污水處理廠生物除磷運(yùn)行效能及運(yùn)行機(jī)理研究

污水處理廠生物除磷運(yùn)行效能及運(yùn)行機(jī)理研究

城市水污染的問題與市政污水處理廠的運(yùn)行效率以及污染物排放的控制有關(guān)。由于磷素是水體富營養(yǎng)化的重要因素，因此，對(duì)廢水處理廠生物磷效率的研究和改善技術(shù)的開發(fā)已成為科學(xué)家和管理人員的共同重點(diǎn)。強(qiáng)化生物除磷工藝(EBPR)是目前市政污水廠除磷的常用工藝,主要依靠活性污泥中聚磷菌厭氧釋磷和好氧過量吸磷功能,通過排放剩余污泥達(dá)到除磷目的.在EBPR工藝流程中,活性污泥處于不斷交替的厭氧/好氧環(huán)境中.在厭氧階段,除磷功能菌(PAOs)向胞外釋磷,同時(shí)吸收有機(jī)物,特別是揮發(fā)性脂肪酸(VFAs),合成聚羥基烷酸(PHA)貯存于體內(nèi),為好氧階段聚磷提供部分能量;在好氧階段,厭氧合成的PHA被降解并合成糖原,同時(shí)過量攝取污水中的磷合成聚磷酸鹽.EBPR效率及活性污泥效能,可借助活性污泥批試驗(yàn)研究手段獲得厭氧釋磷速率、好氧聚磷速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行量化表征.污水處理廠生物除磷效能的大小與活性污泥中聚磷功能菌(PAOs)的數(shù)量密切相關(guān),而活性污泥PAOs的種群數(shù)量又取決于聚磷菌(PAOs)和聚糖競(jìng)爭菌(GAOs)的競(jìng)爭關(guān)系.研究表明,GAOs與PAOs競(jìng)爭關(guān)系主要表現(xiàn)在對(duì)進(jìn)水中有限碳源的競(jìng)爭,而GAOs本身并沒有過量聚磷的生物功能,GAOs的存在削弱了EBPR的除磷效能.由于分子生物學(xué)技術(shù)成熟,熒光原位雜交法(FISH)已廣泛用于分析活性污泥中微生物PAOs和GAOs的群落結(jié)構(gòu),一些學(xué)者為揭示EBPR活性污泥中PAOs和GAOs競(jìng)爭的關(guān)鍵機(jī)理,綜合比較了進(jìn)水P/C、進(jìn)水碳源種類(乙酸和碳源)、pH值和溫度等因素.由于污水廠具體環(huán)境的差異性和工藝及操作方式的不同,除磷效能的影響較為復(fù)雜.因此本實(shí)驗(yàn)選取位于杭嘉湖及寧紹區(qū)域的浙北代表性市政污水處理廠,在開展運(yùn)行效能調(diào)研的基礎(chǔ)上,以活性污泥除磷動(dòng)力學(xué)批試驗(yàn)及功能菌種群結(jié)構(gòu)分析為手段,闡述現(xiàn)行國內(nèi)市政污水處理廠的除磷效能,剖析除磷增效機(jī)理,并論述可能的影響因素,為市政污水處理廠污染負(fù)荷減排與區(qū)域水生態(tài)安全提供理論及技術(shù)服務(wù).1材料和方法1.1興長污水廠獅山在杭嘉湖及寧紹平原,選取毗鄰錢塘江、南太湖、東苕溪、東海等水環(huán)境區(qū)域內(nèi)具有代表性的10家市政污水處理廠,結(jié)合典型的EBPR工藝(包括A/A/O、氧化溝和變形氧化溝工藝),作為數(shù)據(jù)調(diào)查收集對(duì)象,分別為杭州七格污水廠(簡稱七格);長興興長污水廠(興長);德清獅山污水廠(獅山);嘉興聯(lián)合污水廠(聯(lián)合);寧波北侖巖東污水廠(北侖);桐鄉(xiāng)城市污水廠(桐鄉(xiāng));杭州臨安污水處理廠(臨安);余杭良渚污水處理廠(良渚);寧波江東北區(qū)污水廠(江東);蕭山城市污水廠(蕭山).污水處理廠的基本運(yùn)行參數(shù)等相關(guān)資料通過實(shí)地考察調(diào)研,并采訪該廠的技術(shù)人員獲得.采集污水處理廠進(jìn)、出水口水樣及好氧池末端活性污泥樣品,以供實(shí)驗(yàn)室研究.取污水處理廠好氧段末端4.0L活性污泥樣品,隨即置于盛有冰塊的便攜式貯藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室,在4℃冰箱內(nèi)保存.采樣避開污水廠峰值期、調(diào)試期、及雨天和雨后的豐水期,盡可能減小污水進(jìn)水條件不穩(wěn)定對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.