1 引言
典型的設(shè)前置反硝化段的生物脫氮除磷工藝有厭氧/缺氧/好氧工藝(A2/O工藝)、University of Cape Town工藝(UTC工藝)及生物化學(xué)脫氮除磷工藝(BCFS工藝).反硝化段前置的優(yōu)勢是厭氧合成的內(nèi)聚物聚β羥基脂肪酸(PHA)等可直接進(jìn)入缺氧段驅(qū)動反硝化而取得較好的脫氮效果，但前置反硝化段有其固有的缺陷.根據(jù)生物脫氮理論，硝化段(好氧段)內(nèi)氨氧化菌(AOBs)將氨鹽氧化為亞硝酸鹽后，亞硝酸鹽氧化菌(NOBs)將亞硝酸鹽氧化為硝酸鹽;反硝化段(缺氧段)內(nèi)反硝化菌將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，并進(jìn)一步還原為氮氣(N2)(Zhou et al., 2011).由于好氧段在缺氧段后，為實現(xiàn)反硝化，因而必須將混合液從好氧段回流至缺氧段.混合液回流會稀釋進(jìn)水有機(jī)質(zhì)濃度;氧化態(tài)氮(NO-x)的去除也受制于混合液的回流速率，且完全脫氮不可能實現(xiàn);混合液回流還會增加能量消耗和工藝復(fù)雜度.
缺氧段置于好氧段之后的后置缺氧反硝化方式，因省去了混合液回流而簡化了工藝流程，且能實現(xiàn)較好的脫氮除磷效果而得到了廣泛的研究.與前置反硝化相比，外碳源已在厭氧段或好氧段消耗，后置缺氧段反硝化菌以內(nèi)碳源(糖原或PHA)為電子供體，以NO-x為電子受體驅(qū)動反硝化.Coats 等(2011)和Winkler等(2011)研究了后置缺氧序批式反應(yīng)器(SBR)工藝，Bracklow等(2010)和Vocks等(2005)研究了連續(xù)流后置缺氧膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝，均取得了良好的脫氮除磷效果.這些研究表明，后置缺氧段雖未外加碳源，但微生物可利用胞內(nèi)糖原或PHA驅(qū)動反硝化脫氮.此外，Xu等(2011)在后置缺氧反硝化的基礎(chǔ)上將部分厭氧段混合液分配進(jìn)缺氧段實現(xiàn)反硝化除磷，并在好氧段實現(xiàn)了同步硝化-反硝化.這種改進(jìn)雖然實現(xiàn)了反硝化除磷，但又增加了工藝復(fù)雜程度.后置反硝化的厭氧/好氧/缺氧SBR工藝解決了混合液回流的問題，但該工藝是否有進(jìn)一步改進(jìn)的空間?
根據(jù)傳統(tǒng)生物強(qiáng)化除磷(EBPR)理論，EBPR通過厭氧/好氧或厭氧/缺氧交替運行實現(xiàn).這種條件為聚磷菌(PAOs)代謝生長提供選擇性優(yōu)勢，使之能厭氧吸收揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)合成為PHA，并好氧吸收磷酸鹽(Coats et al., 2011).PAOs厭氧吸收VFAs的能量來源于聚磷降解和糖原分解，而糖原分解為PHA合成提供還原力(Smolders et al., 1994).在好氧或缺氧條件下，PAOs通過三羧酸循環(huán)(TCA)為自身生長、糖原儲存、磷酸鹽攝取和聚磷合成提供能量(Smolders et al., 1995).EBPR系統(tǒng)中也存在聚糖菌(GAOs)，這種微生物除不能厭氧釋磷和好氧攝磷外，其他代謝方式與PAOs相似，故能與PAOs形成競爭關(guān)系，影響除磷效果.因此，為達(dá)到聚磷菌釋磷的目的，活性污泥需經(jīng)厭氧攪拌以充分接觸污水中VFAs.