反硝化除磷工艺是通过反硝化除磷菌(DPBs)在缺氧条件下, 以NO₃^--N作为电子受体利用在厌氧条件下储存于体内的PHA提供能量以过量吸磷的一种工艺^{[1, 2]}. DPBs因其采用NO₂^--N/NO₃^--N代替O₂作为电子受体而能够同时实现氮、磷的去除, 解决了传统脱氮除磷工艺关于碳源及泥龄上的矛盾, 理论上可以减少30%的曝气能耗, 50%的碳源需求及污泥产量^{[3, 4]}, 因此反硝化除磷工艺被视为一种可持续工艺, 近年来成为脱氮除磷研究的热点.

反硝化除磷工艺的影响因素较多, 早期研究者已作了相关研究, 如碳源类型^[5]、C/N^{[6, 7]}、电子受体类型^[8]、厌氧及缺氧反应时间^{[9, 10]}、温度^[11]等, 然而目前关于SRT对反硝化除磷工艺的影响报道有限. SRT能直接影响系统中的微生物种群结构以及污泥的生化、理化特性, 所以成为生化系统处理效能的一个控制性因素.同样对于反硝化除磷工艺, 有限的研究表明过长的泥龄使得污泥产率下降, 导致胞内存储物PHA、糖原(Gly)的减少, 影响释磷及吸磷速率^{[12, 13]}, 但泥龄过短会使得DPBs逐渐从系统中淘汰, 从而破坏了系统的除磷效率.因此, SRT的选择成为反硝化除磷工艺能否高效持续运行的关键因素之一, 有待系统深入研究.同时, pH值也是反硝化除磷过程中的重要影响因素, 但关于pH值对反硝化除磷的影响多是单因素研究^[14], 所以本实验通过结合SRT及pH值考察对反硝化除磷工艺的影响, 对于明晰反硝化除磷机理及高效稳定的反硝化除磷工艺具有重要意义.

本研究主要探讨了不同SRT条件下反硝化除磷的处理效能及规律, 同步考察了最优SRT下不同pH值对反硝化除磷效能的影响, 通过确定合理的参数, 以期为工程应用提供理论依据.

本研究采用SBR装置, 内径15 cm, 高45 cm, 由有机玻璃制成, 有效容积6.2L, 换水比为50%, 进水瞬时加入, 反应器壁垂直方向设置4个取样口, 用以排水和取样.缺氧段使用蠕动泵瞬时加入硝酸钠溶液, 反应器内置搅拌器使反应混合均匀. SBR反应器的进水、搅拌、加药、出水等均由时间控制器自动控制. pH值通过自动投加0.1mol·L^-1的盐酸及氢氧化钠进行控制.

本实验用水采用人工模拟生活污水, 组成主要为丙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾、氯化钙、硫酸镁、微量元素等.水质成分见表 1.微量元素配比为：FeCl₃ 1.5 g·L^-1、H₃BO₃ 0.15 g·L^-1、CoCl₂·7H₂O 0.15 g·L^-1、CuSO₄·5H₂O 0.03 g·L^-1、MnCl₂·4H₂O 0.06 g·L^-1、Na₂MoO₄·2H₂O 0.06 g·L^-1、ZnSO₄·7H₂O 0.12 g·L^-1、KI 0.18 g·L^-1、EDTA 10 g·L^-1.

表 1 (Table 1)

表 1 进水水质 Table 1 Characteristics of the raw wastewater 分析指标 范围 均值 COD/mg·L-1 147.46~204.13 176.88 NH4+-N/mg·L-1 11.32~15.33 12.48 NO2--N/mg·L-1 0~0.11 0.05 NO3--N/mg·L-1 0~0.15 0.1 TN/mg·L-1 11.11~15.78 12.59 PO43--P/mg·L-1 9.46~11.32 10.37 pH 7.5~8.0 7.7

表 1 进水水质 Table 1 Characteristics of the raw wastewater

污泥接种于苏州市某污水处理厂A²/O工艺的二沉池, 具有良好的硝化能力及除磷能力, 经闷曝24 h后接种至反应器中, 通过SBR反应器启动反硝化除磷.系统采用三阶段富集反硝化聚磷菌, 第一阶段为A/O运行实现PAOs的诱导富集, 运行15 d, 45个周期; 第二阶段为A/A/O运行方式, 使DPBs逐渐成为优势种群, 运行15 d, 60个周期; 第三阶段采用A/A运行方式, 进一步强化DPBs的反硝化除磷效果, 提高以硝酸盐作为电子受体的DPBs在PAOs中的数量.系统启动时间为45 d, 启动成功后反硝化除磷效果良好.

