搜索
中国环境科学2018,38(1)：120~128ChinaEnvironmentalScienceDO浓度对EBPR耦合SND处理低C/N污水的影响赵骥,王晓霞,李夕耀,彭永臻*,贾淑媛(北京工业大学,国家工程实验室,北京市水质科学与水环境科学重点实验室,北京100124)摘要：为了解厌氧/好氧运行的序批式反应器(SBR)中,强化生物除磷(EBPR)与同步硝化反硝化(SND)的耦合脱氮除磷特性,以实际低C/N(约为3.5)生活污水为处理对象,先通过调控进水C/N考察其对EBPR启动和聚磷菌(PAOs)富集情况的影响,再通过调控好氧段DO浓度考察其对系统脱氮除磷性能、SND率及碳源转化特性的影响.结果表明,DO浓度为2.0mg/L,当进水C/N由3.2提高至7.5并降至3.8时,反应器出水PO43--P浓度由3.9mg/L逐渐降至0.5mg/L以下,且厌氧释磷量(PRA)由3.3mg/L逐渐升高至约30mg/L.此后,当DO浓度逐渐降至约1.0mg/L时,SND现象愈加明显,且其与EBPR耦合使得系统总氮(TN)和PO43--P去除率分别提高至85%和94%.但当DO浓度约为0.5mg/L时,硝化过程进行不完全,亚硝酸盐积累较为明显,耦合系统中存在同步短程硝化反硝化现象.DO浓度为约1.0mg/L时,系统具有最高的脱氮除磷性能.此外,当DO浓度由2.0mg/L降至0.5mg/L时,PAOs较聚糖菌(GAOs)在厌氧内碳源储存中的贡献逐渐减小(PPAO,An由30.3%逐渐降至20.2%),PRA降低约7mg/L.DO浓度为1.0~1.5mg/L最有利于系统厌氧段内碳源PHA的合成.关键词：强化生物除磷(EBPR)；同步硝化反硝化(SND)；短程硝化；聚磷菌(PAOs)；聚糖菌(GAOs)中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)01-0120-09EffectofDOconcentrationonthecombinationofEBPRandSNDforlowC/Nsewagetreatment.ZHAOJi,WANGXiao-xia,LIXi-yao,PENGYong-zhen*,JIAShu-yuan(NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(1)：120~128Abstract：Thisstudyfocusedoninvestigatingthenitrogen(N)andphosphorusremovalcharacteristicsofacombinedenhancedphosphorusremoval(EBPR)withsimultaneousnitrificationanddenitrification(SND)process.Ananaerobic/aerobicoperatedsequencingbatchreactor(SBR),fedwithactualdomesticsewageatalowcarbon/nitrogenratio(C/N,around3.5),wasstudiedfirstlyforthestart-upofEBPRandtheenrichmentofphosphorusaccumulatingorganisms(PAOs)byadjustingtheinfluentC/N,andlatelyforthenutrientremovalperformance,SNDefficiency,andcarbonsourcesconversionbyadjustingthedissolvedoxygen(DO)concentrationsattheaerobicstage.ResultsshowedthatatDOconcentrationofaround2.0mg/LandinfluentC/Nincreasedfrom3.2to7.5andthenrecoveredto3.8,effluentPO43--Pconcentrationgraduallydecreasedfrom3.9mg/Ltobelow0.5mg/Laccompaniedbytheincreaseofanaerobicphosphorusreleaseamount(PRA)from3.3mg/Ltoapproximately30mg/L.Hereafter,whenDOconcentrationgraduallydecreasedtoabout1.0mg/L,SNDbecameobvious,anditscouplingwithEBPRincreasedthetotalnitrogen(TN)andPO43--Premovalefficienciesto85%and94%,respectively.ButwhentheDOconcentrationwascontinueddecreasedtoabout0.5mg/L,nitrificationbecameincompleteandnitriteaccumulationbecameobvious,indicatingtheexistenceofsimultaneouspartialnitrificationanddenitrification.TheresultsindicatedthatthecombinedsystemhasthehighestnitrogenandphosphorusremovalperformanceatDOconcentrationofabout1.0mg/L.Inaddition,whenDOconcentrationdecreasedfrom2