異步電法處理好氧厭氧交替運(yùn)行的顆粒污泥硝化及反硝化特性研究

異步電法處理好氧厭氧交替運(yùn)行的顆粒污泥硝化及反硝化特性研究

氮和磷污染已成為破壞水環(huán)境的主要因素之一（例如，水體富營(yíng)養(yǎng)化）。人們?cè)絹?lái)越注意生物脫氮和磷的去除。在傳統(tǒng)的廢水生物處理系統(tǒng)中，由于脫氮與去除磷之間的矛盾，因此通常采用化學(xué)法對(duì)磷進(jìn)行輔助和去除（通過(guò)添加鐵鹽和鋁鹽出的tp含量應(yīng)大于0.02mg，如果滿足l-1）。由于溫度、濕度和ph值的影響，脫氮效果難以實(shí)現(xiàn)[4.8]。好氧顆粒污泥具有優(yōu)異的沉降性能、較高的微生物濃度和良好的抗沖擊負(fù)荷能力[9~11].有研究發(fā)現(xiàn),顆粒污泥一定的粒徑和緊密結(jié)構(gòu)導(dǎo)致DO在污泥內(nèi)部傳質(zhì)時(shí)形成好氧區(qū)/缺氧區(qū)/厭氧區(qū)從而有利于系統(tǒng)同步脫氮除磷[12~14].Kerrn-Jespersen等發(fā)現(xiàn)PAOs具有反硝化聚磷能力,它以NO-x(NO-2+NO-3)代替氧作為電子受體同步去除N和P,可以有效節(jié)約碳源和能源,反應(yīng)器形成NO-x是反硝化聚磷的重要步驟.如果系統(tǒng)中存在反硝化聚磷菌,反應(yīng)器吸磷過(guò)程中可以減緩硝酸鹽存在對(duì)聚磷菌活性的影響;如果反硝化聚磷菌不存在,在脫氮除磷顆粒污泥中好氧段硝酸鹽將對(duì)好氧吸磷產(chǎn)生影響.同步硝化反硝化(simultaneousnitrificationanddenitrification,SND)作用是使在污泥外部好氧區(qū)形成的NO-x,通過(guò)內(nèi)層缺氧區(qū)反硝化作用降低從而減少主體溶液中NO-x(NO-2+NO-3)的積累(NO-x不積累可以降低其對(duì)聚磷菌活性的影響).因此,污泥內(nèi)部形成穩(wěn)定性的好氧區(qū)/缺氧區(qū)是影響系統(tǒng)脫氮效果的關(guān)鍵.在較低DO下硝化菌活性受到抑制,在較高DO下反硝化菌受到抑制,因此在好氧池中DO對(duì)脫氮影響很大.文獻(xiàn)[19~21]指出,當(dāng)DO濃度為0.5mg·L-1時(shí),系統(tǒng)可以獲得良好的同步硝化反硝化脫氮效果.利用好氧顆粒污泥進(jìn)行脫氮除磷研究近年來(lái)取得了較大進(jìn)展［12］,但少有人系統(tǒng)研究脫氮除磷顆粒污泥的硝化反硝化特性.因此,筆者以好氧/厭氧交替運(yùn)行的SBR反應(yīng)器培養(yǎng)的脫氮除磷顆粒污泥為研究對(duì)象,采取一定的手段對(duì)顆粒污泥反應(yīng)器的N、P歷時(shí)去除效果、硝化及反硝化反應(yīng)特性等進(jìn)行研究,并通過(guò)N的平衡細(xì)致分析脫氮除磷反應(yīng)過(guò)程中N的去除走向,豐富了顆粒污泥進(jìn)行脫氮除磷研究.1反應(yīng)器的工況試驗(yàn)用SBR反應(yīng)器,材質(zhì)為有機(jī)玻璃,有效容積4L,內(nèi)徑16cm,高徑比為1.56(圖1).反應(yīng)器每周期運(yùn)行4.8h,包括進(jìn)水1min、厭氧80min、好氧196min、沉淀4min、出水4min以及閑置4min共6個(gè)階段.反應(yīng)器每周期進(jìn)水2L,出水2L.反應(yīng)器攪拌強(qiáng)度在80r·min－1左右,曝氣強(qiáng)度在12L·(L·h)－1左右,溫度在22℃±2℃(由水浴控制)、pH值在7.5左右.每天從反應(yīng)器中排出一定量混合液,維持系統(tǒng)污泥齡在23d左右.1.2試驗(yàn)水1.3反應(yīng)速率測(cè)定硝化反應(yīng)速率測(cè)定:從反應(yīng)器中取適量污泥,經(jīng)3次離心清洗(4000r·min-1,5min)后,放入容積為1L的靜態(tài)反應(yīng)裝置(圖2),控制反應(yīng)器溫度(22℃±1℃)和pH值(7.5),通入空氣,投加適量NH4Cl后立即計(jì)時(shí)開(kāi)始取樣,測(cè)定不同時(shí)間NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N.