好氧颗粒污泥同时脱氮除磷实时控制的研究

高景峰,陈冉妮,苏 凯,张 倩,彭永臻 (北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124)

好氧颗粒污泥同时脱氮除磷实时控制的研究

高景峰*,陈冉妮,苏 凯,张 倩,彭永臻 (北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124)

为实现以厌氧/好氧方式处理生活污水常低温同时脱氮除磷好氧颗粒污泥(AGS)工艺的实时控制,研究了冬季低温条件下磷负荷变化对系统同时脱氮除磷的影响及DO、pH值和ORP的变化规律;并通过静态实验研究了同时脱氮除磷AGS中聚磷菌(PAO)的组成.结果表明,DO、pH值和ORP的特征点对应反硝化结束、厌氧放磷结束、吸磷结束以及硝化结束等阶段,可以作为AGS同时脱氮除磷的实时控制参数.同时脱氮除磷AGS中,以氧作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的14.19%;以氧和NO3--N作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的74.32%;以氧、NO3--N和NO2

--N作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的11.47%.在好氧条件下AGS可以实现同时硝化、反硝化、好氧吸磷和反硝化吸磷.

好氧颗粒污泥；同时脱氮除磷；实时控制

低碳氮磷比废水脱氮除磷所面临的主要问题是如何以最低的代价同时提高总氮、总磷的去除率.为此,研究者一方面积极寻找廉价的碳源,如取消初次沉淀池[1]、污泥发酵[2]等;另一方面研发新的工艺,不用碳源或尽量充分利用已有的碳源,如厌氧氨氧化[3]、短程脱氮[4]、同时硝化反硝化[5]、反硝化除磷[6]等.

作为一种自凝聚的微生物聚集体,好氧颗粒污泥(AGS)具有高生物量、高沉速、耐冲击负荷等优点.由于AGS自身的结构特点以及氧扩散梯度的存在,在好氧条件下,可以在颗粒内部形成缺氧区、厌氧区,为氨氧化菌、亚硝酸氮氧化菌、反硝化菌以及聚磷菌等的协同存在提供了条件,使得利用AGS实现同时脱氮除磷成为可能,在一定程度上解决了碳源对同时脱氮除磷的限制.

SBR工艺可控性好、运行操作灵活,在污水处理领域得到广泛的应用,由于该工艺运行管理复杂,自动化水平要求高,只有实现其自动控制,才能充分发挥其优势.笔者在SBR反应器中培养获得具有同时脱氮除磷功能的AGS,并在常低温稳定运行254d.然而,关于同时脱氮除磷AGS反应器实时控制的研究尚未见报道.本试验对同时脱氮除磷AGS反应过程中DO、pH值和ORP的变化规律进行了研究,同时考察了系统中聚磷菌(PAO)的分类及其对同时脱氮除磷及控制参数的影响.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用污泥来自北京市方庄污水处理厂排放的剩余污泥;试验用水为北京工业大学家属区排放的实际生活污水,其水质平均值为 COD为191.37mg/L,PO43--P为6.14mg/L,NH4+-N为58.32mg/L,pH值为7.42.

1.2 试验装置与运行

试验所用SBR的直径为18cm,有效高度为55cm,有效容积为12L,反应器容积交换率为50%.反应器每周期添加丙酸钠和乙酸钠,使得 COD增加至 360mg/L.采用鼓风曝气,维持好氧阶段DO浓度在 5～7mg/L.反应器的运行方式为:进水(3min),厌 氧 (240min),曝 气 (470min),沉 淀(1～5min),排水(2min),用以培养具有同时脱氮除磷的AGS.由于AGS反应器出水SS较高,因此并未控制系统的污泥龄,即能达到排泥除磷的目的.反应器于2007-04-19启动,共运行254d,其中第1～161d为夏秋季,第162～254d为冬季,夏秋季的反应器运行温度为20～27℃,冬季温度为9～13℃.在冬季低温条件下,考察了磷负荷的变化对系统同时脱氮除磷性能的影响,监测过程DO、pH值和ORP的变化规律,以求实现AGS同时脱氮除磷的实时控制;并以批式试验探查了聚磷菌的组成及其对AGS同时脱氮除磷及过程控制的影响.

