MUCT工藝不同硝化液內(nèi)循環(huán)比的PHA和磷代謝

鹿欽禮，王曉玲

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 吉林建筑工程學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130021）

水處理技術(shù)

MUCT工藝不同硝化液內(nèi)循環(huán)比的PHA和磷代謝

鹿欽禮1，王曉玲2

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001； 2. 吉林建筑工程學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130021）

以低C/N比污水為處理對(duì)象、基于物料平衡分析，研究了在MUCT工藝中硝化液內(nèi)循環(huán)比與COD降解轉(zhuǎn)化、PHA的代謝、磷的轉(zhuǎn)移以及氮的轉(zhuǎn)化等4個(gè)過(guò)程的關(guān)系。進(jìn)水COD濃度恒定為(290±10)mg/L，TN濃度恒定為(55±0.5)mg/L，TP濃度恒定為(7.0±0.5)m g/L，改變硝化液內(nèi)循環(huán)比，測(cè)定各反應(yīng)段及出水COD、TN、TP濃度以及污泥中的PHA含量。試驗(yàn)結(jié)果表明：厭氧段去除的COD的63%～67%左右轉(zhuǎn)化為PHA，在第二缺氧段和好氧段，PHA被消耗用于吸收污水中的磷，硝化液內(nèi)循環(huán)比對(duì)第二缺氧段的消耗量有較明顯的影響；硝化液內(nèi)循環(huán)比對(duì)磷的釋放過(guò)程影響較小，是第二缺氧段的吸磷過(guò)程的主要影響因素。

MUCT工藝； 硝化液內(nèi)循環(huán)比； 物料平衡； 轉(zhuǎn)化

生物法去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)工藝（Biological Nutrient Removal，BNR）中，是傳統(tǒng)活性污泥法的延伸，但原理更復(fù)雜，因?yàn)樵撓到y(tǒng)中至少包括3種反應(yīng)段－厭氧、缺氧、好氧，且在各段之間循環(huán)混合液[1]。其中最重要的生化反應(yīng)過(guò)程包括：①厭氧段，PAO吸收易生物降解COD，并將其轉(zhuǎn)化成PHA貯存在體內(nèi)；PAO體內(nèi)的聚磷水解釋放磷；②缺氧段，反硝化菌進(jìn)行將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成氮?dú)?；③好氧段，PAO利用PHA產(chǎn)生能量進(jìn)行生長(zhǎng)、合成糖原以及吸磷；好氧環(huán)境條件下的另一個(gè)重要的反應(yīng)器是硝化過(guò)程。在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，BNR系統(tǒng)的活性污泥中存在一種既可以吸磷又可以轉(zhuǎn)化硝酸鹽氮的微生物——反硝化聚磷菌[2-4]。

在各種BNR系統(tǒng)中，MUCT（Meliorate University of Cape Town）工藝由于消除了硝酸鹽氮對(duì)厭氧釋磷過(guò)程的影響，強(qiáng)化了BNR工藝脫氮除磷的功能，而得到較為廣泛的應(yīng)用[5-8]。但在MUCT工藝中，硝化液內(nèi)循環(huán)比較高時(shí)，將使進(jìn)入到第二缺氧段的溶解氧增加和使混合液在第二缺氧段的實(shí)際水力停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致該段的反硝化容量和吸磷量降低。

為了深入分析硝化液內(nèi)循環(huán)比與COD降解轉(zhuǎn)化、PHA的代謝、磷的轉(zhuǎn)移以及氮的轉(zhuǎn)化等4個(gè)過(guò)程的關(guān)系，本文以模擬生活污水為考察對(duì)象進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 原理與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

