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SBR系统反硝化除磷研究进展

2023-03-17 来源:小侦探旅游网
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第25卷第4期 四 川 环境 V01.25.No.4 2O06年8月 SICHUAN ENⅥR0NMENT August 2OO6 ・综 述・ SBR系统反硝化除磷研究进展 吕 娟,陈银广,顾国维 (同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092) 摘要:本文结合近年来国内外最新研究成果,对SBR系统反硝化除磷的机理、过程进行了分析、总结。并重点探讨了 NO2-对反硝化除磷的影响,以期为传统脱氮除磷工艺的研究、改进提供新思路。 关键词:SBR;反硝化除磷;DPAOs;NO2- 中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1001—3644(2006}04-0118—05 Review on nenitr ̄ytng Dephosphatation by SBR LV Juan,CHEN Yin—guang,GU Guo—wei (State研Lab ofPollution Control&Resource Reuse,ro, ̄ji University, 2OO092,Ch/na) Abstract:According to the latest research finding on denitrifying dephosphatafion by SBR,the processes and mechanisms of denitrifyir ̄dephc ̄-'phatation are analyzed.The effect ofthe NO2-on deni ng dephosphatation is discussed in details in this paper.It pmvides rKw ideas for development of conventional biological denitriifeation and phosphorus remova1. Keywords:SBR;denitrifyir ̄dephosphatation;DPAOs;NO2- 1 前 言. 供外碳源,磷的去除在反硝化脱氮的同时得以实现, 涪陛污泥在去除COD的同时将废水中过量氮、 具有“一碳两用”的优势;而缺氧代替好氧则节省 磷去除的过程被称为BNR(biological nutrient 了曝气的能量消耗,同时减少了污泥产量。 remova1)。BNR除磷主要依靠生物强化除磷(EBPR) 活性污泥法中的SBR工艺按照时间顺序进行 来实现,该过程常伴随氮元素的去除(氨氮硝化为 脱氮除磷,具有运行管理灵活、耐冲击负荷、基建 硝态氮,进而反硝化为氮气),因此在城市污水C/N 投资省等优势而被广泛应用。但是传统SBR工艺 比较低的环境下就会出现反硝化与除磷竞争有限碳 已难以满足日益严格的N、P排放标准,因而需要 源的矛盾。如何有效利用污水中的碳源已成为提高 对其进行改进。本文将结合国内外参考文献,对利 氮、磷去除率的关键。近来研究发现厌氧/缺氧交替 用DPAOs反硝化除磷的新型SBR工艺的研究给予 运行条件下,易富集一类兼有反硝化和除磷作用的 综述,以期为传统脱氮除磷工艺的改进提供新思 兼陛厌氧微生物,该微生物可利用氧气或硝酸盐作 路。 为电子受体,且其基于胞内聚羟基烷酸(P} )和 糖原的生物代谢作用与传统A/O法中的聚磷菌 2反硝化除磷机理 (PAOs)相似,而被称为反硝化聚磷菌 反硝化聚磷菌厌氧释磷机理与好氧聚磷菌相 (DPAOs)[卜引。DPAOs以硝酸盐为电子受体,不需提 同,即吸收挥发性脂肪酸贮存为胞内PHA,同时 收稿日期:2006-02-20 胞内聚磷水解释磷以及糖原浓度降低;其缺氧吸磷 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目——城市污水处理系 机理与好氧聚磷菌类似:通过降解胞内PHA吸收 统智能控制理论、方法与技术(50138010) 作者简介:吕娟(1983一),女,河南潢川人,同济大学环境科学与工 胞外正磷同时恢复聚磷和糖原浓度,唯一不同之处 程学院环境工程专业2OO4级硕士研究生。研究方向为 在于产生能量的电子传递链的最终电子受体不同, 城市污水脱氮除磷技术。 见下两式 j: 维普资讯 http://www.cqvip.com

