反硝化除磷技术及其实现新途径
摘要:综述了反硝化除磷技术的原理、主要影响因素和实现反硝化除磷的新途径。国内外对碳氮质量比,亚硝酸盐对硝化除磷的影响的研究结果存在争议;对硝酸盐投加方式和SRT如何影响系统内微生物的研究还尚未深入。重点对有争议和有待于深入研究的影响因素作了总结。目前,关于在工艺中如何实现反硝化除磷的研究有了突破性进展,这些新途径有:AOA-SBR工艺、好氧颗粒污泥法和内循环气升式SBBR。提出了为使反硝化除磷工艺的运转和控制更加稳定需要将反硝化除磷系统的微生物学与工程紧密联系,了解工程中操作参数如何影响系统中微生物。
反硝化除磷技术是由反硝化聚磷菌(DPB)在厌氧/缺氧(A/A)交替环境中,通过它们独特的新陈代谢功能同时完成过量吸磷和反硝化脱氮双重目的。反硝化除磷技术作为一种新型高效低能耗的技术成为近年来水处理领域的热点。反硝化除磷作用可以在缺氧段无碳源的情况下进行,不仅实现同时除磷脱氮,还克服了生活污水中基质缺乏的问题,尤其适用于高氮磷废水及产生挥发性脂肪酸潜力低的城市污水。目前,国内外对于此项技术的研究还处在初级阶段。在影响因素方面,像碳氮浓度比、亚硝酸盐等因素的研究结果各异,象硝酸盐投加方式等因素的研究甚少。本文总结了反硝化除磷技术除磷的最新途径。
1、反硝化除磷机理
高酸菌在厌氧条件下分解大分子有机物为低分子脂肪酸,DPB则在厌氧条件下分解体内的多聚磷酸盐产生能量ATP,以主动运输方式吸收脂肪酸并合成聚β-羟基丁酸盐(PHB),与此同时释放出PO43-。积累了大量PHB的DPB进入缺氧状态后,以NO3-作为氧化PHB的电子受体,利用降解PHB以产生能量并提供还原力尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),并以NADH+H+作为电子运输链的载体以排除质子,从而形成质子推动力,质子推动力将体外PO43-输送到体内,在ATP酶作用下合成ATP,将过剩的PO43-聚合成多聚磷酸盐。DPB在缺氧条件下通过电子传递链产生的ATP超过在厌氧条件下通过分解体内聚磷酸盐产生的ATP,所以缺氧摄取的磷多于厌氧释放的磷。因此DPB具有过量摄取废水中磷的作用。
2、反硝化除磷的主要影响因素
2.1碳氮质量比
按照传统的除磷理论,碳源存在于缺氧段或者硝酸盐存在于厌氧段都会导致反硝化菌与DPB对电子受体硝态氮或对碳源的竞争,从而降低DPB的选择性优势,影响除磷效果,这就要求进水的碳氮质量比达到一个合适的范围。但Ahn J.等的研究表明在厌氧/好氧(A/O)条件下,碳源和少量硝酸盐一起进入厌氧段的长期驯化结果是促进DPB的富集,而且DPB在A/O条件下可以保持其缺氧吸磷的能力。从微生物学角度有两种解释,一是DPB通过三羧酸循环(TCA)直接利用碳源在厌氧段生长;二是DPB在厌氧期通过TCA循环氧化碳源得到还原力和能源来积累聚羟基烷酸,并在好氧期生存。关于DPB这方面的生理特性还没有其他报道。
2.2硝酸盐投加方式
在缺氧段投加硝酸盐有瞬间投加和持续投加两种方式,以持续投加效果稍好,且持续投加也会避免亚硝酸盐的积累。对于持续投加时间对吸磷率的影响,邹华等研究表明,持续投加时间为2h比3.5 h时的吸磷率要大。但目前还没有关于投加速率和吸磷率之间具体关系的报道。
2.3 SRT
