階梯曝氣對(duì)城市污水好氧顆粒污泥系統(tǒng)有哪些影響
中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間：2020-1-1 7:41:47
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量，降低企業(yè)治污成本
近年來(lái), 氮磷的大量排放使水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程加快, 而目前多數(shù)污水處理廠(chǎng)對(duì)氮、磷的去除率較低, 實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷逐漸成為研究的熱點(diǎn).但傳統(tǒng)氮磷同步去除工藝往往存在碳源利用率低、脫氮除磷分開(kāi)而增大占地面積、易污泥膨脹等問(wèn)題, 好氧顆粒污泥(aerobic granular sludge, AGS)脫氮除磷技術(shù)因生物量大、沉降性能好、可實(shí)現(xiàn)同步硝化內(nèi)源反硝化(simultaneous nitrification endogenous denitrification, SNED)等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注. AGS同步脫氮除磷往往又因釋磷過(guò)程、反硝化過(guò)程、異養(yǎng)菌同化作用爭(zhēng)奪碳源以及顆粒中溶解氧(DO)分區(qū)被破壞而使氮磷去除率降低.故采取合適的運(yùn)行策略實(shí)現(xiàn)高效的脫氮除磷勢(shì)在必行.
對(duì)于脫氮過(guò)程, AGS中的高-低DO環(huán)境是形成SND功能的重點(diǎn). Yuan等發(fā)現(xiàn)DO從4.5mg ·L-1降至1.0mg ·L-1時(shí), AGS系統(tǒng)的硝化速率從0.059 5 mg ·(g ·min)-1下降到0.025 1 mg ·(g ·min)-1. Beun等發(fā)現(xiàn)相比溶解氧飽和度為100%條件下培養(yǎng)的顆粒污泥, 溶解氧飽和度為40%條件可以使顆粒內(nèi)部發(fā)生穩(wěn)定的反硝化作用.而降低曝氣強(qiáng)度使AGS中絲狀菌成為優(yōu)勢(shì)菌種、顆粒結(jié)構(gòu)松散, 且氧傳質(zhì)阻力減弱, 同樣破壞顆粒內(nèi)部的缺氧反硝化環(huán)境.對(duì)于除磷過(guò)程, 低DO水平會(huì)使聚磷菌吸磷不充分, 高DO水平會(huì)使聚磷菌(PAOs)體內(nèi)聚β羥基丁酸(PHB)不足而聚磷活性降低并出現(xiàn)“自溶”現(xiàn)象另外, 運(yùn)行周期初始曝氣會(huì)使大量COD被異養(yǎng)微生物消耗, 造成大量碳源和溶解氧浪費(fèi).
綜合以上問(wèn)題結(jié)合城市污水低C/N比的特點(diǎn), 本研究在厭氧/好氧(anaerobic/oxic, A/O)運(yùn)行模式下分別以減少好氧初期碳源浪費(fèi)和防止好氧末期好氧顆粒內(nèi)反硝化條件受破壞為目的采取低/高和高/低階梯曝氣策略, 在優(yōu)化AGS內(nèi)部好氧-缺氧空間分布的同時(shí)增加污水碳源利用率.目前類(lèi)似階梯曝氣的報(bào)道主要是對(duì)全程好氧系統(tǒng)脫氮性能的研究, 不同階梯曝氣策略對(duì)A/O同步脫氮除磷系統(tǒng)的影響對(duì)比及影響機(jī)理的探究尚未見(jiàn)報(bào)道.本試驗(yàn)通過(guò)綜合評(píng)估和分析不同曝氣策略下系統(tǒng)的氮磷去除性能、污泥沉降性及穩(wěn)定性, 以期為好氧顆粒在處理生活污水的應(yīng)用中提供技術(shù)支撐和理論依據(jù).