系统采用厌氧/缺氧(A/A)运行模式, 每天运行4个周期, 每个周期运行步骤如下：厌氧1.5 h, 缺氧3.5 h, 进水、沉淀、出水为1 h.污泥龄通过排放周期末泥水混合液控制.实验分为3个阶段分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ, 启动阶段不计入运行时间中.第一阶段控制SRT为35 d, 运行49 d, MLSS为4 095 mg·L^-1(平均值); 第二阶段SRT为25 d, 运行26 d, MLSS为3 175 mg·L^-1; 第三阶段SRT为15 d, 运行14 d, MLSS为1 942 mg·L^-1.其中进水COD浓度及NO₃^--N浓度根据剩余量进行适当调整, 防止系统厌氧段无充分的外碳源导致“无效释磷”的发生^[15], 造成缺氧段无充分的内碳源PHA进行吸磷, 同时避免COD与NO₃^--N共存进行反硝化脱氮, 对系统运行不利.实验期间不同运行阶段的其他运行参数由表 2所示.

表 2 (Table 2)

表 2 实验过程及参数和条件控制 Table 2 Schemes of experimental processes and parameter/condition control 实验阶段 工况/d pH SRT/d 运行模式及时间/min 温度/℃ Ⅰ 1~49 7.5~8.0 35 A/A(90/210) 25±2 Ⅱ 50~75 7.5~8.0 25 A/A(90/210) 25±2 Ⅲ 76~89 7.5~8.0 15 A/A(90/210) 25±2

表 2 实验过程及参数和条件控制 Table 2 Schemes of experimental processes and parameter/condition control

批次实验污泥取自第二阶段污泥, 清洗3遍后均匀置于3个密闭容器中, 进水COD为160 mg·L^-1, PO₄^3--P为10.2 mg·L^-1, 缺氧段NO₃^--N为40 mg·L^-1, 分别控制pH值为7.5、8.0、8.5, 考察不同pH值条件下PO₄^3--P的去除效果及厌氧释磷速率和缺氧吸磷速率.反应均在室温下(20℃)进行.

COD、NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N、PO₄^3--P、TN等指标采用标准方法^[16]测定, 水样采用0.45 μm中速滤纸过滤, 以去除悬浮物的影响, 其中COD采用快速消解法; NH₄⁺-N采用纳氏试剂光度法测定; NO₂^--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定; NO₃^--N采用紫外分光光度法; PO₄^3--P采用钼锑抗分光光度法; TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法; MLSS、MLVSS采用称重法测定.胞内多聚磷酸盐的测定参照文献[17]中的方法, 糖原(Gly)采用蒽酮比色法^[18]测定, pH采用便携式测定仪进行测定.

根据文献[19]中的方法确定DPBs占PAOs的比例, 具体方法是缺氧末段将反应器泥水混合液取出用蒸馏水清洗两遍, 以去除残余的NO₃^--N及其他物质的影响, 并重新放入SBR反应器中, 加入丙酸钠及磷酸二氢钾使得初始COD为180 mg·L^-1, PO₄^3--P为10 mg·L^-1, 控制pH为7.5±0.1, 进行90 min的厌氧反应; 反应结束后, 将混合液均分为2份, 其中一份取出进行好氧曝气, 控制DO在1.5~2.5 mg·L^-1, 另一份适量加入NaNO₃, 缺氧搅拌, 反应时间为210 min.测定缺氧最大吸磷速率(K_ano)、好氧最大吸磷速率(K_aer)、比反硝化速率(D_ano), K_ano与K_aer的比值可粗略地反映出系统中DPBs占PAOs的比例, 记为f_DPBs/PAOs.

式中, P_{a, t1}, P_{a, t2}, P_{o, t1}, P_{o, t2}分别为在t₁、t₂时间下, 在好氧及缺氧条件下PO₄^3--P的质量浓度, mg·L^-1. N_{a, t1}, N_{a, t2}分别为在t₁、t₂时间下NO₃^--N的质量浓度, mg·L^-1.

聚磷污泥的含磷率计算如下：

式中, P₁为缺氧吸磷后污泥中的聚磷含量, mg·g^-1; P₂为厌氧释磷后污泥中的聚磷含量, mg·g^-1.

