反硝化除磷菌的培养及驯化张红

2009年第6期广东化工第36卷总第194期·135·反硝化除磷菌的培养及驯化张红1，张可方2，张朝升2，荣宏伟2(1．广东省建筑设计研究院，广东广州510010；2．广州大学土木工程学院，广东广州510006)[摘要]针对广州地区城市污水碳量严重偏低、碳氮磷比例失调的特点，以模拟的广州污水为处理对象，采用SBR反应器，对以硝酸盐为电子受体的反硝化除磷菌的培养及驯化进行研究。试验结果表明：反硝化除磷菌存在于传统生物除磷体系中。经过两个阶段试验的培养驯化，反硝化除磷菌在聚磷菌中的比例从29.8%上升到85.2%。稳定运行的反硝化除磷系统具有良好的反硝化脱氮除磷性能，系统出水磷＜1.0mg/L，COD、TN、TP的平均去除率分别为90%，82%，97%。[关键词]反硝化除磷；反硝化除磷菌；硝酸盐；缺氧吸磷[中图分类号]Q[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2009)06-0135-03StudyonEnrichmentandCultivationofDenitrifyingPhosphorusRemovingBacteriaZhangHong1,ZhangKefang2,ZhangChaosheng2,RongHongwei2(1.TheArchitecturalDesignandResearchInstituteofGuangdongProvince,Guangzhou510010；2.SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)Abstract:AccordingtotheurbanwastewaterinGuangzhouregionwithlowcarbonsourceandthedisproportionofC、NandP,bytakingthesimulatedwastewaterinGuangzhouregionastheresearchobject,theexperimentwascarriedoutbySBR.Thepaperfocusedonenrichmentandcultivationofdenitrifyingphosphorusremovingbacteria(DPB),whichusesnitrateaselectronacceptor.TheresultsshowedthatDPBswerealreadypresentintheconventionalbiologicalphosphorusremovalsystem.TheproportionofDPBincreasedfrom29.8%to85.2%oftotalphosphorusremovingorganismsaftertwophaseselection.Simultaneousanoxicphosphateuptakeandbiologicaldenitrificationwithgoodperformancecouldbeabtainedindenitrifyingphosphorusremovalsysteminsteady-state.Phosphorusconcentrationineffluentwaslessthan1.0mg/L,andtheaverageremovalefficiencyofCOD、TN、TPwere90%,82%,97%.Keywords:denitrifyingphosphrusremoval；denitrifyingphosphorusremovingbacteria；nitrate；anoxicphosphorusuptake广州地区城市污水碳量严重偏低(BOD5一般在60～80mg/L左右，有时低至50mg/L左右)、碳氮磷比例失调(BOD/TN=2.5～3，BOD/TP=15～17，分别低于4～6和20的正常值)，用传统工艺很难达到理想稳定的同步脱氮除磷效果[1]。最近研究表明，在传统除磷菌中，存在一种除磷菌在缺氧条件下以NO3--N为电子受体同时完成反硝化与吸磷作用，这类除磷菌称为反硝化除磷菌。反硝化除磷菌这种一碳两用功能能够节省传统脱氮除磷所需的COD量，而且吸磷作用在缺氧内完成，可节省曝气所需要的能源[2-6]。反硝化除磷菌的培养及驯化是反硝化除磷工艺要重点解决的问题。试验针对广州地区城市污水的特点，以模拟的广州城市污水为研究对象，详细考察了反硝化除磷菌的培养及驯化方法，同时考察了SBR系统的反硝化除磷性能。1试验材料与方法1.1试验装置与运行SBR反应器有效容积为12L(见图1)，反应器由有机玻璃制成，底部泥斗为圆锥形，在反应器壁的垂直方向每隔一定距离设置一个取样口(兼有排水作用)，反应器底部设有排泥放空管。试验采用瞬时进水，周期进水量7～8L。厌氧与缺氧运行下用搅拌器缓慢搅拌保持污泥处于均匀悬浮状态，同时采用在线监测仪监测过程中DO，ORP与pH。缺氧段根据需要加入不同浓度的硝酸钾溶液作为反应所需的电子受体。水处理技术[收稿日期]2009-02-24[基金项目]国家自然科学基金(50878058)；广东省自然科学基金(8151009101000015)[作者简介]张红(1981-)，女，辽宁人，硕士研究生，助理工程师，主要从事市政给排水设计。广东化工2009年第6期·136·试验原水水质试验采用人工模拟配制的广州地区城市污水，向配水中投加NaAc、KH2PO4获得不同浓度的COD、TP，同时加入NH4Cl(0.104g/L)，CaCl2(0.032g/L)，MgSO4(0.06g/L)，FeSO4(0.0012g/L)。其水质见表1。