聚磷菌能通過聚磷分解供能吸收VFAs，但筆者研究厭氧/好氧/缺氧SBR工藝時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水后未厭氧攪拌而靜置1 h后直接曝氣，靜置期系統(tǒng)中仍可監(jiān)測到磷酸鹽的大量釋放，且曝氣開始后磷酸鹽仍能被快速過量吸收.同時，后置缺氧段實現(xiàn)了反硝化脫氮，從而達(dá)到了脫氮除磷的目的.在未攪拌而直接靜置階段，雖未與污水充分接觸系統(tǒng)，活性污泥為什么能像傳統(tǒng)厭氧段那樣大量釋磷?該階段聚磷菌釋磷與傳統(tǒng)厭氧釋磷有什么異同之處?由于并未攪拌，靜置段聚磷菌代謝方式會不會與傳統(tǒng)厭氧段聚磷菌代謝方式有所不同?靜置段的設(shè)置對好氧攝磷及缺氧反硝化脫氮影響有哪些?反硝化脫氮是不是也通過內(nèi)聚物驅(qū)動，是通過糖原還是PHA或兩者均有?這些問題都值得深入研究.同時，若靜置/好氧/缺氧SBR可達(dá)到與厭氧/好氧/缺氧SBR相當(dāng)甚至更好的脫氮除磷效果，以靜置段代替厭氧段并省卻攪拌，將簡化工藝并節(jié)省能量，這也是在后置缺氧工藝上的進(jìn)一步優(yōu)化探索.眾所周知，氮磷大量排放會引起水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，而傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝運行成本高.因此，這種探索對于簡化工藝、節(jié)約成本、防治水體富營養(yǎng)化具有重要的理論和實際意義，值得更深入地研究分析.
因此，本文以乙酸鈉為單一碳源，考察靜置/好氧/缺氧SBR長期運行中脫氮除磷性能，并設(shè)置厭氧/好氧/缺氧SBR以進(jìn)行對比.由于本研究以靜置段替代傳統(tǒng)厭氧段，因而首先必須探究靜置段聚磷菌代謝機(jī)理，以論述靜置段與傳統(tǒng)厭氧段的異同點及靜置段在靜置/好氧/缺氧SBR的地位作用.其次考察兩系統(tǒng)釋磷、好氧攝磷、同步硝化-反硝化及缺氧反硝化異同點.然后分析靜置段替代厭氧段對系統(tǒng)攝磷、硝化及反硝化有哪些影響，以深入研究靜置/好氧/缺氧SBR的脫氮除磷性能.最后，根據(jù)脫氮除磷效果，對靜置/好氧/缺氧SBR可否替代厭氧/好氧/缺氧SBR作初步判斷，以期為后置缺氧工藝的研發(fā)與應(yīng)用提供新思路.
2 材料與方法
2.1 試驗裝置與運行方法
試驗在2個相同的SBR中進(jìn)行，反應(yīng)器有效體積為1.8 L.接種的活性污泥取自長沙市第一污水處理廠，起始活性污泥濃度約為4000 mg · L-1.R1運行方式如下：進(jìn)水→靜置(1 h)→曝氣(2.5 h)→缺氧攪拌(3 h)→沉淀出水(0.5 h)→閑置(1 h);R2運行方式如下：進(jìn)水→攪拌(1 h)→曝氣(2.5 h)→缺氧攪拌(3 h)→沉淀出水(0.5 h)→閑置(1 h).好氧采用鼓風(fēng)曝氣，曝氣量控制為1.5 L · min-1.水力停留時間(HRT)為12 h.控制污泥停留時間為20 d，整個過程中不控制pH.
2.2 污水水質(zhì)
兩反應(yīng)器進(jìn)水采用合成廢水，進(jìn)水成分及濃度一致.乙酸鈉(10.88 mmol · L-1，以C計，理論COD值為350 mg · L-1)為單一碳源，氨氮采用氯化銨(40 mg · L-1，以NH+4-N計)，溶解性正磷酸鹽(SOP)采用磷酸二氫鉀(12 mg · L-1，以PO3-4-P計).此外，CaCl2及MgSO4濃度皆為5 mg · L-1，微量元素溶液為0.5 mL，其組分及濃度見文獻(xiàn)(Wang et al., 2008).