4期 吕 娟等:SBR系统反硝化除磷研究进展 ll9 好氧:NADH2+0.502一 +HE0 吸磷: 缺氧:NADH2+0.4HNO3--+ ̄/vATP+0.2Ⅳ2+1.2 O 一0.46CH15 Oo..5—0.41HN03一月_3尸l04+ 上两式中: 和 分别为好氧和缺氧产能效 醪)03+0.21N2+0.46CO2+1.55H20=0 率(molATP/molNADH2)。 糖原合成: Kuba等基于前人好氧吸磷的研究建立了反硝 一1.27CH ̄5 Oo5—0.35HN03+CHlo/6 05/6+ ..化除磷模型 j,模型中动力学方程与Smolders厌氧 0.17Ⅳ2+0.27C02+0.291420=0 /女子氧模型[ , )相同,主要区别在于两者的产能效 物质平衡: 率不同。经试验测定,缺氧条件下 约为1.0 一CH15 0o5—0.9HN03+0.45N2+CD2+ ..moIATP/molNADH2,而Smoladers j得出的好氧产能 1.2日,O=0 效率为1.85 molATP/mol NADH2。因此以NO3-为电 子受体转移电子时所产生的ATP比以氧气为电子 3 反硝化除磷工艺 受体时约低40%,这也使得缺氧条件下DPAOs产 率系数与PAOs相比减小20% 30%[7,8j。同时也 利用DPAOs脱氮除磷需要提供好氧环境而实 现氨氮硝化为后续的反硝化除磷提供电子受体。因 得出了DPAOs在厌氧/缺氧条件除磷的代谢反应式 此根据DPAOs是否与硝化菌共存于同一反应器中 (以乙酸为侈 : 可将目前的研究分为双污泥系统和单污泥系统。 厌氧段乙酸吸收: 3.1双污泥系统 一CH20—0.5CHlo/6 05/6—0.36HP03+ 所谓双污泥系统即指硝化菌独立于DPAOs单 1.33 CH15 Oo5+0.17C02+0.36//-3PO4+ ..独存在于好氧硝化SBR(序批式反应器)中。该工 0.059HE0=0 艺将脱氮和除磷在不同的反应器中完成,避免了 物质平衡:一HPO3一日20+H3PO4=0 PAOs和反硝化菌争夺碳源的矛盾,同时满足了活 缺氧段微生物合成: 性污泥系统培养硝化菌所需SRT较长的条件。 一1.63CH15—0.57HNO3—0.2NH3— .5 Oo.Kuba等 j通过厌氧/缺氧SBR(A2一SBR)和硝 0.015H3P04+CH209 Oo54 No20 Po0l5+ ....化SBR(N SBR)联结成双污泥系统A2一NSBR对脱 0.28N2+0.63CO,+0.78/-I20=0 氮除磷进行研究,工艺流程如下图。A2一SBR的功 能是去除COD和反硝化除磷脱氮;N—SBR则起硝 化作用将氨氮转化为硝态氮。两反应器的活性污泥 好氧阶段 静置沉淀 好氧阶段 图 AzNSBR工艺流程示意图[ ] Fig.Flow chart of the AzNSBR system[ ] 维普资讯 http://www.cqvip.com

l20 四川环境 25卷 完全独立,仅将各自沉淀后的上清液相互交换。研 究表明双污泥系统具有稳定的同步脱氮除磷能力, 与常规好氧氮磷去除系统相比节约大概50%COD, 且需氧量与污泥产量可分别减少30%和50%;进 水最佳碳氮比为3.4 g-COD/g—N,当实际进水COD/N 低于此值时,需投加额外COD以去除剩余NO3-; 当进水COD/N高于此值时,则在缺氧段后需添加 短期好氧区以去除剩余的磷。 但是,由于N—SBR部分NI-I4+未能完全硝化就 进入缺氧段而无法实现反硝化,而引起水中氨氮含 量的增加以及双污泥系统中额外反应器的添加,都 会降低双污泥系统的实用性。 3.2单污泥系统 单污泥系统中,硝化菌需要较长的好氧时间, 但会抑制DPAOs的生长和活性 。因此在单污泥 系统运行的关键在于保证DPAOs生长的适宜条件。 e等 在传统的厌/好氧EBPR系统中的好 氧段中引入一定时间的缺氧段,即形成厌氧(1.5 h) 一好氧(1.5 h)一缺氧(2.5 h)一好氧(1 h)一沉淀排 水(1.5 h)的(AO)2SBR系统,发现尽管硝化过程需 要较长时间的好氧但并未影响下一阶段缺氧反硝化 吸磷,TOC、氮、磷的去除率可分别达到92%、88%、 100%。且该系统富集的DPAOs含量可高达PAOs 总量的64%。 Tsuneda等【11 J以厌氧(3 h)一好氧(1.5 h)一缺 氧(3.25 h)一沉淀排水(1.5h)的运行方式进行了单 污泥系统的同步脱氮除磷研究。他认为当DPAOs 在该系统中占优势时,好氧段磷的大量吸收会导致 后续的反硝化除磷过程可吸收的磷量受限,因此在 好氧段初期添加了40 nag C/L TOC从而抑制好氧段 PAOs消耗聚羟基丁酸(PHB)吸磷,保证DPAOs在缺 氧段有充足的磷可利用。 