.R1、R2采用厌氧/好氧(A/O)的运行模式,阶段一每天运行4个周期,每个周期360min,包括进水5min,厌氧120min,曝气200min,沉淀15min,剩余为排水与静置时间,曝气强度为0.5L/min.自阶段二后,每天运行3个周期,每个周期480min,包括进水5min,厌氧180min,曝气260min,沉淀15min,剩余为排水与静置时间;R3、R4采用连续低曝气(MO)的运行模式,曝气强度为0.3L/min. 为了验证通过系统内微生物的自我调节改善系统运行效果的可行性以及探究内生正磷酸盐调控对SPNDPR颗粒污泥系统运行的影响,本实验在阶段3开始对R2、R4进行内生正磷酸盐调控,具体运行方式及周期运行图分别见表1与图1.在调控阶段,考虑到正磷酸盐流失与内生正磷酸盐调节频率过高可能带来不利影响,将6个运行周期设置为一个大循环周期并按时间顺序分为周期1～6,单个大循环周期内设置2个调控运行周期,具体方法为在周期1设置30min厌氧期使DPAOs释放正磷酸盐并定量排出部分上清液再补充原水至6L,此时由于内部正磷酸盐的排出,DPAOs的内碳源转化受阻,且由于碳源得到补充,DGAOs内碳源化能力得到提升,其活性也相应变化,在周期4时将周期1排出的上清液与原污水混合作为系统进水,此时系统内的污水相较于正常运行周期处于碳源水平较低而正磷酸盐含量较高,更有利于DPAOs生长.在阶段四缩短污泥沉降时间以加速污泥造粒,其余运行条件与阶段三相同.SPNDPR颗粒污泥系统造粒成功后进入稳定运行期,即阶段五,运行模式与阶段四相同.

1.2 接种污泥与实验用水

实验中所采用的接种污泥是课题组实验室封存的絮状污泥,污泥浓度为3500mg/L.实验用水为人工配水,由自来水、CH3CH2COONa、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3、CaCl2和MgSO4·7H2O混合配制,以NaHCO3模拟生活污水碱度并调节pH值稳定,具体水质指标如表2.

注:除pH值外,单位均为mg/L.

1.3 分析项目与检测方法

NH+ 4-N采用纳氏试剂光度法;NO-2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NO 3--N 采用麝香草酚紫外分光光度法; COD和TP的测定采用5B-3B型COD多参数快速测定仪.正磷酸盐以总磷计.每周期对上述参数进行测量;污泥颗粒直径数据由激光粒度仪(Mastersizer 2000,UK)测量,WTW-Multi3430分析仪测定温度、pH值和DO.此外,MLSS、MLVSS和SVI等指标均采用国家规定的标准测量方法[12].多糖测定采用Lowry法,蛋白质测定采用蒽酮硫酸法[13-14].

1.4 批次试验

批次试验包括缺氧批次试验和DPAO活性批次试验.目的是通过结果计算并确定各反应器内的碳源转化效率,聚磷菌(PAO)菌属和聚糖菌(GAO)菌属在其中的各自代谢活性占比,不同类型的DPAO菌属在总PAO菌属中的代谢活性占比.

1.4.1 缺氧批次试验 用去离子水将反应器中的污泥冲洗3次以去除污泥中残留的COD、N、P等污染物,再将污泥放回反应器中,并加入人工配制的溶液缺氧运行180min.在批次试验过程中,全程利用搅拌器保持污泥悬浮以更完全的进行污水处理,温度控制在(20±1)℃,pH值维持在(7.5±0.1),利用0.2mol的稀盐酸溶液或0.2mol的氢氧化钠溶液维持pH值稳定.每隔15～30min取一次水样,生物量浓度在试验最后进行测定以计算比消耗速率.进水组成为: COD浓度为250mg/L(以丙酸钠计),NH4+-N浓度为50mg/L(以氯化铵计),亚硝态氮浓度为5mg/L(以亚硝酸钠计),硝态氮浓度为5mg/L(以硝酸钠计),PO43--P浓度为5mg/L(以磷酸二氢钾计)[15].