采樣時(shí)間:2008年12月至2009年12月.1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢測(cè)指標(biāo)采樣12h內(nèi)開展活性污泥除磷批試驗(yàn).控制反應(yīng)條件溫度為20±1.0℃.將2.0L活性污泥曝氣4h(200L/m3·min)以適應(yīng)試驗(yàn)控制環(huán)境.然后將活性污泥上清液置換為預(yù)先配制的合成廢水,其組分為:乙酸鈉360mg/L、MgSO4·7H2O90mg/L、CaCl210.57mg/L和0.3mL/L的微量溶液(每升含1.5gFeCl3·6H2O、0.15gH3BO3、0.03gCuSO4·5H2O、0.18gKI、0.12gMnCl2·H2O、0.06gNa2MoO4·2H2O、0.12gZnSO4·7H2O、0.15gCoCl2·6H2O、10gEDTA).調(diào)節(jié)pH為7.0±0.1,置于工作體積為2.5L的SBR反應(yīng)器內(nèi),實(shí)驗(yàn)裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.然后勻速充入N2(150Lm3·min),使活性污泥處于厭氧狀態(tài),厭氧反應(yīng)2.5h,期間定時(shí)采樣.厭氧反應(yīng)結(jié)束后,將污泥均分為兩份,分別進(jìn)行缺氧聚磷批試驗(yàn)和好氧聚磷批實(shí)驗(yàn),即缺氧充入N2(150L/m3·min),好氧充入空氣(300L/m3·min),反應(yīng)各進(jìn)行2h,期間定時(shí)采樣其中缺氧批試驗(yàn)開始時(shí)加入NaNO3溶液(31mg/L,以NO3--N計(jì))20mL,在隨后100min內(nèi)恒速加入100mL同樣的NaNO3溶液.通過批試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo):揮發(fā)性懸浮固體(VSS)最大乙酸吸收速率[mg/(g·h)](按每克VSS計(jì)算)、厭氧釋磷速率[mg/(g·h)]、厭氧釋磷量/乙酸吸收量、好氧聚磷速率[mg/(g·h)]、缺氧聚磷速率[mg/(g·h)]、好氧/缺氧磷吸收速率之比(%).1.3細(xì)菌細(xì)胞基因表征采用熒光原位雜交(FluorescenceinSituHybridization,FISH)對(duì)活性污泥中PAOs和GAOs群落關(guān)系進(jìn)行分析,具體方法參考Amann.本實(shí)驗(yàn)采用16srRNA-EUBMIX探針(EUB338,EUB338-Ⅱ和EUB338-Ⅲ)與Cy5標(biāo)記表征所有細(xì)菌;采用PAOMIX探針(PAO462,PAO651和PAO846)與6-FAM標(biāo)記表征聚磷功能菌即PAOs;采用GAOMIX探針(GAO431GAO989和GB-G2)與Cy3標(biāo)記表征聚糖競(jìng)爭菌即GAOs,實(shí)驗(yàn)所用探針由TaKaRa公司提供.污泥樣品雜交后,使用激光掃描共聚焦顯微鏡(LeicaTCSSP5),隨機(jī)選擇10個(gè)不同視野,拍照.通過MATLAB(TheMathworks,Natick,MAUSA)軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析,分別計(jì)算每個(gè)視野圖像的PAOs和GAOs占全菌的比例,取均值.1.4氣相色譜-質(zhì)譜-質(zhì)譜vfas磷酸鹽(PO43--P)采用鉬銻抗分光光度法,總磷(TP)采用過酸性硫酸鉀預(yù)處理-鉬銻抗分光光度法,COD采用重鉻酸鉀法,VFAs(乙酸、丙酸、丁酸、戊酸)采用氣相色譜法分析.氣相色譜的操作條件和方法:采用氣相色譜儀(安捷倫6890N)FID檢測(cè)器,色譜柱型號(hào)為DB-FFAP(30m×0.53mm×1.0um),FID操作溫度250℃,進(jìn)樣口溫度220℃,柱子程序升溫:70℃運(yùn)行3min,以20℃/min升到220℃,保持3min,自動(dòng)進(jìn)樣,進(jìn)樣量1μL.2結(jié)果與討論2.1污水廠進(jìn)水tp濃度和進(jìn)水、vfas濃度調(diào)研市政污水廠進(jìn)出水水質(zhì)狀況,見表1.