定向调控电子受体强化好氧颗粒污泥内源反硝化脱氮除磷

为强化内源反硝化作用,加强对有限碳源的高效利用,设置了1组厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)和3组不同好氧时间分配的厌氧-两级短时好氧/缺氧(A/(O/A)_(2))序批式反应器,探究定向调控电子受体下污泥的颗粒化及反硝化聚糖菌(DGAOs)的富集情况.结果表明,采用两级短时好氧/缺氧的反应器好氧颗粒污泥结构更加致密、沉淀性能更好,缺氧段及好氧段电子受体更充足,DGAOs储存内碳源的能力得以强化,系统中反硝化聚糖菌和DGAOs对碳源的竞争达到平衡状态,系统有更高的内源反硝化脱氮率,实现了深度脱氮除磷.其中,两级短时好氧时间分配时间为前段60min/后段30min的R2的脱氮除磷效果最好,DGAOs含量最高,且颗粒沉降性能最佳.第45d,R2的COD、TN、TP去除率分别达到90.52%、85.71%、92.73%,内源反硝化效率达到58.59%,具有良好的污染物去除效果.

聚糖菌颗粒污泥基于胞内储存物质的同步硝化反硝化

采用特殊运行方式的厌氧-好氧SBR系统(厌氧后排水),以乙酸钠为有机基质成功富集了聚糖菌颗粒污泥.聚糖菌颗粒污泥厌氧-好氧批式实验表明,聚糖菌颗粒污泥具有较强的SND能力,TOC/N分别为5.0,4.0,2.8时,SND效率分别96.4%、95.3%及96.2%,而周期总氮去除效率随着碳氮比降低而降低,分别为66.0%、61.2%及56.3%.通过对周期氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、TOC以及胞内糖原、PHB变化的测定分析,证明聚糖菌颗粒污泥SND过程中,污泥以厌氧阶段储存于胞内的多聚物PHB作为反硝化碳源,并且反硝化聚糖菌是系统中反硝化能力的来源.与溶解性基质相比,PHB的降解速率相对较低,因此在SND过程中,反硝化可以与硝化保持相近的速率,从而有助于获得良好的SND效果.

市政污水处理厂生物除磷运行效能与机理分析

选取浙江北部10个污水处理厂,调研污水厂生物除磷的运行效能并开展污泥活性以及微生物分布特征及其除磷机理的研究.通过活性污泥批试验表明,厌氧释磷率和好氧聚磷率(以P计)平均为2.4mg/(g·h)和2.2mg/(g·h);反硝化聚磷菌(DPAOs)占聚磷菌(PAOs)的比例为0.0%～80.1%.荧光原位杂交法(FISH)对活性污泥微生物群落结构分析表明,聚磷菌(PAOs)比例为2.0%～8.7%,聚糖菌(GAOs)比例为1.3%～22.4%.根据调查结果和生物除磷性能研究,可通过调整污水营养成分和设置独立前置反硝化池等方法改善除磷效果.

AOA-SBR工艺用于城市污水同步脱氮除磷

以城市污水为研究对象,考察了不同COD/N/P对厌氧/好氧/兼氧(AOA)-SBR工艺脱氮除磷效果的影响。经过3个月稳定运行,当COD:N:P=800:24:11时,AOA-SBR工艺对污水中有机物、氨氮和磷的去除率分别为100%、84%和93%。实验通过提高有机物浓度削弱聚磷菌(PAOs)与聚糖菌(GAOs)竞争底物的能力,抑制了PAOs好氧放磷速率。当COD=800mg/L时,GAOs和PAOs厌氧乙酸摄取量之比为1:9。此外,实验采用兼氧/好氧吸磷速率比,对反硝化聚磷菌数量(DNPAOs)进行估算,结果表明AOA-SBR工艺比值明显高于A2O和AO工艺。因此,通过调节进水有机物浓度,可使DNPAOs在AOA-SBR同步脱氮除磷过程中发挥重要作用。

