不同电子受体浓度对反硝化除磷的影响及动力学特性张淼

第１２卷第３期环境工程学报Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．３２０１８年３月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｒ．２０１８水污染防治１）０１１０．１２０３０／１０．１２０３０／ｊ．ｃｊｅｅ．２０１７０９０６４中图分类号Ｘ７０３．１文献标识码Ａ张淼，袁庆，黄棚兰，於蒙，薛禹，何成达，彭永臻．不同电子受体浓度对反硝化除磷的影响及动力学特性ｍ．环境ｔ．程学报，２０丨８，丨２（３）：８３０－８３８．ＺＨＡＮＧＭｉａｏ，ＹＵＡＮＱｉｎｇ，ＨＵＡＮＧＰｅｎｇｌａｎ，ＹＵＭｅｎｇ，ＸＵＥＹｕ，ＨＥＣｈｅｎｇｄａ，ＰＥＮＧＹｏｎｇｚｈｅｎ．Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｏｎａｒｏｅｐｔｏｒｒｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｎｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌａｎｄｄｙｎａｍｉｒｒｈａｒａｒｔｅｒｉｓｔｉｒ［Ｊ］，ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，１２（３）：８３０－８３８．不同电子受体浓度对反硝化除磷的影响及动力学特性张淼袁庆、黄棚兰２，於蒙、薛禹、何成达、彭永臻３１．扬州大学环境科学与丨：程学院，扬州２２５１２７２．扬州市洁源排水有限公司，扬州２２５００２３．北京【：业大学Ｗ家丨：程实验室，北京市水质科学勺水环境恢复丁程重点实验室，北京１００１２４第一作者：张淼（丨９８９＿），女，博上，讲师，研究／ｊ？向：污水生物处理理论与技术。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]＊通倍作者摘要以Ａ２／０－移动床生物膜反应器（ＭＢＢＲ）长期稳定运行的反硝化除磷污泥为研究对象，通过在厌氧段投加乙酸钠、缺氧段投加ＮＣＶ－Ｎ，考察反硝化聚磷菌（ＤＰＡＯｓ）在不同电子受体浓度（ＮＣＶ－Ｎ：ｌＯＪＯＪｆＫ＾ｄＯｍｇ．Ｌ—１）Ｔ的脱氮除磷特性以及内碳源转化利用规律。实验结果表明：缺氧段电子受体不足导致吸磷受限，微生物由于处于饥饿状态出现糖原（ＧＬＹ）降解，增加二次释磷的风险；而电子受体过摄会抑制ＤＰＡ〇ｓ的生物活性，降低内碳源的转化利用效率和同步脱氮除磷效果。当Ｎ〇ｒ－Ｎ浓度为３０￣４０ｒｎｇｌ－１时，Ｎ０３＿－Ｎ和Ｐ０４３＿－Ｐ去除率分別为９２．２８％￣９６．３７％和９９．