不同SRT条件下磷的去除特性见图 1.如图 1(a)所示, 反应器进水磷浓度维持在10.37 mg·L^-1左右, 在运行的第一阶段, SRT为35 d时, 磷的平均去除率为79.2%.第二阶段SRT为25 d时, 系统对磷的去除率达到95.9%.至第三阶段, 控制SRT为15 d时, 平均去除率降至67.4%.从图 1(b)可知, 胞内聚磷(Poly-P)在厌氧释磷及缺氧吸磷阶段呈现出明显的变化趋势, 污泥含磷率在SRT为25 d时为5.33%, 表明DPBs在此阶段得到大量的增殖, 此时的除磷效率最高, 而SRT为15 d时污泥含磷率最低, 可能是因为在短泥龄条件下, DPBs被逐渐淘洗出系统, 磷去除率也最低, 在SRT为35 d时, 污泥活性较差, 污泥含磷率相对较低, 去除率相对阶段Ⅱ也较低.同时, 可以从表 3中看出, 随着SRT的降低, 系统污泥浓度、净释磷量及净吸磷量随之降低, 但是污泥负荷(F/M)呈上升趋势, 系统的污泥活性增加了, 当SRT缩短为25 d时, 去除率最佳, 随着SRT进一步降低, 虽然系统的进水基质没有增加, 但是生物量的减少使得污泥磷负荷过高, 去除率反而下降.随着SRT的增长, VSS/TSS的比例随之降低, 当SRT为35 d时VSS/TSS最低, 只有68.9%, 可能是因为长SRT条件下MLVSS逐渐增长, 使得内源代谢的比例增高, 活性细胞衰减比例增大^{[12, 13]}, 而F/M的降低导致微生物降解细胞内储存的糖原, 在厌氧阶段挥发性脂肪酸(VFA)的代谢及PHA的生成降低, 在随后的缺氧阶段对吸收过程产生了负面影响^[20].

图 1

Fig. 1

图 1 不同SRT条件下磷的去除特性 Fig. 1 Phosphorous removal characteristics under different SRT conditions

表 3 (Table 3)

表 3 不同SRT下系统污泥特性 Table 3 Sludge characteristics for different SRT conditions 分析指标 阶段Ⅰ 阶段Ⅱ 阶段Ⅲ F/M(以COD/MLVSS计)/kg·(kg·d)-1 0.256 0.312 0.428 MLSS/mg·L-1 4 095 3 175 1 942 MLVSS/mg·L-1 2 821 2 301 1 448 VSS/TSS/% 68.9 72.4 74.6 污泥含磷率/% 4.78 5.33 3.43 净释磷量/mg·L-1 47.64 37.63 22.03 净吸磷量/mg·L-1 55.82 47.24 29.56 磷的去除率/% 79.2 95.9 67.4

表 3 不同SRT下系统污泥特性 Table 3 Sludge characteristics for different SRT conditions

从图 2可以看出, 在SRT为35 d时, 厌氧段上清液PO₄^3--P浓度高达53.46 mg·L^-1, 而释磷速率(以P/VSS计)仅为22.61 mg·(g·h)^-1, 可能是由于SRT过长, 系统污泥负荷过低, DPBs呈现出较高的内源衰减速率^[21].当SRT降低至25 d时, 厌氧段PO₄^3--P浓度及释磷速率分别为47.95 mg·L^-1和25.07mg·(g·h)^-1.虽然此阶段释磷量低于阶段Ⅰ, 但由于污泥活性的增加, 其释磷速率明显大于阶段Ⅰ.同时, 污泥的缺氧最大吸磷速率K_ano、好氧最大吸磷速率K_aer和比反硝化速率D_ano(以N/VSS计)分别由11.34、14.96和8.88 mg·(g·h)^-1提高到了15.92、19.32和9.45 mg·(g·h)^-1, DPBs占PAOs的比例(f_DPBs/PAOs)由75.8%提升为82.4%, 说明SRT缩短为25 d时, 系统中DPBs的富集程度得到进一步加强.此外, 在阶段Ⅱ中, 平均每利用1mg NO₃^--N可吸收约1.27 mg PO₄^3--P, 高于张建华等^[9]的实验结果(每利用1 mg NO₃^--N能吸收约1.09 mg PO₄^3--P), 这与污泥性质及实验条件不同有关, 同时也说明了该阶段下污泥活性较高.而当SRT由25 d缩短至15 d时, 厌氧段PO₄^3--P浓度及释磷速率分别降低至28.31 mg·L^-1和16.24 mg·(g·h)^-1, 缺氧D_ano降为6.09 mg·(g·h)^-1, 其f_DPBs/PAOs也降低至65.7%, 这是由于反硝化聚磷菌的生长速率缓慢, 世代周期长, SRT过短导致DPBs污泥从反应器中流失, 污泥浓度的减少使得污泥负荷变高, 导致此阶段厌氧释磷及缺氧吸磷速率出现了不同程度地下降.

