低碳条件下不同厌氧时长对双PAOs协同EBPR系统效能的影响

为探究低碳条件下不同厌氧时长对双PAOs(聚磷菌)协同强化生物除磷(EBPR)系统脱氮除磷效能的影响,采用厌氧/好氧交替运行的SBR反应器,以混合氨基酸(谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸和脯氨酸)为碳源。结果表明:随着厌氧时长的延长,除磷率总体大幅提高,当厌氧时长为4 h时最高可稳定在80%以上,而氨氮去除性能直至后期逐渐上升至80%以上;16s rRNA高通量测序结果显示,发酵型PAOs如Tetrasphaera偏好利用混合氨基酸这类大分子有机物并与传统型PAOs协同除磷,但厌氧时长为8 h时系统的脱氮和除磷性能均出现了不同程度的波动,且Tetrasphaera和Accumulibacter丰度也随着厌氧时间的延长呈现出先上升后下降的趋势,但硝化细菌丰度整体上升。总体来讲,延长厌氧时间有利于协同除磷脱氮模式的建立,但考虑系统性能的稳定及长期运行效果,4 h厌氧对于低碳条件下双PAOs协同EBPR系统更为合理。

EBPR法对污水中磷去除的探讨

氮、磷是造成水体富营养化的主要营养物,其中对磷含量的控制一直是社会关注的重点。本文基于SBR法的EBPR(强化生物除磷)系统,介绍了EBPR系统除磷的工作原理及其发挥作用的功能菌属,剖析了影响聚磷菌的关键因素,以期为生物除磷工艺提供参考。

DO浓度对EBPR耦合SND处理低C/N污水的影响

为了解厌氧/好氧运行的序批式反应器(SBR)中,强化生物除磷(EBPR)与同步硝化反硝化(SND)的耦合脱氮除磷特性,以实际低C/N(约为3.5)生活污水为处理对象,先通过调控进水C/N考察其对EBPR启动和聚磷菌(PAOs)富集情况的影响,再通过调控好氧段DO浓度考察其对系统脱氮除磷性能、SND率及碳源转化特性的影响.结果表明,DO浓度为2.0mg/L,当进水C/N由3.2提高至7.5并降至3.8时,反应器出水PO_4^(3-)-P浓度由3.9mg/L逐渐降至0.5mg/L以下,且厌氧释磷量(PRA)由3.3mg/L逐渐升高至约30mg/L.此后,当DO浓度逐渐降至约1.0mg/L时,SND现象愈加明显,且其与EBPR耦合使得系统总氮(TN)和PO_4^(3-)-P去除率分别提高至85%和94%.但当DO浓度约为0.5mg/L时,硝化过程进行不完全,亚硝酸盐积累较为明显,耦合系统中存在同步短程硝化反硝化现象.DO浓度为约1.0mg/L时,系统具有最高的脱氮除磷性能.此外,当DO浓度由2.0mg/L降至0.5mg/L时,PAOs较聚糖菌(GAOs)在厌氧内碳源储存中的贡献逐渐减小(PPAO,An由30.3%逐渐降至20.2%),PRA降低约7mg/L.DO浓度为1.0~1.5mg/L最有利于系统厌氧段内碳源PHA的合成.

不同碳源对EBPR系统厌氧计量学参数的影响

采用乙酸/丙酸交替、葡萄糖、实际生活污水为碳源长期驯化的三个强化生物除磷系统,研究了不同碳源对磷的释放和聚羟基烷酸(PHA)转化的影响、聚磷菌种群结构以及微生物代谢PHA和糖原的厌氧化学计量学。结果表明,从182d起三个系统均获得稳定的除磷性能,第300d三个系统内聚磷菌所占全菌的比例分别达到:89%±3%、55%±3%、45%±4%。乙酸、葡萄糖、生活污水为碳源时,聚磷菌细胞内贮存聚羟基丁酸(PHB)和聚羟基戊酸(PHV),丙酸为碳源PHA完全由PHV组成,四种类型碳源都未检测到聚二甲基三羟基戊酸(PH2MV)的生成。计量学研究表明:聚磷菌吸收1C-mol的乙酸,细胞内合成1.15C-mol PHB,0.15C-mol PHV,分解0.47C-mol糖原;吸收1C-mol的丙酸生成0.44C-mol的PHV,分解0.271C-mol的糖原;吸收1C-mol的葡萄糖生成极少量的PHB和0.16C-mol PHV,分解0.16C-mol糖原;以实际生活污水为碳源,消耗1mg的COD,合成0.98mg PHB、0.13mg PHV(以COD计)。当以乙酸为碳源时获得最高的厌氧释磷量及最大的释磷速率,分别为:134mg.L-1和23.80mg P.(g VSS)-1.h-1。以丙酸与葡萄糖为碳源时释磷速率相似,以生活污水为碳源的情况下释磷速率最小。

