污泥龄对A/A工艺反硝化除磷效能的影响

Posted 2023-01-14 碳源

篇首语：少年意气强不羁，虎胁插翼白日飞。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了污泥龄对A/A工艺反硝化除磷效能的影响相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　近年来，反硝化除磷技术已成为污水处理研究领域热点问题，反硝化除磷技术不但减少了聚磷菌胞内聚羟基烷酸(PHA)的无谓消耗、减少需氧量、降低能耗，达到了“一碳二用”的目的，解决了传统工艺中脱氮和除磷两个过程在碳源争夺问题上的矛盾，并且减少了剩余污泥排放量，在满足深度污水处理要求前提下，降低了运行费用。

　　污水中磷的去除是以排放剩余污泥来实现的，如果污泥龄SRT维持较短则可能导致MLSS浓度变低，无法保证系统的正常运行，过高的SRT会对工艺的除磷效果产生影响，因此，合理地控制SRT是污水除磷关键。泥龄不仅体现了微生物的生长环境和世代周期，而且影响污泥系统的处理效率、出水水质和产泥量。目前，国内外学者关于污泥龄对反硝化除磷效果的影响有一定的研究，但关于污泥龄对NO2--N作为电子受体的反硝化除磷机理的深入研究较少。

　　笔者以厌氧/缺氧SBR为研究对象，分析了SRT对NO2--N作为电子受体反硝化除磷系统运行效能的影响，并探明了SRT与反硝化除磷机制的关联性，为NO2--N作为电子受体的反硝化除磷技术提供参考。

　　1 试验方法

　　1.1 试验装置

　　试验采用图 1所示SBR系统。两级SBR是采用有机玻璃制成，两个SBR分别单独进水，N-SBR出水中NO2--N作为电子受体投加到A2-SBR缺氧段进行反硝化吸磷。亚硝化反应器N-SBR有效容积3 L，通过微氧曝气实现短程硝化，每天运行2个周期，每个周期3 h;反硝化除磷反应器A2-SBR有效容积35 L。以沈阳北部污水处理厂沉降池污泥作为接种污泥，MLSS为3 000～4 000 mg/L，进水采用瞬时加入，通过搅拌器使泥水混合均匀，系统的进水、搅拌、曝气、加药、排水等工序均由时控器和电子阀控制。首先采用厌氧/缺氧运行模式将传统聚磷菌污泥驯化为反硝化除磷污泥，之后转入正常运行，每天运行2个周期，每个周期5.5 h，日处理污水量60 L，SRT为20 d，每个周期运行步骤：瞬时进水、厌氧2.0 h、缺氧2.5 h、沉淀0.5 h、排水0.5 h。

图 1 SBR系统
1—A²SBR进水箱；2—NSBR反应器；3—电动搅拌机；4—曝气泵；5—气体流量计；6—曝气头；7—时间继电器；8—电磁阀；9—液体流量计；10—A²SBR进水管；11—A²SBR排水管；12—排泥口；13—A²SBR反应器；14—NSBR进水箱；15—NSBR出水管。

　　1.2 试验水质

　　试验用水取自东北大学校园家属楼下水管道实际生活污水，污水COD 140.5～248.5 mg/L，NH4+-N 25.3～33.2 mg/L，TN 26.2～34.7 mg/L，TP 2.8～5.6 mg/L，pH 7.2～7.8。

　　1.3 分析方法

　　COD采用Sepectro Flex 6600型COD快速测定仪测定;亚硝态氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定;TP、poly-P采用钼锑抗分光光度法测定;混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)采用重量法测定;pH采用pH计测定，聚-β-羟基链烷酯酸(PHB)采用气相色谱法测定〔6〕。

　　2 结果与讨论

　　2.1 无排泥情况除磷效果

　　SRT的大小直接影响着污水的处理效果，SRT较短将对生物除磷量产生影响，导致系统中生化反应发生变化，因而需要控制污泥龄恰当，既要保证污水除磷效果又要维持较高污泥浓度。为了大致确定系统的SRT，考察了SBR连续36 d无排泥情况下系统的脱氮除磷效果，进而确定最佳的SRT，试验过程中保持进水磷质量浓度2.78～5.73 mg/L，COD 145.06～227.66 mg/L，电子受体NO2--N质量浓度12～14 mg/L，pH 7.3～7.6，温度25 ℃左右，系统每天运行2个周期。

　　由图 2可以看出，连续36 d不排泥，系统仍有处理效果，没有发生出水磷浓度大于进水的情况，但除磷效果不是很稳定，除磷率在48.00%～86.75%波动。系统运行第24天之前，出水磷质量浓度均小于1 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，平均去除率为80.67%，系统运行到第26天后，除磷效果逐渐变差，除磷率开始下降，到第36天时，出水磷质量浓度为2.68 mg/L，磷去除率为48.00%，由此可推断，在系统不排泥的情况下，仍有除磷效果，但连续运行超过24 d后，除磷效果开始下降。这与传统除磷理论认为泥龄越短除磷效果越好的说法不一致，因为厌氧/缺氧条件下生长的反硝化聚磷菌DPAOs比传统聚磷菌PAO生长速率慢，所以其SRT比PAOs的长，这与石玉明等结论相同〔7, 8〕。