反硝化反應(yīng)速率測(cè)定:適量污泥經(jīng)如前所述前處理后放入容積為1L靜態(tài)反應(yīng)裝置,控制反應(yīng)器的溫度(22℃±1℃)和pH值(7.5),通入N2,投加適量NO-3-N和過(guò)量COD,測(cè)定不同時(shí)間NO-3-N和NO-2-N.反硝化聚磷反應(yīng)速率測(cè)定:適量污泥經(jīng)前處理后放入容積為1L靜態(tài)反應(yīng)裝置,控制反應(yīng)器的溫度(22℃±1℃)和pH(7.5),投加適量KH2PO4和過(guò)量COD,通入N2進(jìn)行厭氧釋磷,結(jié)束后將污泥進(jìn)行離心清洗,再重新置入反應(yīng)裝置,加入適量的NO-3-N和PO3-4-P,取樣測(cè)NO-3-N、NO-2-N和PO3-4-P.1.4ls、mlvss測(cè)定NH+4-N、PO3-4-P、NO-3-N、NO-2-N、COD、SVI、MLSS、MLVSS等均按標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定;DO采用HACH溶解氧儀測(cè)定,污泥形態(tài)通過(guò)普通光學(xué)顯微鏡觀察和電子掃描顯微鏡(SEM)觀察,污泥粒徑利用Mastersizer2000粒度分析儀(測(cè)定粒徑在1mm以下)及直接讀數(shù)法測(cè)定.2結(jié)果與討論2.1生物界[b大量網(wǎng)狀物顆粒污泥反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行190d后,污泥顏色為淡黃色,呈近似球形或橢圓形,結(jié)構(gòu)致密[圖3(a)],平均粒徑為1.2mm;顆粒邊緣清晰并且附有一定的絲狀物,其中還有一定的原生動(dòng)物,如鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)等[圖3(b)];顆粒污泥是一個(gè)復(fù)雜的微生物系統(tǒng),大量絲狀菌纏繞顆粒污泥表面,球菌和短桿菌分布在絲狀菌周?chē)鶾圖3(c)];污泥內(nèi)部有孔隙,孔隙內(nèi)部也分布著為數(shù)較多的球菌和短桿菌[圖3(d)].反應(yīng)器的MLSS約為6600mg·L－1,MLVSS約為4092mg·L－1,SVI在20mL·g－1左右,單顆顆粒污泥沉速在29.0~40.9m·h－1之間,出水SS在30mg·L－1左右.2.2引發(fā)廢水中微生物細(xì)菌活性檢測(cè)圖4為反應(yīng)器運(yùn)行190d內(nèi)N去除率的變化情況.可以看出,反應(yīng)器運(yùn)行5d時(shí)N去除率很低(在62%以下),之后N去除率逐漸提高到90%以上,但運(yùn)行第24d時(shí)N去除率突然降到65%以下,到50d之后,其去除率基本維持在90%左右.開(kāi)始階段N起伏變化可能是由于污泥吸附、解析作用所致［23］;隨著污泥顆?；晟?硝化細(xì)菌在污泥表面穩(wěn)定富集,N去除率比較穩(wěn)定.污泥顆粒形成(30d左右)后反應(yīng)器15%時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)N去除率降低的現(xiàn)象,其主要由于曝氣不穩(wěn)定[低于9L·(L·h)－1或高于14L·(L·h)－1]所致.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至第24~26d時(shí),曝氣量在9L·(L·h)-1以下時(shí)(此時(shí)反應(yīng)器主體溶液中好氧段DO濃度在1mg·L-1以下),出水中NH+4-N的含量在11~16mg·L-1,但出水中NO-x含量在0.5mg·L-1以下,由此可以推斷,由于DO太低,氨氧化細(xì)菌活性受到抑制;當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至第30~45d時(shí),提高曝氣量到14L·(L·h)-1(好氧段開(kāi)始DO在2.5mg·L-1以上,顆粒污泥剛剛形成,其平均粒徑為0.32mm),此時(shí)反應(yīng)器出水中NO-x含量在11~16mg·L-1(主要以NO-3-N形式存在,NO-2-N含量在1mg·L-1以下),NH+4-N的含量在0.5mg·L-1以下,DO太高污泥內(nèi)部難以形成缺氧環(huán)境而使反硝化菌受到抑制(據(jù)報(bào)道DO的擴(kuò)散深度為0.5mm左右).