不同反应时间内碳源转化对反硝化除磷的影响

中国环境科学2017,37(3)：989~997ChinaEnvironmentalScience不同反应时间内碳源转化对反硝化除磷的影响张建华,王淑莹,张淼,王聪,彭永臻*(北京工业大学国家工程实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京100124)摘要：以A2/O-生物接触氧化(BCO)系统反硝化除磷活性污泥为研究对象,通过投加适宜的碳源(乙酸钠,折合COD为200mg/L)和NO3--N(30mg/L),考察了反硝化聚磷菌(DPAOs)在不同厌/缺氧反应时间下的内碳源转化利用情况对脱氮除磷特性的影响.结果表明:厌氧反应时间为90min时,聚羟基脂肪酸酯(PHA)的合成量最大,释磷基本结束;厌氧时间过长(120,150min)导致PHA的无效损失,会直接影响缺氧反硝化除磷作用,且对于吸磷作用的抑制明显强于硝酸盐反硝化作用.厌氧释磷良好的条件下,缺氧反应120min时PHA消耗量较大,内碳源利用充分,氮磷去除完全;缺氧时间过短(60min)则反应不完全,时间过长(180,240,300min)会导致糖原(Gly)部分降解,间接影响反硝化除磷作用,不利于反应的长期进行.此外,在短期试验中,因厌氧时间过长造成的PHA无效损失,对反硝化除磷作用的影响明显大于缺氧时间设定过长时Gly的降解.关键词：反硝化除磷；厌/缺氧反应时间；PHA；糖原；比反硝化吸磷速率中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)03-0989-09Effectofconversionofinternalcarbonsourceondenitrifyingphosphorusremovalunderdifferentreactiontime.ZHANGJian-hua,WANGShu-ying,ZHANGMiao,WANGCong,PENGYong-zhen*(NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(3)：989~997Abstract：Denitrifyingpolyphosphateaccumulatingorganisms(DPAOs)couldremoveNandPsimultaneouslywhenexposedtosequentialanaerobic-anoxicconditions.ThekeyfactorofdenitrifyingphosphorusremovalbyDPAOswastheconversionandutilizationofinternalcarbonsource.Toevaluatetheeffectofconversionandutilizationofinternalcarbonsourceontheremovalofnitrogenandphosphorus,batchexperimentswereconductedwithdifferentanaerobic/anoxicreactiontimeusingdenitrifyingphosphorusactivatedsludgetakenfromananaerobic/anoxic/oxic(A2/O)-biologicalcontactoxidation(BCO)system.TheresultsshowedthatDPAOsproducedthehighestamountofpoly-β-hydroxyalkanoate(PHA)andfinishedphosphorusreleasewhenanaerobicreactiontimewas90min,whiletoolonganaerobicreactiontime(120,150min)ledtothedecreaseofPHAandaffecteddenitrifyingphosphorusremoval.Additionally,theeffectoflonganaerobicreactiontimeonphosphorusabsorptionwasmoresignificantthanthatondenitrificationbyNO3--N,andthespecificphosphorusuptakeratesuffereda30percentfallwhenextendingtheanaerobicreactiontimeto150min.Undertheappropriateanaerobicconditions,theoptimalanoxicreactiontimefornitrogenandphosphorusremovalwas120min.Thenitrogenandphosphorusremovalcouldn’tfinishwithashortreactiontime(60min),whileGlywaspartiallydegradedwithlonganoxicreactiontime(180,240,300min),denitrifyingphosphorusremovalwasindirectlyaffected,anditwasofnoadvantagetothelong-termoperation.Furthermore,inashorttime,theimpactoflonganaerobicreactiontimeonthenitrogenandphosphorusremovalwasgreaterthanthatoflonganoxicreactiontime.Keywords：denitrifyingphosphorusremoval；anaerobic/anoxicreactiontime；PHA；Gly；specificdenitrifyingphosphorusremovalrate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和除磷作用的反硝化聚磷菌(DPAOs),其能够实现收稿日期：2016-07-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578014);北京市教委资助项目*责任作者,院士,[e-mail]990中国环境科学37卷氮、磷的同步去除,具有高效节能、操作简单和污泥产量小等优点[6].