1.3 分析项目与测试方法

COD、MLSS、NO2--N、NO3

--N、NH4

+-N、TIN以及PO43--P均采用标准方法[7]进行检验分析;使用德国WTW Multi340i及相应传感器在线检测DO、pH值、ORP和温度;使用OLYMPUS BX51/52进行微生物相观察.

2 试验结果

试验在厌氧/好氧交替式系统中运行,运行至第20d时成功培养出AGS,并且在第42d获得较好的同时脱氮除磷效果,当运行条件为冬季低温时仍然维持出水各项指标达到排放标准, NH4+-N、TIN和 PO43--P平均去除率分别为96.33%、79.49%和 99.68%,出水平均值分别为2.50,13.81和0.02mg/L.

2.1 反应周期变化

2007-12-11对正常运行条件下的AGS反应器进行了第1次周期检测,结果见图1.进水混合后反应器中:COD为230.27mg/L,NH4+-N为33.38mg/L, TIN为34.96mg/L,PO43--P为3.24mg/L.厌氧阶段开始时由于反硝化作用以及PAO等细菌的吸收和吸附作用,COD得到去除,运行1h后COD量趋于平稳,TIN与COD趋势基本相同,部分降低,pH值从上升转为降低,而 ORP下降增快;厌氧过程中,放磷速度为 0.2311mg/min,2h左右放磷基本完毕,PO43--P最大浓度为 35.12mg/L,此时 ORP曲线趋于平稳;好氧阶段开始,COD下降,NH4+-N和TIN同时下降,PO43--P迅速降低,吸磷速率为0.2851mg/min,2h内吸磷完成,此时pH值从上升转至下降,DO同样出现“拐点”;好氧阶段 3h之后,NH4+-N浓度比TIN浓度下降偏快,好氧阶段第6h以后COD浓度在平台阶段之后出现一个下降拐点,之后 NH4+-N、TIN下降加快,周期末端,pH值和DO均出现上升拐点.最终COD去除率为78.43%,出水浓度为49.67mg/L; NH4+-N去除率为100%;TIN去除率为83.31%,出水浓度为5.83mg/L;PO43--P去除率为100%.

在2007-12-11的检测中发现系统除磷速率较高,为进一步研究系统同时脱氮除磷的能力以及高浓度磷含量对于整个系统的影响,2007-12-26对反应器进行了第2次周期试验,结果见图2,在进水中添加了磷酸二氢钾,使得进水混合后反应器中:COD为234.78mg/L,NH4+-N为38.09mg/L, TIN为43.04mg/L,PO43--P为9.72mg/L.厌氧阶段初期 COD得到去除,后趋于平稳,TIN部分降低,pH值和 ORP在 TIN部分下降之后出现与2007-12-11厌氧阶段相同的拐点;厌氧过程中,放磷速度为 0.2952mg/min,2h放磷完毕,PO43--P最大浓度为35.12mg/L;好氧阶段前期,COD变化缓慢,NH4+-N和TIN浓度缓慢降低;吸磷过程较快,3h内完成,吸磷速率为 0.3036mg/min,吸磷过程结束,DO快速上升而pH值出现短暂平台后开始下降,而ORP上升曲线趋于平缓;好氧阶段3h之后,NH4+-N的下降趋势较TIN明显;周期的后2h,NH4+-N、TIN以及COD下降加快,并且在最末 30min左右 pH值和 ORP同样出现了在2007-12-11的周期末端出现的上升拐点.最终COD去除率为 76.92%,出水浓度为 54.18mg/L; NH4+-N去除率为100%;TIN去除率为70.89%,出水浓度为12.53mg/L;PO43--P去除率为100%.

图1 2007-12-11反应周期中氨氮、总无机氮、可溶性正磷酸盐和COD及DO、pH值和ORP随时间的变化Fig.1 The concentration profiles during the cycle on December 11, 2007

2008-01-04再次增加进水磷浓度,使得COD为279.93mg/L,NH4+-N为33.07mg/L,TIN为37.38mg/L,PO43--P为13.16mg/L.最终PO43--P和NH4+-N完全去除,出水TIN为12.69mg/L,去除率为66.05%,COD降为55.16mg/L.在厌氧开始后的 1h内,好氧开始,吸磷过程完成以及周期末端出现了DO、pH值和ORP的不同拐点,变化特征与前2个周期类似.