2.3 分析方法
PHA測定采用氣相色譜法(Wang et al., 2008);NO-2-N測定采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，SOP測定采用鉬銻抗分光光度法，NO-3-N測定采用紫外分光光度法，混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)測定采用重量法，NH+4-N測定采用納氏試劑分光光度法，具體方法參照文獻(xiàn)(國家環(huán)保總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會，2002);污泥中總磷(TP)采用NaOH熔融鉬銻抗分光光度法測定(Wang et al., 2009)，糖原(Glycogen)采用苯酚-硫酸法測定(Wang et al., 2009)，廢水總有機(jī)碳濃度(TOC)采用TOC測定儀(ShimadzuTOC-500，日本)測定.
3 結(jié)果與分析
3.1 靜置段微生物代謝分析
由于靜置段與傳統(tǒng)厭氧段有所不同，而這種差異是否影響微生物代謝，進(jìn)而影響生物強(qiáng)化除磷效果值得探討.本文將從釋磷、VFA攝取、糖原分解及PHA合成等方面進(jìn)行分析.運行穩(wěn)定階段，R1和R2典型周期內(nèi)SOP、TOC、糖原和PHA(聚β羥基丁酸(PHB)+聚β羥基戊酸(PHV)+聚二甲基三羥基戊酸(PH2MV))一個周期內(nèi)的變化情況如圖 1所示.
圖 1 R1(a)和R2(b)典型周期內(nèi)SOP、糖原和PHA的變化
R2厭氧段迅速釋磷，釋磷量為74.34 mg · L-1，釋磷速率為24.11 mg · g-1 · h-1(以每g VSS釋放的P(mg)計).R1靜置段釋磷量相對較少，但仍有38.67 mg · L-1，釋磷速率為12.86 mg · g-1 · h-1. Montil 等(2005)和Mamais等(1992)認(rèn)為傳統(tǒng)EBPR工藝厭氧段磷酸鹽釋放速率分別為5~30 mg · g-1 · h-1和7~20 mg · g-1 · h-1. 雖然R1釋磷量僅為R2的1/2，但與傳統(tǒng)厭氧段釋磷速率相比，R1靜置段釋磷速率在其變化范圍內(nèi)且偏高.這表明進(jìn)水后雖未攪拌活性污泥，但R1中聚磷菌仍可較快分解聚磷以迅速吸收水中VFA，故其靜置釋磷速率仍較高.可見，R1系統(tǒng)內(nèi)雖無傳統(tǒng)厭氧段，聚磷菌仍能優(yōu)勢生長.與R2厭氧段一致，R1靜置段也會發(fā)生糖原分解及PHA合成.R1靜置段和R2厭氧段釋磷量(Prel)、VFA攝取量(VFAup)、PHA合成量(PHAsyn)及糖原降解量(Glydeg)之間的轉(zhuǎn)化比例和PHA各組分百分比與文獻(xiàn)報道的傳統(tǒng)厭氧段的數(shù)據(jù)比較結(jié)果見表 1.