化学除磷药剂对EBPR系统处理效能的影响

为研究化学除磷药剂的种类及投加浓度对强化生物除磷系统(EBPR)处理效率的影响,采用以厌氧/好氧方式运行的SBR反应器,以人工配制废水为进水,通过长期试验,分别考察了FeCl_3和AlCl_3两种除磷药剂的投加对系统出水水质的影响。结果表明:随着化学除磷药剂投加浓度的增加,出水COD浓度逐渐降低,而氨氮去除率未随化学除磷药剂投加量的增加而产生明显的变化;低浓度(Fe^(3+)和Al^(3+)的投加浓度分别不大于8 mg/L和6 mg/L)化学除磷药剂将提高微生物活性,高浓度(Fe^(3+)和Al^(3+)的投加浓度分别为24 mg/L和18 mg/L时)产生抑制效果。长期试验中,当Fe^(3+)、Al^(3+)投加量分别为8 mg/L和6mg/L时,即Fe^(3+)、Al^(3+)投加量分别为8.6、7.0 mg/(g VSS)时,系统厌氧释磷量及好氧吸磷量均达到较大值,系统除磷效果最好,此时磷酸盐去除率分别为96.5%和89.5%。

低温对EBPR系统生物除磷特性的影响

以实际生活污水为研究对象,在SBR系统中采用厌氧/好氧运行方式,考察低温对EBPR生物除磷系统除磷特性的短期影响。试验在20℃驯化除磷污泥,除磷率稳定维持在90%以上。随后,温度分别控制为15,10和5℃,考察低温对EBPR系统的短期影响。研究结果表明:4种温度下(20,15,10和5℃)的厌氧释磷率分别为358.5%,358.5%,247.8%和209.1%;厌氧阶段挥发性脂肪酸(VFAs)的利用率分别为100%,88.9%,58.4%和33.8%;好氧前30 min的吸磷速率分别为11.67,6.43,2.24和1.34 mg/(g.h)。温度在15℃时,EBPR系统仍具备较好的除磷性能;温度低于15℃后,EBPR系统的除磷性能恶化;温度低于10℃时,聚糖菌的活性受到较大的抑制。

EBPR工艺运行效果的主要影响因素及研究现状

强化生物除磷工艺(EBPR)因其经济、高效得到越来越广泛的应用。但由于环境因素和参数控制等影响,系统的长期稳定性和可靠性难以维持。在生物除磷机理的基础上,结合国内外研究现状,综述了碳源、pH、进水温度、电子受体、污泥龄(SRT)等对EBPR系统的影响,并综合现有的研究基础和发展趋势,对EBPR的研究方向进行了展望。总结了聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)的最优生长条件和EBPR系统运行的最佳参数控制,以期为EPBR工艺的微生物种群结构调控以及增强工艺的稳定性等提供参考。

EBPR工艺污泥中聚磷菌多样性与除磷潜力评价方法

自1970年代研究者发现聚磷菌(polyphosphate accumulating organism,PAO)并提出经典的强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal,EBPR)工艺“厌氧释磷-好氧摄磷”机理以来,随着EBPR工艺中PAO新菌株的不断发现和生理生化特征研究的不断深入,研究者们对EBPR机理的认识一直在不断更新.及时总结近40年来EBPR机理的研究进展,基于活性污泥中PAO菌株信息全面归纳PAO多样性特征,以此为依据客观评价目前活性污泥中PAO除磷潜力评价方法的不足并展望未来重点研究方向,对于推动EBPR工艺优化升级将具有非常重要的理论与实际意义.本文全面调研了1980—2021年国际期刊相关文献,发现传统EBPR机理中厌氧内碳源合成、厌氧释磷意义等受到了较多质疑,反硝化聚磷新机理已获得广泛认同;活性污泥中PAO具有异常丰富的多样性,包含Acinetobacter(29%)、Pseudomonas(15%)、Tetrasphaera(4%)、Alcaligenes(4%)等42个菌属,部分PAO具有反硝化聚磷和异养硝化能力.在目前主流的活性污泥PAO除磷潜力评价方法中,荧光原位杂交和定量PCR技术只以Accumulibacter或Acinetobacter属PAO为检测对象,高通量测序和变性梯度凝胶电泳技术基于片面的PAO多样性信息作为分析依据,在此基础上PAO丰度所反映的PAO除磷潜力的准确性尚存在疑问,未来需要加强面向活性污泥PAO多样性的探针或特异性引物的研发.与传统方法相比,EDTA法胞内多聚磷酸盐颗粒含量检测技术较为先进,但需要以PAO和非PAO菌株为参照深入阐明检测结果的边界.

