侧流污泥返送到缺氧池对A2/O系统效能影响研究

申童童,袁林江,温丹丹,任绵绵,薛欢婷

侧流污泥返送到缺氧池对A2/O系统效能影响研究

申童童,袁林江*,温丹丹,任绵绵,薛欢婷

(西安建筑科技大学,陕西省环境工程重点实验室,教育部西北水资源环境与生态重点实验室,陕西 西安 710055)

为了探究侧流化学磷回收后生物污泥返送对主流系统的影响,连续85d对A2/O系统厌氧池混合液中的磷进行侧流化学回收,并将侧流生物污泥回流到缺氧池,考察了系统整体的磷、氮、有机物的去除,及生物除磷途径与污泥性能的变化.结果表明,刚开始系统除磷效果有所提高,出水PO43-浓度为(0.07±0.04)mg/L;20d后污泥沉降性能开始变差,除磷性能恶化,但对氮和有机物去除一直无显著影响;厌氧释磷速率和好氧吸磷速率下降,但缺氧吸磷速率却增加,缺氧反硝化聚磷和好氧聚磷的除磷比例由43.20%上升为53.38%,反硝化聚磷除磷得到了加强;污泥微生物胞内PHA和糖原的代谢模式无变化,但厌氧段合成的PHA量逐步下降;侧流磷最大回收量占进水磷量的24.75%,能够实现可观的磷回收效果;系统发生崩溃后,停止侧流化学磷回收,系统各功能就会逐渐得到恢复,可实现系统连续运行.

侧流磷回收；脱氮除磷；聚磷菌；反硝化除磷；代谢

磷、氮等营养元素引起的富营养化问题是目前全球水污染治理的重点[1].因此,脱氮除磷在污水处理中显得尤为重要.然而,磷作为一种不可再生的资源[2],将污水中要去除的磷转化为可利用的磷资源并同时保证脱氮除磷效果是一种解决磷、氮问题的新途径.

随着我国对水污染问题的重视,单纯的生物处理工艺已难以达到氮、磷等污染指标的排放要求,因此,化学辅助生物除磷工艺被认为是一种经济有效的最佳工艺.如李子富等[3]在A2/O工艺后端添加化学除磷强化单元强化了生物除磷.但根据聚磷菌厌氧释磷特性可知,厌氧池中磷含量很高[4-6],如果将一部分厌氧池混合污泥引入侧流部分,一方面,富磷上清液可以化学的方式进行磷回收,实现磷资源的循环利用[7-10];另一方面,侧流有助于相对提高系统的C/N比和C/P比,提高系统脱氮除磷效果[10-11].研究将该新型工艺称为厌氧释磷上清液侧流除磷工艺(anaerobic supernatant phosphate strip process,简称ASPS 工艺)[12],其可实现污水中磷的高度去除和回收利用,具有实际意义.

在ASPS工艺中,引出的部分厌氧池混合液经泥水分离后,沉淀污泥(释磷后的污泥)需返回到主流系统以保证系统污泥浓度.由于释磷后的污泥处于“极度饥饿”状态,其急需在缺氧或好氧环境中进行吸磷.黄健[13],刘传波等[14]均将释磷后污泥返回到好氧池,发现短期内系统能实现磷去除和磷回收,但长期运行会发生污泥膨胀并导致性能恶化.此外,单纯回流到好氧池,除磷方式单一,缺氧吸磷不占优势,能源消耗较多,且对侧流连续运行方面的认识还不够全面.

目前国内外对以缺氧池为回流点的研究鲜有报道,但在厌氧/缺氧/好氧交替运行的A2/O工艺中,缺氧池可以实现反硝化除磷[15].研究表明,反硝化聚磷菌(DNPAOs)与传统聚磷菌(PAOs)的代谢机理相似[16],但其可节省30%的曝气能耗,同时减少50%的碳源和污泥产量[17].因此,若长期将释磷后污泥返回到缺氧池,其能否在磷回收的同时促进反硝化吸磷,节约碳源和能源;同时其将对系统脱氮除磷性能、污泥性能及物质代谢将产生何种影响以及如何实现侧流与主流的有效结合需要研究.

