缺氧反應(yīng)時間對反硝化除磷系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響

潘 芳，郭 剛，王 鴻，王亞宜

(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

反硝化除磷工藝作為一種有效解決水體N、P含量超標(biāo)的新技術(shù)已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，其優(yōu)勢主要有:(1)同步脫氮除磷，實(shí)現(xiàn)“一碳兩用”，有效解決當(dāng)前水體中C/N比偏低的問題;(2)利用NO3--N或NO2--N代替O2作電子受體，節(jié)省曝氣量;(3)DPAOs屬于慢速生長微生物，污泥產(chǎn)量較傳統(tǒng)工藝少。

反硝化除磷工藝是指在厭氧/缺氧條件下馴化出來一類能以NO2-/NO3-為電子受體的反硝化聚磷菌(DPAOs)在厭氧缺/氧交替條件下將水體中的磷轉(zhuǎn)化到污泥中排出系統(tǒng)達(dá)到除磷目的的新型工藝。DPAOs能在厭氧條件下將體內(nèi)的聚磷 (poly-P)水解成正磷酸鹽釋放出胞外，利用水解產(chǎn)生的能量ATP快速吸收揮發(fā)性脂肪酸 (VFA)，并以糖酵解提供還原力 (NADH2)合成聚羥基烷酸酯(PHA)貯存于胞內(nèi)。在缺氧段，DPAOs利用胞內(nèi)碳源PHA提供電子，以NO-x作電子受體進(jìn)行氧化磷酸化產(chǎn)生能量，一部分提供細(xì)胞合成和維持生命活動，一部分用于糖原再生成和過量攝取污水中的無機(jī)磷酸鹽，并合成為poly-P貯存于細(xì)胞內(nèi)，同時把NO-x還原成N［1］2。

反硝化除磷功效主要在缺氧階段完成，因此維持適當(dāng)?shù)娜毖醴磻?yīng)時間對于保證良好的脫氮除磷效果至關(guān)重要。缺氧時間過短會使反硝化除磷不充分，導(dǎo)致出水N、P濃度無法達(dá)標(biāo)。相反，缺氧反應(yīng)時間過長，微生物在缺氧反應(yīng)后期會因?yàn)殡娮庸w和受體的消耗殆盡而處于饑餓狀態(tài)，引起微生物活性下降，甚至“二次”釋磷，也會造成脫氮除磷效果的下降［2，3］。據(jù) Bassin 等［4］報道，在 EBPR系統(tǒng)中，隨著缺氧反應(yīng)時間的延長，微生物除磷效果逐漸增強(qiáng)。但當(dāng)缺氧時間設(shè)定過長時，脫氮除磷效果雖然最好，其卻會在缺氧末期發(fā)生二次釋磷、PHA合成、糖原部分降解的現(xiàn)象，這會對后續(xù)周期的運(yùn)行狀況產(chǎn)生影響。Wang等［3］利用DPAOs研究缺氧水力停留時間 (HRT)對雙污泥系統(tǒng) (A2N-SBR)脫氮除磷的影響，研究結(jié)果也顯示缺氧時間過長會使得微生物在缺氧期后段處于內(nèi)源狀態(tài)，發(fā)生內(nèi)源消耗和二次釋磷。但是，這些研究并未檢測胞內(nèi)聚合物之間的變化，也未解釋缺氧時間影響脫氮除磷效果的微觀機(jī)理。

本實(shí)驗(yàn)在反硝化除磷SBR系統(tǒng)中通過調(diào)節(jié)缺氧時間(150 min、210 min、270 min)考察了缺氧時間變化對下一周期厭氧段機(jī)理代謝的沖擊影響，同時也考察了不同缺氧反應(yīng)時間長期運(yùn)行狀態(tài)下對內(nèi)源物質(zhì)、胞外聚合物 (EPS)、N2O產(chǎn)量以及脫氮除磷效果的影響。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行