３９％￣丨００％，聚－Ｐ－羟基链烷酸脂（ｐｏｌｙ－Ｐ－ｈｙｄｒｏｘｙａｌｋａｎｏａｔｅ，ＰＨＡｓ）利用率为８４．６％￣８６．２％，达到较好的同步脱氮除磷效果且实现了内碳源的髙效利用。动力学参数对比结果表明，不同电子受体浓度下比吸磷速率（？１爪）和比反硝化速率（０呢）在４．３２￣８．１８１＾．４七）－１、１．８１￣６．０８＞１＾．（补）－｜（以丫３３计）范围内波动，且ＮＣＶ－Ｎ／ＰＯｔ－Ｐ比值可间接反映ＤＰＡＯｓ生物活性。关键词Ａ２／０－移动床生物膜反应器（Ａ２／０－ＭＢＢＲ）；电子受体；反硝化除磷；内碳源转化；动力学参数随着微生物学在污水处理领域的深化，反硝化聚磷菌（ＤＰＡ〇Ｓ）［１］的发现颠覆了人们对传统生物脱氮除磷的认识。反硝化除磷的实现使得Ｃ０Ｄ消耗量节省５０％Ｐ１，吸磷过程由缺氧代替好氧，节省３０％曝气量，相应的污泥产量减少５０％［３１，同时释放的Ｃ０２降低２０％左右。基于反硝化除磷的理念，新型双污泥工艺——Ａ２／０－移动床生物膜反应器（ＭＢＢＲ）Ｗ应运而生。它具有处理流程简单，运行管理方便，脱氮除磷效果稳定等诸多优点，可实现低碳氮比（Ｃ／Ｎ）污水的深度脱氮除磷和节能降耗，应用前景较好。反硝化除磷工艺的改进和优化，使得传统污水处理工艺朝着高效率、低能耗的可持续方向发展。反硝化除隣过程ＤＰＡＯｓ对磷的吸收依赖于电子受体（Ｎ０３＿－Ｎ或Ｎ０２＿－Ｎ），ＭＥＲＺ０ＵＫＩ等研宄表明，反硝化除磷效率很大程度上取决于电子受体的类型和浓度，然而由于反硝化除磷体系和运行条件的不同，缺氧段对电子受体的需求不尽相同。刘建广等Ｗ采用厌氧／缺氧／好氧交替运行模式富集培养ＤＰＡＯｓ，发现Ｎ〇ｒ－Ｎ浓度大于ＳＯｒｎｇ．Ｌ－１时，吸磷速率几乎不受Ｎ０：ｆ－Ｎ浓度的影响。杨文收稿日期：２０１７－０９－０８；录用日期：２０１８－０１－０２基金项目：江苏省自然科学基金资助项目（ＢＫ２０１７０５０６）；扬州大学本科生科技创新项目；横向项目双污泥反硝化除磷工艺强化脱？除磷及应用（２０４０３２２６４）第３期张淼等：不同电子受体浓度对反硝化除磷的影响及动力学特性８３１■■阶水水箱．？色——冋流污泥中间沉淀池／０ＣＤＱｆ＇７Ｌ出水中间进水泵Ｘｊ流？计刺余污泥彼风机硝化液回流盈－图Ｉａ２／ｏ－ｍｂｂｒ装罝流程图Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｆｏｒＡ２／０－ＭＢＢＲｒｅａｏｔｏｒ１．２污泥特性Ａ２／０－ＭＢＩ川系统的接种污泥取自扬州市汤汪污水处理厂ＣＡＳＳ反应池的生化污泥，实验用水取自扬州大学生活区的化粪池，进水Ｃ／Ｎ为２．２５？３．４０，属于典型的低Ｃ／Ｎ污水。系统连续运行２００ｄ左右，脱氮除磷性能基本稳定（氮磷去除率分别为８０％和９６％），进出水的水质特性见表１。