MUCT系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置由有機(jī)玻璃制成，為二廊道推流式反應(yīng)器，分為4個(gè)反應(yīng)段，依次為厭氧段、第一缺氧段、第二缺氧段、好氧段。試驗(yàn)的進(jìn)水、硝化液內(nèi)循環(huán)α、內(nèi)循環(huán)混合液γ以及回流污泥s等流量均由蠕動(dòng)泵控制。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)保持在一個(gè)水平，COD濃度恒定為(290±10) mg/L，TN濃度恒定為(55±0.5) mg/L，TP濃度恒定為(7.0±0.5) mg/L。試驗(yàn)過(guò)程中保持硝化液內(nèi)循環(huán)比以外的其他運(yùn)行條件和參數(shù)不變。調(diào)節(jié)硝化液內(nèi)循環(huán)比α，進(jìn)行了4組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)為一個(gè)階段。ANA∶ANO1∶ANO2∶AE各段體積比為2∶1∶2∶5。s為0.5，γ為1。好氧段末端溶解氧濃度控制在2 mg/L左右，剩余污泥污泥齡控制在12 d，污泥量根據(jù)Zhu等推薦的公式進(jìn)行計(jì)算[9]，溫度控制在(20±1)℃。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器的DO、pH值以及ORP值，用以反饋系統(tǒng)狀態(tài)。

1.3 檢測(cè)指標(biāo)

試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定DO、ORP、MLSS、COD、NH4

+-N、NO3--N、TP、TN、PHA、pH、水溫等指標(biāo)。PHA采用氣相色譜法測(cè)定，其他指標(biāo)均采用國(guó)標(biāo)方法。統(tǒng)計(jì)分析各試驗(yàn)階段穩(wěn)定運(yùn)行期間的測(cè)定結(jié)果，分析用數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)在20～30個(gè)范圍之間［10,11］。

圖1 MUCT工藝流程圖Fig.1 The sehematic diagram of MUCT process

2 結(jié)果與分析

2.1 硝化液內(nèi)循環(huán)比與PHA的代謝

2.1.1 PHA的貯存

試驗(yàn)期間MUCT工藝各反應(yīng)段出水COD濃度和活性污泥PHA含量見表1。

表1 各反應(yīng)器出水COD濃度和活性污泥PHA含量Table 1 Effluent COD concentration and PHA content in each bioreactor

從表1中還可以看出，好氧段活性污泥中PHA含量最低，厭氧段最高。為分析COD降解和PHA代謝的反應(yīng)過(guò)程，以厭氧段和第一缺氧段為系統(tǒng)邊界，基于混合液COD濃度和PHA含量的平均值（統(tǒng)計(jì)結(jié)果）進(jìn)行了物料平衡分析，確定了兩段COD的去除量和PHA的貯存量（以COD表示，PHA的COD化學(xué)計(jì)量學(xué)常數(shù)取1.67 g COD/g PHA），結(jié)果見圖2。

圖2 試驗(yàn)期間COD、PHA的反應(yīng)量Fig.2 Relation amount of COD，PHA during experiment

從圖中可以看出，試驗(yàn)期間厭氧段PHA的貯存量基本保持不變，說(shuō)明α對(duì)厭氧段PHA貯存量無(wú)顯著影響。厭氧段去除的COD中63%～67%被轉(zhuǎn)化為PHA貯存在聚磷菌體內(nèi)，這是該段COD濃度降低的主要原因。PHA的大量貯存有利于生物除磷過(guò)程的進(jìn)行。

從表1中可以得出，第一缺氧段污泥PHA含量降低，而從圖2中卻可以得出第一缺氧段內(nèi)PHA總量升高，即貯存了PHA。說(shuō)明第一缺氧段的主要作用是還原回流污泥中的硝酸鹽氮，以避免其對(duì)厭氧釋磷過(guò)程的影響。第一缺氧段COD和硝酸鹽氮物料平衡計(jì)算結(jié)果見表2［10］。

表2 第一、二缺氧段COD、NO3--N反應(yīng)量Table 2 Amount of COD,NO3--N in No.1 and No.2 anoxic zone

