CASS反应器内反硝化聚磷菌处理生活污水的性能刘康

第12卷第9期2018年9月环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringVol.12,No.9Sep.2018水污染防治DOI10.12030/j.cjee.201803039中图分类号X703.1文献标识码A刘康,薛念涛,李建民,等.CASS反应器内反硝化聚磷菌处理生活污水的性能[J].环境工程学报,2018,12(9):2483-2489.LIUKang,XUENiantao,LIJianmin,etal.PerformanceofdenitrifyingphosphateaccumulatingorganismsfordomesticwastewatertreatmentinCASSreactor[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2018,12(9):2483-2489.CASS反应器内反硝化聚磷菌处理生活污水的性能刘康1，薛念涛2，李建民1,*，王峥嵘11.北京市环境保护科学研究院，北京1000372.中国交通建设股份有限公司，北京100088第一作者：刘康（1990—），男，硕士研究生，研究方向：水污染控制技术。E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]摘要以实际生活污水作为处理对象，创造出适宜反硝化聚磷菌富集的条件，研究CASS工艺去除有机物同步反硝化脱氮除磷的性能。经过阶段I、阶段II2种运行模式共计66d的污泥培养，实现反应器的稳定运行，出水化学需氧量、氨氮、TN、TP的去除率平均值分别为90.47%、95.02%、84.71%和99.09%。通过释/吸磷实验测定稳定运行阶段的污泥，反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例达到80.00%，且典型周期内磷的吸收量与硝酸盐的去除量呈线性关系。在此运行模式下，该CASS运行模式可同时高效去除有机物、总氮与总磷，并且对反硝化聚磷菌具有较高的富集效率。关键词循环式活性污泥系统；反硝化聚磷菌；脱氮除磷随着污水排放标准的不断提高，国家严格限制水体中氮、磷营养元素的排入，使得污水处理厂必须具备脱氮除磷能力[1]。同步脱氮除磷工艺以生物法为主，应用较多的主要有A2/O（anaerobic/anoxia/oxic）、UCT（universityofcapetown）、氧化沟、SBR（sequencingbatchreactor）及其改良工艺等。这些工艺虽能实现较好的脱氮除磷效果，但在实现出水氮、磷稳定达标上仍面临一些问题，比如污水中碳源不足[2]，硝化菌和聚磷菌二者泥龄冲突，除磷菌和反硝化菌对碳源的竞争[3]。为解决这些问题，一些新技术、新工艺得到开发，其中反硝化除磷技术是近年来国内研究的热点。反硝化聚磷菌（denitrifyingphosphateaccumulatingorganisms，DNPAOs）兼具反硝化脱氮和聚磷的功能，广泛存在于厌氧好氧交替的环境中，如在A/O（anaerobic/oxic）、A2/O、SBR、UCT、BCFs（biologisch-chemische-fosfaat-stikstof-verwijdering）等工艺中均可发现此类菌的存在。DNPAOs属于兼性厌氧菌，相较于聚磷菌（phosphateaccumulatingorganisms，PAOs），能够以NO3--N、NO2--N作为最终电子受体，在超量吸磷的同时进行反硝化脱氮[4]。自20世纪90年代起，DNPAOs因其“一碳两用”的特点，在双污泥系统中被证实能够节约50%的碳源利用、30%的需氧量和降低50%污泥产出[5-6]。缺氧条件下的反硝化除磷现象已成为同步脱氮除磷工艺的研究热点，有关的研究多集中于SBR、A2N、Dephanox、UCT、BCFs及A2/O改良工艺，这些典型工艺可分为单污泥系统和双污泥系统。