R1靜置段PHA合成量、糖原分解量及釋磷量在傳統(tǒng)厭氧段的變化范圍內(nèi)，表明PAOs在靜置段內(nèi)的代謝方式與傳統(tǒng)厭氧段內(nèi)的代謝相似.由表 1可知，R1和R2的Glydeg/PHAsyn分別為0.65、0.60.Arun 等(1988)和Carvalho等(2007)認(rèn)為該比例在0.28~0.36之間或更高時預(yù)示EBPR運行成功.當(dāng)Prel/VFAup較小(0.15~0.45)，而Glydeg/VFAup較高(0.67~0.78)時，PHV占PHA比重(PHV/PHA)明顯偏高(20.0%~28.6%);相反，當(dāng)Prel/VFAup較高(0.48~0.96)，而Glydeg/VFAup較低(0.46~0.53)時，PHV占PHA比重(PHV/PHA)明顯偏低(6%~12%).乙酸鈉作為碳源被PAOs吸收后，直接轉(zhuǎn)化為乙酰-CoA，后者將聚合成PHB.但PAOs能通過還原性三羧酸循環(huán)(TCA)+琥珀酸-丙酸途徑生成丙酰-CoA，進(jìn)而與乙酰-CoA合成PHV(Kortstee et al., 2000).本研究中R1和R2 的Prel/VFAup偏低，而Glydeg/VFAup和PHV占比偏高.某些聚磷菌可能更多地依賴糖原降解，而還原性TCA可平衡源于糖酵解產(chǎn)生的還原力(Oehmen et al., 2010).據(jù)此推斷，聚磷菌更多地依賴糖原降解提供能量，產(chǎn)生較多還原力，因而為了平衡還原力，PAOs通過該途徑合成較多的丙酰-CoA，進(jìn)而合成較多的PHV.以上分析表明，靜置段能起厭氧段作用而省卻了攪拌，聚磷菌能優(yōu)勢生長并快速釋磷，為好氧迅速攝磷奠定基礎(chǔ).當(dāng)然，本研究所采用的反應(yīng)器較小，在一定程度上利于物質(zhì)傳遞.而對于較大反應(yīng)器是否有同樣效果，以及其相應(yīng)的改良措施則需進(jìn)一步研究.
表1 傳統(tǒng)厭氧段與靜置段的化學(xué)計量數(shù)及PHA組分百分比的比較(以乙酸鈉為碳源)
?3.2 R1和R2除磷性能比較
PAOs在兩系統(tǒng)好氧段均能迅速吸收廢水中的磷酸鹽.R1、R2中SOP分別從好氧段初的46.67、82.34 mg · L-1下降到好氧段末的2.32、0.93 mg · L-1，其磷酸鹽的平均吸收速率分別為5.90、9.53 mg · g-1 · h-1，R2高于R1.R2厭氧段聚磷菌釋磷更充分，因而攝磷速度更快，好氧段末SOP即在1 mg · L-1以下;而R1靜置段釋磷較R2少，攝磷速度亦相對較慢.從好氧代謝看，R1與R2相同，隨著磷的攝取R1好氧段發(fā)生PHA降解與糖原補(bǔ)充，但R2的Glysyn/PHAoxi較R1小(表 2)，其原因可能是在R2厭氧段釋磷更多的情況下，R2中聚磷菌氧化PHA所獲能量較多地用于SOP攝取及聚磷合成，而用于糖原補(bǔ)充則相對較少，故Glysyn/PHAoxi較小.雖然R1好氧段末SOP較高，為2.32 mg · L-1，但隨著反硝化進(jìn)行，SOP逐漸吸收，從而使SOP在缺氧結(jié)束時降至0.91 mg · L-1.因此，推斷R1中存在反硝化聚磷菌(DPAOs)，能以NO為電子受體攝取SOP(Xu et al.， 2011)，反硝化攝磷速率為0.18 mg · g-1 · h-1.脫氮的同時使SOP濃度進(jìn)一步降低，達(dá)到與R2相當(dāng)?shù)某仔Ч?R1和R2長期運行過程中的除磷效果見圖 2.由圖 2可知，R1和R2長期運行過程中，除磷效果穩(wěn)定良好，平均出水濃度分別為0.91和0.93 mg · L-1，平均去除率分別為92.4%和92.1%.與設(shè)厭氧段的R2相比，設(shè)靜置段的R1具有相當(dāng)?shù)某仔Ч?這表明與厭氧/好氧/缺氧SBR相比，靜置/好氧/缺氧SBR能在長期運行過程中取得與之相當(dāng)?shù)牧己贸仔Ч?