其中8個(gè)污水廠TP出水濃度達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(<1.0mg/L),3個(gè)廠達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(<0.5mg/L).TP去除率范圍為57.9%(北侖)~92.3%(七格),各廠之間除磷性能差異較大.相對(duì)而言,10個(gè)污水廠的除磷效能顯現(xiàn)不足,這與化學(xué)除磷的補(bǔ)充措施及進(jìn)水TP含量相對(duì)較低有關(guān).10個(gè)廠的污水進(jìn)水TP濃度平均約3.0mg/L,相比歐美發(fā)達(dá)國家的進(jìn)水TP為5.0~10mg/L,濃度偏低.除因?qū)嶒?yàn)故障良渚廠和江東廠未檢測(cè)到VFAs外,其余廠的VFAs濃度平均為19.7mg/L,TP/VFAs比例平均為0.20,高于López(調(diào)研污水廠除磷率>90%)的0.12,說明污水廠進(jìn)水VFAs含量偏少,厭氧釋磷所需碳源不足,可能是導(dǎo)致市政污水廠除磷效果不佳的原因之一.低濃度的乙酸和營養(yǎng)鹽可能會(huì)給活性污泥生長和馴化帶來一定的難度,導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定,超標(biāo)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生.調(diào)研發(fā)現(xiàn),10個(gè)污水處理廠進(jìn)水來源中工業(yè)污水比例普遍較高,達(dá)到25%~60%(發(fā)達(dá)國家一般<20%).10個(gè)廠均未設(shè)置獨(dú)立前置反硝化池,可能會(huì)造成O2、NO3--N、NO2--N出現(xiàn)在厭氧段,利于普通的硝化菌及好氧菌生長為優(yōu)勢(shì)菌種,與PAOs爭奪碳源,影響污水生物除磷效能.但通過調(diào)研并未發(fā)現(xiàn)進(jìn)水TN濃度對(duì)出水TP濃度有顯著影響,可能因?yàn)槲鬯畯S進(jìn)水TP本身較低或采用化學(xué)除磷手段彌補(bǔ)生物除磷效能的不足.調(diào)研污水廠的污泥齡平均為15.2d,較徐偉峰等推薦的生物脫氮除磷適宜泥齡(8~15d)偏長,對(duì)生物除磷效果有不利影響.2.2活性污泥好氧和缺氧生物聚磷速率活性污泥厭氧批試驗(yàn)的生物除磷動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表2.活性污泥乙酸吸收速率范圍為12.8mg/(g·h)(興長)至43.7mg/(g·h)(七格),與同類研究[9.0~21.9mg/(g·h)]基本吻合.10個(gè)污水廠厭氧釋磷速率平均為2.4mg/(g·h),其中七格最高[7.9mg/(g·h)],而其他廠均小于4.0mg/(g·h),遠(yuǎn)低于同類研究的平均值[13.1mg/(g·h)].獅山和聯(lián)合的厭氧釋磷率最低,分別為0.2mg/(g·h)和0.6mg/(g·h).分析原因,可能是獅山進(jìn)水TP/VFAs偏小(0.06),在一次釋磷后,污水中沒有足夠的P素補(bǔ)充PAOs聚磷庫.而聯(lián)合廠可能是由于該廠主要依靠化學(xué)除磷方法,且工藝只有好氧段,導(dǎo)致聚磷功能菌不能優(yōu)勢(shì)生長.10個(gè)污水廠厭氧P/HAc比值平均為0.10小于國外研究水平(0.40).根據(jù)生化模型,當(dāng)反應(yīng)液相pH等于7時(shí),厭氧P/HAc比理論值應(yīng)為0.57或0.50.調(diào)研污水廠的厭氧P/HAc比明顯低于理論值,說明活性污泥中競(jìng)爭菌的數(shù)量可能較多,它們與PAOs競(jìng)爭碳源,但并不釋放磷由此判斷浙北調(diào)研區(qū)的污水處理廠活性污泥厭氧釋磷效能較差,可能會(huì)影響后續(xù)生物除磷效能2.2.2好氧和缺氧階段在好氧和缺氧條件下聚磷菌能以氧氣或NO3--N為電子受體,降解厭氧形成的PHAs,產(chǎn)生的能量用來攝取水體中的磷酸鹽,并以聚磷的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞體內(nèi),但不同市政污水處理廠活性污泥好氧或缺氧生物聚磷速率差異較大(圖2).