本研究在A2/O工艺中,将厌氧池富磷混合液排入中间沉淀池,对其上清液(相当进水流量的15%部分)进行化学磷回收,并将中间沉淀池污泥返回到缺氧池,研究了这种污泥返送方式下系统的变化,旨在为工程实践提供理论指导.

1 材料和方法

1.1 实验装置及运行方式

如图1所示,实验装置分主流和侧流两部分路线.主流部分有A2/O连续流反应器,总有效体积9L,缺氧段2L,厌氧段2L,好氧段5L,沉淀池4L;侧流部分有中间沉淀池2.4L,化学混凝池5L,化学沉淀池4L,所有池体均由有机玻璃制成.

反应器通过蠕动泵控制进水量24L/d,外回流比为70%~100%,内回流比为200%~300%.厌氧段、缺氧段、好氧段均采用机械搅拌以保证泥水混合均匀,且DO分别为0.2mg/L以下、0.5mg/L以下及2~4mg/L. SRT为20d,MLSS为3500~4000mg/L;主反应器温度在20~25℃;pH值为7.0~7.5.当主流部分脱氮除磷性能达到稳定状态,开始进行侧流化学磷回收,从厌氧池引出混合液进入中间沉淀池的流量约占进水流量的40%,经中间沉淀池泥水分离后,约15%的上清液溢流出系统进入化学混凝池,约25%的污泥经蠕动泵抽回到缺氧池中.富磷上清液进入化学混凝池的同时泵入FeCl3的浓溶液(磷与Fe摩尔比为1:1.4)[18],进行混凝搅拌,再将混凝液泵入化学沉淀池,沉淀后上清液全部泵回缺氧池,每天排出化学污泥.连续运行侧流工艺,直到系统脱氮除磷性能下降,不能满足出水要求时,关闭侧流部分,将系统转入恢复期.

图1 实验装置工艺流程

1.2 实验污泥与实验用水

实验接种污泥取自西安市第四污水处理厂二沉池剩余污泥,经筛滤、曝气24h后接入反应器中进行为期一周的驯化培养.此时,污泥各项指标性能良好,系统达到稳定状态,实验检测指标均在稳态下进行.

实验用水采用模拟废水,CH3COONa (COD= 300~400mg/L),KH2PO4(TP=8~10mg/L)和NH4Cl (TN=35~40mg/L)分别作为碳源、磷源和氮源; MgSO4·7H2O为36mg/L;CaCl2为28mg/L;微量元素0.3mL/L.

1.3 检测指标与分析方法

常规指标的测定采用标准方法[19].污泥相观察采用Nikon90i型显微镜.TP测定采用5%过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法,污泥含磷率(%)=(TP-出水磷)/MLVSS×100%[20].

批式实验[21-22]:取好氧池末端活性污泥500mL于烧杯中,置于磁力搅拌器上,先设置厌氧环境,再分别设置缺氧和好氧环境,具体方法如下:(1)厌氧释磷,取出活性污泥反复淘洗3次,投加一定量的乙酸钠,维持COD浓度在200mg/L.pH值为6.5~7.5,溶解氧0.2mg/L以下,开启磁力揽拌器,每隔30min采一次混合样,通过定性滤纸过滤,取滤液测定不同时间的磷酸盐含量;(2)缺氧吸磷,将上述充分厌氧释磷后的污泥上清液倒掉,并多次用蒸馏水反复清洗污泥以去除残余COD.淘洗之后将混合污泥分成体积相等的两份,一份加入硝酸钠和磷酸二氢钾,并加入蒸馏水,使混合污泥体积为250mL,初始TP依释磷量而定,NO3--N为30mg/L,开启磁力揽拌器,溶解氧维持在0.5mg/L以下,每隔30min采集一次混合样,通过定性滤纸过滤,取滤液测定不同时间的磷酸盐含量;(3)好氧吸磷,将淘洗好的另一份污泥加入等量的磷酸二氢钾和蒸馏水,使溶液体积也为250mL,开启磁力揽拌器和曝气泵曝气,溶解氧维持在2~4mg/L,每隔30min取一次混合样,经定性滤纸过滤,取滤液测定不同时间的磷酸盐含量.

