水体中磷去除技术
1 简介
近年来，水体中过量的磷导致了日益严重的富营养化问题，水体中过量磷的去除引起了人们的高度关注。 强化生物除磷（EBPR）是一种有效的除磷方法（Chen等，2004）。 磷酸多菌（PAO）在厌氧段吸收挥发性脂肪酸（VFA）合成多羟烷基脂肪酸（s，PHAs），同时降解细胞内的多磷酸盐和糖原，提供能量和还原。 在随后的好氧阶段物质发生水解，为过量磷的吸收提供能量，最后通过排出富磷剩余污泥来去除磷（王等，2007；Wang等，2012a）。
王等人。 (2008) 提出了一种需氧/延长闲置 (Oxic/-idle, O/EI) 序批式反应器。 O/EI反应器省略了传统除磷理论认为必要的厌氧部分。 进水后直接进行曝气，然后设置延长闲置段，系统仍能保持良好的除磷效果（除磷率90%以上）。 PAOs在有氧条件下吸收VFAs，利用糖原分解和三羧酸循环（acid Cycle，TCA）为PHAs的合成提供三磷酸腺苷（ATP）和还原力NADH，并为多磷酸盐（poly-P）的合成提供能量分解好氧前期合成的PHAs，实现好氧吸磷。 研究表明(王东波，2011)，引起O/EI系统中微生物过量吸磷的根本原因在于反应过程中内外底物较差的闲置期的设置。 王等人。 (2012b)研究将O/EI系统的闲置周期设置为1.5、3.5，对系统在5.5、7.5、9.5 h的除磷性能研究表明，对于生活污水，闲置周期设置为3.5小时前期研究考察了不同碳源类型、浓度（王东波等，2009）、pH（丁彦等，2010）等控制条件对O/EI系统除磷效果的影响，探讨了O/EI系统除磷效果。 O/EI系统的机理（王东波，2011）和处理实际污水的应用效果（陈洪波等，2012）。 然而，其他控制条件如污泥停留时间（SRT）和溶解氧（DO）浓度对O/EI系统除磷性能的影响尚不清楚。 该工艺的推广应用还需要进一步深入的研究。
DO浓度会影响PAOs的吸磷率以及PAOs与多糖菌（GAOs）之间的微生物竞争。 它是影响生物除磷的重要因素之一(等，2007)。 研究表明，当DO浓度为4.5~5.0 mg·L-1时，系统中GAO较多，除磷效果较差； 当DO浓度为2.5~3.0 mg·L-1时，系统富集PAOs较多，除磷率较高(等，2002)。 彭兆旭等. (2011)研究了好氧阶段不同DO(5.5~7.0 mg·L-1和0.5~1.5 mg·L-1)对EBPR除磷长期运行的变化。 结果表明，高DO不利于系统的除磷效果。 另外，有研究报道，为了保证较高的生物除磷性能，好氧段的DO浓度应保持在2 mg·L-1以上(方谦等，2004)。
传统的厌氧/好氧（/Oxic，A/O）模式中，磷释放发生在厌氧段，而吸磷发生在好氧段。 在O/EI系统中，磷的释放和吸收都发生在好氧部分。 部分。 因此，尚不清楚O/EI反应器中DO对PAOs释放磷和吸磷的影响是否与传统A/O模型一致。 此外，之前的研究表明，O/EI系统中的微生物代谢途径与传统模型不同。 不同（Wang 等人，2012a）。 因此，DO对O/EI系统除磷性能的影响也将与传统模型有较大不同。
本文旨在考察不同DO浓度对O/EI系统除磷性能的影响，通过分析磷元素的变化和磷元素的变化，探讨DO浓度影响O/EI系统除磷性能的机理。微生物中能量储存物质的积累/转化。 ，为过程控制条件的优化和今后的工程设计提供理论参考。
2。材料和方法
2.1 污泥驯化
活性污泥取自长沙市第一污水处理厂回流池。 污泥在有效体积为8L的有机玻璃反应器中进行驯化。每天运行3个循环，每个循环8小时。 具体操作方法为：瞬时进水→曝气（4 h）→沉淀出水（0.5 h）→闲置（3.5 h）。 每个循环开始时添加5 L合成废水（成分见2.3节），当水释放时排出5 L上清液。 ，污泥驯化过程中不排放污泥。
2.2 实验装置及操作方法