反硝化除磷的影响因素及聚磷菌与聚糖菌耦合新工艺的研究进展

反硝化除磷(denitrifying phosphorus removal,DPR)工艺较传统脱氮除磷工艺具有节省曝气能耗、高效利用碳源、低污泥产量等优点而得到广泛的研究。本文综述了近年来在这一领域的研究进展,包括反硝化除磷菌(DPAOs)微生物学、碳源种类、pH、亚硝酸盐浓度及游离亚硝酸(free nitrous acid,FNA)、污泥龄(sludge retention time,SRT)、C/P比及mgNOx--N/mgPO43--P、聚糖菌(GAOs)等。大多数研究只关注了聚磷菌(PAOs)和GAOs之间的竞争关系,而通过GAOs作用的内碳源部分反硝化(endogenous partial-denitrification,EPD),能够将NO3--N转化为NO2--N,将进一步降低同步脱氮除磷对碳源的需求。反硝化除磷的新工艺符合我国低C/N值的污水现状,SNADPR工艺是将部分硝化、厌氧氨氧化、反硝化与反硝化除磷相结合的先进脱氮除磷工艺,Anammox-EPDPR工艺协同厌氧氨氧化、EPD和反硝化除磷,充分利用GAOs内碳源的代谢作用,以产生NO2--N,减轻DPAOs和anammox菌对电子受体的竞争。以NO2--N为电子受体的短程反硝化除磷与新型脱氮工艺的耦合将成为实现污水高效节能的同步脱氮除磷的新方向。

EBPR系统中聚糖菌及其反硝化代谢机理的研究进展

聚糖菌(GAOs)作为强化生物除磷(EBPR)系统中重要的微生物组成部分,具有反硝化脱氮的作用,但目前国内外关于GAOs的富集培养及反硝化代谢机理的研究尚不完善。综述了GAOs的种群类型以及反硝化聚糖菌(DGAOs)的代谢机理,着重归纳了碳源、pH、温度等因素对GAOs富集生长的影响,并在此基础上,对GAOs的研究现状及其研究方向进行了总结和展望,以期对GAOs的生理性能及强化生物除磷系统的稳定运行提供理论参考。

反硝化聚磷菌的培养及其脱氮除磷特性

采用SBR反应器驯化培养反硝化聚磷菌,考察了厌氧-缺氧-好氧和厌氧-缺氧运行模式下反硝化聚磷菌的增殖情况、反应器的脱氮除磷特性及胞内聚合物聚β-羟基丁酸(PHB)和糖原的合成消耗情况。实验结果表明:经过72 d(288个周期)的驯化培养,SBR反应器内反硝化聚磷菌的数量约占全部聚磷菌的84.5%;厌氧-缺氧培养方式下,反硝化聚磷菌的释磷速率为34.5 mg/(L·h),缺氧吸磷速率为23.0 mg/(L·h),缺氧阶段每降解1.0 mg/L的PO_4^(3-)-P需要消耗1.0 mg/L的NO_3^--N;每消耗6.3 mg/L的COD生成1 mg/g的PHB,每降解1 mol的PHB约生成0.73 mol的糖原。

生物反应器电子受体反硝化聚磷PAOs-GAOs竞争及N_(2)O释放特性

利用厌氧-缺氧-好氧序批式生物反应器(Anaerobic/Anoxic/Oxic-Sequencing Batch Reactor,An/A/O-SBR),以乙酸钠为电子供体,NO_(3)^(-)/NO_(2)^(-)为电子受体,控制反硝化电子受体电子需求为90 mmol/L,经长时间驯化,考察了不同电子受体驯化SBR反硝化除磷及N_(2)O释放特性,并利用化学计量法确定了聚磷菌(Phosphorus Accumulating Organisms,PAOs)和聚糖菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)间竞争关系。结果表明,NO3-还原过程中,SBR系统总氮(Total Nitrogen,TN)和总磷(Total Phosphorus,TP)去除率均达95%以上,平均N_(2)O产率为2.4%,PAOs转化碳源(CODin)和反硝化脱氮比例分别为62.0%和76.2%。NO_(2)^(-)增加,厌氧段糖原(Gly)酵解性能增强,Gly消耗与碳源转化比例(ΔGly/CODin)由0.67增至0.80,PAOs活性受抑制,聚磷(Poly-P)合成减少,GAOs竞争优势增强。NO_(2)^(-)-N为30 mg/L,SBR内TP去除率降至50.5%,PAOs转化碳源和脱氮比例分别降至36%和50.6%。PAOs-GAOs共生体系内,GAOs反硝化脱氮过程,削弱了高NO_(2)^(-)对PAOs反硝化除磷的抑制,缺氧阶段NO_(2)^(-)/HNO_(2)积累耦合GAOs反硝化脱氮比例增加,导致高NO_(2)^(-)下TP去除率下降和N_(2)O产率增加。

