倒置AAO工艺聚磷微生物的吸磷行为

倒置AAO工艺聚磷微生物的吸磷行为陈洪斌1,2*,唐贤春1,何群彪2,屈计宁1,高廷耀2(1.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092；2.同济大学城市污染控制国家工程研究中心,上海200092)摘要：采用人工配水和市政污水研究了“缺氧-厌氧-好氧”(倒置AAO)脱氮除磷工艺中，聚磷微生物（PAOs）在低碳源、高硝酸盐环境下的释磷和吸磷行为。结果表明，在低碳源、高氮和磷环境中，尽管PAOs在缺氧厌氧段释磷程度低，如果适当延长厌氧段和好氧段的HRT、且好氧曝气较充分，仍能超量吸收磷。PAOs过量吸磷的能量来源不仅仅是厌氧段吸收与合成的胞内聚合物在好氧段的氧化，还来自好氧环境正常代谢过程中多余的能量。外加碳源的投加时间点对PAOs吸磷的影响不显著。PAOs在厌氧段后期出现过量吸磷现象，推测是细胞内有机物厌氧降解产生的ATP通过某种代谢途径被用于无机磷的吸收。关键词：生活污水；脱氮除磷；聚磷菌；厌氧磷吸收中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2007)01-0049-05PhosphorusuptakingbehaviorofphosphorusaccumulatingorganismsinreversedAAOProcess.CHENHong-bin1,2*,TANGXian-chun1,HEQun-biao2,QUJi-ning1,GAOTing-yao2(1.StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourceReuse；2.NationalEngineeringResearchCenterforUrbanPollutionControl,TongjiUniversity,Shanghai200092,China).ChinaEnvironmentalScience,2007,27(1)：49~53Abstract:Thephosphorusreleaseanduptakebehaviorofphosphorusaccumulatingorganisms(PAOs)in“anoxic-anaerobic-aerobic”denitrificationandphosphorusremovalprocess(namelyreversedAAO)withlowcarbonnutrientsandhighnitratewereexploredusingartificialwastewaterandmunicipalwastewater.PhosphorusreleaseofPAOsisincompletewithlowcarbonnutrientandhighnitrateinanoxicandanaerobicstage,however,asuitableprolongedanaerobictime,aeratingtimeandenoughoxygencaninitiatephosphorusultra-uptakeofPAOs;theenergysourceofphosphorusultra-uptakebyPAOswasduetonotonlytheintracellularPHBsynthesizedduringanaerobicstage,butalsothesurplusenergiesduringaerobicstage.ThepositionofaddingexternalcarbonnutrientshasnearlynoinfluencetobehaviorsofPAOs.ItwasfoundthatPAOscanre-uptakephosphateinthelateranaerobicstage,apossibleexplanationwasthatit’senergydemandderivedfromtheanaerobicdegradationoforganicsandutilizedtouptakephosphateformwater.Keywords：municipalwastewater；denitrificationandphosphorusremoval；phosphorusaccumulatingorganisms；anaerobicphosphorusuptake生物脱氮除磷研究的深入发展，促进了新型生物脱氮除磷工艺的研制与开发[1-2]。张波，高廷耀等[3-5]研究了“厌氧-缺氧-好氧”脱氮除磷工艺的厌氧段和缺氧段倒置效应，并由此在常规AAO工艺的基础上开发出倒置AAO工艺，该工艺投资和能耗均有所降低。目前，倒置AAO工艺的研究和应用多以外排水的氮、磷达到一级B排放标准为主，若使工艺达到一级A排放标准或欧盟排放标准，则需回流的NO3--N总量大幅增加，因而造成反硝化细菌和聚磷菌(PAOs)对营养物的竞争加剧。碳源与TN和TP的比例失调，以及碳源不足，对PAOs除磷的影响更加突出。为此，本研究采用德国Darmstadt市某污水处理厂的进水及人工配水，探讨在高NO3--N和PO43--P、低碳源条件下倒置AAO工艺的PAOs吸磷规律以及污水碳源缺乏时外加碳源的投加时间点对PAOs的影响。1材料与方法1.1材料与制备利用连续流小试装置培养批次试验所需的富磷污泥。试验装置由缺氧厌氧池、好氧池及二沉池组成，处理水量40~60L/d，缺氧厌氧池的搅拌转速10~20r/min，泥水混合液仅从二沉池回流，回流比可调。进水按德国标准方法由人工配制[6]，CODCr500~600mg/L，TN80~100mg/L，TP9~15mg/L。