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行方式
本試驗(yàn)采用由有機(jī)玻璃制成的中試規(guī)模SBR反應(yīng)器, 有效高度h=90 cm, 內(nèi)徑D=29 cm, 有效容積V=64 L.反應(yīng)器壁取樣口縱向排列, 間隔為15 cm, 取樣、排泥均在第3個(gè)取樣口.反應(yīng)器內(nèi)底部設(shè)有微孔曝氣盤(pán), 由空壓機(jī)供氣并通過(guò)氣體流量計(jì)控制曝氣量, 在好氧階段為反應(yīng)器提供足夠的水力剪切力和溶解氧, 試驗(yàn)裝置如圖 1所示.
圖 1
1.攪拌器;2.進(jìn)水口;3.取樣口和排泥口;4.出水口;5.攪拌槳;6.微孔曝氣盤(pán);7. pH計(jì);8. DO測(cè)定儀;9.氣體流量計(jì);10.電磁閥;11.空壓機(jī)圖 1 好氧顆粒污泥SBR反應(yīng)器裝置示意
反應(yīng)器運(yùn)行通過(guò)時(shí)間控制器控制, 每天運(yùn)行3個(gè)周期, 一個(gè)周期8 h, 分別為：30 min進(jìn)水、120 min厭氧、180 min好氧、3 min沉淀、剩余時(shí)間閑置.整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程溫度和pH均不作控制, 水溫20~25℃, pH為7.0~8.0, 換水比為67%, 污泥濃度控制在3 000 mg ·L-1左右.
1.2 接種污泥特性與試驗(yàn)用水水質(zhì)
本試驗(yàn)用水取自某大學(xué)家屬區(qū)化糞池, 接種污泥為用實(shí)際生活污水培養(yǎng)的成熟好氧顆粒污泥, 具體水質(zhì)參數(shù)和污泥特性指標(biāo)見(jiàn)表 1和表 2.
表 1 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)/mg ·L-1Table 1
表 2 接種污泥指標(biāo)
1.3 試驗(yàn)方案
1.3.1 反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)
反應(yīng)器運(yùn)行采用厭氧/好氧(A/O)模式, 控制單個(gè)周期內(nèi)總曝氣量恒定, 改變均勻曝氣為階梯曝氣(將好氧段分為兩段, 先高強(qiáng)度曝氣后低強(qiáng)度曝氣, “高/低曝氣”;先低強(qiáng)度曝氣后高強(qiáng)度曝氣, “低/高曝氣”).本試驗(yàn)分為4個(gè)階段, 其中階段Ⅲ為恢復(fù)階段, 具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表 3.
表 3 試驗(yàn)主要運(yùn)行參數(shù)
1.3.2 燒杯試驗(yàn)
比氨利用速率(AUR)：將用清水淘洗后的AGS置于氮源、堿度和溶解氧充足的混合液(NH4+-N初始濃度為60mg ·L-1, 曝氣量為4L ·min-1)中反應(yīng)2h, 根據(jù)不同時(shí)刻N(yùn)H4+-N濃度值, 擬合NH4+-N濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線(xiàn), 利用變化曲線(xiàn)斜率r、污泥濃度MLVSS以及公式AUR=r/MLVSS算得系統(tǒng)的比氨利用速率.其中混合液的氮源和堿度分別由硫酸銨和碳酸氫鈉提供.測(cè)定比硝酸鹽生成速率(NPR)的混合液以亞硝酸鈉為底物(NO2--N初始濃度為50mg ·L-1, 曝氣量為4L ·min-1), NPR的測(cè)定和計(jì)算方法與AUR類(lèi)似.為減小誤差, 各進(jìn)行3組平行試驗(yàn).
比反硝化速率(DNR)：將配置好的泥水混合液倒入500 mL血清瓶中, 利用曝氣針連續(xù)曝氬氣10 min以趕出混合液中的溶解氧, 隨后迅速取出針頭并用橡膠塞封住瓶口, 將血清瓶放置在搖床上進(jìn)行振蕩使泥水充分混合, 整個(gè)反應(yīng)持續(xù)3h.其中混合液以醋酸鈉和硝酸鉀為主要成分, 并加入適量硝化抑制劑(丙烯基硫脲, ATU).利用NO3--N濃度變化曲線(xiàn)斜率r、污泥濃度MLVSS以及公式DNR=r/MLVSS算得系統(tǒng)的反硝化速率.