表1原水水质Tab.1Rawwaterqualitymg·L-1项目CODBODNH4+-NNO3--NTNTP数值119.5～20060.9～102.420～300～221～326～81.3反硝化除磷菌的培养驯化说明反硝化除磷菌的培养是反硝化除磷试验启动运行的首要问题。采用适当的方法，在较短的时间内培养出富含反硝化除磷菌，具有高效稳定反硝化除磷效果的聚磷污泥是反硝化除磷系统运行的关键。试验污泥取自广州猎德污水处理厂曝气池回流污泥，准备通过两个阶段来完成驯化工作。第一阶段在SBR反应器中运行厌氧/好氧工艺，进行好氧除磷菌的驯化培养，该阶段共运行了30个周期。当达到稳定高效的好氧除磷效果后，进入第二阶段，运行厌氧/缺氧/好氧工艺，逐渐延长缺氧时间，进行反硝化除磷菌的培养驯化，该阶段运行了46个周期。1.4检测项目及方法COD采用CODcr重铬酸钾消解法；氨氮(NH3-N)：钠氏试剂分光光度法；硝态氮(NO3-N)：麝香草酚分光光度法；亚硝酸盐氮：(NO2-N)：N-(1-萘基)乙二胺光度法；总磷(TP)：钼锑抗分光光度法；MLSS：滤纸称重法；DO、ORP、pH采用德国WTW在线监测仪。2试验结果与分析2.1厌氧-好氧运行驯化第一阶段在SBR反应器中运行厌氧/好氧工艺，进行好氧除磷菌的培养驯化，强化系统污泥的好氧除磷特性。该阶段共运行了30个周期。在该阶段的培养过程中，进水COD控制在300mg/L左右，TP为7～8mg/L，运行厌氧2.0h，好氧4.0h，控制好氧过程DO为1～3mg/L。为加快系统除磷菌的增长速率，启动初期适当加大系统的排泥量。后期MLSS维持在4200mg/L左右。图2为第一阶段培养过程中活性污泥的除磷情况。在培养初期，经过2h的厌氧运行，释磷量仅为13mg/L左右，说明系统中聚磷菌的数量很少。随着试验运行的展开，磷的释放数量逐渐增加，在第27周期时厌氧释磷量达到35.75mg/L，此后运行周期中，厌氧释磷量增长缓慢，说明此时系统中好氧除磷菌得到了一定程度的富集，除磷菌数量仍在增加，但增长速率很小。随着磷释放量的增加，好氧磷的吸收情况在转好，出水磷浓度从3～4mg/L降到0.5mg/L以下。第一阶段培养结束时系统具有稳定高效的好氧除磷效果，说明此时活性污泥系统的好氧除磷性能得到有效强化，好氧除磷菌得到了有效富集。图2系统进水、厌氧、出水TP变化Fig.2VariationofTPconcentrationintheinfluent,anaerobicandeffluentphases2.2厌氧-缺氧-好氧运行驯化当达到稳定高效的好氧除磷效果后，进入第二培养驯化阶段。在厌氧/缺氧/好氧运行方式下，逐步延长缺氧运行时间，相应增加硝酸盐投量，同时缩短后续好氧时间，进行反硝化除磷菌的培养驯化。广州大学张朝升教授等关于城市污水的反硝化除磷试验研究表明[7]，在此种培养驯化方式下，污泥反硝化除磷性能得到迅速强化，系统出水磷浓度1.0mg/L，污泥的缺氧吸磷速率与反硝化速率随之提高，反硝化除磷菌很快成为聚磷污泥中的优势菌种。2.3反硝化除磷菌数量测定试验对污泥中的反硝化除磷菌(DPB)含量进行测定，根据Wachtmeister等[8]提出的用缺氧吸磷速率(qpm)和好氧吸磷速率(qpo)的比值来计算反硝化除磷菌在全部聚磷菌微生物中所占的比例。首先对厌氧/好氧(A/O)运行下好氧除磷效果稳定的活性污泥进行DPB含量的测定。测得系统污泥浓度为4206mg/L。将厌氧后的污泥一分为二，一份将上清液换为配水，配水中根据厌氧释磷量加入KH2PO4，加入硝酸盐使缺氧伊始硝酸盐浓度为36mg/L，保证系统有足够的电子受体；另一份污泥进行好氧吸磷，控制曝气量在50m3/h，DO平均为2mg/L。控制051015202530351015202530运行周期/个进水厌氧出水TP/(mg·L-1)2009年第6期广东化工第36卷总第194期·137·反应时间3h，除磷情况见图2。图2A/O系统中DPB含量测定Fig.2MeasurementofDPBinA/Oprocess从图2可知，运行缺氧的系统，吸磷作用只进行了1.5h，吸磷量为11.16mg/L，之后吸磷作用停止，出现了磷的释放现象。可见，好氧聚磷污泥系统中本身确实存在一部分除磷菌能够以硝酸盐为电子受体进行吸磷作用，但由于DPB数量少，虽然有充足的电子受体，仍无法继续磷的吸收，系统开始释磷。而好氧吸磷系统在3.0h进行了高效的吸磷作用。计算前1.5h内两个系统的吸磷速率，好氧吸磷速率为5.93mgTP/(gMLSS·h)，缺氧吸磷速率为1.77mgTP/(gMLSS·h)，计算出活性污泥中DPB数量占聚磷菌总量的29.8%。另外，将培养驯化好的富含反硝化除磷菌的污泥进行DPB数量测定。测得系统污泥浓度为3983mg/L。同样将厌氧后的活性污泥均分为两份，其中一份进行缺氧反硝化吸磷，换配水以除有机物的干扰，水中根据厌氧释磷量加入KH2PO4，控制缺氧初始硝酸盐浓度为36.1mg/L；另一份进行好氧吸磷，控制曝气量在50m3/h，DO平均为2mg/L。反应时间为3h，除磷情况见图3。图3A/A/O系统中DPB含量测定Fig.3MeasurementofDPBinA/A/Oprocess从图3可知，在3.0h的反应过程中，两个系统都进行了高效的吸磷作用。经驯化后的反硝化除磷系统缺氧吸磷量与吸磷速率较A/O系统中有明显的提高，缺氧吸磷系统吸磷量达到34.16mg/L。计算反应前1.5h单位污泥好氧吸磷速率为5.47mgTP/(gMLSS·h)，缺氧吸磷速率为4.66mgTP/(gMLSS·h)，缺氧吸磷速率仍低于好氧吸磷速率，计算DPB含量为85.2%。由图2与图3比较可知，经过两个阶段的培养驯化，系统中反硝化除磷菌的数量大大增加，其含量由29.8%上升到85.2%。2.4稳定运行系统的反硝化脱氮除磷性能系统在经过两个阶段的培养及驯化后，反硝化除磷菌数量得到