SPNEDPR系统内PAOsGAOs的竞争关系及其氮磷去除特性

中国环境科学2018,38(2)：551~559ChinaEnvironmentalScienceSPNED-PR系统内PAOs-GAOs的竞争关系及其氮磷去除特性王晓霞1,2,王淑莹1*,赵骥1,戴娴1,彭永臻1(1.北京工业大学,国家工程实验室,北京市水质科学与水环境科学重点实验室,北京100124；2.青岛大学,水污染控制实验室,山东青岛266071)摘要：为研究同步短程硝化内源反硝化除磷(SPNED-PR)系统的脱氮除磷特性及系统内聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)在氮磷去除的贡献和竞争关系,本研究以实际低C/N比(4左右)生活污水为处理对象,考察了不同浓度的溶解氧(DO)(0.5~2.0mg/L)、NO2--N(4.7~39.9mg/L)和NO3--N(5.0~40.0mg/L)对延时厌氧(150min)/低氧(180min,溶解氧0.5~0.7mg/L)运行的SPNED-PR系统氮磷去除特性和底物转化特性的影响.结果表明,DO浓度均不影响PAOs和GAOs的好氧代谢活性,且两者之间几乎不存在DO竞争.不同NO2--N浓度条件下,GAOs较PAOs更具竞争优势,NO2--N主要是通过GAOs去除的(约占58%);且GAOs所具有的高内源反硝化活性和亚硝耐受力,减弱了高NO2--N浓度(26.2~39.9mg/L)对PAOs反硝化吸磷的抑制,保证了系统的脱氮除磷性能.不同NO3--N浓度条件下,PAOs较GAOs处于竞争优势,其在NO3--N去除中的贡献比例达61.2%.此外,SPNED-PR系统的PURDOPURnitratePURnitrite,PAOs对DO的优先利用保证了低氧条件下系统的高效除磷,且GAOs的内源短程反硝化特性保证了系统的高效脱氮.关键词：强化生物除磷(EBPR)；同步短程硝化内源反硝化(SPNED)；聚磷菌(PAOs)；聚糖菌(GAOs)中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)02-0562-09ThecompetitiverelationshipsofPAOs-GAOsinsimultaneouspartialnitrification-endogenousdenitrificationandphosphorousremoval(SPNED-PR)systemsandtheirnutrientremovalcharacteristics.WANGXiao-xia1,2,WANGShu-ying1*,ZHAOJi1,DAIXian1,PENGYong-zhen1(1.NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.DepartmentofEnvironmentalEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(2)：551~559Abstract：Inordertoanalyzethenitrogen(N)andphosphorus(P)removalcharacteristicsofsimultaneouspartialnitrification-endogenousdenitrificationandphosphorusremoval(SPNED-PR)systemsandtoelucidatethecontributionandcompetitiverelationshipsbetweenphosphorusandglycogenaccumulatingorganisms(PAOsandGAOs)inthenutrientremoval,anextendedanaerobic(150min)/lowaerobic(180min,dissolvedoxygen(DO)concentrationfor0.5~0.7mg/L)operatedsequencingbatchreactor(SBR)fedwithdomesticwastewater(C/N:around4)wasstudiedbyinvestigatingtheeffectsofdifferentDO(0.5~2.0mg/L),nitrite(4.7~39.9mg/L)andnitrate(5.0~40.0mg/L)concentrationsonthenutrientremovalandintracellularcarbonstransformation.ResultsshowedthatDOhadbarelyeffectsontheaerobicmetabolismsofbothPAOsandGAOs,andalmostnoPAOs-GAOscompetitionwasdetectedatvariousDOconcentrations.GAOshadacompetitiveadvantageoverPAOsatthepresenceofnitrite,andnitritewasmainlyremovedbyGAOs(about58%);GAOshadagreatertolerancetonitritethanPAOs,whichalleviatedthenitriteinhibitiononPAOsathighnitriteconcentrations(26.2~39.9mg/L)andassuredthenutrientremovalintheSPNED-PRsystem.PAOshadacompetitiveadvantageoverGAOswhennitratewaspresent,anditcontributedtoabout61.2%oftotalnitrateremoval.Additionally,PAOspreferredtoutilizeDOovernitriteandnitrateforPuptake(PURDOPURnitratePURnitrite),whichassuredtheefficientPremovalatlowaerobicconditions.HighlyactiveGAOsensuredtheefficientNremovalintheSPNED-PR收稿日期：2017-07-20基金项目：国家自然科学基金项目(51578014);北京市教委科技创新平台项目;上海同济高廷耀环保科技发展基金会资助项目*责任作者,教授,[e-mail]552中国环境科学38卷systemviaendogenousnitritedenitrification.Keywords：enhancedbiologicalphosphorousremoval(EBPR)；simultaneouspartialnitrification-endogenousdenitrification(SPNED)；phosphorousaccumulatingorganisms(PAOs)；glycogenaccumulatingorganisms(GAOs)实现城市污水的达标排放,是解决水体富营养化的关键[1-2].然而,采用传统生物脱氮除磷工艺进行城市污水处理时,始终存在着脱氮与除磷过程对有限碳源、溶解氧(DO)和污泥龄(SRT)等方面的矛盾与竞争,使得污水的脱氮与除磷不能同时达到最好[3].同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)技术[3-4],实现了强化生物除磷(EBPR)与同步硝化内源反硝化(SNED)的耦合,将其用于污水的脱氮除磷,不但工艺流程简单,且具有非常显著的优势.在厌氧条件下,SNEDPR系统内聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)可同时利用污水中的碳源进行内碳源(聚羟基脂肪酸,PHAs)的储存;在低氧条件下,硝化菌群将污水中的氨氮(NH4+-N)转化为亚硝酸盐氮(NO2--N)和硝酸盐氮(NO3--N),PAOs进行好氧和反硝化除磷,同时,GAOs进行内源反硝化脱氮.与传统生物脱氮除磷工艺相比,SNEDPR系统内聚磷菌(PAOs)富集程度较高,可实现污水的高效、稳定除磷;且好氧段SNED的产生可降低出水中NO2--N和NO3--N的含量,在提高系统脱氮效果的同时,减少NO2--N和NO3--N对下一反应周期释磷过程的影响[3].此外,通过结合延时厌氧搅拌技术,可进一步提高原水中有限碳源的利用率及内碳源PHAs的储存率,进而为后续低氧段吸磷过程及SNED脱氮过程提供充足的内碳源,避免外碳源的投加,并同时节省曝气能耗[5-6].目前有关采用同步硝化反硝化除磷技术进行低C/N污水脱氮除磷时,脱氮过程仍主要是通过全程反硝化实现的,系统内短程反硝化率较低[7-9].此外,关于采用实时控制同步短程硝化内源反硝化除磷(SPNED-PR)技术进行低C/N比污水脱氮除磷还未见报道,且有关该系统内PAOs和GAOs在低氧段氮磷去除中的贡献比例,两者之间对不同电子受体(DO,NO2--N和NO3--N)的竞争机理尚不清楚.本文以实际生活污水(C/N约为4)为处理对象,采用3组序批式反应器(SBR),研究了不同DO、NO2--N和NO3--N浓度分别对SPNED-PR系统氮磷去除特性和底物转化特性的影响;并通过基于系统内功能菌的代谢模型[4],分析了不同电子受体条件下PAOs和GAOs在氮去除中贡献比例的变化情况,确定了该系统内PAOs和GAOs的竞争关系,以期为进一步提高SPNED-PR系统的脱氮除磷性能及其在中小型污水处理厂的推广应用提供试验数据支撑.1试验材料和方法1.1主反应器试验用泥取自本实验室运行220d的SPNED-PR主反应器,其为序批式反应器(SBR),采用有机玻璃制成,有效容积为10L.每天运行4个周期,每周期进水4L.主SBR在延时厌氧搅拌/低氧曝气搅拌交替的条件下运行,运行工序为:厌氧150min(包括进水10min),好氧180min(包括末期排泥2min),沉淀20min,排水5min,静置5min.反应器内污泥浓度维持在(2200±300)mg/L,SRT为11.6d,好氧段DO浓度控制在0.5~0.7mg/L.系统经220d驯化后,已实现稳定的氮磷去除性能.系统出水PO43--P浓度稳定低于0.5mg/L,NH4+-N去除率高达95%,TN去除率达80%以上.系统好氧段亚硝酸盐积累率平均达94.3%.此外,按照Amann等[10]的操作方法进行荧光原位杂交技术(FISH)分析,结果显示该系统内PAOs约占全菌总数29%±3%(包含49.2%的反硝化聚磷菌(DPAOs,根据Wachtmeister等[11]分析方法));GAOs约占全菌总数的33%±3%;AOB和NOB分别约占全菌总数的14%±3%和4%±2%.本试验FISH分析过程中采用的聚磷菌探针为PAOmix,由PAO462,PAO651和PAO846按相同比例混合而成;全菌探针为EUBmix,是由EUB338,EUB338II和EUB338III按相同比例混合而成;聚糖菌探针为GAOmix,由GAO431和GAO989按相2期王晓霞等：SPNED-PR系统内PAOs-GAOs的竞争关系及其氮磷去除特性553同比例混合而成[12].AOB探针由NSO1225和NSO190混合而成;NOB探针包括NIT3和Ntspa662[12].1.2试验方案设计DO探头pH探头7.5取样器气体收集口溢流口磁力搅拌子DO/pH仪排水口进水口气泵曝气头SBR1L/气体流量计温度