1.4 分析方法
水樣中NH4+-N濃度利用納氏試劑分光光度法測(cè)定, NO2--N濃度采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測(cè)定, NO3--N濃度采用紫外分光光度法測(cè)定, TN濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法, COD和TP采用快速測(cè)定儀, pH及DO采用WTW(pH/Oxi 340i)便攜式多參數(shù)測(cè)定儀測(cè)定. AGS粒徑采用馬爾文激光粒度儀測(cè)定, MLSS、MLVSS、SVI等參數(shù)采用國(guó)際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法.氨氧化率和同步硝化內(nèi)源反硝化率(SNED)分別按照式(1)和式(2)計(jì)算：
式中, Δ(NH4+-N)為進(jìn)出水NH4+-N濃度差, mg ·L-1;ρ(NH4+-N)in為進(jìn)水NH4+-N濃度, mg ·L-1;Δ(NH4+-N)、Δ(NO2--N)和Δ(NO3--N)為好氧段NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度差, mg ·L-1.
2 結(jié)果與討論
2.1 階梯曝氣下AGS系統(tǒng)的有機(jī)物去除性能
如圖 2所示為整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中AGS系統(tǒng)進(jìn)出水COD濃度、厭氧末COD濃度、ΔCOD厭氧/ΔTCOD以及COD去除率的變化情況, 反應(yīng)器進(jìn)水COD在270~320 mg ·L-1之間波動(dòng).階段Ⅰ(均勻曝氣階段)系統(tǒng)厭氧末和出水COD平均濃度分別為80.55mg ·L-1和44.96mg ·L-1, COD去除率和ΔCOD厭氧/ΔTCOD分別為84.71%和85.70%.將曝氣策略改為高/低曝氣后, 系統(tǒng)出水COD濃度從第30 d的44.87mg ·L-1降至第60 d的33.95mg ·L-1, 此時(shí)COD去除率逐漸升至88.30%, 同時(shí)系統(tǒng)在厭氧段對(duì)有機(jī)物的攝取量增加, 厭氧末COD濃度從第30 d的82.70mg ·L-1降至第60 d的71.62mg ·L-1, 結(jié)果表明, 相比于均勻曝氣, 高/低階梯曝氣不僅可以提高系統(tǒng)的有機(jī)物去除性能, 而且可以增加異養(yǎng)菌在厭氧段對(duì)外碳源的攝取量.但厭氧段的COD去除量在總COD去除量中的比例ΔCOD厭氧/ΔTCOD無(wú)明顯變化趨勢(shì), 表明系統(tǒng)有機(jī)物去除量增加由異養(yǎng)菌的厭氧攝取和好氧利用兩部分增加所致.厭氧段有機(jī)物攝取量的增加可能由于先高強(qiáng)度曝氣后低強(qiáng)度曝氣的策略使好氧段后期顆粒污泥內(nèi)部的DO水平降低, 有效減緩了顆粒污泥內(nèi)部異養(yǎng)菌的內(nèi)源呼吸作用.好氧段有機(jī)物利用量增加與好氧段初期系統(tǒng)中的相對(duì)較高的DO水平有關(guān), 底物充足條件下的高DO水平可大大增強(qiáng)好氧異養(yǎng)菌的同化作用, 從而增加好氧段的有機(jī)物去除量.故將均勻曝氣改為高/低階梯曝氣可同時(shí)增加厭氧段和好氧段的有機(jī)物去除量.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 2
階段Ⅲ為恢復(fù)階段, 運(yùn)行條件與階段Ⅰ相同, 出水及厭氧末COD濃度值分別為45.06mg ·L-1和80.73mg ·L-1, COD去除率和ΔCOD厭氧/ΔTCOD比值分別為84.11%和85.26%.系統(tǒng)的有機(jī)物去除性能已恢復(fù)至均勻曝氣階段水平.階段Ⅳ改均勻曝氣為低/高曝氣, 第120 d系統(tǒng)出水COD濃度降至30.79mg ·L-1, COD去除率為89.30%, 與階段Ⅱ無(wú)明顯差異.說(shuō)明相比于均勻曝氣, 低/高曝氣同樣可以提高系統(tǒng)的有機(jī)物去除性能.厭氧末COD濃度從第90 d的83.62mg ·L-1升至第120 d的114.84mg ·L-1, ΔCOD厭氧/ΔTCOD比值到第120 d降至67.30%, 表明低/高曝氣會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在厭氧段(A段)對(duì)外碳源的攝取量大大降低, 直到進(jìn)入好氧段仍然有大量碳源未被利用.這些碳源在好氧段被異養(yǎng)菌同化利用, 造成大量碳源“浪費(fèi)”, 可間接反映出此時(shí)系統(tǒng)的脫氮除磷性能下降.
