生物脫氮除磷工藝中的矛盾

1、5, 生物脫氮除磷工藝中的矛盾（1）泥齡問題作為硝化過程的主休 , 硝化菌通常都屬于自養(yǎng)型專性好氧菌 . 這類微生物的一個(gè)突出特點(diǎn)是繁殖速度慢 ,世代時(shí)間較長.在冬季,硝化菌繁殖所需世代時(shí)間可長達(dá)30d以上;即使在夏季，在泥齡小于5d的活性污泥中硝化作用也十分微弱 . 聚磷菌多為短世代微生物 , 為探討泥齡對(duì)生物除磷工藝的影響 ,Rensink 等（1985 年）23用表 2 歸納了以往的研究成果 ，并指出降低泥齡將會(huì)提高系統(tǒng)的除磷效率 .泥齡與除磷率關(guān)系 表 2泥齡/d30175.34.6磷去除率 /%405087.591由表 2可見聚磷微生物所需要泥齡很短 . 泥齡在 3.0d 左右時(shí) ，

2、 系統(tǒng)仍能維持較好的除磷效率 . 此外 ， 生物除磷的唯一渠道是排除剩余污泥 . 為了保證系統(tǒng)的除磷效果就不得不維持較高的污泥排放量 ， 系統(tǒng)的泥齡也不得不相應(yīng)的降低 .顯然硝化菌和聚磷菌在泥齡上存在著矛盾 .若泥齡太高 ，不利于磷的去除 ;泥齡太低 ，硝化菌無法存活 ， 且泥量過大也會(huì)影響后續(xù)污泥處理 . 針對(duì)此矛盾 ， 在污水處理工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中 ， 一般所采用的措施是把系統(tǒng)的泥齡控制在一個(gè)較窄范圍內(nèi) ， 兼顧脫氮與除磷的需要 .這種調(diào)和 ，在實(shí)踐中被證明是可行的.為了能夠充分發(fā)揮脫氮與降磷兩類微生物的各自優(yōu)勢(shì) ， 可采取的其它對(duì)策大致上有兩類 . 第一類是設(shè)立中間沉淀池 ，搞兩套污泥

3、回流系統(tǒng)使不同泥齡的微生物居于前后兩級(jí) （見圖 4）， 第一級(jí)泥齡很 短， 主要功能是除磷 ; 第二級(jí)泥齡較長 ， 主要功能是脫氮 . 該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成功地把兩類泥齡不同的微生物分 開.但是，這類工藝也是存在局限性 .第一，兩套污泥回流系統(tǒng) ，再加上中間沉淀池和內(nèi)循環(huán) ，使該類工藝流程 長且比較復(fù)雜.第二，該類工藝把原來常規(guī) A2/0（見圖5）工藝中同步進(jìn)行的吸磷和硝化過程分離開來，而各自所需的反應(yīng)時(shí)間又無法減少 ， 因而導(dǎo)致工藝總的停留時(shí)間變長 . 第三 ， 該工藝的第二級(jí)容易發(fā)生碳源不足 的情況，致使脫氮效率大受影響 .此外，由于吸磷和硝化都需要好氧條件 ，工藝所需的曝氣量也可能有所增加

4、第二類方法是在A2/O工藝好氧區(qū)的適當(dāng)位置投放填料.由于硝化菌可棲息于填料表面不參與污泥回流，故能解決脫氮除磷工藝的泥齡矛盾 . 這種作法的優(yōu)點(diǎn)是既達(dá)到了分離不同泥齡微生物的目的 ， 又維持了常規(guī) A2/O工藝的簡捷特點(diǎn).但是該工藝也必須解決好以下幾個(gè)問題：投放填料后必須給懸浮性活性污泥以優(yōu)先 的和充分的增殖機(jī)會(huì)，防止生物膜越來越多而 MLSS1來越少的情況發(fā)生；要保證足夠的攪拌強(qiáng)度，防止因填料截留作用致使污泥在填料表面間大量結(jié)團(tuán)；填料投放量必須適中，投放量太少難以發(fā)揮作用，太多則難免出現(xiàn)對(duì)污泥的截留 . 此外 ， 填料的類型和布置方式都應(yīng)作慎重考慮 .(2) 碳源問題 碳是微生物生長需要要最