由此可見(jiàn),曝氣量的瞬間變化會(huì)迅速影響氨氧化微生物和反硝化微生物生物活性.2.3no-2-n的硝化反應(yīng)反應(yīng)器運(yùn)行183d時(shí)取顆粒污泥進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5~6.由圖5(a)可以看出,整個(gè)硝化反應(yīng)過(guò)程持續(xù)30min,隨著NH+4-N下降,NO-3-N逐漸上升,當(dāng)NH+4-N含量降低到1.22mg·L-1時(shí),NO-3-N達(dá)到12.96mg·L-1,而NO-2-N在整個(gè)硝化過(guò)程中,其濃度維持在1.8mg·L-1以下,NO-2-N沒(méi)有發(fā)生積累;脫氮除磷顆粒污泥最大硝化速率[m(NH+4-N)/m(VSS)·t]為14.13mg·(g·h)-1,而姜體勝等在同樣條件下,獲得的脫氮除磷絮狀污泥最大硝化速率約為6.25mg·(g·h)-1,本試驗(yàn)培養(yǎng)的顆粒污泥具有較好的硝化能力.由圖5(b)可以看出,反應(yīng)20min內(nèi)NO-3-N由24.78mg·L-1快速下降為0.45mg·L-1,與此同時(shí)NO-2-N逐漸升高并達(dá)到最大18.52mg·L-1,之后NO-2-N緩慢下降,130min時(shí)NO-2-N幾乎為0;顆粒污泥最大反硝化速率[m(NO-3-N)/m(VSS)·t]為34.89mg·(g·h)-1,是絮狀污泥反硝化速率[絮狀污泥的最大反硝化速率約為16.67mg·(g·h)-1]的2.09倍,該試驗(yàn)培養(yǎng)的顆粒污泥具有較好的反硝化能力.2.4比富集反硝化聚磷菌的檢測(cè)條件圖6為反硝化菌聚磷試驗(yàn)結(jié)果.從中可以看出,PO3-4-P初始濃度為29.15mg·L-1,反應(yīng)85min之內(nèi)升高到33.35mg·L-1,之后緩慢下降,在300min時(shí),吸磷速率[m(PO3-4P)/m(VSS)·t]達(dá)到最大[僅為2.54mg·(g·h)-1],比富集反硝化聚磷菌的吸磷能力弱[吸磷速率為7.52mg·(g·h)-1];NO-3-N初始濃度為35.47mg·L-1,反應(yīng)開(kāi)始后快速降低,105min時(shí)降低為4.21mg·L-1,最大反硝化速率為13.11mg·(g·h)-1;在NO-3-N降低的同時(shí),NO-2-N迅速上升,105min達(dá)到最大24mg·L-1,之后緩慢下降,到315min降低到0.5mg·L-1以下.整個(gè)過(guò)程P僅僅下降了約7.16mg·L-1,而伴隨著N降低了35.46mg·L-1,與文獻(xiàn)報(bào)道的反硝化聚磷試驗(yàn)結(jié)果相比,本試驗(yàn)中通過(guò)反硝化聚磷作用進(jìn)行脫氮和除磷能力很弱,N的去除主要依賴厭氧段合成的胞內(nèi)貯存物質(zhì)進(jìn)行反硝化,同時(shí)也顯示出P的存在一定程度上抑制了反硝化菌的活性.與圖5(b)得到的最大反硝化速率相比可以看出,其反硝化速率僅為外碳源為電子供體時(shí)速率的0.43,內(nèi)碳源反硝化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外碳源反硝化速率.2.5本裝置內(nèi)污泥脫氮性能研究2.5.1好氧階段80minnh-4-n的變化反應(yīng)器運(yùn)行190d時(shí)對(duì)其某一周期進(jìn)行監(jiān)測(cè),得到COD、NH+4-N、PO3-4-P、NO-3-N、NO-2-N各參數(shù)的變化(圖7).由圖7可以看出,厭氧段2min內(nèi)COD迅速由213.59mg·L-1降低到84.2mg·L-1,12min進(jìn)一步降到55.87mg·L-1,到厭氧段結(jié)束,COD僅為27.18mg·L-1,COD的最大降解速率高達(dá)584.24mg·(g·h)-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Yilmaz等培養(yǎng)的具有同步脫氮除磷顆粒污泥的COD的降解速率.結(jié)合圖3(c)分析,顆粒污泥表面存在一定的孔隙,將COD快速吸附在顆粒污泥表面或內(nèi)部,使主體溶液中COD濃度快速下降;另外,研究者也發(fā)現(xiàn)反硝化菌可過(guò)量吸附CH3COONa.反應(yīng)器中PO3-4-P初始濃度為15.09mg·L-1,20min后達(dá)到73.83mg·L-1,在隨后的60min內(nèi)釋磷緩慢進(jìn)行,厭氧末端PO3-4-P達(dá)到75.76mg·L-1,最大釋磷速率為34.67mg·(g·h)-1.