李勇智等【12]采用厌氧/缺氧SBR反应器对反硝 化除磷过程进行研究,发现污泥龄为l6天时除磷 效率达9O%以上,且得出缺氧环境下作为电子受 体的硝酸盐的消耗量于废水中磷的吸收量的线性关 系式为: eo]一一P吸收=0.89N0 ̄一Ⅳ消耗+1.49(R =0.9966) 此外,在单级SBR系统中还发现了好氧颗粒 污泥反硝化除磷脱氮的现象_1 。该现象可由好氧 颗粒污泥的结构特点解释。颗粒污泥表面微生物对 溶解氧的吸收利用以及传质阻力对溶解氧扩散的限 制,使溶解氧在颗粒内部形成明显的浓度梯度,因 此好氧颗粒污泥由外向内形成了“好氧一缺氧一厌 氧”的微环境。其外部紧密、内部蓬松的结构有利 于基质向内部扩散以及内部代谢产物向外传递u J: 好氧区内硝化反应产生的NO3-、NO2-容易扩散到 缺氧区内,利于缺氧区内DPAOs以NO3-、NO2-为 电子受体进行反硝化吸磷活动。同时由于基质传质 受限,缺氧区内可利用的基质浓度较低,更有利于 DPAOs除磷[1 5l。 4 NO2-对反硝化除磷的影响 亚硝酸盐(NO2-)是硝酸盐(NO3-)还原过程 的中间产物,尽管理论上来说,NO2-在反硝化除 磷过程中可作为电子受体,但是对于DPAOs能否 利用NO2-作为电子受体反硝化吸磷以及NO2-对反 硝化除磷的抑制程度如何至今仍未统一。 4.1 NO2-浓度因素 不少文献指出NO2-一N的浓度高低是决定N 是否可作为缺氧吸磷电子受体的关键。Meihold 等【16 J利用BIODENIPHO生物除磷系统污泥进行批 式实验发现:当NO2-的浓度高于8 mg/L时将会完 全抑制反硝化吸磷,且抑制作用持续到NO2-消耗尽 之后的几个小时,甚至会严重影响后续的好氧吸磷, 而当NO2-一N浓度低于4~5 mg/L时,则不会抑制缺 氧吸磷,相反还可作为电子受体被DPAOs利用。王 亚宜等_1’]采用A2N连续流中沉池污泥进行缺氧吸 磷实验,得出当NO2-一N浓度较低(5.5~9.5 mg/L) 时,NO2-可作为电子受体反硝化吸磷,当NO2-一N浓 度达到15 mg/L时才会抑制吸磷。然而Ahn等 在厌氧/好氧的SBR系统中培养出含DPAOs的污泥 并进行反硝化除磷实验,得出40 mg/L的NO2-一N也 不会抑制磷的缺氧吸收。以上研究使用的是含}昆和 微生物种群的活性污泥,NO2-可能会对除DPAOs之 外的微生物产生作用,因此不能充分说明单独以 NOi为电子受体对DPAOs吸磷的影响。 Lee等_1oJ在单污泥系统除磷脱氮的研究中得 出:NO2-一N的浓度低于10 mg/L时不会影响反硝化 吸磷,且单独以NO2-作为电子受体的吸磷速率反 而高于以NO3-作为电子受体的情况。他认为只要 有电子受体存在,无论是NO3-、NO2-,还是两者 的混合,都可以实现缺氧吸磷;而NO2-对吸磷的 抑制程度主要取决于污泥对NO2-的适应程度。 上述研究都是以水质稳定的人工配水来培养污 泥的,长期的驯化使污泥对NO2-产生了一定的适 维普资讯 http://www.cqvip.com

4期 吕 娟等:SBR系统反硝化除磷研究进展 121 应程度,因此难以反映处理实际生活污水过程中 NO2"对反硝化吸磷的产生影响。此外,由于各自 的实验条件、污泥浓度不同,单纯以mg/L浓度来 评价N 对反硝化吸磷的抑制就不够充分,若以 mg NO2-/g VSS的变化对DAPOs吸磷的影响可能更 具有说服力。 4.2三类PAOs理论 Hu等[ ]分别以NOr、NO2、O2三种电子受 体对厌氧/缺氧(A/A)条件下驯化的污泥进行了 反硝化除磷试验研究,发现单独以NO2为电子受 体时,磷的浓度随N 的浓度下降而下降,进而 提出了PAOs可分为三类的新理论,即只能利用o2 为电子受体的P0、可利用NO3-、O2为电子受体的 P0N、以及能利用NO3-、NO2-、O2为电子受体的 P0N 。且通过三种电子受体的缺氧吸磷批式实验计 算得出不同COD/VSS(g/g)的条件下三种微生物 所占的比例,如下表所示。 表P0、P0N、PoN 除磷比例L R 06 0f P0、PoN and‰】vs.total phosplx)n ̄relnoval[191 .显然,在COD的竞争利用上,P0N 具有较大的 优势,这意味着在低COD的条件下易引起PoNn的 富集。换而言之,在COD较低的情况下,微生物 不得不利用胞内贮存的碳源进行反硝化、除磷,因 此反过来促进了DPAOs的富集。同时在该实验中 发现只要N 浓度远低于115 mg/L就不会抑制吸 磷,反而可作为电子受体实现反硝化除磷。 