其中，Dephanox工艺与A2N-SBR工艺均依据反硝化聚磷菌的特点而设计，属于双污泥系统，工艺流程以A2N-SBR工艺为例：生活污水首先进入厌氧/缺氧-SBR进行碳源吸收和生物释磷，然后静沉排水，含氨氮上清液进入硝化-SBR完成硝化反应，含硝氮出水再回流至厌氧/缺氧-SBR进行缺氧反硝化除磷。其他工艺则为单污泥系统：改良UCT工艺及BCFs工艺则是在厌氧池与缺氧池之间增设一个缺收稿日期:2017-03-06；录用日期:2018-05-312484环境工程学报第12卷氧池，避免了回流污泥中硝氮对生物释磷的抑制，同时创造了有利于反硝化聚磷菌生长的条件，使反硝化除磷作用在脱氮除磷中扮演重要角色；A2/O改良工艺中，以冯元平等[7]自行设计的A3/O-MBR工艺为例，此工艺与改良UCT工艺和BCFs有相通之处，在厌氧池与缺氧池之间增设缺氧池，并与MBR组成复合工艺，运行结果显示，反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例达到95.47%，成为该系统实现良好脱氮除磷效能的关键。以上工艺为反硝化聚磷菌的生长提供了适宜的条件，较好地利用了反硝化除磷作用的优点，但在实现的过程中不可避免地也存在一些问题。双污泥系统处理工艺可能存在几个问题：1）静沉污泥中氨氮无法得到去除，可能导致出水氨氮较高；2）以厌氧-缺氧模式运行一定时间后，污泥除磷能力降幅明显甚至逐渐消失，而脱氮能力受影响不太，可推测，该现象很可能与反硝化菌的竞争有关；3）反硝化除磷对N/P比有一定的要求，但实际污水中的N、P含量变化较大。目前已有研究对前2个问题进行优化，通过引入后置好氧段来加强对氨氮的去除，这同时有利于反硝化聚磷菌数量的维持[8]，但多数反硝化除磷工艺仍面临着工艺复杂的问题。循环式活性污泥系统（cyclicactivatedsludgesystem，CASS）具有良好的脱氮除磷以及去除有机物的能力，具有占地小、工艺简单等优点，在实际工程中有诸多应用[9]，但目前有关CASS工艺采用反硝化聚磷菌同步脱氮除磷的研究比较少。马娟等[10]考察了多种因素对CAST除磷能力的影响，张智谋等[11]研究了CAST在不同运行模式下的除磷能力，两者的研究主要聚焦于生物除磷，后者虽能富集一定比例的反硝化聚磷菌，但脱氮效果一般。可见，有必要对CASS工艺中的反硝化除磷性能进行研究。本研究以实际生活污水作为处理对象，采用CASS反应器创造出适宜反硝化聚磷菌生长的条件，并且对运行参数进行优化，总结出一套运行模式以实现较好的脱氮除磷性能，为CASS反硝化除磷工艺的应用提供支持。1材料与方法1.1实验装置图1CASS工艺示意图Fig.1SchematicdiagramofCASSprocess实验装置如图1所示，CASS反应器采用有机玻璃制作，反应器总容积17.60L，有效容积12.00L，排水比1：3，左侧为生物选择区，右侧为主反应区，两者容积比为1：6.5。其中，溶解氧（DO）是影响CASS反应器脱氮除磷能力的关键因素，微孔曝气头设在主反应区末端[12]，以减轻曝气对生物选择区厌氧环境的影响。厌氧阶段和缺氧阶段采用搅拌器进行缓慢搅拌，以保证污泥处于均匀悬浮状态。1.2测试方法实验中所有水样经定性滤纸过滤后进行测试，依据文献中的方法[13]测定COD、氨氮、总氮（TN）、总磷（TP）、磷酸盐、硝酸盐和污泥浓度（MLSS）。COD采用重铬酸钾消解法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法；TP和磷酸盐采用钼锑抗分光光度法；硝酸盐采用紫外分光光度法；MLSS采用滤纸称重法；pH由STARTER2100/3C型pH计测定，DO由HANNAHI9146型便携式溶解氧仪测定。1.3运行参数实验所用污泥接种自北京市环境保护科学研究院MBR水处理装置，实验用水为院内实际生活污水，COD、氨氮、硝酸盐、TN、TP浓度分别为162.80~211.80、51.66~91.72、0.26~9.92、65.56~117.81、第9期刘康等:CASS反应器内反硝化聚磷菌处理生活污水的性能24854.80~9.69mg