2.2 DO、pH值和ORP与反应过程的关系

厌氧阶段几乎没有DO的存在;好氧阶段开始,DO迅速上升,然后出现平台,此时普通好氧细菌对 COD的利用和去除基本结束;2h左右PO43--P的去除基本结束,DO浓度增长加快;之后,NH4+-N和 TIN的降解速率出现差异;周期末,NH4+-N和TIN迅速下降,特别是NH4+-N降至0mg/L,DO上升速度加快,好氧阶段末DO的拐点可以指示AGS氨氧化结束.

pH值在厌氧阶段 1h内由上升转至下降的拐点是反硝化结束的标志;在好氧曝气阶段,pH值在磷浓度下降至0时,上升至短暂平台后下降或者直接转为下降,可以指示吸磷过程完成;氨氧化过程结束后pH值开始上升,与DO曲线的特征点可以共同指示硝化的结束.

ORP曲线在厌氧开始阶段随着COD浓度的减少有所下降,反硝化结束,ORP下降增快,厌氧放磷结束时,ORP值由下降趋于平缓;好氧开始阶段,ORP值迅速上升,后缓慢上升.

2.3 不同电子受体条件检测PAO的族群分布

从进水磷冲击负荷的试验中可以发现,磷浓度的不断增加并没有影响磷最终的去除率,而磷浓度对整个脱氮除磷效果特别是硝化和反硝化作用是否能够完成存在一定的影响,试验中吸磷过程总是比氮的去除提前结束,磷浓度的增加,消耗了一定量的碳源,使得吸磷结束后的好氧反硝化过程受到抑制,反硝化速度低于硝化速度,影响了SND的最终效果.国内外试验[8-10]通常认为反硝化PAO可以减少系统对碳源的要求,而达到反硝化除磷作用的AGS系统通常是在吸磷之前添加一定量的亚硝酸盐和硝酸盐来保证反应的进行.本试验设计 COD:N:P=360:60:6,实际运行时,特别是2007-12-26周期和2008-01-04周期中,进水 PO43-浓度甚至更高,而反应周期最终仍然获得了较好的同时脱氮除磷效果.在低 COD条件下的这种结果,说明系统在节省碳源方面具有一定能力,因此进一步利用不同电子受体对AGS中的PAO的族群进行分析,研究反硝化除磷方式是否存在于本系统中,以及能够达到何种程度.

参考 Hu等[11]的试验方法,在同时脱氮除磷效果良好时,从反应器中取厌氧段结束的污泥等分为3份,放入3个反应器内,命名为R1、R2、R3,分别以氧、NO2--N和NO3

--N作为电子受体进行了批次试验,3个反应器初始 COD浓度为108.36mg/L,PO43--P为14.98mg/L,反应一共进行了320min.R1曝气充分,R2和R3中初始NO2--N和NO3

--N设为20mg/L(图3).试验结束时,以氧为电子受体的 R1中PO43--P完全去除,NH4+-N和NO2--N、NO3

--N均有存在;以NO2--N为电子受体的R2出水PO43--P为13.26mg/L,去除率为11.47%;以NO3--N为电子受体的 R3出水 PO43--P为 2.13mg/L,去除率为85.81%.R2和R3仍有大量NH4+-N存在,NO2--N和NO3

--N均较少,浓度低于1mg/L.

利用Hu等[11]的公式对PAO族群进行计算.P代表全部的PAO去除的磷酸盐的量,PO代表PAO族群中只能以氧当做电子受体的 PAO去除的磷酸盐的量,PON代表 PAO族群中能以氧和NO3--N(但不包括NO2--N)作为电子受体的PAO去除的磷酸盐的量,PONn代表PAO族群中能以氧、NO3--N和NO2--N为电子受体的PAO去除的磷酸盐的量.MO是以氧为电子受体条件下,吸磷结束时的吸磷量,MON为以NO3--N为电子受体条件下,于缺氧段结束时的吸磷量,MONn为以 NO2--N为电子受体条件下,于缺氧段结束时的吸磷量.

图3 分别以氧、NO3--N、NO2--N为电子受体时磷酸盐浓度的变化Fig.3 Phosphorus concentration profiles in P uptake batch tests using oxygen, nitrate and nitrite as electron accepter

从试验结果计算得到只能以氧作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的14.19%;能以氧和NO3

--N作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的74.32%;能以氧、NO3--N和NO2

--N作为电子受体的 PAO能够去除总磷酸盐的 11.47%,认为系统的AGS中存在反硝化PAO,在好氧条件下能够在颗粒内部进行反硝化除磷.因此好氧阶段开始,硝化过程的速度低于吸磷过程的速度,系统中NH4+-N、TIN在吸磷阶段持续下降,在这一阶段,可能存在同时脱氮除磷现象,包括反硝化除磷现象;由于吸磷过程较快而硝化过程较慢,因此造成了除磷和脱氮过程最终无法同时完成的结果;但是在除磷结束后的好氧过程,TIN继续下降,发生了SND.