低C/N(<3)条件下SNEDPR系统启动及其脱氮除磷特性研究

为了解同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)系统处理低C/N(<3)污水的脱氮除磷特性,采用厌氧/低氧(溶解氧0.5～1.0mg/L)运行的SBR反应器,以低碳城市污水为处理对象,考察了C/N对SNEDPR启动、脱氮除磷性能优化与菌群结构变化的影响.结果表明:进水C/N由4.3提高至5.15时,系统脱氮除磷性能均逐渐增强,系统总氮(TN)和PO_4^(3-)-P去除率最高达89.3%和90.6%;降低进水C/N<3后,系统脱氮、除磷性能均呈现先降低后逐渐升高的趋势,但低C/N对PAOs(聚磷菌)除磷性能的影响高于其对反硝化聚糖菌(DGAOs)内源反硝化脱氮性能的影响,表现为TN和PO_4^(3-)-P去除率分别先降低至21.4%和3.4%后逐渐升高至92.9%和94.1%.系统稳定运行阶段,单位COD平均释磷量和SNED率达437.1mg P/g COD和89.1%,出水NH_4^+-N、NO_x^--N和PO_4^(3-)-P浓度平均为0,4.4,0.2mg/L.经136d的运行,系统内PAOs,GAOs,AOB(氨氧化菌)和NOB(亚硝酸盐氧化菌)分别占全菌的(16±3)%,(8±3)%,(7±3)%和(3±1)%,其保证了系统除磷、硝化和反硝化脱氮性能.此外,系统好氧段存在同步短程硝化内源反硝化,是实现低C/N(<3)污水高效脱氮除磷的原因.

pH调控反硝化除磷过程PAOs-GAOs竞争及N_(2)O释放特性

该文以厌氧/缺氧/好氧方式(An/A/O)运行序批式生物反应器(SBR),采用NO_(3)^(-)驯化缺氧反硝化聚磷菌,利用pH值调控An/A/O-SBR内各菌群间的竞争优势,通过考察脱氮除磷过程的化学计量学参数变化,确定了不同pH下SBR内聚磷菌-聚糖菌(PAOs-GAOs)间竞争关系及N_(2)O释放特性。结果表明,An/A/O-SBR内存在PAOs和GAOs对碳源的竞争,高pH有利于反硝化聚磷菌增殖、提升SBR内同步脱氮除磷效率并降低N_(2)O产率。pH由6.5增至8.0,PAOs转化外碳源比例由24.1%增至55.6%。pH=8.0,SBR内脱氮和除磷效率均达90%以上,平均N_(2)O产率为2.8%。不同pH值下,An/A/O-SBR内厌氧阶段ΔGly/ΔPHA、ΔGly/COD_(in)、PRA/COD_(in)以及缺氧阶段PUA/NaRA、ΔGly/ΔPHA均表现出PAOs-GAOs共存特性,微碱性条件促进SBR内微生物趋向富集反硝化聚磷菌的生化反应动力学。pH=6.5,N_(2)O产率达11.2%。低pH值耦合高NO_(2)^(-)形成高浓度游离亚硝酸,对反硝化聚磷菌的毒性及对亚硝态氮还原酶、氧化亚氮还原酶的活性抑制作用,是导致低pH值下SBR脱氮除磷性能降低和N_(2)O产率增加的重要因素,以N_(2)O作为终产物的GAOs反硝化比例增加,加剧了低pH条件下N_(2)O释放。