周期实验:从A2/O反应器的好氧池中取活性污泥混合液1L,静置沉淀后,排掉上清液500mL,剩下的500mL泥水混合液进行烧杯实验.通过单点瞬时进水,将配好的人工模拟生活污水500mL倒入烧杯中,开启磁力搅拌器进行搅拌,先厌氧环境搅拌2h,再缺氧环境搅拌2h,同时加入40mg/L的硝氮溶液,最后通过曝气进行好氧环境运行5h,溶解氧维持在2~4mg/L.运行期间在不同时间点分别取30mL混合均匀的污泥于50mL离心管中,对样品进行预处理[18],之后通过气相色谱法(Agilent 6890N,FID检测器,HP-5型色谱柱)[23]测定PHA的含量,通过蒽酮比色法[18]测定糖原的含量.实验过程中,从取样到结束,均取3个样做平行以减小误差.

2 结果与讨论

2.1 系统除磷性能分析

2.1.1 系统除磷效果分析 不同阶段反应器各部分磷酸盐浓度及去除率变化如图2所示.

侧流前的A2/O系统脱氮除磷性能稳定,出水PO43-浓度为(0.97±0.39)mg/L,除磷率为(90.20± 4.02)%;侧流后,待系统达到稳态时,出水PO43-浓度为(0.07±0.04)mg/L,除磷率为(99.24±0.40)%.可见,侧流使得系统除磷率有明显提高.有研究[24]表明,进水有机物主要是通过改变硝化性能(即缺氧段反硝化负荷)以及聚-b-羟基链烷酸酯(PHA)的贮存和利用,进而影响系统的脱氮除磷效果.由于侧流工艺可间接提高系统的C/N比和C/P比,因此侧流的引入可提高系统除磷性能.侧流运行20d后,出水PO43-浓度逐渐升高,最高为4.26mg/L,去除率下降为56.70%,可见,长期运行导致系统除磷性能恶化.相关研究[14,20]也有发现,随着侧流的不断运行,系统最终会发生恶化现象,其直接导致系统除磷性能下降,磷回收也逐渐失去优势.但本实验通过恢复期的监测发现,在恢复期内,系统出水浓度逐步下降,最终为(1.02±0.34)mg/L,去除率为(88.24±1.03)%.因此,在恢复期,系统除磷性能可逐步提高,该结果表明系统在恶化发生后通过恢复仍能保持除磷性能.

图2 不同阶段下系统的除磷性能

2.1.2 系统除磷性能恶化原因分析 根据生物除磷原理及物料衡算关系,从聚磷菌释磷量与吸磷量角度对侧流前后除磷性能进行具体研究,排除系统回流稀释的作用,A2/O系统释磷量与吸磷量计算[25]如式(1)~(3)所示;随着侧流的加入,根据A2/O系统的物料衡算公式可推算出侧流后将生物污泥返送到缺氧池的释磷量与吸磷量的计算如式(4)~ (6)所示:

式中:厌为厌氧释磷量,mg/L;缺为缺氧吸磷量,mg/L;好为好氧吸磷量,mg/L;进为进水流量,L/h;R为污泥外回流流量,L/h;Q为硝化液内回流流量,L/h;进为进水磷浓度,mg/L;厌为厌氧池磷浓度,mg/L;缺为缺氧池磷浓度,mg/L;好为好氧池磷浓度,mg/L;化上为化学沉淀池上清液磷浓度,mg/L.