该研究在四个有效容积为 1.8 L 的有机玻璃反应器（分别标记为 R1、R2、R3 和 R4）中进行。 每个反应器接种800 mL驯化污泥，每个反应器的初始污泥浓度约为4000 mg·L-1。 操作方法与驯化时相同。 每个循环开始时加入1L合成废水，放水时排出1L上清液。 水力停留时间约为14小时。 泥水混合物每天在好氧过程结束时排出。 120 mL，维持SRT约15 d。 好氧段采用鼓风曝气，采用磁力搅拌，保证泥水混合均匀。 通过自动控制系统将各反应器内的DO浓度维持在1、2、3、4mg·左右。 L-1。 温度为20±1℃。
2.3 合成废水
进水为合成废水，乙酸钠（15 mmol·L-1，以C计算，理论COD为480 mg·L-1）为单一碳源，磷酸二氢钾（15 mg·L-1）为用作磷酸盐。 ，以PO3-4-P计），以氯化铵（30 mg·L-1；以NH+4-N计）为氨氮，硫酸镁和氯化钙浓度均为5 mg·L-1 、微量元素（1.0 mL·L-1）主要成分及浓度可参见参考文献（Wang et al., 2008）。 各反应器进水的成分和浓度一致。
2.4 分析方法
使用苯酚-硫酸法测量糖原（Wang et al., 2008）； 采用气相色谱法测定PHAs（等，2002；Wang等，2008），色谱分析仪型号为 6890N.DO，采用便携式溶解氧仪测定pH，采用玻璃电极法pH，可溶性磷酸盐（SOP）采用钼锑抗分光光度法，混合液悬浮固体浓度（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）采用重量法，化学需氧量采用重量法。使用了方法。 COD采用重铬酸钾法。 具体方法可参见文献(魏福生，2002)。
3。结果与讨论
3.1 典型循环期间 DO 和 pH 的变化
一个典型循环过程中各反应器中DO的变化如图1所示。从图1中可以看出，好氧前30 min内各反应器中DO较低（≤0.5 mg·L-1），这与和
这与 (2005) 和 Wang 等人观察到的现象是一致的。 （2013）。
等(2005)发现厌氧-缺氧-好氧过程从好氧阶段开始后1～1.5 h内存在明显的DO≤0.5 mg·L-1阶段。 O/EI系统闲置期间，DO几乎为零，此阶段外部碳源已完全消耗，微生物处于饥饿状态。 当水体曝气开始时，系统中的氧气很快被微生物利用，系统DO缓慢上升，产生短暂的低DO阶段。
图1 DO和pH循环变化图
研究表明，pH值是影响生物除磷效果的重要因素之一（等，2007）。 因此，作者监测了各反应器典型循环过程中pH值的变化，结果如图1所示。 好氧阶段，PAOs吸收废水中的VFAs合成PHA，因此各反应器内的pH值迅速上升（Wang 等人，2012a）。 在随后的好氧段和延长闲置段中，外部碳源得到了充分利用，系统依靠PHAs的水解为微生物提供能量，因此pH值逐渐下降，这与Wang等人的研究一致。 （2013）。 图中各个反应器内的pH值差异不大，变化趋势基本一致，说明DO浓度对O/EI系统pH变化没有显着影响。
3.2 每个反应器的MLSS和MLVSS
稳定运行阶段各反应器的MLSS和MLVSS如表1所示。本研究中各反应器的初始MLSS值约为4000 mg·L-1，MLVSS约为2000 mg·L-1。 稳定运行阶段，各反应容器中DO浓度越大，MLSS越小，而MLVSS相差不大。 MLVSS/MLSS值从R1到R4从0.58增加到0.69。 (2005)研究表明MLVSS/MLSS值可以反映微生物体内磷的相对积累情况。 含量，MLVSS/MLSS越小，细胞内多磷含量越高，系统除磷效果越好。 因此，低DO浓度条件下MLVSS/MLSS值越小，表明反应器中可能含有较多的多磷。
表1 稳定运行阶段各反应堆MLSS和MLVSS
3.3 各反应器长期运行时的除磷效果