1.4.2 DPAO活性批次试验 污泥的处理方法,COD和PO43--P添加形式和浓度与1.4.1节相同.在厌氧运行120min后,平均分为3份放入3个反应器中并编号为r1、r2、r3.r1曝气运行90min,DO浓度控制在2mg/L左右;r2中加入亚硝酸钠使溶液中NO2--N浓度达到25mg/L,缺氧运行90min;r3中加入硝酸钠使溶液中NO3--N浓度达到25mg/L,缺氧运行90min.在批次试验过程中,全程利用搅拌器保持污泥悬浮以更完全的进行污水处理,温度控制在(20±1)℃,pH值维持在(7.5±0.1),利用0.1mol的稀盐酸溶液与0.1mol的氢氧化钠溶液维持pH值稳定,每隔15～30min取一次水样,生物量浓度在试验最后进行测定以计算比消耗速率[16].

1.5 计算方法

计算以COD内碳源转化效率和厌氧期硝态氮变化量为依据[15],以推出DPAO在总PAO中的代谢活性占比[16].

CODintra=ΔCODAn−2.86ΔNO3--Nan−1.71ΔNO2--Nan(1)

CODintra效率=CODintra/ΔCODAn×100% (2)

0.5PPAO=PRA/CODintra(3)

PGAO=1−PPAO(4)

P1=ΔPa/ΔPNO2--N×100% (5)

P2=ΔPa/ΔPNO3--N×100% (6)

NAR=ΔNO2--Nae/(ΔNO3--Nae+ΔNO2--Nae)×100% (7)

2 结果与讨论

2.1 各阶段去除效果分析

2.1.1 污染物去除效能 整个运行阶段按照运行方式的不同可以分为5个阶段,4个系统在不同阶段表现出差异较大的处理性能,其处理结果见图2.在阶段一,污泥表现出良好的恢复性能,一周时间内4个系统的出水COD去除效率均达到80%以上且出水COD浓度不高于50mg/L,但4个系统的TN与TP去除性能表现出明显不同,AO运行的R1、R2其TN、TP去除效率分别维持在60%、77%附近,而MO运行的R3、R4的TN、TP去除效率分别维持在45%、66%附近.阶段一两种运行方式的COD去除效率说明,与MO相比较,AO的运行方式更有利恢复污泥的脱氮除磷性能.由于一阶段4个系统的脱氮除磷性能较差,在恢复增速放缓后,延长反应器的周期运行时间以期进一步提升系统脱氮除磷性能.因此在二阶段,4个系统的COD去除效率进一步提高,并且脱氮除磷性能均得到了显著提升,各反应器的TN去除效率均提高了20%左右,而TP去除效率提高了10%～15%.在反应器处理性能基本稳定后,本实验对R2、R4两个反应器进行内生正磷酸盐调控.在调控开始后,相较于运行条件相近的反应器,R2、R4的COD、TN处理性能虽略有下降但整体更加稳定(图2),这说明实验采用的内生正磷酸盐调控方式的初期对于系统运行性能的影响较为温和.在继续运行半个月后,4个反应器污染物处理性能均达到稳定.此时,污泥颗粒初步形成,4个反应器的污泥设置沉降时间从40min缩短至20min.但随着污泥沉降时间的缩短,4个反应器发生不同程度的生物量流失,在一周时间内,R1的COD、TN、TP处理效率分别降低了7.83%、10.40 %、8.20%,而R3的COD、TN、TP处理效率分别降低了17.63%、7.07 %、18.30%,考虑到R3处理性能下降严重,在后续试验阶段,R3的污泥沉降时间保持在30min;而在这一过程中,R2、R4的处理性能则保持了稳定的污染物处理性能,这说明半个月的内生正磷酸盐调节方式使得系统在缩短沉降时间后的水力冲刷作用下仍能保持稳定性.为了进一步促进污泥颗粒化,不得不继续暂时性牺牲一部分性能,R1、R2、R4的污泥沉降时间进一步缩短至5min,随着污泥沉降时间的进一步缩短,R1、R2、R4的污染物处理性能进一步发生变化.R1、R2、R4三者的TP去除率均下降了5%左右,而COD去除率保持稳定,这说明较长时间的周期处理对于COD的去除是有利的,沉降性能差的污泥对COD处理能力有限.但三者的TN处理性能的变化则相差较大,R1、R2、R4三者的TN去除率分别下降了4.16 %、2.80%、6.93%,结合TP去除率下降相近以及COD去除效果基本稳定的结果可以推测出这种差异的原因是三者污泥结构存在差异.此外,随着实验的进行,R1、R2、R4的处理性能趋于稳定,在缩短沉降时间至5min,运行12d后,R2的COD、TN、TP处理效率分别稳定在95.6%、87.67%、96.06%;运行16d后,R1的COD、TN、TP处理效率分别稳定在94.6%、85.35 %、87.3%;

