在AO工艺中过度曝气对磷的吸收和生物除磷影响的研究

中文译文：Desalination189（2006）155–164在A2O工艺中过度曝气对磷的吸收和生物除磷影响的研究Yong-zhenPeng,Xiao-lianWanga,Bai-kunLi北京水环境恢复工程重点实验室，北京工业大学，平乐园100,朝阳区，北京100022,中国电话/传真[phone];电子邮件:[e-mail]环境工程项目，宾夕法尼亚州立大学哈里斯堡，米德尔敦，PA17057，美国收到2004年9月20；接受2005年6月7日摘要在改进的A2O系统中，对反硝化聚磷有机物的发生过程和对生物脱氮所起的作用进行了调查。此外，对过度通气对生物除磷（BPR）的影响进行了研究。实验结果表明，与传统的A2O工艺相比改进A2O工艺中可能发生了缺氧吸磷。可以实现对化学需氧量，总磷，氨氮和总氮好的去除率（分别为92.3%，95.5%，96%和79.5%）。此外，对污泥的分析表明，在这样的系统中厌氧吸磷率相比有氧吸磷效率能够达到69%，硝酸盐浓度和有机基质引入了对厌氧阶段磷的吸收有显著影响。也有人发现，如果在良好的缺氧磷吸收条件下，空气供应没有适当的调整，对活性污泥过度曝气可能导致生物除磷过程的恶化。关键词：A2O工艺；缺氧生物吸磷；过度曝气；脱氮除磷1.引言在过去的几十年中，生物脱氮除磷（BNR）的进程已广泛用于处理含氮和磷的废水，同时相比于其他化学方法，在经济效益上占有优势的化学需氧量（COD）对防止水体富营养化也起到了很好的效果。生物脱氮除磷系统的发展包括序批式反应器（SBR法），开普顿大学（UCT）系统，Bardenpho工艺和厌氧-缺氧-好氧（A2O）系统等，在这些系统中，最常用的方法是A2O工艺。它是一种把单污泥暂停生长系统纳入厌氧，缺氧，和好氧阶段序列中的工艺。在这个系统中，反硝化菌发挥重要作用，脱氮和磷酸盐积累的有机体（PAOs）负责增强生物除磷（EBPR）。这两种微生物需要碳源（或COD）进行独立反应。因此，为了去除氮和磷，提供足够的COD是一个重要的的限制因素。Sorm[1]发现这一对COD供应量的要求导致反硝化反应速度的降低，原因是在氧条件下发生了螯合反应。因此，在厌氧条件下反硝化细菌不适宜生存。不过，虽然硝酸盐的存在不适于磷的吸收，但Comeau等人[2]还是发现了缺氧或反硝化条件下磷酸盐的吸收[3,4]。这一现象证明了某些聚磷细菌，反硝化聚磷生物体（DNPAOs），有能力使用硝酸盐而不是氧气作为电子受体[5-7]。如果反硝化聚磷生物体（DNPAOs）出现在A2O系统中，他们可以抵消磷存在的负面影响，而由由普通异养生物（OHOs）去除磷酸盐，他们主要是反硝化细菌。一些生物脱氮除磷的进程（SBR，UCT，dephonox等）[8-10]中已经发现反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的存在。库巴等人[11]提出反硝化聚磷生物体（DNPAOs）在化学计量和动力学性质方面与脱氮和磷酸盐积累的有机体也有类似的功能和特点。在生物脱氮除磷系统中使用反硝化聚磷生物体（DNPAOs）是十分有利于减少COD需求，从而降低曝气成本和减少污泥产量。目前，一些研究证实，在A2O系统[12,13]中缺氧条件下能发生磷的吸收反应。此外，反硝化聚磷生物体（DNPAOs）在A2O系统中的作用尚不清楚。本研究的主要目标是为了优化反硝化聚磷生物体（DNPAOs）降低在去除氮和磷的过程中对COD的需求。为此，在A2O系统中我们对反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的积累对氮，磷和COD去除率作出的贡献进行了研究。对影响缺氧磷吸收的几个因素进行了测试。此外，对过量曝气对磷的吸收产生的负面影响也进行了研究。2.材料与方法2.1反应器系统早这项研究中（图1）将会用到一个模拟的厌氧-缺氧-好氧（A2O）反应器与一个工作货量为50.4升的容器。在反应器中有8个区域，用分离挡板实现厌氧、缺氧和好氧条件。前两个区域作为缺氧反应区，而其余4个区域有氧反应区并通过那些曝气系统分隔开。