不同电子受体配比对反硝化除磷特性及内碳源转化利用的影响张建华

2015年12月CIESCJournalDecember2015第66卷第12期化工学报Vol.66No.12不同电子受体配比对反硝化除磷特性及内碳源转化利用的影响张建华，彭永臻，张淼，王淑莹，王聪（北京工业大学北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京100124）摘要：以A2/O-生物接触氧化（biologicalcontactoxidation，BCO）系统反硝化除磷活性污泥为研究对象，通过投加不同浓度的2NO-N−和3NO-N−（23NO-NNO-N−−+=30mg·L−1），考察了反硝化聚磷菌（denitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms，DPAOs）在不同电子受体配比（2NO-N−:3NO-N−=0,0.2:0.8,0.4:0.6,0.5:0.5,0.6:0.4）条件下的脱氮除磷特性。结果表明：乙酸钠为DPAOs用于反硝化除磷的理想碳源，且其浓度为200mg·L−1时昀佳；仅以3NO-N−为电子受体进行缺氧吸磷反应时，3NO-N−的投加量为30mg·L−1时较为合适；以3NO-N−作为电子受体，未经2NO-N−驯化的DPAOs，短时间内很难利用2NO-N−，但低浓度的2NO-N−（6mg·L−1）不会影响DPAOs以3NO-N−作电子受体进行反硝化除磷；同时，2NO-N−对于DPAOs吸磷作用的抑制程度明显强于3NO-N−反硝化作用，当2NO-N−浓度达到18mg·L−1时，吸磷反应基本停止；此外，较高浓度的2NO-N−不仅会抑制聚羟基脂肪酸酯（poly-β-hydroxyalkanoate，PHA）的分解利用，且会使PHA分解产生的能量较多地用于储存糖原（glycogen，Gly），而所分解利用的PHA中90%以上为聚-β-羟基丁酸酯（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）。关键词：反硝化除磷；2NO-N−；比吸磷速率；比反硝化速率；PHADOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20150928中图分类号：X703文献标志码：A文章编号：0438—1157（2015）12—5045—09EffectofdifferentelectronacceptorratiosonremovalofnitrogenandphosphorusandconversionandutilizationofinternalcarbonsourceZHANGJianhua,PENGYongzhen,ZHANGMiao,WANGShuying,WANGCong(EngineeringResearchCenterofBeijing,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Thecharacteristicsofremovalofnitrogenandphosphoruswereinvestigatedbyusingdenitrifyingphosphorusactivatedsludgetakenfromananaerobic/anoxic/oxic(A2/O)-biologicalcontactoxidation(BCO)system.Differentconcentrationsof2NO-N−and3NO-N−(2NO-N+−3NO-N−=30mg·L−1)wereusedtoevaluatetheinfluenceofdifferentelectronacceptorratios(2NO-N−:3NO-N−=0,0.2:0.8,0.4:0.6,0.5:0.5,0.6:0.4)onnitrogenandphosphorusremovalofdenitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms(DPAOs).TheresultsshowedthatsodiumacetatewastheidealcarbonsourceforDPAOstodenitrifyphosphorusremovalandthebestconcentrationwas200mg·L−1.Themoreappropriateadditiveamountof3NO-N−was30mg·L−1when3NO-N−wastheelectronacceptorinanoxicphosphorusabsorptionreaction.ItwashardfortheDPAOsthatusing3NO-N−aselectronacceptoranduntamedwith2NO-N−touse2NO-N−inashorttime,butalow2NO-N−concentration(6mg·L−1)didnotaffectednitrogenandphosphorusremovalbyDPAOswhen3NO-N−wastheelectronacceptor.2015-06-15收到初稿，2015-08-15收到修改稿。联系人：彭永臻。第一作者：张建华（1992—），男，硕士研究生。基金项目：住建部2014年科学技术项目计划（2014-K7-022）；北京市教委资助项目。