在厌氧阶段,DPAOs将胞内聚磷水解,并利用该过程释放的能量及糖原(Gly)提供的还原力来完成碳源的吸收和聚羟基脂肪酸酯(PHA)的合成.作为后续缺氧反硝化除磷的电子供体,PHA降解产生的能量可用于聚磷的合成,最终实现除磷目标.可见,PHA作为细胞的物质和能量转换中心,在DPAOs的代谢过程中扮演重要角色.反硝化除磷技术引发了传统生物脱氮除磷工艺的技术革新,许多基于反硝化除磷原理开发而来的工艺应运而生.因此,对于反硝化除磷反应的深入研究很有必要.前人已对反硝化除磷的影响因素作了较多的研究,如碳源类型[7];C/N[8];电子受体类型[9-10];温度[11];反应时间[12-13]等.目前,有关厌/缺氧反应时间对DPAOs脱氮除磷效果影响的研究较多,但其中涉及到内碳源转化利用情况的较少,而这却是决定反硝化除磷效果的关键性因素,对于明晰反硝化除磷机理,提高反硝化除磷工艺的稳定性具有重要意义.本次实验的目的就是探讨不同的厌/缺氧反应时间下,内碳源转化利用的差异对反硝化除磷速率及效果的影响,对于优化反硝化除磷工艺运行参数有一定指导意义.1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.厌氧反应于有效容积为5L的密闭反应瓶中进行,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.每个批次试验均设置2组平行,结果取平均值.实验所用污泥取自实验室A2/O-生物接触氧化(BCO)系统中A2/O反应器的沉淀池.该系统主要由A2/O反应器、中间沉淀池和BCO反应器顺序连接组成[14],系统装置如图1所示.其中A2/O反应器有效容积42L,厌氧、缺氧与好氧区的容积比为2:4:1,搅拌器转速为60r/min,主要进行厌氧释磷与反硝化除磷反应,出水进入中间沉淀池,完成泥水分离后,上清液进入BCO反应器,污泥回流至厌氧区.污泥回流比为100%,回流污泥中仅含少量NO3--N(2mg/L),并未影响厌氧释磷.控制污泥龄为12~15d.BCO反应器3格串联,有效容积18L,投加聚丙烯悬浮填料,填充率为40%,该反应器主要完成氨氮的氧化,硝化液回流至A2/O反应器的缺氧区,为DPAOs提供电子受体,硝化液回流比为300%.该系统具有良好的反硝化除磷效果,采用Wachtmeister等[15]推荐的方法计算DPAOs占聚磷菌(PAOs)的比例,其比值为70%左右.原水气泵硝化液回流剩余污泥污泥回流出水生物接触氧化池厌氧区缺氧区好氧区图1A2/O-BCO系统示意Fig.1SchematicdiagramfortheA2/O-BCOprocess1.2试验用水与安排试验用水采用模拟废水.试验过程中,通过投加1mol/L的盐酸溶液和0.5mol/L的氢氧化钠溶液调节混合液的pH值,控制其在7.5左右,防止pH过高形成聚磷酸盐沉淀.试验前将活性污泥离心分离10min(转速为3000r/min),用蒸馏水清洗3遍,去除残余的化学需氧量(COD)和其他物质,防止对试验造成不利影响.将污泥定容至有效容积为5L的密闭反应瓶中,此时混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)约为1800mg/L,加入已配好的乙酸钠和微量元素进行厌氧反应(混合液初始COD约为200mg/L).为探究不同厌氧时间下,内碳源转化利用情况对反硝化除磷的影响,共设置5个水平的厌氧反应时间(30,60,90,120,150min),反应结束后,逐次取出1L混合液,置于有效容积为1L的反应瓶中,加入30mg/LNO3--N进行缺氧反应.同样,为考察不同缺氧反应时间下,内碳源转化利用情况对脱氮除磷特性的影响,设置了5个水平的缺氧时间3期张建华等：不同反应时间内碳源转化对反硝化除磷的影响991(60,120,180,240,300min),厌氧反应时间取最佳值.厌氧反应在5L的密闭反应瓶中进行,反应结束后,将混合液均分为5份,分别置于1L的密闭反应瓶中(加入30mg/LNO3--N)进行缺氧反应.反应均在室温下(20℃)进行,控制DO0.1mg/L,取样间隔为15min.1.3常规项目监测水样均采用0.45μm中速滤纸过滤,pH采用WTWMulti3420pH/ORP仪在线监测.MLVSS根据国家标准方法测定[16];COD采用兰州连华5B-1型COD快速测定仪测定;NO3--N、PO43--P采用LachatQuikchem8500型流动注射仪(LachatInstrument,Milwaukee,wiscosin)测定;聚羟基脂肪酸酯(PHA)采用气象色谱法测定[17];糖原(Gly)采用蒽酮法测定.此外,比反硝化除磷速率计算如下:比反硝化速率=(NO3--N初−NO3--N末)/MLVSS/T(1)比吸磷速率=(PO43--P初−PO43--P末)/MLVSS/T(2)式中:NO3--N初、NO3--N末、PO43--P初、PO43—P末分别为缺氧反应初始与结束时的NO3--N和PO43--P浓度,mg/L;T为缺氧反应时间,h.2结果与讨论2.1药剂的选取与投加量的确定反硝化除磷过程受诸多因素的影响,为给DPAOs创造良好的释磷与吸磷条件,以更好的研究