运行18d后,R4的COD、TN、TP处理效率分别稳定在96.5%、84.40 %、87.9%;而R3在延长污泥沉降时间至30min的12d后,COD、TN、TP处理效率分别稳定在97.2%、79.75 %、80.7%,通过对比可以发现,采用内生正磷酸盐调控方式的系统具有更强的抗逆性与处理稳定性,尤其是在连续低曝气系统中,内生正磷酸盐调节组表现出更高的碳源利用性以及脱氮除磷效率,而这可能是因为其内部的DPAO与DGAO具有更强的活性.

2.1.2 污泥粒径及特性 初始接种污泥以及第60d时各反应器污泥的粒径分布如表3所示.0.1、0.5、0.9分别表示粒度累积分布(0到100%)中10%、50%、90%所对应的直径.本实验接种采用的是絮状活性污泥(直径小于50μm),至60d时,R1、R2、R4平均粒径分别为816.8μm、813.6μm、848.3μm,絮状污泥占比很少,且即使是造粒效果最差的R3,低于95.1μm直径的占比也不超过10%.说明系统初步实现造粒.但R3平均粒径仅为250.5μm,说明内生正磷酸盐调节对污泥造粒具有重要作用.对比发现,R4中污泥粒径普遍较大,这可能是因为其连续低曝气的运行模式.如图3所示,第60d时,同R1相比,R2和R4中的颗粒更为光滑致密,边界清晰没有明显丝状膨胀,这可能是因为内生正磷酸盐调节对微生物的刺激作用使其形成更为致密的结构[12,19-20].

由于R3反应器最后污泥仍未形成明显的颗粒污泥状态,故仅对成功造粒的R1、R2、R4三个反应器进行生物量及沉淀性能测定及分析.三个反应器不同阶段分别测定MLSS、MLVSS以及f值(MLVSS/MLSS).R1、R2和R4反应器的起始污泥浓度分别为3868,4010和3763mg/L.正式运行阶段,三组反应器的MLSS、MLVSS均呈现上升趋势,这说明三个反应器的污泥恢复性良好[21-22],值得注意的是,在进行内生正磷酸盐调控后,R2、R4的污泥浓度增速放缓,这可能是因为运行条件的变化引起的生物选择作用;而在缩短沉降时间后,R2、R4也表现出了更为稳定的生物量保持性.在启动成功后,R1、R2和R4反应器的污泥浓度分别为4848,5019和5137mg/L ,在启动过程中,各反应器的f均呈现下降趋势,这是DPAO逐渐富集的结果[23].与此同时,R2、R4的f值相较于R1在造粒期没有明显变化,维持在0.80～0.85,这说明内生正磷酸盐调控能有效维持系统内污泥的稳定,而这也是其处理性能保持相对稳定的重要原因.并且此时R1、R2和R4反应器的SVI30/SVI5的比值也逐渐上升趋于1,这说明内生正磷酸盐调控能有效增强污泥沉降性并增强污泥颗粒化能力.

