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污泥吸磷方式的转化

浏览量:5439 发布时间:2019-08-01


  氮、 磷的过量排放是引起水体富营养化的主要原因. 传统生物营养物去除系统中,氮的去除通过两个阶段完成,即好氧硝化和缺氧反硝化,而磷的去除则是利用聚磷微生物的厌氧释磷及好氧超量吸磷特性在交替厌氧/好氧运行环境下实现[1, 2, 3, 4].
  对于可实现同步脱氮除磷功能的污水处理厂工艺,硝化和好氧吸磷通常在同一个反应池中进行. 脱氮过程的中间产物――亚硝酸盐,在硝化和反硝化过程中均会产生. 在当今能源危机及倡导低碳节能技术的时代背景下,短程脱氮工艺因其处理效率高、 能源消耗低及污泥产量少等优点受到众多研究者和污水厂运营管理者青睐,采用短程脱氮技术便意味着好氧过程中有更多量亚硝酸盐的积累. 近几年,关于亚硝酸盐对污水生物处理系统各菌(fungus)群抑制特性的研究颇多[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11],其中以澳大利亚昆士兰大学Yuan Zhiguo教授课题组的研究最为深入,其研究结果表明,污水脱氮除磷系统内的真正抑制剂是亚硝酸盐的质子化产物――游离亚硝酸和电子受体,反应共进行5 h,其他条件同母反应器.
  1.2 试验水质及接种污泥
  试验用模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)废水由碳源液、 磷液、 浓缩液及微量元素配制而成. 碳源液由乙酸钠配制而成,磷液由 KH2PO4配制而成,其中溶解性正磷酸盐质量浓度为4 g ?L-
  1. 浓缩液由53.5 g NH4Cl,45 g MgSO4 ?7H2O,18 g KCl组成,微量元素(trace element)液[27]由5.51 g柠檬酸,4.03 g苯甲酰胺基酯酸,3.03 g FeCl3 ?6H2O,0.5 g H3BO3,0.12 g CuSO4 ?5H2O,0.06 g KI,0.24 g MnCl2 ?4H2O,0.06 g NaMoO4 ?2H2O,0.3 g ZnSO4 ?7H2O,0.06 g CoCl ?6H2O,10 g EDTA,0.06 g NaMoO4 ?2H2O,0.06 g NiCl2 ?6H2O组成. 1 L模拟废水加入磷液2 mL,碳源液乙酸钠6.08 g溶于水中、 浓缩液1 mL及微量元素液1 mL,由此得出,进水中主要污染物为COD 400或550 mg ?L-1,PO43--P 8 mg ?L-1,NH4+-N 14 mg ?L-1.
  接种污泥取自甘肃省七里河区污水处理厂4号曝气池,该污水厂污泥具有一定脱氮除磷性能,污泥各项指标性能良好.
  1.3 分析项目及方法
  水质分析(Analyse)项目中,COD采用COD快速测定仪测定,PO43--P采用钼锑抗分光光度法测定,NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法测定,NO2--N采用N--乙二胺分光光度法测定,NO3--N采用麝香草酚分光光度法测定,MLSS,MLVSS采用滤纸(Filter Paper)重量法测定,SV采用30 min沉降法测定. 温度、 pH值和溶解氧(Oxygen)测定采用德国Multi 3420在线测定仪在线监测.
  2 结果与讨论
  2.1 不同FNA浓度下系统的污染物去除性能
  反应器运行期间,检测发现出水COD浓度均低于10 mg ?L-1,进水中95%以上COD被去除,说明本研究采用的FNA浓度对COD降解没有影响.