圖 2 R1和R2長期運行的除磷效果
表2 好氧段和后置缺氧段微生物代謝
3.3 R1和R2脫氮性能比較
圖 3為R1和R2典型周期內(nèi)NH+4-N、NO-2-N和NO-3-N的變化情況.由圖 3可知，好氧段內(nèi)兩系統(tǒng)中的氨氮幾乎被完全氧化，至好氧段末R1和R2中氨氮濃度分別為0.27、0.19 mg · L-1，去除率分別為99.3%和99.5%.氨氮被氧化成硝氮或亞硝氮，但由圖 3可知，好氧段氨氮減少量與NO-x生成量差距較大，因此，可考慮好氧段是否發(fā)生同步硝化-反硝化.好氧段氨氮主要有3個去向：氧化成NO-x，同步硝化-反硝化為N2及細(xì)胞同化為生物氮.生物氮可以細(xì)胞分子式 C5H7NO2計算(N占比12%)(Bruce et al., 2001).因反應(yīng)器中總生物量處于平衡狀態(tài)，則每個周期排放的污泥量應(yīng)相當(dāng)于該周期新增的生物量.每周期混合液排放量為30 mL，再由MLVSS和生物氮占比可計算每周期同化生物氮量.同步反硝化脫氮量(SDN)由被氧化的氨氮扣除生成的NO-x和同化的生物氮而得.經(jīng)計算，R1和R2同步反硝化脫氮量分別為4.84、2.62 mg · L-1，分別占進(jìn)水總氮的18.0%、9.8%(表 3).好氧段發(fā)生同步反硝化的原因可能是活性污泥絮凝體從表面到內(nèi)核，氧的分布并不均勻.外層為好氧區(qū)，進(jìn)行硝化反應(yīng);內(nèi)層為缺氧區(qū)，進(jìn)行反硝化反應(yīng).Satoh等(2003)發(fā)現(xiàn)硝化和反硝化能在絮凝體的不同區(qū)域同時進(jìn)行.此外，也有可能存在好氧反硝化菌(Kim et al., 2005).雖然進(jìn)水氨氮濃度相同，但R1同步反硝化脫氮量比R2多，可能是由于R1中氨氧化菌(AOBs)相對亞硝酸鹽氧化菌(NOBs)更多，從而亞硝酸積累量更多.由圖 3可知，好氧段內(nèi)R1中亞硝酸鹽積累量可達(dá)6.31 mg · L-1，而R2中亞硝酸鹽積累量最多僅為2.40 mg · L-1，因而更多的亞硝酸鹽可能直接通過短程反硝化還原為氮氣，而不必進(jìn)一步氧化為硝酸鹽再逐步還原為氮氣;而R2積累的亞硝酸較少，可能因其進(jìn)一步氧化為硝氮，故反硝化時需先還原為亞硝氮再還原為氮氣.因此，R1同步硝化-反硝化更快.