5、大的營養(yǎng)元素 . 在脫氮除磷系統(tǒng)中 ,碳源大致上消耗于釋磷 , 反硝化和異養(yǎng)菌正常 代謝等方面.其中釋磷和反硝化的反應(yīng)速率與進(jìn)水碳源中的易降解部分，尤其是揮發(fā)性有機(jī)脂肪酸(VFA)的數(shù)量關(guān)系很大.一般來說，城市污水中所含的易降解COD勺數(shù)量是十分有限的，以VFA為例，通常只有幾十mg/L. 所以在城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)的釋磷和反硝化之間 ， 存在著因碳源不足而引發(fā)的競爭性矛盾 .解決這一問題一般需要從兩個(gè)方面來考慮.一是從工藝外部采取措施，增加進(jìn)水易降解 COD勺數(shù)量，例如取消初沉池 ， 污泥消化液回流 ， 將初沉池改為酸化池等都有一定作用 ， 還可考慮外加碳源的方法 . 二是從工藝內(nèi) 部考

6、慮 ， 權(quán)衡利弊 ， 更合理地為反硝化和釋磷分配碳源 ， 常規(guī)脫氮除磷工藝總是優(yōu)先照顧釋磷的需要 ， 把厭氧 區(qū)放在工藝的前部 ， 缺氧區(qū)置后 . 這種作法當(dāng)然是以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提 . 但是， 釋磷本身并不是脫 氮除磷工藝的最終目的 . 就工藝的最終目的而言 . 把厭氧區(qū)前置是否真正有利 ， 利弊如何 ， 是值得進(jìn)一步研究 的.根據(jù)對(duì)厭氧有效釋磷可能并不是好氧過度吸磷充分必要條件的新認(rèn)識(shí)，倒置A2/O工藝(見圖6)將缺氧區(qū)放在工藝最前端 ， 厭氧區(qū)置后 24-26. 經(jīng)過這種改變 ， 脫氮菌可以優(yōu)先獲得碳源 ， 反硝化速率得到大幅度提高.同時(shí)，原來困擾脫氮除磷工藝的硝酸鹽問題不存在了

7、 ，所有污泥都將經(jīng)歷完整的釋磷和吸磷過程 ，除磷能力不僅未受影響 ， 反而有所增強(qiáng) 24-26. 這種新的碳源分配方式對(duì)脫氮除磷工藝的實(shí)踐和機(jī)理研究都有重要意義 .(3) 硝酸鹽問題在常規(guī) A2/O 工藝中 ， 由于厭氧區(qū)在前 ， 回流污泥不可避免地將一部分硝酸鹽帶入該區(qū) . 硝酸鹽的存在嚴(yán)重影 響了聚磷蓖的釋磷效率，尤其當(dāng)進(jìn)水中VFA較少，污泥的含磷量又不高時(shí)，硝酸鹽的存在甚至?xí)?dǎo)致聚磷菌 直接吸磷.所以在常規(guī)A2/O工藝框架下，如何避免硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)干擾釋磷一度成為研究熱點(diǎn)，并圍繞這一問題產(chǎn)生了諸如 UCT工藝,JHB工藝，EASC工藝等，其中最著名的應(yīng)屬 UCT工藝(如圖7)解決硝酸鹽