采用ＷＡＣＨＴＭＥＩＳＴＥＨ等＿推荐的方法得出ＤＰＡＯｓ占聚磷菌（ＰＡＯｓ）的比例约为６５％，菌群生物活性较碎等Ｍ采用一次性投加硝酸盐，当浓度小于２５ｍｇ．Ｌ－１时，硝酸盐与磷的去除呈线性关系，每去除１ｍｇ．Ｌ－１的Ｎ（Ｖ－Ｎ同时吸收１．２１ｍｇ．Ｌ－１的Ｐ〇４３－－Ｐ，而ＺＨＯＵ等１８１得出去除１ｍｇ．Ｌ－１的Ｎ０３－－Ｎ可吸收ｌ．Ｕｍｇ．Ｌ－１的Ｐ〇４３－－Ｐ的结论。作为一种新型的反硝化除磷工艺，电子受体对Ａ２／０－ＭＢＢＲ系统中污泥脱氮除磷特性的影响尚不明确。连续流系统是一个动态变化过程，水质波动较大，多种生化反应交互影响，许多实验现象和微观特性不能直观体现｜９１。考虑到连续流系统影响因素的复杂性以及不可控性，本研究以Ａ２／０－ＭＢＢＲ系统长期处理低Ｃ／Ｎ生活污水的反硝化除磷污泥为研宄对象，采用批次实验，考察单因素——不同电子受体浓度对反硝化除磷和动力学特性的影响，从而为Ａ２／０－ＭＢＢＲ系统的工程实践和推广应用提供理论依据。１实验部分１．１实验装置如图１所示，Ａ２／０－ＭＢＢＫ系统由Ａ２／０反应器、中间沉淀池、ＭＢＢＲ、沉淀区顺序连接组成。原水经进水泵进入Ａ２／０反应器，在厌氧区、缺氧区、好氧区的推流作用下完成同步脱氮除磷，出水进入中间沉淀池实现泥水分离。上清液进入ＭＢＢＲ系统，沉淀污泥回流到Ａ２／０反应器的厌氧区（污泥回流比１００％）。含有氨氮的上清液在ＭＢＢＲ沿程推流完成氨氮的氧化，硝化液经沉淀区回流到Ａ２／０反应器的缺氧区（硝化液回流比３００％），为反硝化除磷过程提供电子受体。Ａ２／０反应器有效容积２８Ｌ，均分为８个格室，水力停留时间８ｈ，厌氧、缺氧、好氧区容积比为１：６：１；厌氧区和缺氧区内设有搅拌装置，好氧区进行短暂曝气，污泥龄（ＳＲＴ）控制在１０ｄ左右。中间沉淀池为竖流式，采用中间进水周边出水的运行方式，有效容积１０Ｌ，剩余污泥定期排放。ＭＢＢＲ３格串联，有效容积１０．５Ｌ，内设聚丙烯悬浮填料（尺寸Ｄｘ／／为５ｍｍｘ３ｍｍ，填充率５０％），溶解氧Ｓ．Ｏ－ｔＯｍｇ．Ｌ－１，总曝气量Ｏ．ｌＳｎ＾ｈ－１左右，主要完成氨氮的氧化，最后出水直接排放。ＡＶ０反应器厌氧区缺氧区好氧区￣￣ｎ＼□□ｐ＼ｎｎｒｉ￣ＭＢＢＨ沉淀区ＮｉＮ２Ｎ３８３２环境工程学报第１２卷好，本研宄在此条件下开展了批次实验。表１ＡＶＯ－ＭＢＢＲ系统进出水水质特性Ｔａｂｌｅ１ＩｎｆｌｕｅｎｔａｎｄｅｆｆｌｕｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡ２／０－ＭＢＢＲｓｙｓｔｅｍ项目ＣＯＤ／ｎｈ４＋－ｎ／Ｎ０３＇－Ｎ／（ｍｇ＇Ｌ－１）Ｎ〇２￣－Ｎ／ＴＮ／Ｐ０４３＇－Ｐ／ｐＨ（ｍｇ＇Ｌ－１）（ｍｇ－Ｌ－１）（ｍｇ－Ｌ＿ｌ）（ｍｇ－Ｌ＿１）（ｍｇ－Ｌ＿ｌ）进水２２４．８６６．８０．１５０．０４６９．１５．７７．２出水３０．６０．７１１．３１．２１３．５０．２６．