磷菌只占活性污泥中一部分，所以出現(xiàn)了第一缺氧段雖反硝化菌屬異養(yǎng)型細(xì)菌，為了達(dá)到理想的反硝化效果， COD/N比值約為4 g COD/g NO3--N。從表中可以得出，第一缺氧段COD消耗量與硝酸鹽氮還原量的比值大于4 g COD/g NO3--N，回流污泥中的硝酸鹽氮被完全反硝化，所以該段消耗的COD一部分用于反硝化，一部分被聚磷菌吸收并以PHA形式貯存?；亓魑勰?PHA含量與好氧段污泥相同)進(jìn)入到第一缺氧段，經(jīng)γ循環(huán)至厭氧段，為其提供微生物，致使厭氧段活性污泥濃度比第一缺氧段低，加之聚然貯存了PHA，而污泥PHA含量下降的現(xiàn)象［10］。

2.1.2 PHA的消耗

從表1中可以得出，污泥中PHA的含量在第二缺氧段以及好氧段進(jìn)一步降低。導(dǎo)致2個(gè)反應(yīng)段污泥PHA含量降低主要有2個(gè)原因：硝化液內(nèi)循環(huán)比的稀釋和PHA的消耗。分別以第二缺氧段和好氧段為系統(tǒng)邊界，依據(jù)測(cè)得的污泥PHA含量，進(jìn)行了物料平衡分析計(jì)算，結(jié)果見圖3［10］。

圖3 試驗(yàn)期間PHA的消耗量Fig.3 Consumption amount of COD，PHA during experiment

從圖中可以得出，在第二缺氧段PHA被消耗，且消耗量在α=4時(shí)最高。MUCT工藝的第二缺氧段的硝酸鹽氮來(lái)自于好氧段，主要功能是進(jìn)行反硝化。從表2中可知，第二缺氧段COD消耗量與硝酸鹽氮還原量的比值遠(yuǎn)小于2.86，據(jù)此推測(cè)，反硝化菌的主要供氫體是PHA。因此在第二缺氧段PHA被大量消耗，且消耗量與進(jìn)入到該段的硝酸鹽氮量有關(guān)，即受硝化液內(nèi)循環(huán)比α的影響，在硝化液內(nèi)循環(huán)比為4時(shí)達(dá)到最大值20.73 g/d。PHA在第二缺氧段的消耗有助于節(jié)省好氧段曝氣所需能耗。結(jié)合表2和圖3可知，好氧段PHA含量繼續(xù)降低，PHA被消耗，消耗量在α=4時(shí)最低。

2.2 硝化液內(nèi)循環(huán)比與磷的代謝

2.2.1 磷的釋放

MUCT工藝試驗(yàn)期間各反應(yīng)段出水TP濃度見表3?？梢钥闯?，硝化液內(nèi)循環(huán)比α對(duì)系統(tǒng)出水TP濃度影響較小。試驗(yàn)期間，出水TP濃度在0.59～0.84 mg/L之間，TP的去除率在87.60%～91.45%之間。以每個(gè)反應(yīng)段和整個(gè)工藝為系統(tǒng)邊界，基于測(cè)得的各段混合液TP濃度的平均值進(jìn)行了物料平衡分析。根據(jù)活性污泥微生物細(xì)胞物質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)公式可知，細(xì)胞物質(zhì)中的含磷量一般為1.5%～2.0%[12,13]。

從表3數(shù)據(jù)可以得出，混合液進(jìn)入第一缺氧段后，TP濃度降低，引起該段TP濃度下降的可能主要有3個(gè)原因：一是微生物的同化作用，二是回流污泥、混合液的稀釋作用，三是缺氧吸磷作用。在第一缺氧段內(nèi)發(fā)生釋磷反應(yīng)，TP濃度的降低主要由回流污泥的稀釋和微生物的同化作用引起的。在MUCT工藝中污泥回流至第一缺氧段，在該段中將進(jìn)行反硝化反應(yīng)。從表3中可以看出，第一缺氧段內(nèi)COD消耗量/硝酸鹽氮反應(yīng)量的比值在8.5左右，所以第一缺氧段內(nèi)回流污泥中的硝酸鹽氮優(yōu)先被傳統(tǒng)反硝化菌利用，不能作為反硝化聚磷菌的電子受體。在硝酸鹽氮被反硝化完全后，剩余的COD被聚磷菌吸收并以PHA的形式貯存在體內(nèi)，同時(shí)釋放出磷，所以第一缺氧段表現(xiàn)為釋磷過(guò)程。當(dāng)硝化液內(nèi)循環(huán)比為4時(shí)，因出水硝酸鹽氮濃度最低，所以第一缺氧段釋磷量最高。