8、問題的關(guān)鍵是如何在回流污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)之前 ， 設(shè)法將其攜帶的硝酸鹽消耗掉 . 一種方法是在回流污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)之前 ， 先進(jìn)處一個(gè)附設(shè)的缺氧池 ， 在這個(gè)缺氧池中回流污泥攜帶的硝酸鹽利用污泥本身的碳源反硝化 . 由于沒有外加碳源 ， 這種反硝化實(shí)際上多屬內(nèi)源代謝 ， 因此反硝化速率不高 . 作為對(duì)第一種6， 生物脫氮除磷工藝反應(yīng)中微生物關(guān)系一般來就 27， 微生物的相互關(guān)系有三種可能 :第一， 一種微生物的生長和代謝對(duì)另一種微生物的生長有利 影響， 或者相互有利 ， 形成有利關(guān)系 ， 如生物間的共生和互生 ; 第二， 一種微生物的生長與代謝對(duì)另一種微生 物的生長產(chǎn)生不利影響 ，或者相互在害 ，形

9、成有害關(guān)系 ，如微生物間的拮抗 ，競爭，寄生和捕食;第三，兩種微 生物生活在一起 ， 兩者間發(fā)生無關(guān)緊要 ， 沒有意義的相互影響 ， 表出出彼此對(duì)生長和代謝無明顯的有利或有 害影響 ， 形成中性關(guān)系 ， 如種間共處 .(1) 有利關(guān)系微生物之間的有利關(guān)系可分為互生關(guān)系和共生關(guān)系 .互生關(guān)系是微生物間比較松散的聯(lián)合 ，在聯(lián)合中可以是一方得利 ， 即一方為另一方提供或改善生活條件 ， 或者是雙方都得利 . 而共生關(guān)系是兩種微生物緊密地結(jié)合在一起 ， 當(dāng)這種關(guān)系高度發(fā)展時(shí) ， 就形成特殊的共同體 ， 在生理上表現(xiàn)出一定的分工 ， 在組織和形態(tài)上產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu) .生物脫氮系統(tǒng)中 ，互生關(guān)系主要表現(xiàn)為在化

10、學(xué)水平的協(xié)作 ，即微生物間相互提供生長因子 ，代謝刺激物或降解對(duì)方的代謝抑制物，平衡PH值，維持適當(dāng)?shù)难趸€原電位或消除中間產(chǎn)物的累積.氨化細(xì)菌，亞硝酸菌，硝酸菌及反硝化菌之間就表現(xiàn)為互生關(guān)系 . 在氨素轉(zhuǎn)化過程中 , 氨化細(xì)菌分解有機(jī)氮化合物產(chǎn)生氨 ,為亞硝酸 菌創(chuàng)造了必需的生活條件 , 但對(duì)氨化細(xì)菌則無害也無利 . 亞硝酸菌氧化氨 ,生成亞硝酸 , 又為硝酸菌創(chuàng)造了必 要的生活條件 .Chai Sung Gee 等 28 研究了亞硝化單胞菌屬與硝化桿菌在反應(yīng)器內(nèi)的相互作用 , 運(yùn)用懸浮 生長實(shí)驗(yàn)獲得的穩(wěn)態(tài)氨和亞硝酸氧化的數(shù)據(jù)確定的這兩種細(xì)菌數(shù)量的生工參數(shù),得出結(jié)論 : 硝化桿菌的活性依賴于

11、硝化桿菌對(duì)亞硝化單胞菌的數(shù)量比例 , 而亞硝化單胞菌的活性則不受兩者之間數(shù)量比例的影響 . 可以 判定這兩個(gè)種群之間必然存在著酶促共棲或生物化學(xué)的能量轉(zhuǎn)移.反硝化菌則在厭氧條件下將NO3-,NO2-還原為N2氣體,從污水的液相中排出，為亞硝化菌和硝化菌解除抑制因子，同時(shí)反硝化過程還提高了反應(yīng)器內(nèi)的堿度，部分地補(bǔ)充了硝化過程所消耗的堿度，有利于反應(yīng)器pH值穩(wěn)定在硝化菌活性較大的范轉(zhuǎn)內(nèi).目前各類脫氮工藝大多是分段的 , 都設(shè)有好氧池與缺氧池 , 分別為硝化菌及反硝化菌提供適宜的生長環(huán)境 ,因而硝化過程與反硝化過程是在不同反應(yīng)器內(nèi)完成的 .各反應(yīng)器內(nèi)的微生物是聯(lián)系不夠緊密的互生關(guān)系 ，因而運(yùn)行穩(wěn)定性