表3 不同运行方式下运行60d时的污泥粒径分布(μm)

图3 第60d显微镜照片

2.1.3 基于正磷酸盐调控的EPS分析 R1、R2、R4三个反应器不同阶段的紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)和松散结合型胞外聚合物(LB-EPS)的蛋白质(PN)、多糖(PS)含量如图4所示.随着污泥颗粒化的形成,各反应器的TB-EPS和LB-EPS的PN分泌量均明显升高,其分泌量均升高至造粒初期PN分泌量的1.5倍以上.进入内生正磷酸盐调控期后,R2、R4两反应器内污泥EPS分泌量明显升高,但又有显著差异.在内生正磷酸盐调控期,R2中TB-EPS中PN分泌量为35.32mg/gVSS,明显高于9.87mg/gVSS 的PS分泌量,而LB-EPS中PN分泌量为2.75mg/gVSS,明显低于5.71mg/gVSS 的PS分泌量;而R4的 TB-EPS中PN分泌量为46.73mg/gVSS,明显高于8.14mg/gVSS 的PS分泌量,而LB-EPS中PN分泌量为2.75mg/gVSS,与2.10mg/gVSS 的PS分泌量相近,这可能是因为两者的运行方式不同,微生物生长情况不同[24],也说明内生正磷酸盐调控对AO运行以及MO运行的污泥系统的影响不同.在造粒末期,R2、R4两者的EPS分泌量分别为99.38和94.42mg/gVSS,明显多于R1的87.64mg/gVSS,这说明内生正磷酸盐调控对于改善污泥造粒性能具有积极影响[25],在造粒稳定期,R2与R4也表现出更高的PN/PS比值,这说明内生正磷酸盐调控可以增强颗粒污泥稳定性.

此外,根据其他的研究结果和经验来看TB-EPS对颗粒污泥沉降性能影响更大.结合2.1.2节并分析图4,在60d的试验中,TB-EPS在R1、R2、R3、R4均展现了明显的上升趋势.但对于本试验结果来说需要结合PN/PS才能得出结论,因为理论上随着颗粒体积不断变大,更具黏性且亲水性能更高的PS依然会不断保留在颗粒中.针对本文结果,总的来说,4个反应器随着系统运行的稳定,生物量逐渐稳定增加并且污泥颗粒化进程不断推进,EPS总量也不断的增加.但值得注意的是,在试验中R2和R4的PS在不断稳步增加的同时,PN/PS的值也明显升高,分别从造粒初的3.06、2.91上升至造粒末的6.39、6.13.这说明在正磷酸盐调节下,虽然颗粒化效果更好,但PN的增长率高于PS,这有可能和R2和R4的颗粒污泥表面更光滑致密有关.(图3)

2.2 典型周期试验与批次试验

2.2.1 典型周期内C、N、P变化 在第60d对4个反应器进行周期试验探究其污染物去除过程,结果如图5所示.从图中可以看到,不同的运行方式对于系统污染物去除情况具有不同的调节作用.在以AO方式运行的R1、R2反应器中,COD在厌氧段的前60min快速下降然后缓慢降低至150min时,之后保持较为稳定的趋势至好氧段的300min略有上升,这可能是因为底物缺乏使得微生物分解EPS中的多糖,这也是系统各类EPS中PS含量较少的原因[26].而在以MO方式运行的R3、R4反应器中,COD的变化趋势显得更为复杂,在运行开始40min内,系统内COD含量快速下降至50mg/L附近,而后呈现波动下降的趋势,这可能是因为在较低溶解氧下具有内碳源能力的微生物与异养微生物的竞争作用[9].伴随着COD的下降,4个反应器的PO43-含量呈现出不同程度的上升态势,R1、R2反应器内磷释放量(PRA)分别为32.4和36.8mg/L,明显高于R3、R4的18.9 和17.6mg/L,这可能是因为运行模式的不同导致的.在MO运行模式下,随着微生物活动的变化,污泥内的氧气渗透深度也相应变化,除磷菌属随着氧气渗透深度的变化进行吸释磷活动,由于曝气量较低,其溶解氧变化范围小,因此MO运行模式下反应器内的PRA普遍较小.但值得注意的是,R2的PRA明显高于R1除磷效率也高于R1,这说明R2中的PAO具有更强的磷吸收活性;此外,相较于R4,R3的PO43-变化曲线更不明显,说明R3的PRA与磷吸收量(PUA)明显低于R4,这也是其除磷能力较差的原因.R4的PUA为22.9mg/L,明显高于R3的21.2mg/L,这主要是因为颗粒污泥的结构与低溶解氧的设置使得富集于颗粒内部的PAO在运行前期处于厌氧状态,同时,低溶解氧的设置可能也是其除磷效率和比磷吸收速率更低的原因.