不同NO_(3)^(-)浓度An/A/O-SBR系统PAOs-GAOs竞争及N_(2)O释放特性

采用厌氧/缺氧/好氧运行的序批式生物反应器(An/A/O-SBR),经不同NO_(3)^(-)浓度(10,20,30和40 mg/L,以氮计)长期驯化,考察了不同NO_(3)^(-)条件下An/A/O-SBR脱氮除磷及N_(2)O释放特性,基于不同微生物降解特性分析,确定了不同NO_(3)^(-)浓度下SBR系统内反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms,DPAOs)和聚糖菌(glycogen-accumulating organisms,GAOs)竞争关系。结果表明:随NO_(3)^(-)浓度增加,总氮(TN)去除率由90%以上降至41.3%,TP去除率呈先增高后降低的趋势,N_(2)O产率(N_(2)O_(emission)/NO_(x)^(-)_(removal))分别为1.68%、4.17%、8.92%和14.28%。An/A/O-SBR内微生物呈PAOs和GAOs共存的污染物降解特性,高浓度NO_(3)^(-)缺氧吸磷过程出现NO2-积累,抑制DPAOs活性,GAOs碳源竞争能力增强,NO_(3)^(-)-N由10 mg/L增至40 mg/L,厌氧阶段PAOs的COD耗量比例由33.5%降至25.1%,相应GAOs的COD耗量由59.3%增至74.1%。DPAOs-GAOs共生体系内,反硝化过程NO2-/HNO2积累耦合反硝化聚糖菌比例增加,加剧了高NO_(3)^(-)下An/A/O-SBR内N_(2)O释放。

以亚硝酸盐为电子受体的反硝化聚糖菌培养及特性分析

采用SBR反应器经过5个阶段约90天的培养,驯化出以亚硝酸盐为电子受体的亚硝酸盐型反硝化聚糖菌(denitrifying glycogen accumulating organisms,DGAOs),其最大耐受NO_(2)^(-)-N浓度约为25mg/L.驯化的亚硝酸盐型DGAOs是具有反硝化能力的一种聚糖菌(glycogen accumulating organisms,GAOs),但长期保持厌氧/缺氧环境会使其失去聚糖和反硝化能力.在进水C/N比为6的条件下,厌氧阶段COD的去除率达94.9%,缺氧阶段NO_(2)^(-)-N的去除率达到93.3%.亚硝酸盐型DGAOs在厌氧阶段快速吸收COD并储存聚-β-羟丁酸(poly-β-hydroxy butyrate,PHB),每消耗1 mg/L的COD合成PHB量为0.2 mg/(g·MLSS);在缺氧阶段降解PHB并合成糖原,每消耗1 mg/(g·MLSS)的PHB合成糖原量为0.7 mg/(g·MLSS).

不同厌氧运行时间An/A/O-SBR反硝化聚磷及N2O释放特性

利用厌氧/缺氧/好氧序批式生物反应器(An/A/O-SBR),经不同厌氧反应时间(AnRT=90 min、120 min和150 min)长期驯化,考察了不同AnRT驯化An/A/O-SBR同步脱氮除磷及N2O释放特性,并分析了不同AnRT驯化An/A/O-SBR系统内微生物种群变化。结果表明,随AnRT增加,An/A/O-SBR内TN去除率分别为76.2%、91.4%和78.9%,N2O产率分别为12.4%、8.2%和17.8%,TP去除率分别为83.5%、89.0%和78.5%。AnRT由90 min上升至120 min,厌氧阶段储存羟基烷酸脂(PHA)增量(ΔPHA)由6.82 mmolC/L增至8.51 mmolC/L,继续增加至150 min,ΔPHA降至6.78 mmolC/L。随AnRT增加,SBR系统糖原降解能力增强,聚糖菌增殖,不利于反硝化聚磷菌富集,反硝化聚磷菌脱氮比例由66.9%降至60.3%。AnRT过长,PHA储量降低导致SBR系统电子提供能力下降,反硝化过程NO2-/HNO2积累耦合反硝化聚糖菌脱氮比例增加,是An/A/O-SBR系统脱氮除磷效率降低及N2O产率增加的主要原因。