3 讨论

AGS的同时脱氮除磷过程可以利用DO、pH值和ORP等参数进行实时控制,准确掌握AGS同时脱氮除磷的运行状态.在厌氧阶段,DO迅速降至 0,由于上一周期残留的部分亚硝酸盐和硝酸盐的去除使得pH值上升而ORP值下降[图1(b)和图2(b)中的点A].反应进行1h以内,pH值由上升转为下降,ORP下降速度加快,表示反硝化作用结束,厌氧放磷、产酸的开始[12],如式(4)所示. 2C2H4O2+(HPO3)(聚磷酸)+H2O→(C2H4O2)2(贮存的有机物)+PO43-+3H+(4)

周期运行2h以后,ORP从下降趋于平缓[图1(b)和图 2(b)中的点 B],与放磷过程的完成趋于一致,可以认为厌氧放磷过程结束,系统内不再产生PO43-,因此ORP不再变化.

以C特征点为界分析好氧阶段的参数变化.好氧阶段开始,厌氧段吸附进入污泥细菌(主要是除磷菌)内部的有机物,在好氧菌的作用下,被氧化分解产生大量CO2,CO2因曝气而被吹脱,因而pH值迅速上升,同时ORP也迅速上升.反应器内主要反应如式(5)～式(8).

硝化:

反硝化:

好氧吸磷:

缺氧吸磷:

DO在曝气开始后1h内出现缓慢增加趋势,此时系统对于氧的需求主要是降解 COD.之后,COD的消耗基本完成,DO再次快速增长.

pH值曲线在图1(b)、图2(b)2个不同周期好氧阶段出现了不同的变化特点.图1(b)的pH值在上升一定时期以后出现拐点,开始下降,此时系统中吸磷基本结束;而图2(b)的pH值曲线则在上升之后出现了一个短暂平台,之后 pH值开始下降,根据 PO43-的曲线变化可以看到,平台结束与吸磷过程结束时间相近.好氧阶段初期,pH值的变化主要由系统消耗 COD,吹脱 CO2造成,而好氧和缺氧吸磷产生的碱度,以及硝化反硝化过程同时进行并消耗的部分碱度,对整个系统没有造成明显影响,2007-12-11周期中的进水磷浓度较低,在好氧细菌消耗 COD基本完成时,吸磷过程也已经完成,SND过程造成的碱度的消耗,使得pH值曲线出现拐点.而 2007-12-26周期中进水PO43-较高,在普通好氧细菌消耗 COD过程基本完成时,吸磷作用还没有完成,吸磷作用和反硝化作用产生的碱度与硝化作用消耗的碱度形成平衡,因此出现平台,当吸磷过程结束,反硝化过程产生的碱度小于硝化过程消耗的碱度,因此在短暂平台期以后,pH值曲线开始下降.这个平台期在2008-01-04的周期曲线中更为明显.同时也可以看到ORP曲线也在pH值曲线的平台期之后上升变慢,因此,可以用pH值曲线和ORP曲线共同指示 COD消耗基本完成以及吸磷过程结束的点.pH值平台的存在进一步说明在反应器进行吸磷过程的同时,存在硝化和反硝化作用,这种碱度消耗与产生平衡是由于 AGS的特殊结构造成的.

普通细菌和PAO会消耗大量的COD,从而影响反硝化的进行,进水 PO43-浓度低的2007-12-11周期中NH4+-N、TIN下降曲线重合度较高,SND比例高,因为充足的碳源使得反硝化过程进行顺利,而在 2007-12-26周期中,SND的效果则稍逊于2007-12-11周期.但是高浓度的PO43-对反硝化产生的影响并未导致出水严重超标,出水TIN仍然较低.并且在2008-01-04的周期中,即使进水PO43-混合后达13.16mg/L时,出水TIN也只有 12.69mg/L.根据平台期的长短,可以判断进水中 PO43-浓度的高低,及反应器同时脱氮除磷阶段的长短.