在系统脱氮方面,4个反应器也表现出不同的特性.R1、R2中的NH4+-N在厌氧段变化不大进入好氧段后,R1和R2中NH4+-N浓度分别在340min与300min内降为0mg/L,这说明相较于R1,R2具有更强的硝化能力.在进入好氧段后,两个反应器的NO2-N与NO3--N浓度都略有增加,R1在260min后NO3--N逐渐积累而NO2--N含量保持稳定,在340min时, NO3--N积累达到最大,而后NO3--N浓度缓慢下降, NO2--N浓度略有提升直到周期结束.而R2在进入好氧段后,在240min时NO2--N与NO3--N都出现明显积累,300min之后NO2--N进一步积累而NO3--N逐渐降低,至360min时其NO2--N积累达到最大,而后NO2--N浓度逐渐降低而NO3--N略有波动直至周期结束.R1、R2脱氮途径差异的原因可能是其反硝化主体的不同,这一原因将在批次试验中测定.R3、R4在周期开始时NH4+-N浓度快速下降,分别在120和150min时基本实现了NH4+-N的去除,这说明连续微好氧曝气方式更有利于提高污泥的硝化能力,随着NH4+-N浓度的下降,R3、R4出现了不同程度的NO2--N和NO3--N积累.R3在140min时达到了NO3--N的积累高峰,之后缓慢下降至反应器结束,伴随着水中COD的短暂升高,其NO3--N降解速度也有一定提升,这是异养反硝化菌通过吸收水中COD进行的反硝化作用.而R4的NO3--N积累更为缓慢,

至200min时才出现NO3--N积累高峰并在之后保持较为稳定的下降趋势,在240min时出现明显的NO2--N积累至380min时出现NO2--N积累高峰.R3、R4脱氮途径的显著差异一方面是因为污泥结构造成的微生物代谢环境不同,另一方面也可能是因为其反硝化主体不同.

图5 第60d各反应器典型周期内C、N、P变化

2.2.2 脱氮除磷计算结果和分析 为了进一步探究各反应器内脱氮除磷方式,对4个反应器分别进行了PAO/GAO活性批次试验与DPAO活性测试,实验结果和计算结果见表4.从表中可以发现,相较于R1,R2有着更高的内碳源转化能力,这说明R2中异养反硝化菌活性更低,而PAO、GAO菌属活性更高,而在内碳源转化中,R2的PAO代谢活性占比也高于R1这说明内生正磷酸盐调节有利于AO运行方式中缓慢生长的内碳源转化菌尤其是PAO菌属的代谢生长[27].而相较于R3的32.17%的内碳源转化效率,R4的内碳源转化效率高达52.48%,表现出更为明显的内碳源转化效果,这说明内生正磷酸盐调节对于MO运行方式中的内碳源转化菌的代谢生长具有更为明显的促进作用,而PAO的代谢活性占比的提升幅度低于内碳源转化率的提升幅度,这可能是因为颗粒污泥的结构使得GAO菌属占据代谢优势,但内生正磷酸盐调节明显抑制了异养反硝化菌的生长[11].

DPAO活性测试表明,4个反应器DPAO具有不同的代谢活性占比,而这可能就是4个反应器之间脱氮除磷性能差异化的原因.R1中NO2--N消耗型DPAO菌属的代谢活性占比高达56.66%,明显高于R2的28.72%,这可能是其COD去除效率和除磷效率较好但NO3--N积累明显且脱氮效果差的原因.而R3与R4相比,不仅PAO代谢活性占比更低,其NO3--N消耗型以及NO2--N消耗型DPAO的代谢活性占比也更低,结合其脱氮性能与COD去除性能良好的结果可以确定,异养反硝化菌在R3反硝化过程中起着重要作用[28],同时也说明内生正磷酸盐调节不仅能抑制异养反硝化菌,还有利于NO3--N消耗型DPAO在污泥中的代谢生长.