反硝化除磷工艺中亚硝酸盐的积累特性及机制

本研究构建序批式反应器(Sequencing batch reactor,SBR),采用厌氧/好氧及厌氧/缺氧/短好氧的两阶段运行方式富集反硝化聚糖菌(denitrifying glycogen-accumulating organisms,DGAOs)及反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus-accumulating organisms,DPAOs),对比进水磷浓度分别为0.43mg/L与4.72mg/L的条件下NO_(2)^(-)-N积累效率的差异,并分析微生物群落结构及关键脱氮基因的变化,探究低进水磷浓度下NO_(2)^(-)-N的积累机制。结果表明,低进水磷浓度与高进水磷浓度条件下,NO_(3)^(-)N的去除效率均超过95%,但低进水磷浓度下NO_(2)^(-)-N平均积累率可达62.15%,高进水磷浓度下基本没有NO_(2)^(-)-N积累。微生物群落结构分析表明,低进水磷浓度下DGAOs丰度显著高于高进水磷浓度,而DPAOs在两种条件下丰度接近。脱氮相关基因丰度结果表明,本研究中脱氮相关基因丰度的高低对NO_(2)^(-)-N积累无直接影响。

强化生物除磷系统的微生物学及生化特性研究进展

综述了强化生物除磷(Enhanced biological phosphorus removal,EBPR)系统的微生物学和生化特性两方面的最新研究进展.在微生物学方面,归纳了EBPR系统中的主要微生物——聚磷菌、聚糖菌、反硝化聚磷菌的分类及相互之间的竞争和联系.具有聚磷功能的微生物种类繁多,目前普遍认为Accumulibacter是一种典型的聚磷菌,在各种规模的EBPR系统中均不同程度的存在.关于聚磷菌和聚糖菌的联系、反硝化聚磷菌的分类问题存在争论.在生化特性方面,归纳了聚磷菌体内三大聚合物——糖原、聚β-羟基烷酸脂和聚合磷酸盐与聚磷菌代谢功能的关系.聚磷菌厌氧阶段的还原力由糖酵解和有机底物TCA循环共同提供,其比例受种群结构和实验条件影响.糖原根据不同菌株厌氧阶段的降解途径有所不同,但是对细胞都起到调节氧化平衡的作用.聚β-羟基烷酸脂的组成由有机底物决定,丙酸为底物时4种单体均可检测出来.聚磷菌厌氧释磷的能量来自聚磷分解和糖原分解,耗能受环境条件影响.

碳源类型对反硝化除磷系统的影响

选择乙酸钠、丙酸钠和葡萄糖三类典型碳源,分别考察其对反硝化除磷系统的影响。碳源的短期改变实验表明,反硝化聚磷菌对乙酸钠和丙酸钠的利用没有选择性,两者效率相近;葡萄糖作为碳源造成系统除磷能力的大幅度下降。对不同碳源系统的长期实验结果表明,以丙酸钠为碳源的除磷系统的长期运行效果与以乙酸钠为碳源的系统相近,以葡萄糖为碳源造成了系统除磷效果的恶化,聚磷菌的优势地位逐渐丧失。

反硝化聚磷菌富集条件的研究

采用SBR反应器,通过厌氧/好氧、厌氧/缺氧两个阶段的驯化培养来富集反硝化聚磷菌(DPBs),考察了不同条件对DPBs富集情况的影响。在培养驯化过程中应抑制厌氧/好氧阶段聚糖菌的生长以及厌氧/缺氧阶段反硝化菌的繁殖。结果表明,乙酸是DPBs生长的优良碳源;在pH=8.5的条件下,按C/P值为8进水、按N/P值为4在缺氧段添加硝酸钠进行培养驯化可富集大量的DPBs。