Receiveddate:2015-06-15.Correspondingauthor:Prof.PENGYongzhen,[e-mail]化工学报第66卷·5046·Additionally,theeffectof2NO-N−onphosphorusabsorptionwasmoresignificantthanthatofdenitrificationby3NO-N−,andthereactionofphosphorusabsorptionalmostceasedwhentheconcentrationof2NO-N−achieved18mg·L−1.Furthermore,high2NO-N−concentrationwouldinhibitthedecompositionandutilizationofPHA(polyhydroxyalkanoate),andmoreenergyfromPHAdecompositionwoulduseforglycogenstorage,wherePHB(poly-β-hydroxybutyrate)accountedformorethan90%ofthePHAdecompositionandutilization.Keywords:denitrifyingphosphorusremoval;2NO-N−;specificuptakephosphorusrate;specificdenitrificationrate;PHA引言在传统生物同时脱氮除磷系统中，生物脱氮和除磷是分别由污泥中同时存在的硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等菌群完成的，当处理碳源不足的生活污水时，很难获得氮、磷的同步高效去除。自20世纪90年代以来，Kuba等[1]提出了反硝化除磷的概念，很多研究[2-5]发现，在厌氧/缺氧交替的运行条件下，可以富集得到兼有反硝化作用和除磷作用的反硝化除磷菌，其不仅能够实现氮、磷的同步去除，而且可以节约碳源和曝气能耗，降低剩余污泥产量[6]，因此，对于反硝化除磷反应的深入研究很有必要。目前对于以3NO-N−作为电子受体的反硝化除磷的研究已经较为成熟，在3NO-N−是否可以作为电子受体，以及其作为电子受体时的利用率和除磷效率方面均形成共识，而2NO-N−能否作为反硝化除磷的电子受体一直存在着争议[7]。2NO-N−是硝化和反硝化过程的中间产物，反硝化除磷菌若能以2NO-N−作为电子受体进行吸磷作用，则可以使反硝化除磷工艺进一步节省碳源、曝气量，同时也具有运行周期短、吸磷放磷速率快等特点，昀终减少工艺运行费用。本文目的就是探讨2NO-N−与3NO-N−两种电子受体的不同配比对缺氧反硝化吸磷速率的影响程度，并对2NO-N−对缺氧吸磷是否构成抑制、抑制程度等问题做进一步的研究。1试验材料与方法1.1试验装置与接种污泥本试验为实验室小试研究。厌氧反应采用有效容积为5L的密闭反应瓶，缺氧反应采用5个有效容积为1L的密闭反应瓶，厌氧和缺氧反应期间均采用磁力搅拌器进行搅拌。接种污泥取自实验室A2/O-BCO（biologicalcontactoxidation）系统中A2/O反应器的沉淀池。该图1A2/O-BCO系统示意图Fig.1SchematicdiagramforA2/O-BCOprocess系统由原水水箱、A2/O反应器、中间沉淀池和BCO反应器组成（图1），其中A2/O反应器有效容积42L，厌氧、缺氧与好氧段的容积比为2:4:1，搅拌器转速为60r·min−1，主要进行厌氧释磷与反硝化除磷反应，出水进入有效容积为15L的中间沉淀池，然后进入BCO反应器进行硝化作用，污泥回流至厌氧段。BCO反应器有效容积18L，投加聚丙烯悬浮填料，填料填充比为40%，曝气量为200L·h−1，硝化液回流至A2/O反应器的缺氧段，为反硝化聚磷菌（denitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms，DPAOs）提供电子受体。该系统稳定运行2年，具有良好的反硝化除磷效果。采用Wachtmeister等[8]推荐的方法计算DPAOs占聚磷菌（phosphateaccumulatingorganisms，PAOs）的比例，DPAOs占PAOs的百分比为70%左右。1.2试验用水与安排试验用水采用人工配水，试验过程中，通过投加1mol·L−1的盐酸溶液和0.5mol·L−1的氢氧化钠溶液调节混合液的pH，控制其在7.5左右。试验前将活性污泥离心分离10min（转速3000r·min−1），用蒸馏水清洗3遍，以去除残余的COD（化学需氧量）和其他物质的影响，并定容到有效容积为5L的密闭反应瓶中，此时MLVSS（混合液挥发性悬浮固体浓度）约为2800mg·L−1。加入已配好的乙酸钠和微量元素，混合液的初始COD约为200mg·L−1，置于磁力搅拌器上搅拌，进行厌第12期张建华等：不同电子受体配比对反硝化除磷特性及内碳源转化利用的影响·5047·表1不同电子受体（-2NON−、-3NON−）投配比Table1Differentelectronacceptorratios(-2NON−,-3NON−)No.2NO-N−/mg3NO-N−/mg2NO-N−:3NO-N−1030026240.2:0.8312180.4:0.6415150.5:0.5518120.6:0.4氧反应（90min）。反应结束后，将混合液均分为5份，放入容积为1L的反应瓶中，编号1～5，分别加入不同配比的电子受体，进行缺氧反应（120min），投配量（换算为电子受体质量）如表1所示。反应在室温下（20℃）进行，控制DO＜0.1mg·L−1，取样间隔为15min。1.3检测指标及分析方法水样采用0.45μm中速滤纸过滤，COD采用兰州连华5B-1型COD快速测定仪测定；34PO-P−、4NH-N+、2NO-N−、3NO-N−由LachatQuikchem8500型流动注射仪测定（LachatInstrument,Milwaukee,Wiscosin）；MLVSS采用标准方法测定[9]；聚羟基脂肪酸酯（poly-β-hydroxyalkanoate，PHA）采用气相色谱法测定[10]；糖原（glycogen，Gly）采用蒽酮法测定；pH采用WTWMulti3420pH/ORP仪在线监测。2结果与讨论2.1试验条件的探索与优化反硝化除磷过程受诸多因素的影响，为给DPAO