好氧段PO3-4-P開(kāi)始快速下降,曝氣95min后降低到1.0mg·L-1以下,曝氣110min后降低到0.5mg·L-1以下,好氧段最大吸磷速率為15.59mg·(g·h)-1,釋磷速率約為吸磷速率的2.2倍.在整個(gè)厭氧階段NH+4-N僅由16.21mg·L-1降低到14.99mg·L-1,主要用于細(xì)菌自身生長(zhǎng).曝氣開(kāi)始10minNH+4-N快速下降,最大硝化速率為4.60mg·(g·h)-1,曝氣65min時(shí)下降到1.02mg·L-1,80min時(shí)檢測(cè)不到NH+4-N;曝氣開(kāi)始65min內(nèi)NO-3-N最高達(dá)到1.05mg·L-1,之后迅速上升,曝氣80min最大達(dá)到4.09mg·L-1,曝氣95min時(shí)降低到2.62mg·L-1,之后緩慢下降,出水時(shí)降低為1.41mg·L-1,最大反硝化速率為1.43mg·(g·h)-1;NO-2-N在整個(gè)過(guò)程中維持在1mg·L-1以下,沒(méi)有發(fā)生NO-2-N的積累;整個(gè)好氧階段N的去除主要發(fā)生在曝氣80min內(nèi).這說(shuō)明硝化菌將NH+4-N轉(zhuǎn)化為NO-3-N、NO-2-N的同時(shí),顆粒污泥內(nèi)的反硝化菌同時(shí)將它們進(jìn)一步反硝化,反應(yīng)器內(nèi)存在同步硝化反硝化脫氮的現(xiàn)象.在好氧階段前10min內(nèi)DO在1.3mg·L-1以下,此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)NO-x的含量在1mg·L-1以下;80min時(shí)DO維持達(dá)到2.7mg·L-1,NO-3-N含量達(dá)到最大,NH+4-N含量幾乎為0;110min時(shí)DO達(dá)到5mg·L-1,在好氧末端達(dá)到6.0mg·L-1,對(duì)應(yīng)NO-3-N含量在1.5mg·L-1左右.由此看出,曝氣80min內(nèi)DO主要用來(lái)進(jìn)行硝化和好氧吸磷,導(dǎo)致DO較低;曝氣后期DO較高,但系統(tǒng)仍然具有較好的脫氮效果,其主要原因在于一定粒徑的顆粒污泥(粒徑在1mm左右)內(nèi)部存在的微缺氧環(huán)境起到了至關(guān)重要的作用.反應(yīng)器某一周期內(nèi)硝化速率和反硝化速率均比靜態(tài)試驗(yàn)所測(cè)得速率低,其主要原因如下:測(cè)定硝化速率時(shí),靜態(tài)反應(yīng)裝置中DO充足,高達(dá)8.5mg·L－1,而反應(yīng)器內(nèi)大量的氧被PAOs好氧吸磷所利用使得其DO較低(2.0mg·L－1以下),從而抑制了硝化反應(yīng);靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)反硝化速率時(shí),使用的是充足的外碳源或胞內(nèi)聚合物,而反應(yīng)器中進(jìn)行反硝化時(shí)污泥中胞內(nèi)聚合物在好氧開(kāi)始階段大部分被PAOs和同步硝化反硝化過(guò)程反硝化所利用,胞內(nèi)聚合物含量較低,一定程度上抑制了反硝化反應(yīng).2.5.2生化強(qiáng)化nn,nnn的分離效果在穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中,假定細(xì)胞合成所需要的N與剩余污泥帶出的N相等,反應(yīng)器出水僅含有NO-3-N,這樣對(duì)反應(yīng)器中N做如下計(jì)算.進(jìn)水氮總量N0:細(xì)胞合成的氮NC:出水SS中含的氮NSS:出水中NOx－的氮N1:反硝化去除的氮Nd:式中,40mg·L-1為進(jìn)水中NH+4-N含量,10L為反應(yīng)器1d的總進(jìn)水量(反應(yīng)器1d運(yùn)行5個(gè)周期,每周期進(jìn)水2L),4L為反應(yīng)器的有效容積,4.09mg·L-1為反應(yīng)器內(nèi)NO-3-N最高含量,6600mg·L-1為反應(yīng)器MLSS,MLVSS/MLSS比值為0.62,12%為微生物C5H7NO2中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù),130mL為每天從反應(yīng)器排出的污泥混合