2.2 階梯曝氣下AGS系統(tǒng)的除磷性能
運(yùn)行過(guò)程中, AGS系統(tǒng)進(jìn)出水、厭氧末總磷濃度、ΔTP厭氧/ΔCOD厭氧以及總磷去除率的變化情況如圖 3所示.整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)器進(jìn)水TP濃度保持在6mg ·L-1左右, 階段Ⅰ(均勻曝氣階段)系統(tǒng)出水、厭氧末TP濃度分別為0.04mg ·L-1和16.16mg ·L-1, TP去除率高達(dá)99.19%, ΔTP厭氧/ΔCOD厭氧比值為7.58%.階段Ⅱ(高/低曝氣階段)系統(tǒng)出水TP濃度及TP去除率無(wú)明顯變化, 但厭氧末TP濃度升至23.5mg ·L-1, 表明高/低曝氣不會(huì)影響系統(tǒng)的TP去除效果, 但會(huì)使系統(tǒng)中聚磷菌的活性增加, 與好氧段前期提高曝氣量有關(guān), 提高曝氣量可以增加聚磷菌的吸磷量和吸磷速率.其中ΔTP厭氧/ΔCOD厭氧可以反映系統(tǒng)中PAOs和聚糖菌(GAOs)對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)情況, ΔTP厭氧/ΔCOD厭氧越高表示PAOs相對(duì)數(shù)量越多、對(duì)有機(jī)物的利用率越高. ΔTP厭氧/ΔCOD厭氧值升高說(shuō)明高/低曝氣下系統(tǒng)中聚磷菌的相對(duì)數(shù)量增加.
圖 3
在階段Ⅲ(均勻曝氣階段末)系統(tǒng)恢復(fù)至階段Ⅰ的水平.階段Ⅳ(低/高曝氣階段)出水TP濃度從階段Ⅲ的0.04mg ·L-1升至2.23mg ·L-1, TP去除率從階段Ⅲ的99.08%降至58.32%, 說(shuō)明低/高曝氣使系統(tǒng)的除磷性能下降.厭氧末TP濃度及ΔTP厭氧/ΔCOD厭氧降低表明系統(tǒng)中聚磷菌的活性降低, 分析原因, 由于好氧段初期低DO環(huán)境使處于顆粒污泥內(nèi)部的聚磷菌處于DO的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)地位, 并且有研究表明, 聚磷菌在吸磷速率及吸磷量減少的同時(shí)會(huì)出現(xiàn)自溶、裂解等現(xiàn)象, 導(dǎo)致聚磷菌在異養(yǎng)菌中的相對(duì)數(shù)量減少, 故整個(gè)系統(tǒng)的聚磷活性降低.