长期运行时各反应器的除磷率如图2所示。从图2可以看出，在污泥驯化阶段，各反应器的除磷率逐渐提高。 稳定运行后，各反应器内除磷效果差异较大，DO浓度越大，反应器内除磷效果越差。 王晓莲等. (2005)也报道，当A2O工艺的好氧区在高DO浓度下运行时，出水磷浓度会急剧增加，然后暴露量会减少。 气体量和磷出水浓度逐渐提高。 可见，高DO条件不利于生物除磷过程。
图2 长期运行下各反应器除磷率
为了更准确地表达各反应器的除磷性能，图3给出了长期运行下单位VSS除磷能力的变化情况。 从图3可以看出，不同DO浓度条件下，各反应器单位VSS的除磷能力也不同。 巨大差距。 在污泥驯化阶段，R1、R2、R3单位VSS的磷去除量逐渐增加，而R4单位VSS的磷去除量逐渐减少。 稳定运行后，随着DO的增加，各反应装置中单位VSS的除磷量依次减少。
图3 VSS各反应器单元除磷能力
各反应器长期运行时的除磷性能对比如表2所示。从表2可以看出，R1、R2、R3、R4中的除磷率和单位VSS除磷量均有所下降。顺序。 R1的除磷效果最好，除磷率高达96%，单位VSS除磷量为5.02 mg·g-1，出水磷浓度仅为0.6 mg·L-1。 R4出水磷含量高达6.71mg·L-1。 除磷率下降至53%，单位VSS除磷量仅为2.81 mg·g-1。 上述结果表明，低DO浓度有利于O/EI反应器的除磷性能。 当DO浓度从1 mg·L-1增加到4 mg·L-1时，系统的除磷性能逐渐减弱。
表2 各反应器长期除磷性能比较
当王等人。 (2012b)将DO浓度设置为3 mg·L-1，他们发现O/EI系统的除磷率约为54%，单位VSS的除磷量约为2.49，与这项研究的结果。 传统EBPR保证出水磷浓度小于1 mg·L-1，好氧段DO必须保持在2 mg·L-1以上（方谦等，2004）。 本研究中，O/EI系统在较低DO浓度（1 mg·L -1）条件下运行显示出最佳除磷效果，这表明O/EI反应器比传统EBPR具有较低的溶解氧需求量，因此降低运营成本。 在低DO条件下，O/EI系统中单位VSS去除磷量要高得多，可能是因为低DO系统的污泥中PAOs含量比高DO系统多。 当DO浓度较高时，由于通气量较大，氧气可以更快地穿透菌胶团，破坏菌胶团内部。 厌氧环境不利于微生物释放磷，从而减少微生物对磷的吸收量。 此外，高曝气可能会分散活性污泥中较大的细菌凝胶簇，破坏细菌凝胶簇结构并降低系统性能。 生物除磷性能降低。 为了阐明DO浓度对O/EI反应器除磷性能影响的机理，进一步深入研究具有重要意义。
3.4 典型周期中SOP、COD、糖原和PHA的变化
一个典型循环过程中各反应器的除磷情况如图4所示。从图4中可以看出，在好氧阶段前30分钟，各反应器发生了明显的磷释放。 其中，R1释放的磷量较大，而R4释放的磷量较小。 此外，R1闲置期磷释放量（1.81 mg·g-1）也明显高于其他反应器，而R4闲置期基本没有磷释放。 研究表明，厌氧阶段磷的释放量可以影响系统的除磷效果。 厌氧磷释放量越多，系统除磷效果越好（方谦等，2004）。 上述结果表明，DO浓度会影响系统的初始好氧释磷、好氧吸磷以及系统闲置时间。 磷释放量大、低DO条件有利于PAOs释放磷和吸收磷，从而提高系统的除磷效率。
图4 各反应器SOP周期性变化
一个典型循环过程中各反应器内COD、糖原和PHAs的变化如图5所示。从图5中可以看出，曝气开始后，各反应器内COD急剧下降，并在前30分钟内被完全消耗。 。 各反应器COD去除率均达到90%以上。 糖原作为除磷过程中重要的细胞内聚合物，可为PHAs的合成提供还原力，也可用作碳源和储能材料。 从图5可以看出，R2~R4中糖原的变化趋势基本一致。 在有氧早期阶段，糖原降解为PAOs吸收VFAs提供能量。 VFA经过TCA循环和糖原降解，为PHA的合成提供所需的还原力，然后PHA被氧化。 分解提供PAO吸收磷所需的能量，同时补充糖原。 R1中的糖原含量在整个循环中变化不大，并且糖原在有氧早期不被分解，即只有R1中的TCA循环用于PHA的合成。 提供还原物质。 