在每个厌氧和好氧区内通过搅拌器的搅拌来保持足够的生物量。通过在每个好氧区提供加压空气并进行长时间的扩散来提供氧气。每个区域都要提供足够的需氧量，合适的pH值和ORP传感器。由控制水泵来控制硝酸盐再循环流，污泥循环流量和进水流量。A2O系统中的废水是由一个容积为25L的圆筒形澄清池来提供的。A2O系统的设计和操作参数的配置见表1，进水的化学指标见表2。2.2废水和污泥在这项研究中用的综合废水（每公升）：酿造工业废水（乙醇含量为3.5%，COD114g/l），2.8~3.4ml；NH4Cl，.020~0.3g；KH2PO4,0.02~0.08g；MgSO4.7H2O，0.05g；NaHCO3,0.05~0.15g还有CaCl2.2H2O，0.01g。加入碳酸氢钠和氢氧化钠溶液控制pH值在7.2~7.6.温度控制在20~23℃.反应器的活性污泥来自文昌污水处理厂（中国哈尔滨），他是一个应用反硝化去除含氮物质的污水处理厂。对啤酒废水处理数据的检验表明该系统可以再2个月内达到稳定状态。定期从不同地区采集样本进行氨氮，硝酸盐，亚硝酸盐，总氮（TN），总磷（TP），磷酸盐，化学需氧量，生化需氧量，混合液悬浮固体浓度（MLSS）溶解氧，ph，ORP控制在反应条件下。实验时间进行了半年时间，分为三个阶段，如图表3所示。2.3批次测序进行批次实验的污泥是在第72天从A2O系统中提取的。由于在散装液体中P释放回影响第二澄清阶段所以污泥首先要经过5分钟的曝气以减少磷的浓度。当醋酸钠和磷酸盐的浓度分别控制在206毫克/升和19毫克/升时加入醋酸钠和磷酸盐的混合液（PO34）,此时混合液悬浮固体浓度会控制在3.6克/升。这个检测被放在20℃条件下的一个5L的SBR反应器中进行。通过调节加入0.05mol/L的硫酸量把pH值控制在7.2左右上下浮动。混合液在厌氧条件下反应4h，然后它被分为两部分：一个是暴露在有氧的条件下三小时（压缩的空气通过一个在反应器底部的扩散器进入反应器）。另一个则被放在缺氧条件下3h，硝酸钾（硝酸盐浓度是足够的）投加量为19毫克/升，同时再液面以下冲入氮气，以防止空气渗透进入反应器。因为磷酸盐浓度的降低，有氧磷酸盐摄取率也会相应的降低。缺氧磷酸盐摄取率与有氧磷酸盐摄取率的比例被命名为k。2.4分析方法化学需氧量，生化需氧量，混合液悬浮固体浓度，碱度，氨氮，NO2-N,NO3-N,TN,TP和PO34-P的测量根据标准方法(APHA,1995)[14]。3.结果与讨论3.1通过调整内部再循环比率来改变反硝化聚磷生物体（DNPAOs）积累量这是人们所共知的，如果硝酸盐是完全消耗在缺氧区，在P释放可能发生的环境中缺氧区将变成为厌氧。此外，在早期的调查中观察到各种缺氧磷吸收将发生在传统的生物脱氮除磷活性污泥法(BNRAS)系统中[15]。主要的原因是在缺氧区反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的产生和硝酸盐进入时缺氧条件下的磷吸收。因此，Yuan等人[16]指出实验应用内部循环控制各阶段反应来增加反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的积累。K比值与R（内部再循环的比率）不断改变在反硝化聚磷生物体（DNPAOs）产生的过程。结果表明，即k增加是随R的增加而增加的。这一发现表明，较高的R值可避免缺氧条件下硝酸盐的全部消耗，从而促进反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的积累。3.2缺氧吸磷的研究图3显示了在A2/o反应在第一阶段和第二阶段硝酸盐和磷的浓度。最初与同比率的缺氧磷吸收和厌氧磷吸收相比缺氧林的吸收效率极差，在第20天只有22.5%。这样低的磷吸收率，主要是由于反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的增加，磷吸收率的比例在第60天上升至60%，在第80天上升至79.5%。同时NO-3N可以被有效的减少。结果表明PAOs的悬浮物有两部分组成：一部分是利用氧或硝酸盐作为电子受体，另一部分只用氧气作为电子受体。