  图 2为各工况条件下,投加不同浓度亚硝酸盐后反应器出水各形态氮及总氮的去除情况. 从中可知,在反应器运行的178 d内,出水NH4+-N始终未检出,去除率达; 对各运行工况的周期监测也显示,NH4+-N在60 min均已彻底降解,说明本研究采用的FNA浓度对NH4+-N的去除没有影响,对比发现,本研究FNA更高浓度为1.94×10-3 mg ?L-1,与已有报道的AOB活性受抑制程度为50%时对应的FNA浓度相差近100倍[14],进一步证明常规污水处理厂由亚硝酸盐积累所得FNA对AOB的增殖与产能代谢活动影响甚微. 此外,亚硝酸盐投加量为0-15 mg ?L-1范围内,系统出水中残留的NO2--N量均小于0.1 mg ?L-1,出水NO3--N积累量则随着好氧初始阶段NO2--N投量的加大而增多,更高投加量对应的平均值为5.11 mg ?L-1,总氮损失率一直保持平稳,均高于80%. 亚硝酸盐投量提升至20 mg ?L-1后,出水逐步出现NO2--N的积累,平均值达4.75 mg ?L-1,NO3--N平均积累量也升至9.77 mg ?L-1,总氮损失率仅为56.88%.
  图 2 不同FNA浓度下系统出水各形态(pattern)氮及总氮去除情况
  表 1列出了不同FNA浓度下好氧阶段氮的转化情况. 从中可以看出,各工况下,好氧初始阶段投加的NO2--N损失量由未投加时的0 mg ?L-1逐渐升至投加15 mg ?L-1时的11.495 mg ?L-
  1. 试验的第132-138 d,撤销进水中的NH4+-N,结合图 2发现,好氧段投加的15 mg ?L-1 NO2--N转化为出水NO3--N的量仅有3.382 mg ?L-1,该时间段同本工况未撤销进水NH4+-N的NO3--N积累量差值为1.725 mg ?L-1,这与NO2--N投量为0 mg ?L-1时,即进入体系内的氮仅由进水NH4+-N提供时的NO3--N积累量相当. 同时,对各工况下混合液溶合氧的在线监测显示,进入好氧阶段后,溶解氧在30 min内均快速升至2 mg ?L-1以上,该环境并不利于同步硝化反硝化作用,而且此后体系内NO2--N浓度仍保持下降趋势,NO3--N浓度却趋于平稳,说明NO3--N的转化在好氧阶段的前30 min内已基本完成,后270 min内NO2--N并非被NOB利用,其消耗可能由其他菌种完成,这一现象与Pijuan等的研究一致[17]. 还值得一提的是,好氧阶段30 min后混合液中NO2--N与PO43--P浓度同时下降,众所周知,除O2外NO2--N和NO3--N也能被PAOs利用,不同的是NO2--N和NO3--N作为电子受体用以吸磷在缺氧(hypoxia)条件下进行,因此,如果假设有O2和NO2--N两种电子受体同时存在的情况下,排除PAOs利用不同电子受体吸磷的产能差异,NO2--N和O2对PAOs具有相同竞争力,因而,NO2--N在好氧条件下同样能被PAOs利用,这才合理解释了NO2--N在好氧段大量损失这一现象.