DPB在A/A条件下生长,比A/O条件下生长的聚磷菌生长速率要慢。SRT太短会使反应器中的DPB被淘汰,过长则会使污泥老、含磷量下降。Merzouki M.报道:SBR反硝化除磷系统的SRT为15 d时比7.5 d时除磷效率高1.8倍。对于除磷脱氮颗粒污泥法,由于其生物相更加丰富且处于一体中,污泥结构复杂,如何通过泥龄来平衡DPB、聚磷菌、硝化菌还没有确切报道。
2.4亚硝酸盐
目前对于亚硝酸盐对吸磷是否有抑制作用存在两种说法,而这两种说法存在的前提是研究对象不一致。以没有经过反硝化除磷驯化的污泥为研究对象,结果均表明亚硝酸盐超过临界浓度则抑制吸磷。王亚宜等试验表明当亚硝氮的质量浓度超过15 mg/L时,吸磷反应受到抑制,Meinhold J.等验表明临界亚硝氮的质量浓度是5～8 mg/L。利用经过反硝化除磷驯化的污泥做研究对象,结果则与上述情况不同。Hu J.Y.的试验表明除了被广泛认可的聚磷菌和DPB还存在第三族聚磷菌,它可以利用亚硝酸根做电子受体吸磷,另外试验明当亚硝氮起始质量浓度小于115 mg/L时没有明显的吸磷抑制作用,而在生活污水处理厂的亚硝酸根浓度显然远远低于此临界浓度,所以不会对生物除磷产生不利影响。影响反硝化除磷的因素还有很多,如温度(DPB对温度特别是低温比较敏感)、阳离子(Mg2+和K+)等,目前对这几方面的研究很少,且各种因素间的相互作用加深了研究的难度。
3、实现反硝化除磷新途径
传统典型反硝化除磷工艺有以下几种:
①厌氧/缺氧和硝化(简称A2N)工艺。此工艺是一种双泥反硝化除磷工艺,硝化菌和DPB在不同的污泥系统分别进行培养,使硝化菌与DPB完全分离。A2N工艺最适合碳氮比较低的情形。②DEPHANOX工艺。当进水碳氮比较高时,需要在A2N工艺的缺氧池后添加曝气池,这就形成了DEPHANOX工艺。
③BCFS工艺。此工艺是一种变型的UCT工艺,UCT工艺设计原理是基于对聚磷菌所需环境条件的工程强化,而BCFS的开发是为了从工艺角度创造DPB的富集条件。近来,关于反硝化除磷技术应用的研究又有了突破性的进展。
3.1 AOA-SBR法
厌氧/缺氧/好氧(简称A2O)工艺是脱氮除磷的常用形式,它主要通过聚磷菌、硝化菌、反硝化菌的代谢来运转,那么含有硝酸盐和亚硝酸盐的液体在此工艺中循环是必须的。Tsuneda S.等]提出了SBR中采用厌氧/好氧/缺氧(简称AOA)工艺,充分利用了DPB在缺氧且没有碳源的条件下能同时进行脱氮除磷的特性,使反硝化过程在没有碳源的缺氧段进行,不需要好氧池和缺氧池之间的循环,达到氮磷在单一的SBR中同时去除的目的。而且试验也证明采用此工艺处理碳氮质量比低于10的合成废水可以得到良好的脱氮除磷效果,平均氮磷去除率分别为83%、92%。此工艺不仅可富集DPB,而且使DPB在除磷脱氮过程中起主要作用。试验结果显示在AOA-SBR工艺中DPB占总聚磷菌的比例是44%,远比常规工艺A/O-SBR(13%)和A2O工艺(21%)要高。
AOA-SBR工艺有两个特点:
①在好氧期开始时加入适量碳源以抑制好氧吸磷,此试验中好氧期加入最佳碳源量是40 mg/L。
②在此工艺中,亚硝酸盐可以做吸磷的电子受体。
3.2颗粒污泥法