不同污泥龄(SRT)对SNEDPR系统脱氮除磷影响

为了解不同污泥龄(SRT)对同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)系统脱氮除磷性能的影响,采用4组延时厌氧(180min)/低氧(溶解氧0.5~1.0 mg·L^(-1))运行的SBR反应器,以实际城市污水为处理对象,考察不同的SRT(5、10、15、25 d)条件下系统的脱氮除磷性能及其污泥性状的变化情况.结果表明,当SRT≥10 d时,短SRT有利于提高PAOs的竞争优势;在SRT为15 d和10 d时,系统除磷性能均较高,尤其是当SRT=10 d时,PPAOs,An平均为68.4%,PRA和PUA分别高达31.9mg·L^(-1)和34.3 mg·L^(-1).在SRT为15 d和10 d时,系统的硝化性能不受SRT变化的影响,且在SRT=15 d时,系统具有最高的脱氮性能,TN去除率和SNED率分别平均为89.6%和71.8%.在SRT≥10 d时,系统的COD去除性能不受SRT的变化影响,去除率达78%以上;但SRT=5 d时,由于系统生物量的流失使得系统对C、N、P的去除性能均较差,SNED率和PO3-4-P去除率分别低至5.7%和0.5%.此外,在SRT=15 d时,系统污泥沉降性能最好,SV和SVI分别为20%和64 mL·g^(-1),且污泥浓度随着SRT的延长而升高;长SRT(25 d)下系统抗冲击负荷能力较强,但污泥的沉降性能变差.

不同碳源驯化聚糖菌反硝化及N_(2)O释放特性

为了确定反硝化聚糖菌(DGAOs)的脱氮性能及N_(2)O释放特性,采用序批式生物反应器,分别以乙酸钠和葡萄糖为碳源(反应器分别记作SBRAc和SBRGl),考察其脱氮过程中的碳源变化以及N_(2)O释放特性。结果表明,SBRAc和SBRGl的总氮去除率分别为(80.2±2.8)%和(63.4±3.5)%,N_(2)O产率分别为(7.16±1.43)%和(13.35±2.46)%。以乙酸钠为碳源时,聚糖菌厌氧阶段吸收的有机物主要以胞内聚-β-羟基烷酸(PHA)形式储存;以葡萄糖为碳源时,部分有机物用于胞内糖原(Gly)的积累,PHA合成量减少。聚糖菌内源反硝化过程中,依次利用胞内PHA和Gly作为内碳源,且PHA提供电子的速率远大于Gly,导致SBRGl内NO_(2)^(-)大量积累、N_(2)O释放量增加。NO_(2)^(-)对氧化亚氮还原酶活性的抑制效应是导致聚糖菌内源反硝化过程释放N_(2)O的主要因素。与葡萄糖相比,乙酸钠更易被反硝化聚糖菌吸收为易利用的内碳源PHA,并降低反硝化过程中N_(2)O的释放量。

进水C/P对SNEDPR系统脱氮除磷性能的影响

为了解不同进水C/P条件下同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)的脱氮除磷特性.以实际城市污水为处理对象,采用延时厌氧(180 min)/低氧(溶解氧0.5~1.0 mg·L^(-1))运行的序批式反应器(SBR),考察了进水C/P(分别为60、30、20、15、10)对系统C、N、P去除特性的影响.结果表明:适当降低进水C/P(由60降至30)有利于提高系统内PAOs竞争优势.当C/P为30时系统除磷性能最高,厌氧段释磷速率(PRR)和好氧段吸磷速率(PUR,以P/MLSS计,下同)分别高达3.5mg·(g·h)-1和4.2 mg·(g·h)-1,出水PO3-4-P浓度均低于0.3 mg·L^(-1),且PPAO,An高达88.1%;但进一步降低进水C/P至10时,PO3-4-P去除率和PPAO,An分别由38.1%和82.4%降低至3.1%和5.3%,PRR和PUR分别仅为0.2 mg·(g·h)-1和0.24mg·(g·h)-1,系统表现出较差的除磷性能.降低C/P对系统COD去除性能没有影响,COD去除率稳定在85%左右.此外,当C/P由60降低至20时,系统硝化性能变差,表现为出水NH+4-N和NO-2-N浓度分别由0和6.9 mg·L^(-1)升高至5.1 mg·L^(-1)和16.2 mg·L^(-1);而当C/P进一步降低至10时,系统硝化性能得以恢复,但亚硝积累特性遭到破坏,表现为出水NH+4-N和NO-2-N浓度逐渐降低为0,但出水NO-3-N浓度由0.08 mg·L^(-1)升高至14.1 mg·L^(-1).SNED率先由62.1%降低为36.4%后又逐渐提高至56.4%.C/P低于15时,有利于提高GAOs的竞争优势,且C/P由20降至10时系统脱氮性能得以恢复,原因在于GAOs内源反硝化作用的增强.