 
  表 1 不同FNA条件下好氧阶段氮的转化量1)
  图 3为不同FNA浓度下系统进、 出水和厌氧末期的PO43--P浓度及其去除率. 从中可见,除投加20 mg ?L-1 NO2--N的前30 d外,投加NO2--N后系统厌氧末期磷浓度平均高于投加前. 本研究(research)中NO2--N投加量<5 mg ?L-1,即折合FNA浓度低于0.53×10-3 mg ?L-1时,系统的出水PO43--P浓度虽有小幅波动但很快能趋于稳定,除磷率保持在95%以上,出水浓度低于0.5 mg ?L-
  1. 进一步提高FNA浓度至0.99×10-3 mg ?L-1后,系统除磷性能迅速恶化,出水磷浓度严重超标,在改变FNA浓度的前4 d内,磷几乎无去除,此后由于系统中PAOs对FNA的适应能力逐步增强,污泥除磷性逐渐恢复,但恢复所需时间较长,50 d后除磷率平均恢复至64.42%,更高71.1%. 上述FNA浓度对应的吸磷性能受抑制程度明显低于文献报道的FNA临界浓度分别为0.000 5 mg ?L-1和0.001 mg ?L-1时所对应的吸磷性能受抑制程度50%和75%[17]. 以上分析表明,FNA对PAOs好氧吸磷能力的不利影响可通过长期运行逐步恢复,但不能完全恢复. 在此期间的某个周期内,撤销FNA投加试验发现,系统的除磷能力有一定程度的提高,说明FNA对好氧吸磷性能的抑制是可逆的. 增大NO2--N投量至15 mg ?L-1,即FNA为1.46×10-3 mg ?L-1,出水磷浓度在改变工况后再次出现大幅下降,但对比上一个工况,波动的幅度有所减小. 分析认为,由于长期投加NO2--N的驯化效应使得PAOs对FNA的适应能力增强,该工况内经过12 d运行系统除磷率平均恢复至67.33%,较前一工况的恢复过程大为缩短. 再次提高FNA浓度至1.94×10-3 mg ?L-1,除磷率再度大幅波动,在该工况的前10 d内,出水PO43--P浓度有时甚至高于进水浓度,之后,除磷率经过20 d逐步恢复到44.14%.
  图 3 不同FNA浓度下系统各阶段磷浓度及其去除率
  由于最后一个工况出水中存在大量NO2--N和NO3--N积累,试验后期还曾提高进水COD浓度至550 mg ?L-1以期加强反硝化从而改善系统除磷性能,经过近40 d的运行该阶段出水NO2--N和NO3--N积累量逐步下降至0.30 mg ?L-1和4.62 mg ?L-1,而厌氧末期PO43--P浓度则在提高碳源量后即刻由原来的24.45 mg ?L-1大幅上升至55 mg ?L-1左右,好氧吸磷量亦由17.71 mg ?L-1提高至45.51 mg ?L-1,尽管如此,对出水PO43--P的监测却发现其去除率不升反降,随后缓慢恢复至25%左右. 分析认为,提高COD可减缓PAOs与异养反硝化菌对碳源的争夺,而由此提高的释磷量导致聚磷菌吸磷负荷增大,从而引起除磷率因吸磷时间不足而下降的现象,但释磷量和吸磷量的增大,即PAOs的比释磷速率和比吸磷速率均提高至未增加碳源量的2倍以上,反映出提高进水碳源有助于缓解FNA对好氧吸磷的抑制.
  2.2 不同FNA浓度下系统典型周期内污染物的变化规律
  图 4为不同工况下系统典型周期内PO43--P和各形态氮及DO的浓度变化规律. 从中可知,试验进行的6个工况内均有释磷和吸磷现象且更大释磷浓度出现在厌氧(Oxygen)结束时刻. 在各工况厌氧时段内,DO浓度维持在极低范围,即0.02 mg ?L-1左右,PAOs将体内聚磷以正磷酸盐的形式释放出来并产生能量,进而利用该能量吸收混合液中的挥发性脂肪酸(fatty acids)并以聚羟基脂肪酸的形式贮存在体内; 在此期间,NH4+-N浓度由于活性污泥的吸附作用有小幅降低. 好氧时段内,DO浓度从0.02 mg ?L-1快速升至2 mg ?L-1以上,PAOs以降解PHAs为能量来源实现微生物(Micro-Organism)生长、 糖原合成以及磷的过量吸收; NH4+-N被快速降解转化为NO2--N,并最终转化为NO3--N. 