碳硫比和硝酸根投加量对DS-EBPR工艺的影响研究

为获得适宜的硫循环协同反硝化生物除磷工艺(DS-EBPR)运行条件,采用批次实验研究了进水m(C)/m(S)和NO_3^--N投加量对DS-EBPR的影响,同时对工艺代谢机理进行初步研究。结果表明,m(C)/m(S)为150/200时有最大吸磷速度2.4 mg/(g·h),而PHA的储存和消耗速度却最低,同时poly-S的储存和消耗速度却最大。DS-EBPR释磷段和吸磷段的反应进行能量平衡分析,说明poly-S在DS-EBPR工艺运行中可作为潜在的能量来源。poly-S在吸磷段可调节NO_3^--N的反硝化作用,可减少NO_3^--N对下一周期释磷段的影响,以达到良好的释磷效果。DS-EBPR工艺的反应机理明显不同于传统的EBPR工艺。

影响EBPR系统运行效果的主要因素研究进展

结合国内外对生物除磷的最新研究进展,在阐述生物除磷机理的基础上,分析了主要因素对EBPR系统除磷效果的影响。结果表明:EBPR系统运行的最适温度为15~25℃;当EBPR系统p H为7~8时,总磷去除率可达最高,且聚磷菌所占生物量的比例及种类达到最大;污泥龄(SRT)为8~10 d时可得到长期稳定运行的EBPR系统,SRT为2~3.5 d时,短期内可获得高效的处理效果,但若维持系统的长期稳定运行,还需克服污泥膨胀的问题;当丙酸或葡萄糖/乙酸混合物(50%/50%)为基质时,更易获得高效稳定的除磷系统,丙酸为基质时负荷不易过高,应维持在200~400 mg/L左右;溶解氧(DO)仍是主要的电子受体,且O2浓度应保持在0.5~2 mg/L之间。

基于磷回收的低温微氧EBPR系统的表观与微观特性

在低溶解氧(DO=1mg/L)条件下启动2个厌氧/好氧交替运行的SBR(A/O-SBR),中温(22±1)℃SBR1和低温(14±1)℃SBR2,考察侧流磷回收工艺对低耗主流强化生物除磷(EBPR)系统污染物去除性能、微生物种群结构和磷回收潜能的影响.结果表明,SBR1和SBR2的脱氮及COD去除性能未受磷回收操作的影响,但是在除磷方面,SBR1的EBPR性能更稳定,对侧流磷剥夺更耐受,平均除磷率达90.7%,而SBR2在侧流磷回收阶段的平均除磷率为78.4%.此外,基于侧流磷回收的微氧EBPR系统可在低温下保持较为稳定的生物质浓度(VSS),但实施侧流磷回收后SVI值由104.6mL/g升至216.8mL/g,系统发生污泥膨胀.基于16SrRNA的高通量测序结果表明,主流系统的微生物种群结构在侧流磷回收阶段发生了较大变化,CandidatusCompetibacter、Flavobacterium(黄杆菌属)和Dechloromonas(脱氯单胞菌属)骤增,Candidatus Accumulibacter的相对丰度从12.5%降至6.4%.经计算,在1/3侧流比前提下SBR1与SBR2的磷回收潜能分别为68.8%和69.4%.总的来说,微氧EBPR系统的运行温度是保证侧流磷回收稳定进行所要考虑的重要因素之一.

影响EBPR系统生物除磷的主要因素

以投加GMTR菌株后获得稳定除磷效果的EBPR装置为研究对象,研究进水中乙酸盐比例、进水pH值及污泥停留时间对其除磷效果的影响。试验结果表明:厌氧前45min,当乙酸质量分数<30%时,释磷量随废水中乙酸浓度增大而逐渐增大;厌氧2h后,废水中乙酸浓度对释磷量影响较小。厌氧释磷、好氧吸磷及COD降解最适pH值均为6.0～7.0;当pH值>8.0时,系统失去强化生物除磷能力,磷去除率仅为39.7%,出水COD浓度明显提高。当污泥泥龄为4d时,出水磷浓度较低,装置的运行效果最好。

EBPR中两类细菌PAOs和GAOs竞争的研究进展

强化生物除磷(EBPR)工艺可以获取高效的除磷效果,已在很多污水处理厂得到广泛应用。但是大型污水处理厂在相当多的条件下,EBPR工艺也会出现周期性除磷效果的波动和不充分。针对这一难题,研究者试图采用许多手段来研究工艺中的主要微生物。文章针对典型的EBPR工艺和碳源、pH值、温度等因素对EBPR工艺中两类细菌聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)竞争的研究进展进行了论述,并展望了未来的研究方向。