值得注意的是,在该实验中并未控制pH,pH 在7.0 8.3之间变化,而此范围易发生化学沉淀 除磷 20。所以若化学除磷现象确实存在于该系统 中,是否会对实验结论造成影响,难以定论。 4.3 PAOs与GAOs的竞争 磷在污水和污泥中的循环迁移受到的抑制作 用,对于系统中PAOs的影响不是致命的,但对 PAOs代谢和竞争能力的来说后果则很严重。上一 周期磷的吸收受到抑制,将会引起下一周期厌氧释 磷量和PHA的合成减少,进而导致随后好氧或缺 氧吸磷量减少。此时,如果GAOs(聚糖菌)对于 NOr的作用没有PAOs敏感,则在竞争碳源方面 GAOs将比PAOs更具有优势。 Kuba等[21 J发现由于N 对DPAOs吸磷的影 响,PAOs每吸收1g碳源(COD)的释磷量一WC由 0.45g P/g COD下降到0.30g P/g COD,而且低P/C 值持续了很长一段时间;Satio等 J在实验中也有类 似的发现。此现象意味着NO2对缺氧吸磷的抑制 促使GAOs竞争碳源的能力强于PAOs J。Satio 等[22]通过进一步荧光原位杂交(FISH)分析发现 GAOs确实与PAOs同时存在,GAOs所占的比例甚至 高于PAOs。因此,一定量的NOz-在抑制PAOs活性 的同时会增强GAOs的活性。而GAOs的存在往往 是导致BNR系统处理效果下降的原因之一,所以在 反硝化除磷的实际应用中应对NO2的浓度进行监 测分析。 4.4反硝化气体分析 Zeng等[ J在SBR系统中利用TOGA[25 J传感器 进行实验,将好氧段的DO控制在0.5 mg/L,实现 了同步硝化反硝化(SND)与除磷的结合,且该 SND过程是通过中间产物NO2-实现的。通过对反 硝化所产生气体的分析发现气态氮的形式为N2O 而并非预计的 。进一步的批式实验结果表示, 单独以NO 为缺氧段电子受体仅产生N2;而单独 以N 为电子受体时先产生N2,当N 浓度超过 1 mg/L就会抑制N2的产生,取而代之的是N2O的 逸出。同时,经过磷吸收速率的比较分析得出反硝 化聚糖菌(DGAOs)[26 J与DPAOs共同存在,且大部 分的反硝化作用是通过DGAOs实现的。曾有报 道[26 J指出反硝化聚糖菌在N 浓度高于 1—2 mg/L ̄就会产生N2O,该观点与批式实验的 结果相一致,但不能解释在循环SBR实验中N昕 浓度接近于零的条件下仍然产生N2O的现象。SND 现象发生的原因之一是活性污泥絮体内部传质受 限_2 ,结合此理论Zeng等[ ]对该现象做出了解 释:污泥絮体边缘的好氧微环境中硝化反应的产物 N 会在好氧、缺氧微环境的接触面积累,直到 产生足够的推动力而扩散到絮体中央进而实现反硝 化,此过程中NO2-浓度不断累积易于达到诱发 N2O产生的浓度。 一般地,氮的最终去除是通过反硝化作用转化 为气态氮而实现的,而对反硝化吸磷过程中产生气 体的分析甚少。N2O是典型的温室气体,其温室效 应约为co2的310倍,Zeng等的发现应引起重视, 今后应针对反硝化除磷中气体的产生进行研究,进 一步明确反硝化除磷的具体过程。 维普资讯 http://www.cqvip.com

l22 四川环境 25卷 5 结 论 利用DPAOs进行反硝化除磷的SBR工艺由于 具有节省碳源、能耗少、氮磷去除率高等优势而引 起环境工程师的重视。但是在NOr对反硝化除磷 的影响方面的研究还有待加强,笔者认为今后的研 究重点为:根据水质条件,确定N 对反硝化除 磷产生抑制的上限浓度;对反硝化产生的气体进行 监测分析,明确反硝化过程的最终产物;采用在线 监测NOr浓度,实时控制曝气,实现短程硝化反 硝化与除磷的结合。 参考文献 Peter J,Jespersen K,Henze M,d .Biol晒cal phosphorus uptake under anoxic and aerobic conditions[J].War.Res,1993,7(4):617一 ‘624. [2] Kllba T.vall Io0sdrecht M C M.Phosphorus removal from wastewater by anaerobic—anoxic sequencing batch reactor[J].War Sei Tech, 1993,27(5-6):241—252. [3] Bo ̄one G,Libelli S M,Tilche A,d oJ.Anoxic phosphate uptake in theDEPHANOXpreess[J].Wat SciTech,1999,4o(4-5):177.185. [4] KubaT.van kl0sdrecht M C M,Heijnen J J.A