工况1中,即系统的启动阶段,厌氧段结束时的磷浓度为25.14 mg ?L-1; NH4+-N维持在3.35 mg ?L-1以上. 好氧阶段,DO浓度快速升高并维持在4-6 mg ?L-1之间,PAOs在反应时间内完成吸磷过程(guò chéng),出水<0.5 mg ?L-1; NH4+-N在有氧条件下快速降解,反应末端出现1.617 mg ?L-1的NO3--N积累. 工况2中,尽管在厌氧段结束时刻向系统内投加浓度为2 mg ?L-1的NO2--N,但厌氧释磷量较工况1有大幅升高,磷浓度达42.78 mg ?L-
  1. 分析认为,由于FNA的解耦联作用,PAOs必须提高呼吸速率,即分解更多的聚磷以泵出更多质子从而维持质子驱动力的恒定. 研究(research)还发现,由于释磷量的提高导致PAOs在好氧段的负荷增大,但吸磷过程在反应时间内仍能彻底完成,说明PAOs的吸磷能力有所提高; 对好氧初始阶段向系统投加的NO2--N浓度测定及数据分析发现,NO2--N投加总量出现95%以上的损失,仅有剩余一小部分转化为NO3--N,说明NO2--N在好氧阶段被除亚硝酸盐氧化(oxidation)菌以外的其他微生物所消耗,但具体被哪种微生物菌群利用及其降解机制仍不明确. 工况3中,NO2--N的投加量提高至5 mg ?L-1,除磷率仍接近,说明FNA浓度低于0.53×10-3 mg ?L-1时,系统的除磷性能未受抑制. 工况4,即NO2--N投加量为10 mg ?L-1,换算为FNA浓度为0.99×10-3 mg ?L-1,除磷性能开始出现受抑制现象,表现为厌氧末端磷浓度降至25.13 mg ?L-1且好氧阶段吸磷能力减弱,反应结束时仍有2.33 mg ?L-1的PO43--P残留. 进一步加大NO2--N投加量至15 mg ?L-1和20 mg ?L-1,即FNA为1.46×10-3 mg ?L-1和1.94×10-3 mg ?L-1,抑制现象更加明显,厌氧释磷量及好氧吸磷量进一步减少,且系统内NO3--N的积累量逐步提高.
  图 4 不同FNA浓度下典型周期内各形态氮及PO43--P的浓度变化规律
  2.3 不同浓度FNA对系统比释/吸磷速率的影响
  图 5为不同FNA浓度下,各工况稳定运行时系统的比释磷速率和比吸磷速率. 从中可见,投加FNA后,反应器混合液的比释磷速率和比吸磷速率均高于投加前. 结合图 3不难发现,聚磷菌的释磷和吸磷能力在短期内会受到FNA抑制,而长期运行其活性会逐步恢复,由此推测,PAOs可能是借还原亚硝酸盐用以解毒. 对各浓度条件下的比反应速率曲线拟合发现,随着FNA浓度的增高,系统比释/吸磷速率呈现先增大后减小的抛物线趋势,说明低浓度的FNA不仅未抑制污泥的释磷及吸磷能力,反而起到了促进作用,这一现象可以由FNA的解耦联作用解释. 通过对荧光假单胞菌的研究(research),研究者证实了FNA可以作为质子载体透过细胞膜且在膜两侧往复运动而不产生能量[25, 26, 27],但FNA的解偶联作用导致其透过细胞膜后胞外驱动质子的能量增加,因此,PAOs必须提高呼吸速率,即分解更多的聚磷以泵出更多质子从而维持质子驱动力的恒定[28]. 对图 5的分析还发现,比释磷速率的标准偏差范围均大于比吸磷速率的标准偏差范围,且比释磷速率的曲线变化趋势明显,说明FNA对厌氧放磷的影响大于好氧吸磷.
  图 5 不同FNA浓度下系统的比释磷速率和比吸磷速率
  FNA浓度高于0.99×10-3 mg ?L-1后,系统比释/吸磷速率呈现略减趋势. 有学者提出,如果PAOs体内的亚硝酸盐还原酶在好氧条件下能将NO2-依次还原为N
  O、 N2O和N2,而NO2-或NO又与氧化还原酶反应,其产物会抑制PAOs的好氧呼吸,从而抑制能量产生,使PAOs体内糖原和Poly-P的合成以及细胞的生长受到影响[29]. 尽管如此,其真实的机制尚不清楚,因此,有关FNA对聚磷菌好氧吸磷的抑制机制有待进一步研究.