缺氧反應(yīng)時間對反硝化除磷效果的影響試驗(yàn)在序批式反應(yīng)器(SBR)中進(jìn)行。通過在母反應(yīng)器中厭氧/缺氧/好氧循環(huán)條件下馴化以富集 DPAOs。反應(yīng)器有效容積為7.5 L，充水比0.7。SBR母反應(yīng)器每天3個周期，每一個周期為8 h∶15 min進(jìn)水，2 h厭氧，3.5 h缺氧，0.5 h好氧，0.5 h沉淀，15 min出水和1.5 h閑置。污泥齡控制在20 d左右，好氧段溶氧維持在2～3 mg/L。系統(tǒng)馴化120 d后，達(dá)到穩(wěn)定的N、P去除效果，MLSS穩(wěn)定在4.3 g/L 左右，VSS/SS值穩(wěn)定在0.65 ～0.7。通過熒光原位雜交技術(shù) (FISH)檢測母反應(yīng)器中微生物種群結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，PAO(主要是Accumulibacter)約占總細(xì)菌的65.0%，聚糖菌Competibacter和Defluvicoccus分別占總細(xì)菌的20.8%和2.3%，可見聚磷菌已成為系統(tǒng)中優(yōu)勢菌種，系統(tǒng)馴化完成。

1.2 模擬配水

本實(shí)驗(yàn)每升模擬配水中含有的各種物質(zhì)的量如下:276.8 mg CH3COONa+72.0 mg CH3CH2COONa(COD=300 mg/L)、32.9 mg KH2PO4+42.0 mg K2HPO4、57.4 mg NH4Cl、85.0 mg MgSO4·7H2O、10.0 mg CaCl2、110.0 mg NaHCO3。另外，加入適量的微量元素和硝化抑制劑 (ATU)［2］。厭氧末投加一定濃度的KNO3溶液使NO-3-N初始濃度為50.0 ±5.0 mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

系列實(shí)驗(yàn)Ⅰ (沖擊試驗(yàn)):研究不同缺氧反應(yīng)時間 (150 min，210 min，270 min)對下一周期厭氧段代謝機(jī)理的影響。取出母反應(yīng)器閑置期污泥，用未加入碳源和磷的模擬配水清洗3次后，再用該模擬配水將污泥稀釋至2 L，將污泥平均分裝到3個2.5 L的批次反應(yīng)器中進(jìn)行沖擊試驗(yàn)［5］。批次反應(yīng)器內(nèi)充5 min N2使反應(yīng)器在初期維持嚴(yán)格厭氧環(huán)境，再向批次反應(yīng)器內(nèi)加入配水至2.5 L后開始運(yùn)行。將缺氧反應(yīng)時間分別設(shè)定為150 min(Ⅰ-R1)、210 min(Ⅰ-R1)和270 min(Ⅰ-R1)，相應(yīng)調(diào)整閑置時間，其它運(yùn)行時間及參數(shù)不變 (初始NO3--N濃度為50.0 mg/L)。本周期結(jié)束后，繼續(xù)進(jìn)行下一周期的厭氧階段，比較3個反應(yīng)器的厭氧效率。

系列實(shí)驗(yàn)Ⅱ (不同缺氧時間對反硝化除磷系統(tǒng)的長期影響):實(shí)驗(yàn)系列Ⅰ結(jié)束后，保持3個反應(yīng)器的反應(yīng)周期為:厭氧2h，缺氧分別為2.5 h(Ⅱ-R1)，3.5 h(Ⅱ-R2)，4.5 h(Ⅱ-R3)，好氧0.5h。長期運(yùn)行100 d后，充5 min N2使各反應(yīng)器在初期嚴(yán)格厭氧，再向反應(yīng)器內(nèi)加入1.8 L的配水，對此周期進(jìn)行間隔30 min的密集取樣，比較3個反應(yīng)器的反硝化除磷效率。

兩系列實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)pH值通過投加0.3 mol/L NaOH 和 0.3 mol/L HCl使其維持在 7.5 ±0.1，其他條件參數(shù)與母反應(yīng)器保持一致。