图 2 无排泥系统除磷效果

图 3为系统无排泥连续运行36 d情况下的脱氮及COD去除效果。

图 3 无排泥系统COD、NO₂^--N去除效果

　　从图 3可以看出，COD的去除率在84.02%～92.71%变动，出水平均COD为22.91 mg/L，不排泥连续运行对COD去除并没有太大影响。碳源是微生物生长需要量最大的营养元素，在反硝化除磷系统中，乙酸作为能源吸收到胞内以PHB形式进行储存以便用于缺氧吸磷，即使在DPAOs生长受到抑制的情况下，其他异养菌同样能吸收碳源作为能源维持自身的新陈代谢，对污水中的COD仍有去除〔9, 10〕。在36 d的反应过程中，NO2--N去除率为75.83%～88.75%，NO2--N平均出水质量浓度为2.01 mg/L，在反硝化除磷反应过程中，亚硝酸盐作为反硝化除磷反应的电子受体被去除，此外，系统中存在着传统反硝化菌同样能够发生反硝化反应，进而NO2--N得到去除。

　　2.2 泥龄对系统运行效果影响

　　2.2.1 泥龄对除磷的影响

　　在系统运行稳定的情况下，考察SRT分别为10、16、24、32 d时对污水的处理效果，每种条件下运行1个SRT周期，每天运行2个周期，反应过程中进水COD为180～240 mg/L，TP为2.8～5.2 mg/L，缺氧段滴加NO2--N质量浓度为13～15 mg/L，试验过程中保持温度为25～27 ℃，pH为7.5～7.7，4个SRT周期的排泥量分别为1.0、0.5、0.5、0.5 L，在此期间测定脱氮除磷及COD去除效果，并且测定污泥性能指标，结果见图 4。

图 4 不同SRT对除磷效果影响

　　由图 4可以看出，系统在不同SRT条件下运行均有除磷效果，并没有出水磷浓度大于进水的情况发生，SRT=10 d时，除磷率较低，TP平均去除率为60.69%，出水平均TP质量浓度为1.58 mg/L，分析认为反硝化聚磷菌DPB生长速率较慢，世代周期比较长，当SRT小于其世代周期时，过早地排放剩余污泥，会使污泥中的DPB流失，DPB在微生物种群中所占的比例减小，逐渐成为非优势菌种影响除磷效果;此外，进水有机物浓度固定，SRT较小的情况下，污泥有机负荷变大，厌氧结束后会有大量未被利用的外碳源COD进入缺氧段，传统反硝化菌及其他异养微生物吸收外碳源大量生长繁殖，从而抑制了DPB利用内碳源PHB进行反硝化吸磷〔11, 12〕。SRT提高到16 d时，系统除磷效果有所提高，去除率较SRT=10 d时提高了12.4%，出水平均TP质量浓度为1.18 mg/L。当SRT=24 d时，系统除磷效果最佳，TP平均去除率为89.66%，出水平均TP质量浓度为0.23～0.98 mg/L，随着SRT的延长，在厌氧段DPB充分吸收外碳源并以PHB的形式储存于体内，使得在缺氧段没有外碳源存在时，DPB仍可利用PHB进行缺氧吸磷反应。可见，随着系统SRT变大，除磷率提高，这与传统观点认为SRT越小，除磷效果越好的观点并不一致。SRT继续提高到32 d的时候，系统出水除磷效果恶化，除磷率下降到59.25%，出水平均TP质量浓度下降到0.58 mg/L，其原因是随着SRT的增大，污泥浓度变大，污泥有机负荷降低，在厌氧释磷过程中并没有足够的外碳源可供吸收，造成了“无效释磷”的发生，在缺氧段没有充足的内碳源PHB可供利用，缺氧吸磷受阻〔12〕。