metabolic model for biol6Ocal phosphorus removal by denitrifying【Ⅱ l1i豇璐[J].Biotech— nol Bieng,1996,52(6):685-695. [5] Smolders G J F,Villa der Meij J,van Loosdrecht M C M,d oJ.Model ofthe anaerobicmetabolism ofthe biological phosph0ms removal pro— ces¥:Stoichiometry nad pH inlfuance[J].Biotechnol Bioeng,1994,43 (6):461-470. [6] Smolders G J F,vail der Meij J,vail Loosdrecht M C M,d oJ.Stoi— chiometricmodel oftheaerobicmetabolism ofthe biological phospho— urs ermovla process[J].Biotechnol Bioeng,1994,44(7):837—848. [7] Mino T。Van Loosdrecht M C M.Heijnen J J.Microbiology and bio— chemistry of the enhanced biological phosphate removal process[J]. Wat Res,1998,32(11):3193—3207. [8] Muruleitner E。KubaT,van Loosdrecht M C M,d oJ.An integrated metabolicmodelforthe aerobic and denitiffying biol0gical phosphorus ermoval[J].Biotehnol Bioeng,1997,54(5):434--450. [9] KubaT.van Loosdr ̄htM CM,Heijnen J J.Phosphorusand nitrogen ermovalwihtminimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatatino and nitriifcatino in a two-sludge system[J].Wat Res,1996,30(7):1702-1710. [10] Lee D E,Jeon C 0,Park J M.Biological nitrogen removal with ell— hanced phosphate uptake in fl sequencing batch reactor using single sludge system[J].War Res,2001,35(16):3968-3976. Tsuneda S,OhnoT,SeejirmK,d .Simultaneousnitrogenand phos— phorus removal using denitrifying phosphate—accumulating organisms in a sequencing batch reactor[J].Biocheimcal Engineering Journal, 2005,27(3):191—196. [12]李勇智,彭永臻,王淑莹.厌氧/缺氧SBR反硝化除磷效能的 研究[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(6):9.12. [13]杨国靖,李d,N,曾光明,等.利用好氧颗粒污泥实现同时除磷 脱氮[J].中国给水排水,20o5,21(2):18.22. [14] Iju Y,Tay J H.State of the art of biogranulation technology for wastewater trealurent[J].Biotcehnology Advences,2OO4,22(7):533— 563. [15]Chuang S H,Ouyang C F,Wang Y B.Kinetic conrpetition be ̄een phosphorus release and denitrtlcation on sludge under anoxic condi— ifon[J].Wat Res,1996;30(12):2961-2968. [16]Meinhold J,Arnold E,Isaacs S.Effcet of nitrite on anoxic phosphate uptakein bidoga‘cal phosphorus removal activatde sludge[J].wat Res,1998,33(8):1871—1883. [17]王亚宜,王淑莹,彭永臻.MISS、pH及N 一N对反硝化除磷的 影响[J].