不同丙酸/乙酸长期驯化的活性污泥对EBPR的影响

通过长期驯化的SBR增强生物除磷系统,研究了不同丙酸/乙酸对磷和PHA转化的影响,以及微生物代谢PHA及其组分的计量学.结果表明,随着丙酸/乙酸的升高,系统的除磷能力增强;污水中合适的丙酸/乙酸(C-mol比)为2∶1.计量学研究表明,聚磷菌消耗1 C-mol乙酸生成0.65 C-mol PHB和0.33 C-mol(PHV+PH2MV),消耗1 C-mol丙酸生成极小量PHB和1.21C-mol(PHV+PH2MV).磷去除率与(PHV+PH2MV)代谢有良好的相关性.

碳源对EBPR系统响应过程的数值模拟及工艺优化

根据分别以乙酸、丙酸为碳源的强化生物除磷(EBPR)系统中PHA的合成机制出现差异的现象,对全耦合活性污泥数学模型FCASM3的除磷模块进行相应的修改,将易生物降解基质SS分为乙酸SA和丙酸SPRO。应用MATLAB语言为修改后模型的除磷模块编写了一套SBR工艺的模拟程序,模拟了EBPR系统的出水COD、氨氮、磷酸盐,以及分别以乙酸、丙酸为碳源时系统一个周期中PHA的变化。在此基础上,运用该模型对SBR工艺进行了参数优化模拟试验,通过多因素正交模拟试验结果分析,得到了该系统最佳的运行工况:维持溶解氧在2mg/L、水力停留时间为28h、污泥龄为15d,可达到最佳的COD、氨氮和磷酸盐的处理效果。

微好氧EBPR系统污泥的同步脱氮及吸磷特性

反硝化聚磷菌在污水同步脱氮除磷,尤其有限碳源污水的处理,具有广阔的应用前景,而亚硝酸盐型反硝化除磷因仅将硝化进行到亚硝酸盐阶段可进一步降低污水的处理费用.采用一个2L的SBR反应器,通过控制好氧段溶解氧并调整NO_2^-投加时间,在EBPR系统内成功富集了兼具稳定除磷和脱氮性能的污泥,用以考察污泥的缺氧吸磷特性及同步脱氮能力.结果表明:微好氧条件下(DO=0.2mg/L)反应器具有很高的氮、磷去除性能,系统内的NH4^+-N能100%硝化且无NO_X^--N的积累,出水磷浓度低于0.5mg/L.此外,该除磷污泥能利用亚硝酸盐进行缺氧吸磷,NO_2^--N投加浓度为10mg/L和50mg/L时的最大比吸磷速率分别为最大比好氧吸磷速率的44.9%和87.2%.批式试验证明:NH4^+-N通过同步硝化反硝化而非厌氧氨氧化去除,但微好氧条件下氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌活性均较聚磷菌差,因此,低DO条件下,吸磷总是优先于氨氧化进行.

纳米ZnO浓度对EBPR系统除磷性能的影响

采用SBR工艺接种成熟的强化生物除磷(EBPR)絮状污泥,研究了不同浓度纳米ZnO(ZnO NPs)对颗粒化EBPR系统性能的影响。结果表明:低浓度(≤1 mg/L)ZnO NPs可促进厌氧释磷和好氧吸磷作用;随着ZnO NPs浓度的增加,磷酸盐及COD去除能力受到明显抑制;在厌氧释磷过程中,PAOs对ZnO NPs的毒性更为敏感;与未受ZnO NPs污染的系统相比,ZnO NPs浓度为15 mg/L条件下的释磷速率与吸磷速率分别下降了0.1 mg/(gVSS·min)和0.15 mg/(gVSS·min)。