表4 批次试验结果

3 结论

3.1 在AO、MO两种运行模式下,内生正磷酸盐调节的污染物处理性能均得到提升.在AO运行模式中,采用内生正磷酸盐调节方式使得COD、TN、TP去除效率和NAR分别达到了95.6%、87.7%、95.9%和97.2%.在MO运行模式中,采用内生正磷酸盐调节方式的反应器COD、TN、TP去除效率和NAR分别达到了96.5%、84.2%、97.5%和82%.

3.2 内生正磷酸盐调节改善了系统污泥的沉降性,并促进了污泥的颗粒化,在MO运行模式下,这一调节作用更为显著.颗粒成熟期R1、R2、R3、R4的平均粒径分别为816.8,813.6μm,250.5μm,848.3μm. R4成功实现造粒说明相较于AO运行模式,内生正磷酸盐调节对于MO运行的下的污泥造粒性能的影响更为显著.

3.3 采用内生正磷酸盐调节方式的系统内碳源转化率更高.内生正磷酸盐调节方式显著提高了硝酸盐消耗型DPAO菌属的代谢活性,同时抑制了异养反硝化菌的代谢活性.

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Regulating endogenous orthophosphate to initiate a synchronous short-pass nitrification and denitrification phosphorus removal granular sludge process.

LI Dong1*, XIE Yi-bo1, GAO Fei-yan1, ZHU Yan-jun1, ZHANG Jie1,2

(1.Beijing Key Laboratory of Water Quality Science and Water Environment Restoration Project, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.State Key Laboratory of Urban Water Resources and Water Environment, Harbin University of Technology, Harbin 150090, China)., 2023,43(10)：5139～5147

Orthophosphate is an intermediate product of the biological denitrification process of phosphorus aggregation, which affects the activity of denitrifying phosphorus aggregating bacteria (DPAOs) in competition with other heterotrophic bacteria for carbon sources. In this study, four groups of sequencing batch reactors (SBRs) were operated with various endogenous orthophosphate regulating techniques utilizing synthetic water as influent after being inoculated with flocculent activated sludge.The study aimed to investigate the effects of different endogenous orthophosphate regulation methods on the enrichment of denitrifying phosphorus accumulating bacteria (DPAOs) and granulation. The results showed that the granular sludge operated with endogenous orthophosphate effluent reflux exhibited better nitrogen and phosphorus removal efficiency, higher DPAO activity, and good particle sedimentation performance.In particular, compared to granular sludge systems operated in microaerobic mode, those operated in anaerobic/microaerobic (AO) mode demonstrated superior pollutant treatment performance, with COD, TN, and TP removal efficiencies reaching 92.57%, 94.7%, and 97.62%, respectively. This was attributed to multiple factors, such as endogenous orthophosphate stimulation, the synergistic effect of DPAOs and denitrifying glycans bacteria (DGAOs).Periodic regulation of endogenous orthophosphate in the system resulted in a significant increase in the internal carbon source conversion rate of sludge, enhanced activities of DPAOs and DGAOs, and inhibition of heterotrophic denitrifying bacteria (DOHOs). Under a longer cycle operation mode, ammonia oxidizing bacteria (AOB) and DPAOs interacted, while also inhibiting the growth of other heterotrophic microorganisms. The findings of this study provide theoretical support for the practical engineering application of simultaneous short-range nitritation-denitritation phosphorus removal (SPNDPR) process.

endophytic orthophosphate；denitrifying phosphorus removal bacteria；simultaneous nitrification and denitrification；granular sludgegranular sludge

X703

A

1000-6923(2023)10-5139-09

2023-03-24

北京高校卓越青年科学家计划项目(BJJWZYJH 01201910005019)

* 责任作者, 教授, lidong2006@bjut.edu.cn

李 冬(1976-),女,辽宁丹东人,教授,博士,研究方向为水环境恢复理论及关键技术.发表论文200余篇,lidong2006@bjut.edu.cn.

李 冬,解一博,高飞雁,等.调控内生正磷酸盐强化好氧颗粒污泥脱氮除磷 [J]. 中国环境科学, 2023,43(10):5139-5147.

Li D, Xie Y B, Gao F Y, et al. Regulating endogenous orthophosphate to initiate a synchronous short-pass nitrification and denitrification phosphorus removal granular sludge process [J]. China Environmental science, 2023,43(10):5139-5147.