中国给水排水,20(O,21(7):47-51. [18]Alan J,Daidou T,Tsuneda S,d oJ.Metabolic behavior of denitrifying phosphat-eaecumulating organisms under nitrate and nitrite elcetron caceptor conditions[J].J Bisoci Bieng,2001,92(5):442446. [19]Hu J Y,Ong S L,Ng W J,et .A new method for characterizing denitrifying phosphorus removal bacteria by using thre diferent types of electron caceptors[J].Wat Res,2003,37(14):3463-3471. [20]MallerrM,AbramovichD,SiegristH,GujerW.Kinetics ofbiologically induced phosphorus precipitation in waste-watre treatment[J].wat Res,1999,33(2):484493. [21]Kuba T,van Loos&eeht M C M,Heijnen J J.Effcet of cyclic oxygen exposu/ ̄on the activity of denitrifying phosphorus removal bacteira [J].wat Sci Technol,1996,34(1-2):33-40. 【22 J Satio T,B anovic D,van Loosdr ̄ht M C M.Effect of nitrite on phosphate uptake by phosphate accumulating organisms[J].wat Ros,2OO4,38(17):3760—3768. [23]Zeng R J,vna Losodrecht M C M,Yuan Z G,et a1.Metabolic model ofr glycogen accumulating or ̄anlsm¥in anaerobic/aerobic activated sludge systems[J].Biotehnol Bioegn,2003,81(1):29—105. 【24 J Zeng R J, ̄maire R,Yuan Z H,d oJ.Simulataneous nitriifactino, denitrifiaction,and phosphorus removal in a lab-scale sequencing abtch reactor[J].Biotcenhol Bieng,2003,84(2):170.178. [25]Pratt S,Yuan Z,Gapes D,d a1.Development offl novel titration and off-gas analysis(TOGA)sensor for study of biologiacl processes in wastewatertretament systems[J].Biotcenhol Bioeng,2003,81(4): 482495. 【26 J Zeng R J,Yuan Z,Keller J,et oJ.Enrichment ofdenitrifyingglycogen accumulating organisms in anaerobic/anoxic activatde sludge system [J].Biotcehnol Bioeng,2OO3,81(4):379-404. 【27 J Pochana K,Keller J.Study of factom afceting simultaneous nitriifca— tion nad denitriifaction(SND)[J].Wat Sci Technol,1999,39(6): 61-68. 

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