不同C/P下低耗EBPR的脱氮除磷及侧流磷回收性能

采用厌氧交替好氧(A/O)模式下运行的SBR反应器,考察低耗(DO=1.0 mg/L)条件下不同进水m(COD)/m(P)(记作C/P)对主流强化生物除磷(Enhanced biological phosphorus removal,EBPR)系统脱氮除磷效果及其相应的厌氧磷回收性能的影响。结果表明,当进水P浓度保持不变,C/P逐步降低(C/P=400/8、350/8、300/8)时,系统厌氧末期释磷量随进水碳源浓度的降低而逐步减小,相应的侧流磷回收率从61.5%降至45.3%,而磷去除率和出水磷达标率分别从96.7%和93.3%降至87.7%和30.0%,说明侧流系统的磷回收率和主流系统的除磷效率均受进水碳源浓度的影响,期间,NH_(4)^(+)-N去除性能一直良好,TN去除率变化不大。继续降低C/P至400/12,在NH_(4)^(+)-N去除性能不受影响而TN去除率提升3.8%的同时,主流EBPR系统的除磷率和出水磷达标率分别上升至97.4%和69.2%,相应的厌氧磷回收率达62.6%,说明影响主流系统除磷性能及侧流系统磷回收性能的主要因素是进水碳源浓度和磷源浓度,而与C/P关系不大。研究还发现,前3个实验阶段的污泥胞内多聚磷酸盐(Polyphosphate,poly-P)含量都有缓慢降低的趋势,最后1阶段呈上升趋势,这与污泥吸磷性能的趋势相一致,在整个实验阶段污泥沉降性能则始终变化不大。

乳酸作为EBPR进水碳源的可行性研究

[目的]探索乳酸作为强化生物除磷(EBPR)进水碳源的可行性。[方法]首先采用厌氧-好氧型序批式生物反应器,以乳酸为唯一进水碳源驯化EBPR污泥(SBR-2),并与以乙酸为唯一进水碳源的EBPR污泥(SBR-1)对比;待SBR-2达到稳态运行后,在1个运行周期定期取样,测定混合液中化学需氧量(COD)、磷酸根、氨氮和硝氮等参数的周期变化,并与SBR-1比较;通过研究不同进水磷浓度对2个反应器除磷效率的影响,比较2种EBPR污泥的除磷能力。[结果]以乙酸为进水碳源的SBR-1和以乳酸为进水碳源的SBR-2分别经过8和31 d的驯化期实现了稳定的EBPR功能;与乙酸驯化的EBPR污泥类似,乳酸驯化所得的EBPR污泥也表现出典型聚磷菌(PAO)的代谢特征。以乳酸为碳源驯化而成的EBPR污泥其主要特征参数如有机酸吸收速率、磷释放速率和磷吸收速率均明显低于以乙酸为碳源驯化而成的EBPR污泥,但是由于其厌氧释放的磷浓度较低,结果仍可在相同的时间内完成磷的吸收。在进水磷酸根质量浓度小于等于12 mg·L-1时,以乳酸为进水碳源的反应器可以实现稳定高效的除磷效果,出水磷酸根质量浓度稳定在0.3 mg·L-1以下。[结论]采用乳酸作为EBPR的进水碳源是可行的。

亚硝酸盐对EBPR工艺除磷效率的影响

[目的]比较亚硝酸盐对不同进水碳源驯化的强化生物除磷(EBPR)污泥除磷活性的抑制作用,分析亚硝酸盐影响EBPR污泥除磷效率的机制。[方法]采用厌氧-好氧型序批式生物反应器(SBR),分别以乙酸(SBR-1)和丙酸(SBR-2)为进水碳源驯化EBPR污泥,待反应器达到稳态运行状态后取1个运行周期,定期取样测定混合液中磷酸根和亚硝氮质量浓度的周期变化,比较亚硝酸盐对2种EBPR污泥除磷活性的影响,测定2种EBPR污泥的脱氮活性;通过研究亚硝酸盐对运行周期中聚磷菌胞内聚羟基烷酸(PHA)和糖原合成与分解代谢的影响,分析亚硝酸盐抑制EBPR除磷活性的机制。[结果]以乙酸为进水碳源的SBR-1和以丙酸为进水碳源的SBR-2分别经过8和11 d的驯化期成功实现了稳定的EBPR功能,除磷效率稳定在98%以上;较高浓度的亚硝酸盐对乙酸驯化的EBPR污泥和丙酸驯化的EBPR污泥均可产生抑制作用,其中以丙酸驯化的EBPR污泥对亚硝酸盐更为敏感,在亚硝氮质量浓度大于或等于5 mg·L^(-1)时即会丧失磷的吸收功能;乙酸驯化的EBPR污泥和丙酸驯化的EBPR污泥均有一定的脱氮能力,以乙酸为碳源驯化而成的EBPR污泥其脱氮活性明显高于丙酸驯化而成的EBPR污泥;在亚硝酸盐抑制除磷活性的同时聚磷菌胞内PHA和糖原代谢也受到明显的抑制作用。[结论]与乙酸驯化的EBPR污泥相比,丙酸驯化的EBPR污泥对亚硝酸盐引起的抑制作用更为敏感,以乙酸为进水碳源有利于EBPR工艺的稳定运行。