12、相對(duì)較差 . 最近幾年國外發(fā)表了多篇論文 29，30，31 證實(shí)和介紹了同時(shí)硝化反硝化現(xiàn)象 ， 國內(nèi)同濟(jì)大學(xué) (1994-1997) 在中德合作項(xiàng)目 -城市污水生物脫氮除磷技術(shù)的研究中采用了幾種不同的工藝 ， 均發(fā)現(xiàn)了不同程度的同步硝化反硝化現(xiàn)象 . 對(duì)這種現(xiàn)象 ， 普遍被接受的觀點(diǎn)是物理學(xué)的解釋 ， 即由于氧擴(kuò)散的限制，在微生物絮體內(nèi)產(chǎn)生溶解氧梯度 ，如圖 8所示:微生物絮體外表面溶解氧濃度較高 ， 優(yōu)勢(shì)微生物為氨化菌及硝化菌 ， 而絮體內(nèi)部 ， 由于氧傳遞阻力增大和外部好氧菌的消耗 ， 形成缺氧狀態(tài) ， 從而反硝化菌占優(yōu) . 事實(shí)上這種微生物絮體的組成使得微生物不僅有前述化學(xué)水平的協(xié)作 ，

13、 還有物理水平的協(xié)作 ， 形成了聯(lián)系緊密的共生關(guān)系 ， 其穩(wěn)定性更好 .Daigger 等研究了美國Elim wood 污水廠的 Orbal 氧化溝內(nèi)的同時(shí)硝化反硝化現(xiàn)象 ， 也得出了相似的結(jié)論 .厭氧區(qū)內(nèi)除磷菌與兼性細(xì)菌也存在著互生關(guān)系 ，目前對(duì)生物除磷面理的研究表明 ，除磷菌只能同化以乙酸為代表的低分子揮發(fā)性脂肪酸 (VFAs) 才能有效釋放磷 ， 而原污水中這類物質(zhì)因易降解而在初沉池內(nèi)甚至在管網(wǎng)內(nèi)已被降解 ，故其含量較為有限 ，除磷菌所需的揮發(fā)性脂肪酸主要靠兼性菌在厭氧條件下發(fā)酵有機(jī)物提供除磷菌同化揮發(fā)性脂肪酸 ， 亦為兼生菌性長代謝解除抑制因子 ， 兩者的互生關(guān)系基本上建立在化學(xué)水平的

14、協(xié)作上.(2) 不利關(guān)系微生物間的不利關(guān)系包括拮抗 ，競爭，寄生，捕食等.拮抗是指兩種微生物生活在一起時(shí) ，一種微生物產(chǎn)生某 種特殊的代謝產(chǎn)物或改變環(huán)境條件 ， 從而抑制甚至殺死另一種微生物 . 競爭關(guān)系是生活在一起的兩種微生物 為了爭奪有限的同一營養(yǎng)或其它共同需要的養(yǎng)料 ，其中最能適應(yīng)環(huán)境的種類將占優(yōu) .在生物除磷反應(yīng)器中，同時(shí)存在著除磷菌(PAB)和聚糧菌(GAB).在厭氧段，細(xì)胞內(nèi)聚磷和糖類的分解作為內(nèi) 存的能量吸收乙酸鹽，然后乙酸鹽立刻被轉(zhuǎn)移并轉(zhuǎn)化為PHA，在好氧階段PHA就能被PAB和GAB用于生長和維持生命活動(dòng).Satoh發(fā)現(xiàn)GAB在厭氧狀態(tài)下吸收乙酸而不釋放磷，代謝反應(yīng)式為：CH2O+0.208C6H10O5(CH) 2CH1.5O0.5(PHB)+0.25CO2+0.54H2O因此，PAB和GAB將為爭奪有限的揮發(fā)性脂肪酸而進(jìn)行生存競爭丄iu等研究表明PAB吸收乙酸鹽比GAB更多更快，但GAB在低 P/C生物除磷