圖 3 R1(a)和R2(b)典型周期內(nèi)NH+4-N、NO-2-N和NO-3-N的變化
R2外碳源在厭氧段已完全消耗，而R1外碳源在靜置段結(jié)束時雖有剩余，但曝氣后則立即吸收，即R1和R2缺氧段已無外碳源.由圖 1和圖 3可知，R1和R2缺氧段內(nèi)NO-x逐漸下降，且此時PHA保持平穩(wěn)并未下降，而糖原則逐漸下降，因此，可推斷R1和R2在缺氧段發(fā)生了以NO-x為電子受體，以胞內(nèi)糖原為電子供體的后置反硝化反應(yīng)，這與Coats 等(2011)和Winkler等(2011)的報道一致.微生物內(nèi)源性衰解驅(qū)動反硝化速率為0.2~0.6 mg · g-1 · h-1(Kujawa et al., 1999)，本文中R1和R2后置反硝化速率分別為0.98和0.84 mg · g-1 · h-1.Coats等(2011)和Winkler等(2011)測得后置反硝化速率分別為0.67~0.88 mg · g-1 · h-1和0.31~0.95 mg · g-1 · h-1(20 ℃校正，校正公式見文獻(xiàn)(Vocks et al., 2005)).可見，R1和R2后置反硝化速率高于微生物內(nèi)源性衰解反硝化速率，而與文獻(xiàn)報道的后置反硝化速率相當(dāng).每還原一定量的硝氮需相應(yīng)一定量的糖原，2.86 mg(COD)/mg(NO-3-N)表示每還原1 mg NO-3理論上需2.86 mg COD(Winkler et al.， 2011).據(jù)此計算，每還原1 mg NO-2-N則需1.14 mg COD.為更好地探討糖原驅(qū)動后置反硝化脫氮，統(tǒng)計了硝氮與糖原之間的定量關(guān)系數(shù)據(jù)，具體見表 2.從表 2可知，R1和R2缺氧還原硝氮理論所需糖原分別占缺氧實際消耗糖原的30.4%和31.2%，這與Coats 等(2011)的研究結(jié)果相當(dāng)，而較Winkler等(2011)的研究結(jié)果高.缺氧段不到1/2的糖原用于硝氮還原，剩余糖原可能通過糖酵解為微生物供能以維持生長.R1缺氧消耗糖原較R2多，其硝氮還原量亦較多(表 2).R1反硝化速率高于R2，可能就是由于R1缺氧段分解的糖原量(0.90 mmol · g-1)較R2(0.75 mmol · g-1)分解的多(表 2).至于為何R1缺氧糖原分解量較R2多，其原因可能是R2 好氧段氧化PHA所獲能量更多地用于SOP攝取及儲存，用于糖原補(bǔ)充則相對較少，從而導(dǎo)致缺氧段糖原分解較少.由表 2還可知，R1中Glysyn/PHAoxi較R2小.R1和R2缺氧段反硝化速率(DNR)如表 4所示.具體參見 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
表3 R1和R2好氧段同步硝化-反硝化
?表4 R1和R2缺氧段反硝化速率
?綜合對比R1和R2好氧段和缺氧段脫氮性能發(fā)現(xiàn)，設(shè)置靜置段的R1比設(shè)置厭氧段的R2有更高的同步硝化-反硝化脫氮量和反硝化速率，故在氨氮氧化量幾乎相同情況下，R1硝氮出水濃度較R2低(表 4).因而具有更好的脫氮效果.R1和R2長期運行過程中脫氮效果見圖 4.由圖 4可知，長期運行過程中R1和R2脫氮效果穩(wěn)定，平均出水TN分別為6.62和9.21 mg · L-1，平均脫氮率分別為83.5%和77.0%.可見，R1脫氮效果好于R2.
圖 4 R1和R2長期運行的脫氮效果
4 結(jié)論
在兩反應(yīng)器進(jìn)水乙酸鈉、氨氮(NH+4-N)及磷酸鹽(PO3-4-P)濃度均分別為350 mg · L-1(以COD計)、40 mg · L-1及12 mg · L-1，水力停留時間(HRT)為12 h時，對比研究了靜置/好氧/缺氧SBR(R1)與厭氧/好氧/缺氧SBR(R2)的生物脫氮除磷性能. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靜置段可起厭氧段作用，這為生物強(qiáng)化除磷奠定了基礎(chǔ);靜置/好氧/缺氧SBR的 SOP和TN去除率分別為92.4%和83.5%，厭氧/好氧/缺氧SBR的SOP和TN去除率分別為92.1%和77.0%;以靜置段代替厭氧段的靜置/好氧/缺氧SBR可達(dá)相當(dāng)?shù)某仔Ч捎赗1同步硝化-反硝化脫氮量及后置反硝化脫氮量均較R2多，故其脫氮效果更好.該設(shè)置在避免污泥回流的基礎(chǔ)上省卻厭氧攪拌而簡化工藝，降低了處理成本.