1.4 分析項目及方法

水樣經(jīng)0.45 μm孔徑膜頭過濾后進(jìn)行NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、PO34--P的檢測。以上指標(biāo)及MLSS、MLVSS根據(jù)中國國家環(huán)境保護(hù)署 (SEPA)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測量 (SEPA，2002)。游離亞硝酸(FNA)檢測依據(jù)Ma等報道的方法［6］。糖原(Gly)檢測依據(jù)Jenkins等報道的方法［7］。氣體和液體中N2O濃度以及乙酸 (HAc)和丙酸 (Pro)測量參照 Wangd等報道的方法［8］。胞外聚合物(EPS)的檢測Bo Frolund報道的方法［9］。聚β羥基丁酸 (PHB)、據(jù)羥基戊酸 (PHV)、聚二甲基三羥基戊酸 (PH2MV)測量依據(jù)Oehmen等報道的方法［10］。所有的測量值為3個平行樣的平均值。PHA的總量為PHB、PHV、PH2MV之和。

2 結(jié)果與討論

2.1 缺氧反應(yīng)時間對下一周期的厭氧代謝影響

如圖1所示，當(dāng)缺氧反應(yīng)時間分別為2.5 h、3.5 h 和 4.5 h 時，缺氧吸磷率依次為 81.5%、87.9%和86.1%。值得注意的是，當(dāng)缺氧時間為4.5 h，缺氧末期合成微量 PHAs(0.34 mmol C/g-VSS)，并伴隨少量糖酵解 (0.32 mmol C/g-VSS)，這與傳統(tǒng)的DPAOs系統(tǒng)在缺氧階段的代謝模型不符合。通常，缺氧段PHAs降解產(chǎn)生能量并合成糖原。原因可能是4.5 h缺氧時間過長，電子受體缺失，造成厭氧環(huán)境，所以微生物可能利用糖原酵解來提供所需能源和能量 (即內(nèi)源呼吸)。另外，3個反應(yīng)器平行的NO-3-N反硝化導(dǎo)致Ⅰ-R1、Ⅰ-R2和Ⅰ-R3中在缺氧過程中NO-2積累情況差異不大(圖1a、1b、1c)，但是在缺氧末期時Ⅰ-R1中NO2-濃度為8.8 mg/L，而Ⅰ-R2和Ⅰ-R3中缺氧末期無NO2-積累，從另一方面說明Ⅰ-R1中2.5 h缺氧時間過短，從而系統(tǒng)反硝化除磷效率低。

圖2反映了缺氧反應(yīng)時間的改變對下一周期厭氧段VFAs的吸收影響情況。不同缺氧反應(yīng)時間改變其吸收效率沒有明顯的影響:乙酸在前90 min基本完全吸收，丙酸在前30 min完全吸收;另外，由于NO3-在本周期缺氧段前60 min基本吸收完，所以缺氧反應(yīng)時間的一次沖擊沒有影響到下一周期VFAs的吸收。然而糖原及聚磷的降解有較大區(qū)別，從圖1可以看出，Ⅰ-R3中下一周期釋磷量最大，PHAs水平也最高。Ⅰ-R1、Ⅰ-R2和Ⅰ-R3在本周期的釋磷量分別為 44.3 mg/L、44.4 mg/L、44.0 mg/L，下一周期釋磷量依次為43.8 mg/L、44.4 mg/L和46.8 mg/L;本周期缺氧初PHAs水平依次為 2.1 mmol C/g-VSS、2.2 mmol C/g-VSS、2.2 mmol C/g-VSS，到下周期厭氧末PHAs水平依次為3.2 mmol C/g-VSS、3.3 mmol C/g-VSS 和3.4 mmol C/g-VSS。如圖1所示，正是由于Ⅰ-R3缺氧段糖原酵解使得下一周期厭氧段中糖原水平較Ⅰ-R1和Ⅰ-R2低(Ⅰ-R1、Ⅰ-R2和Ⅰ-R3中下一周期厭氧初糖原水平分別為 5.5 mmol C/g-VSS、5.5 mmol C/g-VSS和5.1 mmol C/g-VSS)，造成Ⅰ-R3中降解更多的聚磷來提供VFAs合成PHAs所需的能量［11］。Zhu等研究［12］也表明，厭氧段較多糖原的酵解會產(chǎn)生更多的PHAs。