颗粒污泥脱氮除磷目前还处在研究阶段。与普通污泥法相比,好氧颗粒污泥沉降性能较好,生物浓度高,污泥含水率低。随着颗粒污泥的应用,存在于普通污泥中的(诸如污泥膨胀、处理构筑物占地面积大、澄清池二次释磷等)问题都可以被克服。Dulekgurgen E.等试验表明颗粒污泥具有稳定的生物量,COD、磷、氮的去除率分别为95%、99.6%、71%。国内研究结果与其一致,而且好氧颗粒污泥具反硝化除磷能力,由于颗粒污泥独特的结构以及氧扩散梯度的存在为聚磷菌、硝化菌、DPB提供了共存的环境,大量DPB与硝化菌在颗粒污泥中富集,杨国靖等试验表明在颗粒污泥中DPB占全部聚磷菌的73.1%。颗粒污泥的培养比普通污泥难度大,影响因素也相对复杂。
除了具有普通污泥反硝化除磷脱氮的影响因素外,颗粒污泥有它独特的影响因素:
①DO浓度和颗粒粒度的相互作用对于反硝化除磷效果影响很大,如果颗粒粒径过小,那么氧气的穿透力相对较强,影响缺氧区的形成,导致反硝化除磷和脱氮不能实现。
②维持适当的氮磷质量比对于污泥的颗粒化和除磷能力非常重要,当氮磷质量比由2.36上升至4.0时,除磷率由85.0%下降至54.1%。
③Lin Y-M等试验表明颗粒与磷碳质量比关系密切,高磷碳质量比可以使颗粒小而结构更致密,SVI也随之降低,而且有助于聚磷菌的富集。
3.3内循环气升式序批式生物膜法
内循环气升式序批式生物膜法(内循环气升式SBBR)主要是为除磷脱氮一体化而设计的。ZhangZ.Y.等研究表明内循环气升式SBBR得到了稳定的氮磷去除率。COD、N、P在最佳填料密度和有机负荷下的去除率分别为95.3%±3.3%、94.6%±4.1%、73.1%±8.3%。反应器被隔板分为2个区———好氧区和回流区,硝化菌和好氧聚磷菌主要存在于好氧区,DPB存在于回流区。厌氧期,处于回流区的DPB和好氧区的聚磷菌吸收有机基质;好氧/缺氧期,处在好氧区的硝化菌产生NO3-、NO2-以提供DPB吸磷的电子受体,这样氮磷就被去除了。排泥是影响磷去除的重要因素,这点可以通过调节纤维填料密度来实现。常规SBBR脱氮除磷效果不佳,主要是由于硝化菌和异氧菌在生物膜中彼此竞争氧气和营养物质。比起常规SBBR,内循环气升式SBBR避免了硝化菌和异氧菌的竞争;比起常规活性污泥法,此反应器节省了能源和投资
4、展望
国内外对反硝化除磷技术的研究已取得了初步成果,反硝化除磷技术也已从基础性研究发展到工程应用阶段。目前,我们对反硝化除磷系统中微生物群落结构和功能方面的知识还了解甚少。微生物种群结构在不同系统中变化明显,同一系统中微生物相也很复杂。利用分子生物学技术可以进行菌群动态跟踪和功能群种鉴定,揭示菌群结构和功能的关系,从而更好的控制生物处理工程。研究生物除磷的分子生物学技术有:聚合酶链反应(PCR)技术、限制性片段长度多态性技术、寡核苷酸探针技术。研究普遍认为聚磷菌是β-Proteobacteria中的Rhodocyclus组和Dechlorimonas组菌,SatoshiT.等采用RFLP技术研究DPB特性,结果表明DPB是Rhodocyclus组中的Thauera mechrnichensis和Azoarcus tolulyticus。我们需要将反硝化除磷系统的微生物学与工程紧密联系,通过对微生物检测和生态学研究,来分析和确定系统中DPB的数量和群体结构,了解工程中操作参数是怎样影响聚磷菌、硝化菌、DPB等的菌群特性、种群密度分布及空间分布,从而实现人工强化反硝化除磷系统,优化处理过程,加强新工艺的开发和应用。
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