表1 侧流前后系统释磷量与吸磷量

侧流前后释磷量与吸磷量的变化情况如表1所示.侧流前好氧吸磷量明显大于缺氧吸磷量,可见在A2/O工艺中相对于反硝化吸磷,好氧吸磷模式占主导地位;侧流运行20d,释磷量有所下降,缺氧吸磷量较侧流前显著增加,好氧吸磷量较侧流前显著降低.分析可知,侧流有利于促进缺氧反硝化吸磷.随着侧流的不断运行,20d后,污泥沉降性能变差(图6),侧流污泥在释磷沉淀池产生堆积,导致其无法正常回流到缺氧池中,严重影响到系统的连续运行.此时,厌氧释磷量上升,缺氧吸磷量下降,好氧吸磷量虽有所上升,但不及侧流前水平.可见,系统长期运行,会导致污泥性能发生改变,由此判断其会导致污泥缺氧吸磷能力的逐渐下降,系统失去缺氧吸磷优势,进而除磷性能恶化.

2.1.3 系统聚磷菌活性分析 厌氧释磷速率、缺氧及好氧吸磷速率可以明确表征聚磷菌活性,且可通过缺氧/好氧吸磷速率的比值表征功能菌的富集情况[21].通过批式实验,对聚磷菌活性进行分析.如图3所示,侧流前后释磷速率分别为31.95,25.93mg/ (gVSS·h),缺氧吸磷速率分别为3.08,3.32mg/(gVSS·h),好氧吸磷速率分别为7.13, 6.22mg/(gVSS·h).可见侧流使得聚磷菌释磷速率和好氧吸磷速率均下降,其他研究[12,14]也得到相似的结论,表明侧流对普通聚磷菌的释磷和吸磷活性影响较大,进而导致表观上的厌氧释磷量和好氧吸磷量下降.但研究发现缺氧吸磷速率有所升高,其与前述缺氧吸磷量上升一致,因此可进一步确定侧流对反硝化吸磷影响较小.根据缺氧吸磷速率/好氧吸磷速率的比值可知,缺氧反硝化聚磷和好氧聚磷的除磷比例由43.20%上升为53.38%,该结论表明,侧流后将生物污泥返送到缺氧池使得反硝化聚磷除磷得到加强.

2.1.4 磷回收潜能分析 富磷上清液与化学药剂三氯化铁进行混凝沉淀,从而实现磷回收.侧流后,长期监测富磷上清液及化学沉淀池上清液,在此基础上计算化学磷回收量,见表2.化学除磷率基本稳定在95%以上,化学磷回收量占进水磷量的24.75%,系统能达到一个可观的磷回收效果, 此与黄健[13]等在侧流比为15%的工艺下,磷回收可达到23%~29%的结论一致.

表2 磷回收情况

2.2 系统脱氮性能分析

如图4(a)所示,系统在各阶段对氨氮的去除变化不大,去除率为(99.26±0.73)%,出水氨氮浓度为(0.17±0.03)mg/L,可见侧流后将污泥返送到缺氧池对氨氮的去除无显著影响,氨氮在该回流点下能实现高效稳定去除.该结论与侧流比对系统氨氮影响甚微[6,14,26-27]的结论一致.

如图4(b)所示,系统进行完全的硝化反硝化过程.侧流前后硝氮出水浓度分别为(2.93±1.02)mg/L、(4.22±0.69)mg/L.可见,侧流使得硝氮含量有所上升,但变化不大,该结论与回流点为好氧池的侧流工艺能降低硝氮出水的结论[14,28]并不完全一致.原因分析为,硝氮转化主要发生在缺氧池,出水硝氮的升高意味着反硝化脱氮性能的下降,由于侧流有利于促进缺氧反硝化除磷,故硝氮在缺氧池更多的用于反硝化除磷,硝氮在缺氧池得到一定去除,但相对侧流前的缺氧池几乎只进行反硝化脱氮来说,其脱氮能力不如单纯的反硝化脱氮,因此相对来说反硝化脱氮性能受到一定影响,但系统仍能保持良好的脱氮效果.