９１．３批次实验安排实验污泥取自连续流系统长期稳定运行条件下的活性污泥，用蒸馏水清洗３遍，防止残留基质对反应过程造成不利影响。批次实验分为２个阶段：阶段Ｉ，采用人工配水，将清洗后的污泥定容至有效容积５Ｌ的密闭反应瓶中，混合液挥发性悬浮固体浓度（ＶＳＳ）为ＳＯＯＯｍｇ．Ｌ－１左右，投加乙酸钠后开始厌氧搅拌，在消耗外碳源储存聚－１３－羟基链烷酸脂（ＰＨＡｓ）的同时完成释磷过程；阶段ｎ，厌氧反应结束后将混合液等分为５份，分别置于有效容积１Ｌ的反应瓶中，投加Ｎ０３＿－Ｎ作为电子受体，以阶段Ｉ中的ＰＨＡｓ为电子供体，同步脱氮除磷。在阶段ＩＩ中，通过改变初始电子受体浓度（Ｎ０３－－Ｎ：１０，２０，３０，４０，５０ｍｇ＿ｌ＾），探宂不同条件下内碳源转化利用情况及其对缺氧反硝化除磷的影响，并通过动力学特性的对比分析阐释脱氮除磷机理。实验在室温（２０下进行，反应过程中为防止形成聚磷酸盐沉淀，通过投加ｌｍｏｌ．Ｌ－１的ＨＣ１或ＮａＯＨ溶液调节ｐＨ在７．５左右。１．４常规项目监测方法ＣＯＤ采用快速消解仪（ＳＵＮＴＥＸＴＲ－１１００）测定；Ｐ〇４３－－Ｐ，Ｎ〇ｒ－Ｎ，Ｎ０２＿－Ｎ等指标以及污泥浓度ＭＬＳＳ、ＶＳＳ根据标准方法間测定；ＰＨＡｓ采用气相色谱（Ａｇｉｌｅｎｔ６８９０Ｎ）及ＤＢ－１型色谱柱Ｗ检测；糖原（ＧＬＹ）采用蒽酮法测定。１．５动力学参数计算在厌氧阶段，ＤＰＡＯｓ通过吸收外碳源以ＰＨＡｓ的形式储存在细胞体内，ＧＬＹ的分解和多聚磷酸盐的水解为此过程提供能量，动力学参数计算如下：释磷量：ＱｐＲＡ＝ＰＡｎ－ｔ２－Ｐａｉｘ－Ｈ（１）比释磷速率：Ｒ？ＫＲ＝（Ｐ＼ｎ－ｔ２￣ＰＡｎ－ｔ＼）／｛Ｃ＼ｓＳ－Ａｎ＇＾＾Ａｎ）（２）比耗碳速率：Ｒｅｍ＝（Ｃｘｎ．ｔ＼￣￣ＣＡｎ．〇｝／（Ｃ＼ＳＳ－Ａｎ＊ＡＴａｈ）（３）在缺氧阶段，ＤＰＡＯｓ分解ＰＨＡｓ，以ＮＯ厂－Ｎ为电子受体同步脱氮除磷，动力学参数计算如下：反硝化脱氮量：ＱｄＮＡ＝－＾Ａ－ｒｌ￣＾Ａ－／２（４）吸磷量：ＱｐＵＡ＝ＰＡ－／１－ＰＡ－／２（５）比反硝化速率：■ＲｄＮＲ＝－Ａ＾ａ－／２）／（Ｃ，ｖＳＳ－Ａ＊ＡＴＡ）（６）比吸磷速率：－Ｒｐｕｒ＝（Ｐａ－ｉ＼－Ｐ＼－ｔｌ）／（Ｃ＼ｓＳ＾■ＡＴａ）（７）式中：Ｃａ＾、ＣＡｎ．，２为厌氧阶段＜１、＜２时刻的ＣＯＤ浓度，ｍｇ．Ｌ－１；ＰＡｌＷｌ、／＾？．，２为厌氧阶段ｆｌ、时刻的Ｐ０４３－－Ｐ浓度，ｍｇ．Ｌ－１；／Ｖｈ、／Ｖ，２、ｉＶＡ．，卜＃Ａ．，２为缺氧阶段ｆｌ、时刻的Ｐ０４３－－Ｐ和Ｎ（Ｖ－Ｎ浓度，ｍｇ．ＩＴ１；Ｃｖｓｓ＿Ａｎ、ＣＶＳＳ．Ａ为厌氧和缺氧阶段的平均污泥浓度，ｍｇｔ１；△７＾或厶７＼为；１、反应时间间隔，ｈ。第３期张淼等：不同电子受体浓度对反硝化除磷的影响及动力学特性８３３２结果与讨论２．１实验条件的选择和确定２．１．１碳源投加量及厌氧反应时间如图