L-1。C/N比参照A2/O、SBR等工艺[14-15]对同步脱氮除磷的要求，通过向生活污水中添加乙酸钠[16-17]调节进水C/N为5左右。表1CASS反应器运行方式Table1OperatingmodesofCASSreactor主反应区（阶段I）主反应区（阶段II）工况时间/min工况时间/min厌氧30厌氧45好氧30好氧45缺氧30缺氧45好氧30好氧135沉淀60沉淀30排水60排水60注：生物选择区每周期开始进水20min，全程搅拌运行。反应器运行模式如表1所示，每周期进、出水量为4L，由时间控制器自动控制各阶段的启动与关闭。混合液回流比为进水流量的20%，且不间断回流。通过温控器维持温度为25℃，SRT控制在15d左右，稳定运行期间MLSS为4500~6000mg
L-1。主反应区内DO控制在2~3mg
L-1左右，生物选择区内DO为0.07~0.10mg
L-1。实验首先以阶段I方式运行44d，此阶段主要用以探究CASS反应器在A/O/A/O运行模式下富集聚磷菌以及处理实际生活污水中氮、磷的能力。CASS工艺通常按进水-曝气-沉淀-排水4个阶段周期性运行，周期时间为4h时，曝气时间设置为2h。有些污水厂为应对TN（以氨氮为主）冲击负荷（TN为100mg
L-1左右），采用6h运行模式，曝气时间延长为4h[18]。本实验进水为高氨氮生活污水（51.66~91.72mg
L-1），且采用间歇曝气，故参数调节以曝气时间为主。阶段II周期时间为6h，保证较长的好氧停留时间以应对进水中的TN负荷。当达到一定的脱氮除磷能力后，反应器采用阶段II运行模式运行，至第66天，反应器取得较好的脱氮除磷效果，并实现稳定运行。1.4反硝化聚磷菌占聚磷菌比例的实验该实验的原理是以缺氧吸磷速率与好氧吸磷速率的比值作为DNPAOs占PAOs的比例，实验方法参照WACHTMEISTER等[19]的设计。实验具体步骤：从稳定运行的CASS反应器中取出一定量污泥，去除杂质后加入乙酸钠溶液使COD浓度为300mg
L-1左右，进行2h的厌氧释磷反应。厌氧反应完成后用生理盐水清洗污泥2遍，均分为2份：一份加入KH2PO4溶液和KNO3溶液，使总磷浓度和硝酸根浓度分别为15mg
L-1和30mg
L-1左右，进行缺氧吸磷反应；另一份加入KH2PO4溶液，使总磷浓度为15mg
L-1左右，进行好氧吸磷反应，控制DO浓度为2~3mg
L-1。2结果与分析2.1CASS反应器对COD的去除图2阶段I、阶段IICOD浓度及其去除率随时间的变化Fig.2ChangeofCODconcentrationanditsremovalratewithtimeinphaseIandphaseII进水中COD由原生活污水碳源和外加碳源（乙酸钠）构成，由于原生活污水COD浓度较低（平均浓度为181.12mg
L-1），而氨氮浓度较高（平均浓度为83.00mg
L-1），C/N比通常低于3，添加碳源以维持C/N比为5，有利于保证CASS工艺较好的脱氮除磷效果。CASS工艺对COD的去除效果见图2。由于采用实际生活污水，进水COD浓度波动较大，为248.00~525.00mg
L-1，平均浓度为362.72mg
L-1，但阶段I和阶段II的出水COD均比较稳定，平均浓度分别为30.41、33.08mg
L-1。该CASS反应器在2种运行模式下均可取得较高的COD去除率，且具有较强的有机负荷抗冲击能力，这也是CASS工艺得以广泛应用的优势所在[20]。此外，CASS反应器以A/O/A/O方式运行，在时间序列和空间序列上创造了厌氧、缺氧、好氧交替的环境，既保证了聚磷菌对厌氧、好氧环境的需要，也保证阶段I和阶段II2种运行模式对COD2486环境工程学报第12卷的去除率达到90%以上，基本实现出水达到城市污水排放标准（GB18918-2002）一级A标准（COD低于50mg
L-1）[21]。2.2CASS反应器对氨氮的去除图3阶段I、阶段II氨氮浓度及其去除率随时间的