图4 不同阶段下系统的NH4+-N和NO3--N去除性能

2.3 系统有机物去除效果分析

图5 不同阶段下系统的COD去除性能

侧流前后及恢复期反应器中沿程的COD变化情况如图5所示.侧流前COD的出水浓度为(32.30±6.31)mg/L,去除率为(89.12±1.25)%.可见侧流前系统为运行效果良好的A2/O连续流反应器.侧流后,COD的出水浓度为(30.46±5.93)mg/L,去除率为(90.25±2.90)%.对比侧流前后发现,侧流后将生物污泥返送到缺氧池对COD的去除影响不大,这与郝晓地等[6]研究的不同侧流比对COD的去除无影响的结论一致.但厌氧池COD浓度有所升高,分析原因为侧流的引入使得系统在厌氧池中的释磷量下降,从而聚磷菌用于合成PHA的挥发性脂肪酸下降,因此,其在厌氧段消耗较少的COD,厌氧段残留的COD浓度增加.

2.4 污泥理化性能变化分析

2.4.1 污泥沉降性能变化分析 污泥沉降性能的好坏是保证系统高效长期稳定运行的前提[14].从主反应器好氧段末端取样并对污泥沉降性进行持续监测.如图6所示,侧流前SVI值为(78~133)mL/g,侧流后SVI值升高,为(152~184)mL/g.同时,多次镜检(图7)发现,侧流后活性污泥菌胶团逐渐变小且外侧包围较多的丝状菌,结构分布松散,污泥沉降性能变差,此与席粉鹊等[20]在AO工艺中引入的侧流磷回收发生的污泥沉降性能变化规律一致,其次随着侧流的长期运行,污泥粘壁现象严重,易在中间沉淀池发生堆积,主流系统污泥浓度下降,运行受阻,进而导致出水磷浓度上升,系统崩溃.随后将系统转入恢复期,通过30d的恢复测定分析, SVI逐步下降为侧流前水平,污泥沉降性能逐步改善.由此可见,侧流后将生物污泥返送到缺氧池能使污泥沉降性下降,其对系统稳定运行不利,但其具有恢复性能.因此,可通过间歇性侧流方式对系统进行脱氮除磷和磷回收.

图6 不同阶段系统的SVI值

图7 不同阶段下的污泥形态(×100)

2.4.2 污泥含磷率及物质能量代谢变化分析 由生物除磷机理知,聚磷菌将水相中的可溶性磷酸盐吸收进入泥相,最终实现磷的转移.污泥含磷率即表示污泥中的磷含量,其一定程度表明聚磷菌在生物除磷过程中的物质转移情况,可表示系统转移可溶性磷酸盐的能力.侧流前后及恢复期的污泥含磷率变化情况如图8所示.侧流前稳定期污泥含磷率平均为9.56%,侧流后污泥含磷率有所下降,但变化不大,仍具有聚磷优势.该结论与回流点为好氧池的侧流工艺使得污泥含磷率逐渐降低[18]进而导致系统除磷性能下降的结论并不完全一致.本研究污泥含磷率虽有所降低,但整体依然保持污泥高含磷率状态,且后期污泥运行受阻,含磷率升高,达到12.70%.原因分析为运行受阻导致污泥在厌氧释磷池中停留时间增长,污泥不能稳定进入到缺氧池,故导致聚磷菌在厌氧段合成的聚磷颗粒无法释放,且系统的污泥浓度显著下降,因此含磷率升高.将系统转入恢复期后,系统逐渐趋于稳定,污泥含磷率相对提高.