在A2O系统中，缺氧吸磷可以发生在有利条件下。3.3生物脱氮除磷的情况3.3.1除磷图4显示了A2O系统随时间改变时P的浓度，P释放线性增加在0-46天时间段。在第46天，P释放达到30毫克/升，此外，在缺氧区磷的去除的逐渐增加发生在第一个46天，但污水的总P浓度始终高于3毫克/升，这表明P去除效率仍低于50%。该现象的主要原因是较低含量的微生物。在46天至80天，随着微生物的增加，磷的释放速率减缓。缺氧磷吸收往往要维持在22.2毫克/升，而好氧磷吸收只要8毫克/升，在该系统中平均缺氧磷吸收占额磷吸收量的70%左右。结果，磷去除效率明显高于95%，在排放的污水中P浓度低于0.5毫克/升。结果表明，由于发生反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的积累，即使COD/TN比例的条件很低(COD/TN6)，良好的P去除也可以实现。3.3.2脱氮图5显示了在A2O系统中当进水氨氮浓度在36.6毫克/升和55.8毫克/升之间，废水中氨氮的浓度和总氮浓度均分别低于4毫克/升和12毫克/升取得了良好的脱氮效果（80%-96%）。调查同时发现污水总氮浓度主要成份是硝酸盐，他在A2O系统中为硝化作用做出贡献。此外，在缺氧区脱氮效果高于90%（图5）。3.3.3COD的去除图6显示COD的去除效率在90%左右，出水COD低于26.5mg/l。其中超过79%的COD在厌氧阶段被去除，在缺氧区COD的去除率为6%~11%，好氧阶段COD的去除率非常低。事实上，由于缺乏碳的来源降低了P的释放能力，在缺氧区COD的去除率只有6%~11%。因此，当只有硝酸盐和残余COD存在时，在缺氧区是磷的吸收。3.4分析污泥特性为了更深入的研究在AO系统中反硝化聚磷生物体（DNPAOs）对生物脱氮除磷性能的影响，要进行污泥特性的批次试验。图7显示了在AO系统中把污泥中缺氧和好氧条件下磷吸收率最大时的值进行比较。缺氧磷吸收率是4.62毫克P/克污泥浓度/小时，而有氧磷吸收率为6.7毫克P/克污泥浓度/小时，显示有氧磷吸收率与有氧磷吸收率的比值（以下简称k）为69%。Meinhold等人研究[17]结果显示约有69%的微生物可以用于硝酸盐硝化，同时与微生物相比反硝化聚磷生物体（DNPAOs）作用很大。在A2O系统中，如果有足够的有机物脱氮除磷反应可有效利用进水中同一类型的有机物。这可以解决在A2O系统中有机物脱氮除磷反应可有效利用进水中同一类的有机物。这可以解决在A2O系统中有机物供应不足的缺点。在批次实验中在A2O系统中，与污泥，最大P释放达到65毫克/升相比，啤酒废水作为碳源的P释放只有25毫克/升。在P释放反应中不同的碳源产生了重大影响。因为反硝化反应，磷的吸收和释放发生在缺氧区，硝酸盐浓度预计将影响对P摄取。在第一个30分钟的缺氧阶段，缺氧磷吸收率只有3.76毫克PO-34-P/gMLSS.h，低于有足够的的硝酸盐（4.62mgP/gMLSS.h）时的磷吸收率（图8）。该磷吸收与单位硝酸盐去除比值为0.54mgPO-34-P/NO3-N，表明硝酸盐浓度对反硝化聚磷生物体（DNPAOs）的生成起抑制作用。随着硝酸盐浓度的降低P浓度也逐渐降低，在A点硝酸盐完全消耗（图8），反硝化完成。在P浓度的拐点，与边坡概况由负转正，这说明第二次磷释放开始了。据推测，初始时SCOD是很高，但硝酸盐浓度相对较低，此时P摄取和释放同时发生，但缺氧磷吸收率很低。一旦硝酸盐完全消耗，缺氧阶段就转换为厌氧阶段，从而导致二次磷的释放。因此，当外部硝酸盐每100分钟补充一次时，批次试验（B点在图8）结果显示，对于第一次25分钟，硝酸盐浓度急剧下降，磷吸收与单位硝酸盐去除比值为1.22mgPO-34-P/NO3-N，高于前者，即0.54mgPO-34-P/NO3-N。上述污泥特性分析表明，硝酸盐浓度在缺氧第一阶段对缺氧P摄取有显著影响。3.5过多曝气的影响和去除磷的回收在传统的A2O系统中，当建立稳定反硝化P去除能力时，为了证实是否可以减少耗氧量，要进行第三阶段的检测。出第四好氧区外，在前面三个好氧区溶解氧浓度要维持在2毫克/升左右。不同的