2.3 階梯曝氣下AGS系統(tǒng)的脫氮性能
2.3.1 系統(tǒng)中各階段氮素變化情況
運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)的氮素變化情況如圖 3所示, 進(jìn)水NH4+-N濃度維持在40mg ·L-1左右, 階段Ⅰ~Ⅳ氨氧化率始終高于94%且無(wú)明顯變化趨勢(shì), 說(shuō)明階段Ⅱ和階段Ⅳ的階梯曝氣策略不會(huì)影響系統(tǒng)的氨氧化性能, 氨氧化菌(AOB)的活性在低曝氣條件下受到抑制后會(huì)在高曝氣條件下得以迅速恢復(fù), 加之氨氧化菌具有低DO條件下氧親和力強(qiáng)的特性, 使其受階梯曝氣策略的影響不大, 故整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中氨氧化率始終高于94%.階段Ⅰ(均勻曝氣)出水NO2--N濃度接近于零, 出水NO3--N濃度為18.33mg ·L-1, 系統(tǒng)處于全程硝化狀態(tài).進(jìn)入階段Ⅱ(高/低曝氣), 好氧段后期的低曝氣強(qiáng)度使亞硝酸鹽氧化菌(NOB)活性相對(duì)于A(yíng)OB下降較大, 使得由AOB氧化生成的NO2--N不能被及時(shí)氧化, 故出水產(chǎn)生輕微NO2--N積累, NO2--N濃度從第20 d的0.05mg ·L-1上升至第60 d的0.21mg ·L-1.此時(shí)出水NO3--N濃度呈明顯降低的趨勢(shì), 從第30 d的18.33 mg ·L-1降到了第60 d的6.98mg ·L-1.經(jīng)分析, 出水NO3--N濃度的降低原因?yàn)椋孩俸醚醵魏笃诘牡虳O(< 2mg ·L-1)環(huán)境會(huì)使NOB活性顯著受到抑制, 單位時(shí)間NO3--N的生成量減少;②好氧段后期的低曝氣強(qiáng)度可以減小DO在A(yíng)GS內(nèi)部的滲透深度, 為反硝化作用的發(fā)生提供了條件.故高/低曝氣策略可以在抑制系統(tǒng)全程硝化能力的同時(shí)增強(qiáng)其反硝化性能.階段Ⅲ系統(tǒng)又恢復(fù)至階段Ⅰ的水平, 出水NO2--N濃度從第60 d的0.21mg ·L-1降至第90 d的0.06 mg ·L-1, 出水NO3--N濃度從第60 d的6.98mg ·L-1升至第90 d的17.05mg ·L-1.在隨后的階段Ⅳ(低/高曝氣)同樣未出現(xiàn)NO2--N積累現(xiàn)象, 這與NOB活性在好氧段后期的高DO環(huán)境中得以恢復(fù)有關(guān), 而出水NO3--N濃度繼續(xù)升高至階段末的20.29mg ·L-1, 表明低/高曝氣策略使系統(tǒng)全程硝化性能增強(qiáng).
根據(jù)圖 3中進(jìn)出水TN、TN去除率和SNED率變化曲線(xiàn)可以看出, 進(jìn)水TN濃度保持穩(wěn)定, 平均值為44.33mg ·L-1.階段Ⅰ(均勻曝氣)末出水TN濃度為18.80mg ·L-1, TN去除率為55.71%, SNED為48.72%, 此時(shí)系統(tǒng)脫氮能力及同步硝化內(nèi)源反硝化能力均較差.階段Ⅱ(高/低曝氣)出水TN濃度出現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì), 第54 d出水TN濃度降至9.47mg ·L-1, 滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918- 2002)》常規(guī)污染物一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求. TN去除率為78.24%, 再次證明高/低階梯曝氣策略可以增強(qiáng)系統(tǒng)的反硝化性能. SNED也出現(xiàn)升高的趨勢(shì), 從第30 d的48.72%上升到了第54 d的77.08%, 其變化趨勢(shì)與圖 2中ΔCOD厭氧/ΔTCOD的變化趨勢(shì)相同, 這與聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)等異養(yǎng)菌的內(nèi)碳源存儲(chǔ)特性增強(qiáng)有關(guān), 使AGS能夠更好地利用厭氧段儲(chǔ)存的內(nèi)碳源進(jìn)行內(nèi)源反硝化.階段Ⅲ系統(tǒng)脫氮性能恢復(fù)到了高/低曝氣前的水平.階段Ⅳ(低/高曝氣)末出水TN濃度升至21.47mg ·L-1, TN去除率僅為51.26%, SNED降至44.69%.經(jīng)分析, 脫氮性能下降的原因?yàn)椋孩貾AOs和GAOs等異養(yǎng)菌在厭氧段內(nèi)碳源存儲(chǔ)量減少, 用于內(nèi)源反硝化作用的碳源減少;②好氧段初期低DO環(huán)境中反硝化作用受NO2--N和NO3--N等底物濃度的抑制, 好氧段后期高DO環(huán)境使顆粒內(nèi)部的反硝化缺氧條件被破壞.故低/高曝氣策略不利于系統(tǒng)脫氮性能的提高, 該試驗(yàn)結(jié)果與王文嘯等在全程好氧系統(tǒng)中所得結(jié)果有所不同.