  2.4 投加FNA前后污泥缺氧吸磷能力的变化
  图 6为系统投加FNA前后以NO2-和NO3-为电子受体的缺氧吸磷(P)试验中PO43--P和NOx--N的变化规律. 对图 6 中两种电子受体吸磷曲线进行线性拟合并分析可知,驯化前,系统以NO2-和NO3-为电子受体的反硝化吸磷均能进行,但NO3-型的比吸磷速率为7.95 mg ?-1及电子受体比利用速率为5.33 mg ?-1略高于NO2-型的比吸磷速率为7.32 mg ?-1及电子受体比利用速率5.06 mg ?-1,而且,试验结束时系统中仍有少量PO43--P和电子受体存在. 投加FNA驯化65 d后,对图 6的分析发现,两种类型缺氧吸磷的吸磷速率和电子受体利用速率均有大幅提升且污泥的缺氧吸磷方式发生转变,NO3-型的比吸磷速率26.64 mg ?-1 及电子受体比利用速率12.75 mg ?-1 均小于NO2-型的比吸磷速率28.25 mg ?-1及电子受体比利用速率14.07 mg ?-1,缺氧吸磷能力分别为驯化前的3.35倍和3.86倍. 上述现象说明,向好氧吸磷系统内投加FNA并长期驯化有利于系统内筛选具有以NO2-为电子受体的反硝化聚磷菌.
  图 6 FNA驯化前后污泥的缺氧(Oxygen)吸磷能力
  2.5 不同FNA浓度下的系统污泥量及其沉降性能
  图 7为FNA投加量对系统内污泥量及其沉降性能的影响. 从中分析可知,试验进行的前20 d,系统混合液的MLSS值由4 963 mg ?L-1降至3 000 mg ?L-1左右. 分析原因,FNA的抑制作用致使部分微生物被杀灭或细胞增殖量低于排泥量,然而,经过一段时间后,尤其是投加0.99×10-3 mg ?L-1的FNA后污泥浓度趋于平稳,说明系统内污泥进入适应期. 由不同FNA浓度下反应器内污泥体积指数的变化可见,随着试验的进行,SVI逐步降低直至稳定,这与污泥浓度变化趋势一致. 分析原因: 一方面,FNA抑制了丝状菌的生长; 另一方面,图 4显示的比释磷速率和比吸磷速率的增大表明PAOs活性增强或数量增多,因而活性污泥比重较大,更有利于污泥的沉降.具体参见污水宝商城资料(Means)或
  图 7 FNA对系统污泥量及其沉降性能的影响
  3 结论
  FNA为0-1.46×10-3 mg ?L-1浓度范围内,出水无NO2--N积累,NO3--N积累量随着FNA投加量的增大而增多,总氮损失率均高于80%,NO2--N损失量由0 mg ?L-1升至11.495 mg ?L-1,FNA为1.94×10-3mg ?L-1时,系统内逐步出现NO2--N的积累.
  投加FNA后污泥的释磷和吸磷能力不仅未受到抑制,比释磷速率和比吸磷速率反而高于投加前. FNA低于0.53×10-3 mg ?L-1时,系统除磷率均大于96.9%; 当FNA浓度提高至0.99×10-3、 1.46×10-3、 1.94×10-3 mg ?L-1时,除磷率均有大幅下降,分别经过50、
  12、 30 d的运行,除磷性能恢复至64.42%、 67.33%、 44.14%,说明抑制作用导致的除磷性能恶化可以恢复且长期驯化作用能缩短恢复过程.
  投加FNA驯化后,污泥的NO3-型和NO2-型缺氧吸磷能力分别为驯化前的3.35倍和3.86倍且吸磷方式有所转变,说明向好氧吸磷系统内长期投加FNA有利于系统内富集以NO2-为电子受体的反硝化聚磷菌; 而且,长期驯化过程有利于系统内污泥的沉降.

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