好氧阶段末期,pH值和DO曲线出现快速上升[图1(b)和图2(b)中的点D],此时间与硝化过程结束的时间相符[12],硝化过程结束,不再消耗碱度,对氧的需求也明显减少,因此出现曲线的变化.COD曲线在最末段也存在一个突然下降的点,是由于AGS吸附的碳源消耗完毕,而反硝化作用需要碳源,因此出水中COD再次降低.硝化结束,氨氧化菌不再消耗氧气,AGS中的缺氧区域范围减少,反硝化不再进行.

DO、pH值和ORP曲线上的A、B、C、D分别表示了反硝化结束、厌氧放磷结束、好氧吸磷结束以及氨氧化结束4个特征点,以这4个特征点控制整个周期过程.周期从厌氧搅拌开始运行,以dpH/dt由正转为负以及dORP/dt的绝对值的增大判断反硝化的结束;然后以dORP/dt＞ -0.001作为厌氧结束的控制点,开始曝气,进入好氧阶段;厌氧阶段开始 4h以后仍然没有出现 dORP/dt＞-0.001,可以直接进入好氧阶段.好氧阶段开始后,由于 3条参数曲线均呈上升趋势,因此导数均为正,并在一段时间后产生变化,由于 DO曲线和ORP曲线变化的特征点不十分明显,因此不作为过程控制的主要参数曲线,dpH/dt在好氧开始阶段一直为正数,当dpH/dt＜0.001时,系统内COD消耗基本结束,当dpH/dt＜-0.001时系统中吸磷过程结束,本试验中这个吸磷特征点十分明显;在此点之后dpH/dt始终为负,直至氨氧化结束,这时,AGS外层的氨氧化菌不再消耗氧气,而同时水中和AGS中的 COD不足以供给反硝化充分的碳源,因此可能会造成反硝化无法进行,TIN的去除率无法再提高,此时可以利用dpH/dt＞-0.001判断是否过分曝气,停止好氧阶段,短时间沉淀后可以排水.好氧过程应该可以控制在8h以内.

4 结论

4.1 DO、pH值和ORP曲线上的A、B、C、D点分别表示了厌氧阶段余硝酸盐残的去除结束、厌氧放磷结束、好氧吸磷结束以及氨氧化结束4个特征点,以这4个特征点可以实时控制AGS同时脱氮除磷生化反应过程.

4.2 同时脱氮除磷 AGS中只能以氧作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的 14.19%;能以氧和NO3--N作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的74.32%;能以氧、NO3--N和NO2--N作为电子受体的PAO能够去除总磷酸盐的11.47%.因此系统的AGS中存在反硝化PAO,好氧条件下能够在颗粒内部进行反硝化除磷.

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Real time control of simultaneous nitrogen and phosphorus removal by aerobic granular sludge.

GAO Jing-feng*, CHEN Ran-ni, SU Kai, ZHANG Qian, PENG Yong-zhen (College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2010,30(2)：180～185

In order to achieve real time control of simultaneously nitrogen and phosphorus removal from domestic wastewater by aerobic granular sludge in anaerobic/aerobic SBR, phosphorus shock loading experiments under low temperature and phosphate uptake batch experiments were carried out. The characteristic points of DO, pH value and ORP profiles were parameters for real time control of anoxic denitrification, anaerobic phosphate release, phosphate uptake and nitrification. It is well known that there are three kinds of phosphorus removal bacteria, they can use oxygen, both oxygen and nitrate, as well as all the oxygen, nitrate and nitrite as electron acceptors, respectively. In this work, the ratio of the three kinds of phosphorus removal bacteria to total phosphorus removal population was found to be 14.19%, 74.32% and 11.47%, respectively. Simultaneously nitrification, denitrification, aerobic phosphate uptake and anoxic phosphate uptake could occur in aerobic granular sludge under aerobic condition.

aerobic granular sludge；simultaneous nitrogen and phosphorus removal；real time control

X703.1

A

1000-6923(2010)02-0180-06

2009-04-12

国家自然科学基金资助项目(50508001);北京市自然科学基金资助项目(8082007);北京市科技新星计划项目A类(2006A10)

* 责任作者, 副教授, gao.jingfeng@bjut.edu.cn

高景峰(1974-),男,黑龙江大庆人,副教授,博士,主要从事水污染控制研究.发表论文20篇.