硝酸盐浓度及投加方式对反硝化除磷的影响

第一作者:李勇智,男,1971年出生,博士研究生,主要研究方向为环境生物技术和水污染控制工程。

*国家自然科学基金重点资助项目(50138010)硝酸盐浓度及投加方式对反硝化除磷的影响*李勇智1　彭永臻1,2　张艳萍2　游伟民2(1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,　哈尔滨150001;2.北京工业大学环境与能源工程学院,　北京100022)摘要　采用SBR 反应器,详细研究了硝酸盐浓度及其投加方式对反硝化除磷过程的影响。

结果表明,缺氧环境下的反硝化吸磷速率与作为电子受体的硝酸盐浓度有很大的关系,硝酸盐浓度越高,吸磷速率越快。

当硝酸盐浓度较低,不足以氧化反硝化聚磷菌细胞内的PHB 从而导致体系反硝化除磷效率的下降。

相同浓度的硝酸盐,采用流加的方式可以获得比一次性投加更高的反硝化吸磷速率。

缺氧环境下,反硝化脱氮量与磷的吸收量成良好的线性关系,借助于反硝化聚磷菌,反硝化脱氮与除磷可在一种环境中完成,有效解决了废水中C OD 不足的问题,同时达到了节省能源和降低污泥产量的目的。

关键词　反硝化除磷　缺氧吸磷　生物除磷　反硝化聚磷菌　硝酸盐Eff ect of nitrate on denitrif ying dephosphatation L i Y ongz hi ,et al .College of M unicip al and E nv ir onmental Engi -neer ing ,H arbin I nstitute of T echnology ,H arbin 150001Abstract :T he effect of nit rate o n denitr ify ing depho sphatat ion w as investig ated by using a la bo rat or y -scale Se-quencing Batch Reactor (SBR).T he results show ed t hat t he r ate of taking up phosphate in ano x ic co ndit ion wa s r e-lat ed to t he concentrat ion of nitr ate.T he hig her concentr ation of nitra te w as,the higher r ate of taking up phosphate w as obtained.W hen the co ncentr atio n o f nitr ate w as lim it facto r in r eact or ,the PHB st or ed in the cell of denitr ify -ing pho spho rus r emov al bacteria co uld not be o xidized fully ,which led t he decr ease o f efficiency of pho sphate r e-mov al.T he co nt inuo us and steady a ddition o f nit rate could obtain the hig her r ate o f t aking up pho sphate than the ni-tr ate w as added o nce.T her e w as a linea r r elatio nship betw een the nitr og en remo val and pho sphate taken up under anox ic co ndit ion .Based o n the activ ity o f denitrifying phospho rus r emo val bacteria ,the anox ic pho sphate remo val occurs simulta neo usly w ith denitr ifica tio n under same co nditio n so that the o rg anic subst rat e and ener gy co uld be saved and the aim of r educing sludg e pr o ductio n co uld be o btained .Keywords :D enitrifying depho sphatat ion A nox ic pho sphor us upt ake Bio lo gical pho sphor us r emov al D eni-tr ifying phosphat e remo val bact eria Nitr ate 废水中的磷和氮可以通过微生物的方法而被去除。

然而,传统理论认为缺氧区对废水的强化生物除磷没有任何贡献,磷浓度在缺氧区基本稳定,同时硝酸盐被认为是对生物除磷过程带来不利影响的物质[1]。

最近的研究表明,至少存在一部分聚磷菌可以在缺氧条件下利用硝酸盐作为电子受体进行吸磷,这一类微生物称为反硝化聚磷菌。

反硝化聚磷菌被证实具有和好氧聚磷菌极为相似的代谢特征[2～6]。

Kuba 等[5,6]从动力学性质上对这两类聚磷菌进行了比较,认为以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌有着和好氧聚磷菌同样高的强化生物除磷性能。

因为反硝化聚磷菌可以在缺氧环境摄磷,这就使得摄磷和反硝化脱氮这两个生物过程借助同一类微生物在同一种环境下一并完成。

摄磷和脱氮过程的结合不仅节省了脱氮对碳源的需要,而且摄磷在缺氧内完成可节省曝气所需要的能源。

由此带来的另外一个好处就是,产生的剩余污泥量大为降低[7]。

在传统好氧生物除磷过程中,聚磷菌以氧为电子受体,氧是以曝气的方式连续地加入到反应体系当中。

在缺氧条件下,反硝化聚磷菌以硝酸盐作为电子受体,硝酸盐浓度及其投加方式对反硝化除磷和脱氮过程构成的影响必然与好氧条件下不同,国内外的研究中对这种影响并没有详细的报道。