根據(jù)TP的物料平衡計(jì)算結(jié)果可以判斷，MUCT工藝的釋磷反應(yīng)主要在厭氧段完成，第一缺氧段的釋磷量占總釋磷量的比例較低，約為7%左右，對(duì)除磷的貢獻(xiàn)較小。試驗(yàn)期間，MUCT工藝的總釋磷

量保持在6.46～6.66 g/d之間，出水TP濃度在0.59～0.84 mg/L之間波動(dòng)，保持了較高的除磷率。

2.2.2 磷的吸收

從表3中可以看出，試驗(yàn)期間，第二缺氧段TP濃度大幅降低，主要是由于缺氧吸磷和硝化液的稀釋作用導(dǎo)致的。根據(jù)TP物料平衡計(jì)算結(jié)果，確定了MUCT工藝在不同硝化液內(nèi)循環(huán)比條件下運(yùn)行時(shí)的缺氧吸磷量和缺氧段吸磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。缺氧吸磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示缺氧吸磷量占總吸磷量的比例。

表3 各反應(yīng)器出水TP濃度Table 3 Effluent TP concentration and P content in each bioreactor mg/L

從圖中可以看出，缺氧吸磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著硝化液內(nèi)循環(huán)比α的升高而增加，從α為2時(shí)的0.37增加到α為4時(shí)的44%。然而當(dāng)α繼續(xù)增加至5時(shí)，缺氧吸磷量和缺氧吸磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。

由表2可知，在ANO2中，由于可利用的外碳源COD量較少，所以反硝化的主要供氫體是內(nèi)碳源PHA，反硝化聚磷菌的反硝化作用占有優(yōu)勢(shì)，即在還原硝酸鹽氮的同時(shí)，大量的磷被吸收，污水中TP濃度降低。在MUCT工藝中進(jìn)入第二缺氧段的硝酸鹽氮量主要與系統(tǒng)硝化效果和硝化液內(nèi)循環(huán)比α有關(guān)。在硝化效果一定的條件下，該值隨著α的增加而增加，導(dǎo)致缺氧吸磷量從α為2時(shí)的3.06 g/d增加到α為4時(shí)的3.75 g/d。然而當(dāng)α增加到5時(shí)，由于第二缺氧段實(shí)際水力停留時(shí)間較短以及隨硝化液進(jìn)入到第二缺氧段的DO量較高（0.37 g/d），所以影響了反硝化聚磷菌的新陳代謝過(guò)程，導(dǎo)致缺氧吸磷量和缺氧吸磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低至3.05和0.37 g/d。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硝化液內(nèi)循環(huán)比α對(duì)總吸磷量影響較小?？偽琢恐饕茉囼?yàn)期間的總釋磷量的影響。吸磷量和釋磷量之間的關(guān)系見圖4。這說(shuō)明厭氧釋磷是生物除磷的關(guān)鍵。

圖4 試驗(yàn)期間釋磷量與吸磷量的關(guān)系Fig.4 Relationship between prelease and puntake during experiment

2.3 內(nèi)循環(huán)比與TN的轉(zhuǎn)化

試驗(yàn)期間系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除基本不受硝化液內(nèi)循環(huán)比的影響，出水氨氮濃度均在1.38 mg/L以下，去除率穩(wěn)定在97%以上。而硝化液內(nèi)循環(huán)比α對(duì)TN去除效果影響較大，隨著α從2增加到4，TN去除率從72.95%上升到79.45%，但當(dāng)α繼續(xù)增加到5時(shí)，去除率下降至74.31%。