2.2 不同缺氧時間對反硝化除磷系統(tǒng)的長期影響

3個缺氧反應(yīng)時間不同的反應(yīng)器長期運(yùn)行100 d之后，Ⅱ-R3反應(yīng)器中PHAs水平最高 (Ⅱ-R1、Ⅱ-R2和Ⅱ-R3反應(yīng)器厭氧初期微生物體內(nèi)PHAs含量分別為 2.0 mmol-C/g-VSS、2.1 mmol-C/g-VSS和2.3 mmol-C/g-VSS)，這與試驗(yàn)Ⅰ結(jié)果是一致的 (如圖3)。較高的PHA水平導(dǎo)致Ⅱ-R3反應(yīng)器的反硝化速率較快。其中，Ⅱ-R1、Ⅱ-R2和Ⅱ-R3三個反應(yīng)器中前30 min的硝酸鹽反硝化速率依次是 1.0 mg NO-3-N/L·min、1.1 mg NO-3-N/L·min 和1.2 mgNO-3-N/L·min(如圖3)。

系列Ⅰ的沖擊實(shí)驗(yàn)表明缺氧時間過長，會導(dǎo)致下一周期厭氧釋磷量升高，PHAs合成量升高，且在長期運(yùn)行情況下形成良性循環(huán)，因PHAs水平高，吸磷效果好，導(dǎo)致最終微生物體內(nèi)聚磷水平在Ⅱ-R3中最高 (如圖3)。長期運(yùn)行條件下，Ⅱ-R1、Ⅱ-R2和Ⅱ-R3三反應(yīng)器中磷去除率依次為-10.4%、62.5%和 73.6%。

為進(jìn)一步揭示缺氧反應(yīng)時間對反硝化除磷的影響機(jī)制，在系列Ⅱ?qū)嶒?yàn)中，對EPS(包括糖、蛋白質(zhì)、腐植酸)進(jìn)行了檢測 (如圖4)，并對不同系列EPS的含量進(jìn)行了熒光分析。在3個反應(yīng)器中，缺氧段的EPS中蛋白質(zhì)和腐植酸的含量明顯增加，好氧段又有部分消耗。在第Ⅱ系列中，缺氧段合成的EPS中腐植酸的含量基本一致，但Ⅱ-R2中蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量分別比Ⅱ-R1少55.9% 和67.7%，比Ⅱ-R3少89.0% 和79.6%，使得Ⅱ-R2中EPS的總量比Ⅱ-R1和Ⅱ-R3分別少48.0%和70.6%(如圖4)。這可能是因?yàn)棰?R3反應(yīng)器內(nèi)源時間較長，而長期內(nèi)源過程會刺激微生物產(chǎn)生較多的EPS［13］。EPS會增大微生物與介質(zhì)間的傳質(zhì)阻力［14］，進(jìn)而影響基質(zhì)傳輸速率等，另外EPS會吸附部分磷酸鹽，因此在長期運(yùn)行中，Ⅱ-R3中釋磷量相對于另外兩個反應(yīng)器并未明顯升高 (如圖3)。

圖1 缺氧反應(yīng)時間對反硝化除磷效果及下一周期厭氧效果的影響:R1(a、d)、R2(b、e)、R3(c、f)Fig.1 Typical cyclic tests during period I:R1(a，d)，R2(b，e)，R3(c，f)

圖2 Ⅰ系列下一周期中厭氧段乙酸(HAc)和丙酸(Pro)的變化Fig.2 The changes in HAc and Pro in sequence anaerobic phase during periodⅠ

圖3 Ⅱ系列系統(tǒng)中各個指標(biāo)的沿程變化:Ⅱ-R1(a、d)、Ⅱ-R2(b、e)、Ⅱ-R3(c、f)Fig.3 Typical cyclic tests during periodⅡ:Ⅱ-R1(a，d)，Ⅱ-R2(b，e)andⅡ-R3(c，f)

圖4 Ⅱ系列污泥中EPS的組成成分Fig.4 Chemical production and composition of EPS during periodⅡ

3 小結(jié)