本文正是针对这一问题做了细致的研究。

1　实验材料与方法1.1　试验设备与试验用水试验采用SBR 反应器,高70cm ,直径20cm ,用有机玻璃制成,底部泥斗为圆台形,总有效容积为15L 。

在反应器壁的垂直方向每隔10cm 设置一个取样口(兼有排水作用),反应器底部设有排泥放空管,以粘砂块作为微孔曝气头,采用鼓风曝气方式。

反应器设有搅拌器,作用是在厌氧和缺氧阶段通过搅拌使活性污泥处于悬浮状态。

试验采用人工合成模拟废水(见表1),进水COD 和磷浓度通过不同的乙酸钠和K 2HP O 4的投加量进行控制。

缺氧段根据需要加入不同浓度的硝酸钾溶液作为反应所需的电子受体。

1.2　污泥的培养与驯化试验所用污泥取自采用传统活性污泥法污水处理厂的曝气池。

根据聚磷菌可以分为两类的理论,以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌是聚磷菌中的一部分,所以对反硝化聚磷・323・李勇智等　硝酸盐浓度及投加方式对反硝化除磷的影响菌的培养驯化分为两个阶段。

第一阶段在厌氧/好氧条件下进行,目的是使系统在此条件下具有高效的除磷性能,活性污泥中聚磷菌占有较多的数量。

第一阶段运行了20d 共40个周期。

第二阶段为厌氧/缺氧运行方式,目的是提高以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌在聚磷菌中的数量,达到理想的反硝化脱氮除磷的效果。

第二阶段运行了30d 共60个周期。

第二阶段之后系统进入稳定状态,开始正式试验。

表1　试验模拟废水成份模拟废水成份基质种类浓度微量元素组成浓度/g ・L -1NaAc150(mgCOD /L )FeCl 3 1.5NH 4Cl 14(mg N /L )C uSO 40.03K 2HPO 49(mgP/L)KI 0.18M gS O 445(mg /L)M nCl 20.12KCl 18(mg /L)ZnS O 40.12碱度60[mg/L(CaCO 3)]CoCl 20.15微量元素0.3mLE DT A101.3　分析方法COD 采用5B-1A 型快速测定仪;PO 3-4-P 采用氯化亚锡-还原分光光度法;NO -3-N 采用麝香草酚分光光度法;M L SS 采用滤纸重量法;NH +4-N 采用钠氏试剂分光光度法;N O -2-N 采用N -(1-萘基)-乙二胺光度法。

2　结果与讨论2.1　不同浓度硝酸盐对反硝化除磷过程的影响在SBR 反应器中,维持污泥浓度为3.5g/L 。

加入模拟废水,废水中CO D 浓度为180mg /L ,磷浓度为9.12mg/L 。

经3h 充分厌氧,体系中磷浓度上升到39.13mg /L ,同时COD 全部被反硝化聚磷菌所吸收、转化并以聚- -羟基丁酸(PHB)的形式存储于细胞内。

厌氧放磷结束后,把反应器中悬浮液平均分为3份分别置于3个相同的SBR 反应器中。

第一个反应器中加入硝酸盐30mg /L ,第二个反应器中加入硝酸盐44.2mg /L ,第三个反应器中加入硝酸盐60mg /L ,考察缺氧环境下硝酸盐浓度对反硝化吸磷的影响。

由图1知,在硝酸盐浓度为30mg /L 时,缺氧结束时体系中磷浓度为11.4mg /L ,共27.73mg /L 磷在缺氧环境中被吸收,表现出较好的反硝化吸磷性能。

出水中较高的磷浓度是由于作为电子受体的硝酸盐已经反硝化消耗完毕,存储于反硝化聚磷菌细胞内的P HB 因为缺乏电子受体而不能继续被氧化,不能再产生能量来继续吸收废水中的磷。

当硝酸盐浓度分别为44.2和60mg/L 时,反应体系达到理想的反硝化吸磷效果,出水的磷浓度分别为0.57和0.44mg /L 。

由图2可见,硝酸盐浓度分别为30、44.2和60mg /L 时,缺氧结束时反应体系中硝酸盐浓度分别为0、0.98和17.92mg /L ,反硝化吸磷速率分别为2.64、3.12和3.59mg P/(M L SS ・h)。

由此可见较高的硝酸盐浓度有利于反硝化除磷效率及反应速率的提高。

但应该注意到,较高的硝酸盐浓度将导致出水中营养物质的增加,同时也必将影响下一周期的厌氧放磷,导致反硝化除磷效率的下降。

图1　硝酸盐浓度对反硝化除磷过程的影响图2　反硝化除磷过程硝酸盐浓度变化2.2　反硝化脱氮与除磷的关系在传统的营养物质去除体系中,反硝化细菌在脱氮的过程中发挥作用,而聚磷菌在强化生物除磷体系中发挥作用,都要求有碳源或者CO D 的提供。

因此,在同时脱氮除磷体系中,CO D 往往成为限制因子。

在上述试验中,在COD 浓度为180mg /L 的情况下,当进水磷浓度和硝酸盐浓度分别为9.12和44.2mg /L 时,反硝化脱氮和除磷都取得了理想的效果。