从图5还可以看出，R1好氧段PHAs的合成量明显大于其他3个反应器，约为4 mmol·g-1。 上述结果表明R1中的主要储能物质是PHAs。 而其他反应堆主要依靠PHAs和糖原提供能量。 Mino(1998)提出，当外部碳源和电子受体(O2)同时存在时，优先利用外部碳源合成PHAs，只有当外部碳源耗尽时，才会发生磷的吸收。 在本研究中，预需氧微生物处于局部缺氧环境中，微生物在细胞内储存PHA。 PHA很容易被氧化和分解。 PHA合成阶段的氧气供应越充足，PHAs的积累量就越高。 越低，说明氧气不利于PHAs的合成，氧气的存在有利于PHAs的好氧分解。
图5 各反应器COD、糖原、PHA周期性变化
各反应器中所取单位VFA合成的PHA量及PHA各组分的百分比如表3所示。从表3可以看出，R1中合成的PHA/VFA量明显高于R1中的PHA合成量/VFA。与其他反应器相比，表明R1中的微生物大部分吸收的VFA被用来合成PHA，为后续的好氧吸磷提供更多的能量。 此外，随着DO浓度的增加，PHB的百分比逐渐下降。 而Liu(2002)研究了PHAs的组成可能是好氧磷吸收的关键因素，当PHB为主要形式时，更有利于好氧磷吸收。 随着溶解氧的增加，PHAs的积累显着减少，因为当溶解氧不足时，微生物的代谢处于较低水平。 在相对缓慢的状态下，可用于新陈代谢的能量相对较少，因此吸收的VFA转化为PHA来储存能量和还原物质，以供外部碳源不足时使用； 而在高DO下，微生物有更多的代谢率，产生更多的ATP，更多吸收的VFA将用于微生物细胞的生长。 因此，PAO在低DO下倾向于储存更多的PHA，这与Third等人的结论一致。 （2003）。 DO浓度越高，系统中糖原积累越多，这可能是由于系统中优势微生物种群不同所致。
表3 各反应器PHAs组分比较（以乙酸钠为碳源）
从图5中可以看出，与其他反应器不同，R1中的糖原在有氧阶段的早期并未分解，这表明此时O/EI系统通过三羧酸循环为PHA合成提供NADH。 这可能是因为R1培养基DO较低，系统中的氧气首先被微生物吸收进行有氧呼吸，并通过TCA循环用于吸收和转化VFA，从而没有多余的氧气用于糖原分解。 在其他反应器中，糖原分解和TCA循环一起为PHA的合成提供NADH，然后通过PHA的分解补充糖原。 在有氧条件下，PAOs分解PHA产生的ATP，一部分用于蓄磷细菌的生长，另一部分ATP被磷酸激酶转化为聚磷酸盐，能量储存在聚磷酸盐中通过利用盐的磷酸键提供能量，PAO 实现了有氧磷的吸收（等人，1995）。 当系统DO较高时，微生物吸收的VFA大部分用于细胞生长，储能材料PHA合成量较少，微生物吸收磷。 用量少，除磷性能差。 低DO条件下，微生物细胞生长速度缓慢，有利于微生物储存更多的PHAs（图5）。 当外部碳源被消耗时，PHAs可以提供足够的磷吸收。 活力。
综上所述，R1除磷效果最好，其除磷性能明显高于其他反应器。 这是由于R1有氧初期缺氧，微生物可以释放出较多的多磷，并吸收吸收的磷。 大多数VFA用于合成储能物质PHA，以增加好氧磷吸收的能量。 但R4供氧充足，系统中DO增加较快，微生物释放的磷量较少。 微生物吸收的VFA主要用于细胞生长。 并生成糖原，合成的PHAs量很少。 可见，DO通过影响O/EI系统的释磷和吸磷过程以及PHAs的合成量来影响系统的除磷性能。 详情请参阅污水宝商城信息或更多相关技术文档。
4。结论
1）低DO浓度（1 mg·L-1）有利于O/EI反应器的除磷性能，除磷率高达96%。 当DO浓度增加到4 mg·L-1时，系统的除磷性能逐渐减弱，可见DO浓度对O/EI系统的除磷性能有显着影响。
2）与R4相比，R1系统中的微生物可以吸收更多的磷，合成更多的PHA，但糖原的合成和利用较少。 因此，DO浓度会影响微生物中PHAs的量和糖原的合成。 初始好氧期和闲置期的磷释放量以及好氧磷的吸收量进一步影响系统的除磷性能。