　　由此可见，选择合适的SRT对除磷至关重要，SRT既不能过大导致系统内有机负荷变低，又不能过小致使有机负荷过高，根据除磷效果认定，本系统最佳SRT取24 d。

　　2.2.2 泥龄对碳源利用的影响

　　图 5是系统厌氧释磷缺氧吸磷过程中碳源的利用情况。

图 5 不同SRT对碳源的利用

　　由图 5可知，SRT=10 d时，厌氧段系统对外碳源利用率较低，厌氧末端系统出水COD偏高，平均为73.7 mg/L，随着SRT的延长，微生物吸收外碳源量增加，出水平均COD降低，SRT为16、24、32 d时，系统厌氧出水平均COD分别为41.6、37.4、、33.7 mg/L。分析认为SRT过小时，会出现DPB随着剩余污泥排出的情况，系统内聚磷菌含量变少，不足以提供足够的能源吸收乙酸于胞内，出水COD偏高，此外，当SRT很小时MLSS小，反应器中微生物处于营养过剩的环境中活性低;而适当延长SRT，微生物处于营养缺乏的增殖后期，其活性较强，为了维持自身的生命活力、新陈代谢，需要吸收利用大量有机物〔13, 14〕，因此SRT为16、24 d时，系统COD去除效果提高。SRT为10～24 d时，虽然不同SRT对厌氧出水COD有影响，但缺氧出水COD并无影响，出水平均COD均低于20 mg/L。SRT为10、16、24 d时，厌氧末端胞内PHB含量比较相近，出水平均COD分别为90.05、84.93、86.06 mg/L，SRT=32 d时，厌氧末端PHB质量浓度较低，为56.45 mg/L，原因是SRT较长时，污泥有机负荷偏低，胞内转化为PHB量少。随着SRT的延长，缺氧末端PHB含量呈先升高后降低的趋势，SRT较小时，污泥有机负荷高，厌氧结束后残余的碳源进入缺氧段，异养菌优先吸收外碳源进行生化反应，反硝化聚磷菌吸收内碳源PHB进行缺氧吸磷受到抑制，因而缺氧末端PHB含量高。随着SRT的逐渐增大，污泥有机负荷变小，厌氧段外碳源被彻底吸收转化为PHB，缺氧段几乎没有残余的外碳源存在，PHB作为内碳源被聚磷菌充分吸收利用，出水PHB含量降低。当SRT延长到32 d时，系统中老化死亡的微生物残骸含量过高，聚磷菌活性降低，出水COD偏高，PHB不能被充分利用而剩余。

　　2.2.3 泥龄对污泥浓度及除磷机制影响

　　表 1是SRT为10、16、24、32 d的生物除磷反应器在不同泥龄条件下运行过程中，污泥浓度和胞内聚合物的含量变化情况。

　　从表 1可以看出，污泥龄SRT与污泥浓度MLSS和MLVSS成正相关性，随着SRT的延长，MLSS和MLVSS逐渐上升，厌氧段MLSS由SRT为10 d时的1 560 mg/L增加到32 d时的3 648 mg/L。缺氧段MLVSS由SRT为10 d时的1 342 mg/L增加到32 d时的2 214 mg/L。厌氧段SRT的变化对PHB的合成量并无太大影响，理论上随着SRT的增大，PHB含量应该提高，但是在SRT延长的同时污泥浓度MLVSS也增大，所以单位质量污泥的PHB合成量并无明显差别，SRT为10、16、24 d时，PHB含量分别为45.7、51.6、53.8 mg/g;随着SRT的增大，厌氧末端系统内poly-P含量呈下降趋势，SRT越长，MLVSS越大，聚磷菌释磷越充分，厌氧末端污泥中poly-P含量越少，SRT为10、16、24、32 d时，poly-P含量分别为34.7、28.9、23.1、13.1 mg/g。缺氧吸磷过程中，PHB作为碳源和能源被消耗进行吸磷反应，SRT=10 d时，缺氧末端系统中PHB含量较高为25.9 mg/g，poly-P含量较低为48.3 mg/g，分析认为厌氧段残余的外碳源进入缺氧段，微生物优先吸收外碳源，因而聚磷菌利用内碳源反硝化吸磷被抑制。SRT=24 d时，观察到污泥沉降性能、镜检菌胶团状态稳定，泥水界面清晰，缺氧末端PHB含量和poly-P合成量分别为6.3、79.4 mg/g，PHB消耗量越多，说明反硝化吸磷反应进行更加完全，吸磷彻底。SRT=32 d时，缺氧末端聚磷菌胞内缺氧吸磷PHB消耗量小，聚磷含量降低为31.8 mg/g。。

　　3 结论

　　(1)反硝化除磷系统连续36 d不排泥，系统仍有处理效果，反硝化和COD去除并没有受到影响，但到第26天后除磷效果逐渐变差，除磷率开始下降。

　　(2)SRT既不能过大导致系统内有机负荷变低，又不能过小致使有机负荷过高，SRT=24 d时，除磷效果最佳，TP平均去除率为89.66%，TP出水质量浓度为0.23～0.98 mg/L。

　　(3)SRT为10～24 d时，SRT与厌氧末端出水COD呈反比，而对厌氧末端PHB浓度影响不大，随着SRT的延长，缺氧末端PHB浓度呈降低的趋势，SRT=32 d时，出水COD变高。

　　(4)SRT与污泥浓度呈正比，随着SRT的升高，厌氧末端污泥PHB含量呈升高趋势、poly-P含量呈下降趋势，缺氧末端污泥PHB含量呈下降趋势、poly-P含量呈上升趋势，SRT=24 d，厌氧末端污泥PHB和poly-P含量分别为53.8、23.1 mg/g;缺氧末端污泥PHB和poly-P含量分别为6.3、79.4 mg/g。