2.3.2 系統(tǒng)脫氮過(guò)程的速率表征
運(yùn)行各階段系統(tǒng)的氨利用速率、硝酸鹽生成速率和反硝化速率變化情況如圖 3所示.階段Ⅰ(均勻曝氣)末比氨氧化速率(以N/VSS計(jì), 下同)為10.76 mg ·(g ·h)-1, 比硝酸鹽生成速率為4.60 mg ·(g ·h)-1, 比反硝化速率為11.29 mg ·(g ·h)-1.階段Ⅱ(高/低曝氣)比氨氧化速率升至11.64 mg ·(g ·h)-1, 比硝酸鹽生成速率升至5.10 mg ·(g ·h)-1, 氨氧化速率和硝酸鹽生成速率的差值從第30 d的6.16 mg ·(g ·h)-1升至第60 d的6.54 mg ·(g ·h)-1, 可以很好地解釋系統(tǒng)NO2--N輕微積累的現(xiàn)象.比反硝化速率達(dá)到整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的最大值13.94 mg ·(g ·h)-1, 表明高/低曝氣策略不僅可以提高AGS中硝化細(xì)菌的活性而且可以大大提高異養(yǎng)菌的反硝化能力.階段Ⅳ將曝氣策略改為低/高曝氣后, 比氨氧化速率和比硝酸鹽生成速率均繼續(xù)升高并達(dá)到最大值, 分別為14.92 mg ·(g ·h)-1和9.21 mg ·(g ·h)-1, 而比反硝化速率降至最小, 為10.16 mg ·(g ·h)-1, 低/高曝氣下DO在A(yíng)GS中的滲透深度加大, 使得硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)空間擴(kuò)大, 故該曝氣策略可大大增加系統(tǒng)的硝化性能, 而AGS中缺氧區(qū)受到壓縮使得系統(tǒng)的反硝化能力大大降低.
2.4 階梯曝氣對(duì)AGS系統(tǒng)脫氮除磷性能的影響機(jī)理
階段Ⅱ(高/低曝氣)典型周期內(nèi)污染物濃度變化情況如圖 4(a)所示. COD濃度在厭氧段呈現(xiàn)出迅速大幅下降趨勢(shì), 從起始的190.50mg ·L-1下降到了厭氧末的60.20mg ·L-1. COD的大量去除與PAOs和DAOs等異養(yǎng)菌對(duì)外碳源的攝取有關(guān).進(jìn)入高強(qiáng)度曝氣段后, 好氧異養(yǎng)菌的呼吸作用加強(qiáng)使有機(jī)物降解速率再次增加, COD變化曲線(xiàn)變陡.在低強(qiáng)度曝氣段中易降解有機(jī)物已基本降解完全, COD濃度無(wú)明顯變化. TP濃度在厭氧末達(dá)到最大值, 好氧吸磷過(guò)程在曝氣75 min后基本結(jié)束. NH4+-N在好氧段的降解速率先增后減, 在低強(qiáng)度曝氣段初期達(dá)到最大值.雖然高強(qiáng)度曝氣段系統(tǒng)中DO水平較高, 但在底物充足的條件下, 氨氧化過(guò)程因與異養(yǎng)呼吸競(jìng)爭(zhēng)DO而變緩.低強(qiáng)度曝氣段初期, 好氧呼吸隨有機(jī)物濃度的降低而變緩, 氨氧化過(guò)程逐漸形成DO競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 故此時(shí)氨氧化速率達(dá)到最大.隨后氨氧化速率因底物濃度減少而變緩.高強(qiáng)度曝氣段末期因氨氧化過(guò)程與亞硝酸鹽氧化過(guò)程存在速率差而出現(xiàn)NO2--N輕微積累.在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中, NO3--N濃度變化曲線(xiàn)為“駝峰”狀, 其濃度表現(xiàn)為間斷上升的趨勢(shì), 從高強(qiáng)度曝氣段初期的0mg ·L-1開(kāi)始逐漸上升到了低強(qiáng)度曝氣段初期的8.72mg ·L-1, 此后NO3--N濃度因反硝化作用增強(qiáng)而迅速降低到了3.22mg ·L-1, 隨著反應(yīng)的進(jìn)行, NO3--N濃度又由于反硝化碳源不足呈現(xiàn)出二次上升趨勢(shì).與此同時(shí), COD濃度并未呈現(xiàn)明顯跌落趨勢(shì), 表明反硝化碳源來(lái)源主要為內(nèi)碳源.