图 2

Fig. 2

图 2 不同SRT条件下PO43--P浓度变化及反硝化聚磷菌动力学特性 Fig. 2 Variations in the PO43--P concentration and kinetic activities of the DPBs under different SRT conditions

不同pH值对除磷的影响如图 3所示, 当pH从7.5升为8.0时, 厌氧末PO₄^3--P浓度从45.34 mg·L^-1提高至49.32 mg·L^-1, 释磷速率从23.65 mg·(g·h)^-1升至25.87 mg·(g·h)^-1, 在一定的范围内释磷量及速率都随着pH升高而升高.这可以从除磷生化代谢模型来解释^[22]：VFA通过主动运输以分子的形式扩散进入细胞膜, 在细胞内被转变为离子和质子形式.该过程需要消耗细菌质子移动力(PMF), 其主要作用是通过膜结合酶复合体合成ATP并运输基质到细胞内.在聚磷细胞体内, 为了重建或者恢复PMF, 细胞需要分解体内贮存的Poly-P, 并利用质子传输ATP的能力将分解的离子或分子输送到细胞外, 从而发生了释放, 其宏观表现为液相中磷浓度的升高, 因为pH值的升高将进一步减小PMF, 为了维持PMF的恒定则细胞需要分解更多的Poly-P, 故升高pH值能使更多的磷被释放出来.然而, 当pH升高至8.5后, 厌氧末PO₄^3--P浓度及释磷速率急剧下降至31.74 mg·L^-1和14.15 mg·(g·h)^-1,分析认为形成的磷酸盐沉淀引起液相中检测值变小, 同时一部分沉淀吸附到菌胶团表明, 阻碍了DPBs对碳源的吸收及磷的释放^{[8, 23]}.不同pH对缺氧吸磷能力的影响与释磷的趋势一致, 即当pH从7.5升至8.0时, 吸磷速率随之升高, 而当pH继续提升至8.5时, 吸磷速率快速下降, 最大缺氧吸磷速率分别为15.12、16.62和9.14 mg·(g·h)^-1. Sun等^[24]的研究表明, DPBs最佳的增殖及除磷的pH为8.0, 与本实验的结果一致.

图 3

Fig. 3

图 3 不同pH条件下PO43--P浓度及释磷、吸磷速率变化 Fig. 3 Variations of PO43--P concentration, phosphorus release rate, and phosphorus uptake rate under different pH values

在SRT为25 d, pH控制在8.0时, 典型周期内COD、PO₄^3--P、NO₃^--N、Poly-P及Gly的变化如图 4所示.从中可知, 在厌氧条件下DPBs通过Poly-P的分解及糖原(Gly)的酵解获得能量, 吸收VFA以聚-β-羟基链烷酸酯(PHA)的形式存储在胞内, COD从185.29 mg·L^-1降至21.88 mg·L^-1, 液相中PO₄^3--P快速增长, 厌氧末PO₄^3--P浓度达到42.58 mg·L^-1, Poly-P及Gly则分别降至70.35mg·g^-1和132.39mg·g^-1; 在缺氧条件下, DPBs利用NO₃^--N作为电子受体将厌氧段合成的PHA氢化, 产生的能量实现磷的过量吸收, 并伴随着糖原的再生及细胞的增殖, 缺氧结束时Poly-P及Gly呈现出相同的趋势, 分别增长至127.45mg·g^-1和189.43mg·g^-1, 同时PO₄^3--P降低至0.15 mg·L^-1, NO₃^--N也从31.31 mg·L^-1降至0.81 mg·L^-1.此外, 厌氧末较低的COD含量避免了碳源和硝酸盐同时出现, 否则存在常规反硝化菌与反硝化除磷菌之间对电子供体及电子受体的竞争, 不利于反硝化除磷系统^[25].

图 4

Fig. 4

图 4 典型周期内COD、PO43--P、NO3--N、Poly-P及Gly变化情况 Fig. 4 Variations in COD, PO43--P, NO3--N, Poly-P, and Gly during a typical period

(1) 当系统处于长SRT(35 d)条件下, 污泥负荷过低, DPBs呈现出较高的内源衰减速率, SRT过短(15 d)时, DPBs则逐渐从系统中流失, SRT为25 d时, 系统污泥活性最佳, VSS/TSS为72.4%, 污泥含磷率高达5.33%, 出水PO₄^3--P浓度稳定在0.5 mg·L^-1以下, 去除率稳定在95%以上, 平均每利用1 mg NO₃^--N可吸收约1.27 mg PO₄^3--P.

(2) 在一定pH(7.5~8.0)范围内, 随着pH的升高, 释磷及吸磷速率也随之增加, 当pH超过8.0后, 易形成磷沉淀, 影响磷的正常释放及吸收, 除磷效率快速下降, 因此反硝化除磷pH值应控制在7.5~8.0之间.

(3) 在典型周期内, 进水PO₄^3--P为10.37 mg·L^-1, 厌氧末PO₄^3--P达到42.58 mg·L^-1, COD降至21.88 mg·L^-1, 缺氧吸磷及脱氮明显, 出水PO₄^3--P及NO₃^--N分别为0.15 mg·L^-1和0.81 mg·L^-1, 系统脱氮除磷效果良好.