試驗(yàn)期間，以每個(gè)反應(yīng)段為系統(tǒng)邊界，基于測(cè)定的TN濃度，進(jìn)行了物料平衡分析得知，出水中的TN以硝酸鹽氮為主（來(lái)自于好氧段氨氮的硝化反應(yīng)），出水TN濃度的變化主要是由硝酸鹽氮濃度的變化所導(dǎo)致的；TN主要是在第一缺氧段、第二缺氧段以及好氧段被去除。第一缺氧段、第二缺氧段反生反硝化反應(yīng)，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為了氮?dú)猓瑢?shí)現(xiàn)了污水的脫氮過(guò)程；而在好氧段，氮以氨氮的形式被微生物吸收，通過(guò)合成代謝過(guò)程成為生物體一部分。在本試驗(yàn)中，當(dāng)α較高時(shí)，一方面將有更多的DO隨著硝化液進(jìn)入到第二缺氧段而影響反硝化作用；另一方面，第二缺氧段的實(shí)際水力停留時(shí)間也隨著α的增加而減少，因此，降低了第二缺氧段的反硝化潛力。

3 結(jié) 論

（1）硝化液內(nèi)循環(huán)比α對(duì)厭氧段PHA貯存量無(wú)顯著影響。厭氧段去除的COD的63%～67%被轉(zhuǎn)化為PHA；第一缺氧段中首先反生反硝化反應(yīng)，當(dāng)硝酸鹽氮耗盡后剩余的COD被聚磷菌吸收并轉(zhuǎn)化成PHA貯存，且PHA貯存量在硝化液內(nèi)循環(huán)比為4時(shí)最高。在ANO2和AE中，PHA被消耗。隨著硝化液內(nèi)循環(huán)比的升高，在ANO2中的消耗量增加，在硝化液內(nèi)循環(huán)比為4時(shí)，PHA的消耗量達(dá)到最高，為20.73 g/d。

（2）硝化液內(nèi)循環(huán)比α對(duì)厭氧段的釋磷反應(yīng)無(wú)顯著影響，但對(duì)ANO1的釋磷稍有影響，在硝化液內(nèi)循環(huán)比為4時(shí)最大。在ANO2中發(fā)生吸磷反應(yīng)，吸磷量與進(jìn)入到該段的硝酸鹽氮量有關(guān)，即受硝化液內(nèi)循環(huán)比的影響。調(diào)節(jié)硝化液內(nèi)循環(huán)比可強(qiáng)化第二缺氧段的缺氧吸磷性能。

（3）TN的轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在第二缺氧段，受硝化液內(nèi)循環(huán)比影響。

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PHA and Phosphorus Metabolism Under Various Nitrified Liquor Recycling Conditions in MUCT Process

LU Qin-li1, WANG Xiao-ling2
(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China；
2. College of Environmental Engineering, Jilin Architectural and Civil Engineering Institute, Jilin Changchun 130021, China )

Based on mass balances, relationships between the nitrified liquor recycling condition and COD removal, phosphorus release, phosphorus uptake, nitration, denitrification were discussed by using low C/N rate wastewater as the research object, in which the influent chemical oxygen demand concentration was stabilized at (290±10)mg/L, the influent total nitrogen (TN) concentration was stabilized at (55±0.5)mg/L, the influent total phosphorus (TP) concentration was stabilized at (7.0±0.5)mg/L. The nitrified liquor recycling condition was changed to compare the effluent total nitrogen and total phosphorus concentration. The experimental results show that 63%～67% of the COD removed in the anaerobic zone can be identified as PHA; in the second anoxic and aerobic zone, the PHA has been consumed for phosphate uptake, consumption of PHA is significantly affected by nitrified liquor recycling condition in second anoxic zone; nitrified liquor recycling condition has little effect on phosphorus release, but it is a key factor affecting phosphorus uptake in the second anoxic zone.

MUCT process; Nitrified liquor recycling condition; Mass balance; Conversion

X 703

A

1671-0460（2012）03-0308-04

2012-01-01

鹿欽禮（1977-），男，吉林白城人，講師，碩士學(xué)位，研究方向：主要研究污水物化及生物處理技術(shù)。E-m ail：luqinli@sina.com。