圖 4
階段Ⅳ(低/高曝氣)典型周期內(nèi)污染物濃度變化情況如圖 4(b)所示.厭氧段有機(jī)物的消耗量大大減少, 這是由于聚磷菌對(duì)碳源的利用量減少.在進(jìn)入低強(qiáng)度曝氣段后, COD的消耗速率因異養(yǎng)菌呼吸作用減弱而變緩.在系統(tǒng)進(jìn)入高強(qiáng)度曝氣段后, 高DO水平使好氧菌的呼吸作用加強(qiáng), 有機(jī)物降解速率變快. NO2--N和NO3--N濃度無(wú)明顯變化表明COD消耗與反硝化關(guān)系不大, 有機(jī)物因好氧呼吸而“浪費(fèi)”.低強(qiáng)度曝氣段硝化過(guò)程受到了低DO濃度的抑制, NH4+-N降解速率與階段Ⅱ相比大大降低.進(jìn)入高強(qiáng)度曝氣段后硝化細(xì)菌的活性得以恢復(fù), 氨氧化和硝酸鹽生成速率增加.與階段Ⅱ相比, 本階段NO3--N濃度單調(diào)上升, 這與好氧段后期顆粒內(nèi)部缺氧區(qū)的破壞有關(guān).與第Ⅱ階段不同, 該階段磷的濃度在厭氧60 min時(shí)已達(dá)到穩(wěn)定, 而好氧吸磷過(guò)程經(jīng)歷了大約180 min, TP濃度才達(dá)到穩(wěn)定, 并最終穩(wěn)定在2.2mg ·L-1.與高/低強(qiáng)度曝氣相比, 低/高強(qiáng)度曝氣下聚磷菌的釋放和吸收磷的速率明顯降低, 并且出水TP濃度大幅提高.表明低/高曝氣不利于PAOs活性的提高, 這與系統(tǒng)中NO3--N積累和長(zhǎng)時(shí)間的好氧饑餓環(huán)境有關(guān).