批試驗(yàn)好氧段,各污水處理廠活性污泥好氧聚磷速率范圍為0.4mg/(g·h)(北侖)至8.1mg/(g·h)(七格),平均值為2.2mg/(g·h),見表2.這與表2國外同類研究的好氧聚磷速率平均值為9.1mg/(g·h)相差較大.表明調(diào)研區(qū)內(nèi)市政污水廠的好氧生物聚磷速率普遍較低,活性污泥除磷效能不佳.這可能是因?yàn)榛钚晕勰喑坠δ芫?PAOs)數(shù)量相對(duì)較少造成的.批試驗(yàn)缺氧段,除興長廠、獅山廠和臨安廠,其他廠均有缺氧聚磷現(xiàn)象(表2).具有缺氧吸磷現(xiàn)象表明活性污泥中存在一定數(shù)量反硝化聚磷菌(DPAOs),它們能夠利用NO3--N為電子受體完成聚磷過程,達(dá)到同步脫氮除磷的效果.Kuba研究指出,活性污泥中DPAOs占PAOs的比例可以通過缺氧聚磷速率/好氧聚磷速率進(jìn)行表征.因而可以推斷七格、聯(lián)合、北侖、桐鄉(xiāng)、良渚、江東和蕭山各廠的活性污泥中DNPAOs占PAOs的比例平均為43.2%、50.0%、70.3%、71.4%、41.0%、80.1%和65.0%(表2).市政污水處理廠實(shí)際工藝中,缺氧段水力停留時(shí)間各不相同,但DPAOs卻仍普遍得到大量的富集,表明調(diào)研區(qū)市政污水處理廠普遍存在反硝化除磷過程.研究表明,DPAOs和PAOs是同一類細(xì)菌,PAOs在硝酸鹽的誘導(dǎo)下部分能夠轉(zhuǎn)化為DPAOs.這與人們普遍認(rèn)為反硝化聚磷菌需要特殊方式馴化富集的觀點(diǎn)存在分歧,但與郝曉地對(duì)強(qiáng)化生物除磷工藝誤區(qū)的剖析一致.2.3功能菌比例gaos利用熒光原位雜交法(FISH)對(duì)市政污水廠活性污泥PAOs和GAOs群落結(jié)構(gòu)分析,其中北侖廠活性污泥拍得的照片如圖3所示.各污水處理廠活性污泥PAOs和GAOs相對(duì)比例,見圖4調(diào)研的10個(gè)污水處理廠活性污泥中的PAOs占全菌比例平均為4.8%,而獅山和蕭山的PAOs比例較小,分別是2.0%、2.1%,低于國外污水廠功能菌比例(9%~24%,5%~22%,7%~17%).活性污泥中GAOs占全菌比例為4.8%,這和以往研究結(jié)果(1%~12%,0%~6%)基本一致.而北侖廠的GAOs比例相對(duì)其他廠異常,高達(dá)22.4%,在和PAOs的競(jìng)爭中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),這與調(diào)研所得的北侖的出水TP去除率最低(58.2%)及批試驗(yàn)好氧磷吸收速率最低(0.4mg/(g·h))得到的結(jié)果相一致.GAOs的過量生長,可能是北侖進(jìn)水過高的工業(yè)污水比例(60%),造成PAOs釋磷所需碳源不足,抑制了活性污泥效能.同時(shí)工業(yè)污水中有毒化學(xué)成分濃度較高,可能也會(huì)使活性污泥除磷動(dòng)力下降.總體上,調(diào)研的污水廠聚磷功能菌比例偏小這導(dǎo)致了國內(nèi)生物除磷效率普遍偏低的現(xiàn)狀,由此可推斷國內(nèi)現(xiàn)行污水廠工藝可能難于滿足更高的污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求(如一級(jí)A).值得注意的是,除北侖廠外,其他廠的GAOs比例較低,但其厭氧P/HAc明顯低于理論值(0.57或0.50),表明污水廠活性污泥的競(jìng)爭菌除GAOs外,可能存在其他與PAOs爭奪碳源的種群,如Sphingomonas和Defluvicoccus.3結(jié)論2.2.1污水廠進(jìn)水水質(zhì)、廢水含量和產(chǎn)污率污水廠的厭氧批試驗(yàn)都表現(xiàn)出不同程度的同步乙酸吸收和磷素動(dòng)態(tài)釋放的特征與規(guī)律,但各廠之間強(qiáng)度各異.圖2列出了其中具代表性四個(gè)處理廠的厭氧釋磷動(dòng)力學(xué)圖譜(七格廠外排錢塘江水系,獅山廠和臨安廠外排東苕溪,北侖廠外排東海).3.1調(diào)研的10個(gè)污水廠雖然出水TP都達(dá)到當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn),但可能是因?yàn)檫M(jìn)水總磷濃度本身