图8 不同阶段下系统的污泥含磷率

从物质代谢角度分析,PHA和糖原是微生物可直接利用的碳源和能源物质,且二者与系统的生物除磷过程密切相关[14].如图9所示,分别对侧流前后及恢复期进行典型周期实验[18],定时取样测定各周期内糖原和PHA浓度.由图可知,侧流前后及恢复期系统的PHA和糖原代谢模式一致,即在厌氧段合成PHA,糖原分解;在缺氧段/好氧段PHA逐渐消耗,糖原合成,在好段末期,PHA浓度降低至厌氧段初期水平;糖原浓度逐渐恢复至厌氧段初期水平.可见侧流的运行并未造成除磷过程中代谢物质转化规律的改变,但系统在侧流后厌氧段合成的最大PHA浓度降低.理论上认为,侧流化学磷回收使聚磷菌在好氧池摄入的磷量越来越少,形成聚磷颗粒的量会直接影响到下一阶段释磷量和用于合成PHA的量[29].对污泥含磷率的分析可知,侧流后污泥含磷率有降低趋势,即聚磷颗粒的合成量有所下降,此外,侧流后厌氧池释磷量降低.由物质代谢规律可知,聚磷颗粒含量的减少使得其在厌氧段合成PHA的量下降,类似的研究[14]也有报道.将系统转入恢复期后,合成的最大PHA浓度恢复到侧流前水平.可见,侧流后将生物污泥返送到缺氧池对聚磷菌物质代谢的转化模式无显著影响,PHA的合成量虽然稍有下降但其具有可恢复性.

图9 不同阶段典型周期内PHA和糖原浓度变化规律

3 结论

3.1 侧流磷回收后将生物污泥返送到缺氧池,可在短期内实现整个系统对磷、氮和有机物的有效去除,并在一定程度上实现磷的有效回收.

3.2 该侧流工艺使反硝化聚磷活性增强.生物除磷由传统厌氧好氧聚磷为主演变成以反硝化聚磷途径为主.

3.3 侧流工艺最终会导致污泥沉降性能变差,系统运行受阻,除磷性能恶化.但恶化后,停止侧流化学除磷,系统能很快恢复.

3.4 间歇运行侧流工艺可保证A2/O系统的稳定性并兼顾磷的回收,减轻污泥除磷的负担.

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SHEN Tong-tong, YUAN Lin-jiang*, WEN Dan-dan, REN Mian-mian, XUE Huan-ting

(Key Laboratory of Environmental Engineering, Shaanxi Province, Key Laboratory of Northwest Water Resources, Environment and Ecology, Ministry of Education, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)., 2018,38(9)：3335~3342

In order to explore the influence of biological sludge return on performance of the mainstream system after chemical phosphate precipitation in the side-stream, phosphorus, nitrogen and organic matter removal, pathway of biological phosphorus removal and sludge sedimentation of the whole system after 85days of side-stream chemical phosphorus recovery with the sludge returned to anoxic tank in the A2/O system were investigated. The results showed that the phosphorus removal of the system could be improved at the beginning of the operation, the concentration of soluble phosphate in effluent was (0.07±0.04) mg/L; After 20 days’ operation, the sludge settling performance became worse, and the phosphorus removal performance deteriorated, but the nitrogen and the organic matter removal performance were not significantly affected.The rate of anaerobic phosphorus release and aerobic phosphorus uptake decreased, but the rate of anoxic phosphorus uptake increased. The phosphorus removal ratio of anoxic denitrifying phosphate accumulation to aerobic phosphate accumulation increased from 43.20 % to 53.38 %, so the denitrifying phosphorus removal was strengthened. The metabolic patterns of PHA and glycogen of microorganism in the sludge were not changed, but the amount of PHA synthesized in anaerobic stage decreased gradually. The maximum recovery amount of phosphorus by side-stream accounted for 24.75% of that in the influent, which achieved considerable phosphorus recovery. When the system collapsed, the side-stream chemical phosphorus recovery was stopped for a short period, the functions of the system were gradually restored, and the continuous operation of the system could be realized in result.

side-stream phosphorus recovery；nitrogen and phosphorus removal；phosphorus accumulating bacteria；denitrifying phosphorus removal；metabolism

X703

A

1000-6923(2018)09-3335-08

申童童(1992-),女,河北石家庄人,西安建筑科技大学硕士研究生,主要从事废水生物处理研究.

2018-01-24

国家自然科学基金资助项目(51278406)

* 责任作者, 教授, yuanlinjiang@xauat.edu.cn