.0mg/Lto0.5mg/L,thecontributionofPAOstothestorageofanaerobicintracellularcarbonsources(PPAO,An)graduallyreducedfrom30.3%to20.2%,resultedinadecreaseofPRAforabout7mg/L.DOconcentrationof1.0~1.5mg/LwasthemostconducivetothesynthesisofcarbonsourcePHAintheanaerobicstageofthecombinedsystem.Keywords：EBPR；SND；partialnitrification；PAOs；GAOs收稿日期：2017-06-23基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578014);北京市教委科技创新平台项目*责任作者,教授,pyz@bjut.edu.cn1期赵骥等：DO浓度对EBPR耦合SND处理低C/N污水的影响121污水中氮磷的超标排放,是造成水体富营养化的主要原因[1].然而,传统生物脱氮除磷工艺在处理低碳氮比污水时,往往会由于碳源不足而造成脱氮除磷效果不能同时达到理想的效果.强化生物除磷(EBPR)系统是以厌氧/好氧交替的方式运行,在厌氧条件下,聚磷菌(PAOs)水解细胞内的多聚磷酸盐颗粒和糖原获得能量,吸收水体中的可挥发性脂肪酸,并将其转化为内碳源-聚羟基脂肪酸(PHA),同时释放正磷酸盐到细胞外;在好氧条件下,PAOs分解PHA产生能量,一部分用以自身生长及合成代谢,另一部分用于合成糖原并过量吸收水中的磷酸盐[2].EBPR工艺通过富集PAOs,提高PAOs所占的比例,可以实现污水的高效稳定除磷.目前,同步硝化反硝化(SND)现象已被证实存在于多种生物处理系统中,如流化床反应器[3]、生物转盘[4]、氧化沟[5]、序批式反应器(SBR)[6]和CAST[7]等.由于SND现象是发生在同一个反应器的同一处理条件下,其较传统脱氮工艺相比具有较为明显优势,如:工艺流程简单、节省曝气量和反应器容积、减少碱度投加量等.将EBPR与SND耦合,可在保证系统稳定除磷的基础上实现污水的脱氮过程,且工艺流程简单.对于碳氮比(C/N)较低的城市污水,该耦合系统中PAOs和聚糖菌(GAOs)可在厌氧段将外碳源储存为内碳源;在低氧段,硝化菌在进行硝化反应的同时,反硝化菌可利用剩余外碳源进行反硝化,而当外碳源不足时PAOs和GAOs可利用内碳源进行内源反硝化脱氮,有望实现低C/N污水的高效脱氮除磷[8-9].此外,该耦合系统好氧段需处于微曝气的状态,以保证SND的进行[9-12],与传统脱氮除磷工艺相比可节省50%以上的曝气量.目前,有关将EBPR与SND耦合实现低碳比污水的脱氮除磷还鲜有报道[12-14],有关DO浓度对EBPR与SND耦合系统启动及脱氮除磷特性的影响还未见报道.本文以实际低C/N生活污水为处理对象,采用单一厌氧/好氧运行的SBR,先通过调控反应器进水C/N,实现了EBPR系统的启动和PAOs的富集培养,同时研究了EBPR系统的除磷特性;然后,通过调控反应器好氧段DO浓度,研究了不同DO浓度对反应器的好氧段SND率、总氮(TN)去除率、除磷性能和碳源转化特性的影响,以期为了解耦合系统实现低C/N污水高效脱氮除磷的可行性及其实际应用提供依据.1材料和方法1.1试验装置与运行工序试验用反应器为序批式反应器(SBR,图1),采用有机玻璃制成,为敞口式反应器,容积为10L,有效容积为8L.每天运行4个周期,每周期进水3L.SBR在厌氧/好氧交替的条件下运行,运行工序为:厌氧150min(包括进水10min),好氧180min,排泥2min,沉淀20min,排水5min,静置3min.反应器内污泥浓度维持在(2500±300)mg/L,SRT为10.9d,好氧段DO浓度通过实时控制装置(PLC)进行调控(表1).此外,SBR反应器中EBPR与SND耦合试验研究主要分为2个过程:在过程1,实现EBPR的启动及PAOs的富集,以保证系统的除磷性能;在过程2,通过降低DO浓度以实现EBPR与SND的耦合,进而提高系统的脱氮性能.3L13182129104856719171513,141611pH/10图1SBR试验装置示意Fig.1ExperimentaldeviceoftheSBR1.进水水箱;2.进水泵;3.搅拌桨;4.搅拌器;5.气泵;6、9、10电磁阀;7.气体流量计;8.曝气头;11.取样口;12.放空阀;13.pH探头;14.DO探头;15.pH/DO仪;16.PLC控制箱;17.计算机;18.储泥箱;19.出水水箱122中国环境科学38卷1.2试验用水和接种污泥试验用水取自北京市某家属区化粪池生活污水,具体水质为:COD浓度为202.1~288.2mg/L,NH4+-N浓度为49.4~74.2mg/L,NO2--N浓度1mg/L,NO3--N浓度1mg/L,TN浓度为51.1~76.9mg/L,PO43--P浓度为3.9~7.5mg/L,pH值为7.1~7.6,C/N平均为3.8.此外,试验过程中通过向生活污水中投加固体乙酸钠的方式来提高进水COD浓度.试验过程中SBR进水条件和运行条件详细见表1.试验用接种污泥取自某大学处理生活污水的好氧/缺氧(外加乙醇)短程硝化反硝化中试SBR,该污泥具有正常的脱氮除磷和短程硝化反硝化性能,其好氧段亚硝酸盐积累率约为92.3%,系统NH4+-N和TN去除率分别平均达96.4%和92.3%,出水PO43--P浓度约为2.3mg/L.接种后SBR内污泥浓度(MLSS)为3.2g/L,污泥沉降比(SV%