在反硝化除磷系統(tǒng)中，隨著缺氧反應(yīng)時間從2.5 h延長到4.5 h的長期運(yùn)行，脫氮除磷效果逐漸增強(qiáng)，但不會影響系統(tǒng)內(nèi)N2O的生成量。過短的缺氧時間不能使系統(tǒng)內(nèi)生化反應(yīng)完全，從而降低了脫氮除磷效果;缺氧時間設(shè)定為4.5 h時，脫氮除磷效果最好。而不同缺氧反應(yīng)時間對下一周期厭氧段的運(yùn)行情況的短期影響研究表明，過短的缺氧時間會導(dǎo)致缺氧段反硝化不完全;但是缺氧時間太長延長了水力停留時間，降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此，在生物污水處理系統(tǒng)中，設(shè)置合理的缺氧反應(yīng)時間具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。既要保證較好的處理效果，又要降低運(yùn)行成本，必須對工藝實(shí)現(xiàn)有效地實(shí)時控制或者智能控制。

［1］ 張 杰，李小明，等.反硝化除磷技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)新途徑［J］.工業(yè)用水與廢水，2007，38(03):112-115.

［2］ Lemaire R.，Meyer R，Taske A，Crocetti G R，Keller J，Yuan Z G.Identifying causes for N2O accumulation in a lab-scale sequencing batch reactor performing simultaneous nitrification，denitrification and phosphorus removal［J］.Journal of Biotechnology，2006，122:62-72.

［3］ Wang Y Y，Peng Y Y，Tom Stephensonc.Effect of influent nutrient ratios and hydraulic retention time(HRT)on simultaneous phosphorus and nitrogen removal in two-sludge sequencing batch reactor［J］.Bioresource Technology，2009，100(14):3506-3512.

［4］ Bassin J P，Kleerebezem R，Dezotti M，van Loosdrecht M C M.Simultaneous nitrogen and phosphate removal in aerobic granular sludge reactors operated at different temperatures［J］.Water Research，2012，33(10):3805-3816.

［5］ 呂曉梅，李 繼，等.反硝化除磷中缺氧吸磷的影響因素［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33(6):191-193

［6］ Ma J，Yang Q，Wang S Y，Wang L，Takigawa A，Peng Y Z.Effect of free nitrous acid as inhibitors on nitrate reduction by biological nutrient removal sludge［J］.Journal of Hazardous Materials，2010，175(7):518-523.

［7］ Jenkins D，Richard M G，Daigger G T.Manual on the Causes and Control of Activated Sludge Bulking，F(xiàn)oaming and other Solids Separation Problems，second ed［M］.New York:Lewis Publishers，2004.243-247.

［8］ Wang Y Y，Geng J J，Ren Z J.Effect of anaerobic reaction time on denitrifying phosphorus removal and N2O production ［J］.Bioresource Technology，2011，102:5674-5684.

［9］ Bo Frolund.Extraction of extracelluar polymer from activated sludge using a cation exchange resin［J］.Water research，1996，30(8):1749-1758.

［10］ Oehmen A，Saunders A，Vives M T，Yuan Z，Keller J.Competition between polyphosphate and glycogen accumulating organisms in enhanced biological phosphorus removal systems with acetate and propionate as carbon sources［J］.Biotechnol，2006，123(1):22-32.

［11］ Kong Y H，Beer M，Reers G N，Seviour R J.Functional analysis of microbial communities in aerobic-anaerobic sequencing batch reactors fed with different phosphorus/carbon(P/C)ratios［J］.Microbiology，2002，148(2):2299-2307.

［12］ Zhu X Y，Chen Y G.Reduction of N2O and NO generation in anaerobic-aerobic(low dissolved oxygen)biological wastewater treatment process by using sludge alkaline fermentation liquid［J］.Environmental Sciences and Technology，2011，45(6):2137-2143.

［13］ Gao D W，Yuan X J.Reactivation performance of aerobic granules under different storage strategies［J］.Water research，2012，46(10):3315-3322.

［14］ 孟凡平，周維芝，等.微生物胞外多糖SMA87EPS固定化條件優(yōu)化及對PbⅡ吸附的研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報，2011，41(3):162-165.