污水在缺氧厌氧段和好氧段的停留时间(HRT)模拟德国污水处理厂生物处理装置的实际HRT(10~12h)，缺氧厌氧段和好氧段的比例为1:1.5或1:1.2；批次试验所用的市政污水取自Darmstadt市Ebstadt污水处理厂，B/C约为0.5，人工配水与连续流实验的配制方法相同，可根据试验需要对NO3--N或PO43--P的浓度有所调整；批次试验的污泥TP含量为4.06%~4.76%干物质(DS);批次试验的缺氧厌氧段利用磁力搅拌器混合，转速维持于防止污泥下沉。1.2分析方法CODCr、NH3-N、TN、TP、NO3--N和PO43--P均采用HACH快速分析仪测试，利用事先测定的标准曲线来修正测试结果。污泥的TP与VFA测定方法见文献[6]。2结果与讨论2.1缺氧厌氧段碳源缺乏、NO3--N浓度较高时的吸磷行为利用批次试验探讨了碳源缺乏、回流NO3--N浓度较高条件下，PAOs在缺氧厌氧段和好氧段的释磷与吸磷现象，同时对比了常规AAO工艺在高NO3--N浓度条件下的磷释放和吸收规律。批次试验（2个装置同步进行）的缺氧搅拌时间均为4h，曝气时间6h，实验结果见图1，图2。图1中1号和2号反应器模拟了回流比250%、高NO3--N状态下的PAOs释磷和吸磷效果。试验初始的CODCr分别为109、151mg/L，NO3--N浓度均为21.6mg/L，PO43--P分别为5.25、8.95mg/L，碳氮比和碳磷比都很低。由图1可见，缺氧厌氧段即将结束时，NO3--N才被彻底反硝化。与此同时，厌氧段结束时水中的PO43--P分别比试验初提高了9.25、11.2mg/L，释磷量分别占污泥干重的0.40%和0.31%。好氧段的曝气较充足，尽管水温不高，但4h后NH3-N被彻底氧化，6h时水中残余的PO43--P仅为0.19、0.61mg/L。3号反应器采用人工配水，初始CODCr为150.5mg/L，PO43--P和NO3--N分别高达15.4、22.6mg/L。同样地，NO3--N经过4h才消耗完毕，PAOs的释磷量仅为污泥干重的0.14%，不过好氧结束时水中残余的PO43--P为0.18mg/L。可见，缺氧厌氧段释磷充分与否对后续好氧段的吸磷行为影响不明显。图2对比了倒置AAO工艺和常规AAO工艺在碳源不足、高NO3--N环境中的释磷和吸磷行为,前者在厌氧段结束时释磷量处于最高水平,占污泥干重的0.50%;加入NO3--N后出现反硝化吸磷现象,曝气后继续吸磷,直到好氧结束;而后者在缺氧厌氧段的释磷量低于前者,释磷量占污泥干重的0.36%;但好氧结束时水中残余的PO43--P浓度与前者相近,分别为0.22,0.25mg/L.可见,在高NO3--N和PO43--P、低碳源环境中,虽然倒置AAO工艺的缺氧厌氧阶段PAOs释磷不充分,吸收有机物并合成胞内聚合物的数量有限,但在好氧段较长的HRT和充足曝气条件下,仍能过量吸收磷,说明PAOs吸收磷的能量来源并不唯一.2.2延长缺氧厌氧段HRT对PAOs吸磷的作用图3,图4为碳源不足、高NO3--N回流量条件下分别以市政污水和人工配水延长缺氧厌氧段的HRT对PAOs释磷和吸磷量变化.批次试验的前4h搅拌由1号反应器(体积10L)完成,4h后虹吸出一半混合液转入2号反应器并曝气,剩余部分继续搅拌2h后曝气,两反应器的DO控制相同.由图3可见,较低温度下3h后NO3--N才消耗完毕;4h后反应器的PO43--P的浓度达到21.1mg/L;搅拌至6h后PO43--P达到24.4mg/L,而CODCr的下降幅度不大.2个反应器在好氧段的曝气5h后NH3-N均降低为0,6h时PO43--P分别降低到0.51,0.61mg/L.同样条件下水温为25℃的试验表明,缺氧厌氧段的HRT为4h和6h对PAOs的释磷和吸磷效果的影响弱于较低温度条件.由图4可见,水温为23~27℃、人工配水延长缺氧厌氧段HRT对PAOs释磷和吸磷的影响弱于市政污水.尽管反应初始NO3--N达到26.1mg/L,PO43--P高达22.7mg/L,但缺氧1h后NO3--N就被消耗殆尽,反应器的ORP很快低于-100mV,第4h时PAOs释磷达到高峰,水中的PO43--P为71.0mg/L,PAOs释磷量占污泥干重的1.4%;继续延长厌氧时间,PAOs表现为重新吸磷现象,至6h时水中的PO43--P降低至38.8mg/L,COD为63.1mg/L.好氧曝气6h时水中的PO43--P浓度分别为0.29,0.35mg/L(缺氧厌氧段HRT为6,4h).可见,当碳源不足、回流NO3--N含量高的条件下,适当延长缺氧厌氧段的HRT对生物除磷有促进作用,但在不同的水温下有所差异.2.3外加碳源的位置对吸磷和释磷的影响为考察在较低的温度条件下不同位置投加甲醇对PAOs释磷与吸磷的影响,以市政污水在13.3,17.2℃、分别位于缺氧段伊始与搅拌2h后投加甲醇30mg/L(某污水处理厂曝气生物滤池外加甲醇的剂量,活性污泥经过驯化),试验结果见图5.由图5可见,13.3℃时由于反应初始的NO3--N浓度较低,2h时均已消耗殆尽并进入厌氧状态;5h厌氧结束时水中的PO43--P均达到22.5mg/L,曝气6h后终浓度分别为0.37mg/L(反应初始投加甲醇)和0.23mg/L(搅拌2h后投加甲醇).在17.2℃时,初始NO3--N和PO43--P浓度分别提高至20.4,15.5mg/L.NO3--N到第4h才消耗完毕;从PAOs释磷和吸磷效果看,初始投加和2h后投加甲醇的磷释放和吸收曲线均相似,2h内仅增加了3mg/L,此后3h水中的PO43--P均持续减少,也即PAOs开始重新吸收磷,好氧结束时水中的PO43--P分别为0.04,0.03mg/L.可见,碳源不足时,低温下外碳源的投加位置对PAOs的释磷和吸磷影响不明显.即使缺氧厌氧段PAOs释磷量少,PHB等合成不足,但PAOs在好氧段吸收磷的数量仍达到污泥干重0.41%,进一步说明缺氧厌氧段PAOs的释磷程度与最终吸收量没有必然的相关性.而且以市政污水开展试验,同样在厌氧段后期发现了磷的吸收现象.在生产性装置中倒置AAO工艺如需外加碳源以提高反硝化和生物除磷效率时,建议外碳源投加点设定在缺氧厌氧段的初始点,这样不仅可促进NO3--N快速还原,而且有利