2.5 好氧顆粒污泥顆粒性能分析
2.5.1 顆粒特點(diǎn)及形態(tài)變化
SVI、MLVSS/MLSS和顆粒粒徑是常用來(lái)表征AGS污泥特性的參數(shù).有研究表明, SVI能反映系統(tǒng)內(nèi)顆粒密實(shí)程度[29]. SVI值過(guò)低, 則無(wú)機(jī)質(zhì)比例高、活性較低;SVI值過(guò)高, 則表明顆粒沉降慢. MLVSS/MLSS可以表征系統(tǒng)中生物量的多少.各階段好氧顆粒污泥的SVI、MLVSS/MLSS和顆粒粒徑變化情況如圖 5所示.將曝氣策略改為高/低曝氣后, SVI從第28 d的36.83 mL ·g-1下降到了第60 d的23.49 mL ·g-1, MLVSS/MLSS從第28 d的89.65%增加到了第60 d的90.97%, 同時(shí)顆粒污泥粒徑增加明顯, 表明高/低曝氣可增加顆粒污泥生物量的同時(shí)增加其密實(shí)度, 使顆粒污泥的沉降性能大大提高.另外, 系統(tǒng)中低表面負(fù)電荷微生物PAOs和GAOs的富集使細(xì)胞間凝聚力增強(qiáng), 表面疏水性提高, 根據(jù)圖 6可看出此時(shí)顆粒污泥表面光滑, 結(jié)構(gòu)密實(shí), 絲狀菌較少.經(jīng)過(guò)恢復(fù)運(yùn)行階段后改曝氣策略為低/高曝氣發(fā)現(xiàn), SVI、MLVSS/MLSS和顆粒粒徑均呈現(xiàn)上升趨勢(shì).在低/高曝氣策略下, DO和底物濃度分別成為功能菌在低曝氣段和高曝氣段生長(zhǎng)的限制性因素, 而絲狀菌將比表面積較大的菌絲體伸出顆粒而形成底物競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì), 使顆粒粒徑增大的同時(shí)結(jié)構(gòu)變得松散, 沉降性能變差.
圖 5
圖 6
2.5.2 胞外聚合物(EPS)的變化
AGS中EPS的含量直接影響到顆粒的形成和穩(wěn)定性, EPS中主要包括蛋白(protein, PN)、多糖(polysaccharose, PS)、核酸及腐殖酸, 其中PN/PS值可以很好地表征AGS的穩(wěn)定性.由圖 7可知, 高/低曝氣使PN和PS濃度均升高, 表明該曝氣策略有助于顆粒粒徑及密實(shí)度的增加, PN/PS值升高, 較高的PN/PS值對(duì)應(yīng)著較高的疏水性和表面負(fù)電荷, 使顆粒穩(wěn)定性增強(qiáng).低/高曝氣下顆粒污泥EPS水平降低是由于好氧后期低底物濃度的高強(qiáng)度曝氣使細(xì)胞分泌的EPS作為微生物自身生長(zhǎng)的碳源被分解. PN/PS值降低表明AGS親水性增強(qiáng), 穩(wěn)定性變差.
圖 7
3 結(jié)論
(1) 在厭氧/好氧運(yùn)行方式的好氧顆粒污泥系統(tǒng)中采取高/低階梯曝氣策略, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際城市污水的高效脫氮除磷, SNEDPR系統(tǒng)出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TP濃度分別為0、0.15、8.12和0.04mg ·L-1, TN和TP去除率分別高達(dá)78.33%和99.19%, 同步硝化內(nèi)源反硝化作用明顯, SNED率為77.08%.
(2) 采取高/低和低/高兩種曝氣策略均可提高系統(tǒng)的有機(jī)物去除性能, COD去除率分別高達(dá)89.50%和89.54%, 而采取高/低階梯曝氣策略可以增加異養(yǎng)菌在厭氧段對(duì)外碳源的攝取量而減小異養(yǎng)菌在好氧段的同化作用, 厭氧COD去除量占總COD去除量的比例高達(dá)88.24%.
(3) 采取高/低和低/高兩種曝氣策略均可以提高系統(tǒng)的硝化性能, 最大比氨氧化速率分別為11.64 mg ·(g ·h)-1和14.92 mg ·(g ·h)-1, 最大比硝酸鹽生成速率分別為5.74 mg ·(g ·h)-1和7.50 mg ·(g ·h)-1.高/低曝氣可以有效提高系統(tǒng)的反硝化性能, 最大比反硝化速率為14.33 mg ·(g ·h)-1.
(4) 高/低曝氣下顆粒污泥表面光滑、密實(shí)度高、沉降性能良好、穩(wěn)定性提高, SVI為23.49 mL ·g-1, PN/PS高達(dá)2.79.低/高曝氣使顆粒污泥中絲狀菌大量繁殖、結(jié)構(gòu)變得松散、沉降性及穩(wěn)定性均變差, SVI為40.76 mL ·g-1, PN/PS僅為1.89.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué) 作者：李冬)
