MUCT工藝不同硝化液內循環比的PHA和磷代謝

鹿欽禮，王曉玲

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001； 2. 吉林建筑工程學院 市政與環境工程學院， 吉林 長春 130021）

水處理技術

MUCT工藝不同硝化液內循環比的PHA和磷代謝

鹿欽禮1，王曉玲2

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001； 2. 吉林建筑工程學院 市政與環境工程學院， 吉林 長春 130021）

以低C/N比污水為處理對象、基于物料平衡分析，研究了在MUCT工藝中硝化液內循環比與COD降解轉化、PHA的代謝、磷的轉移以及氮的轉化等4個過程的關系。進水COD濃度恒定為(290±10)mg/L，TN濃度恒定為(55±0.5)mg/L，TP濃度恒定為(7.0±0.5)m g/L，改變硝化液內循環比，測定各反應段及出水COD、TN、TP濃度以及污泥中的PHA含量。試驗結果表明：厭氧段去除的COD的63%～67%左右轉化為PHA，在第二缺氧段和好氧段，PHA被消耗用于吸收污水中的磷，硝化液內循環比對第二缺氧段的消耗量有較明顯的影響；硝化液內循環比對磷的釋放過程影響較小，是第二缺氧段的吸磷過程的主要影響因素。

MUCT工藝； 硝化液內循環比； 物料平衡； 轉化

生物法去除營養物質工藝（Biological Nutrient Removal，BNR）中，是傳統活性污泥法的延伸，但原理更復雜，因為該系統中至少包括3種反應段－厭氧、缺氧、好氧，且在各段之間循環混合液[1]。其中最重要的生化反應過程包括：①厭氧段，PAO吸收易生物降解COD，并將其轉化成PHA貯存在體內；PAO體內的聚磷水解釋放磷；②缺氧段，反硝化菌進行將硝酸鹽氮轉化成氮氣；③好氧段，PAO利用PHA產生能量進行生長、合成糖原以及吸磷；好氧環境條件下的另一個重要的反應器是硝化過程。在運行過程中發現，BNR系統的活性污泥中存在一種既可以吸磷又可以轉化硝酸鹽氮的微生物——反硝化聚磷菌[2-4]。

在各種BNR系統中，MUCT（Meliorate University of Cape Town）工藝由于消除了硝酸鹽氮對厭氧釋磷過程的影響，強化了BNR工藝脫氮除磷的功能，而得到較為廣泛的應用[5-8]。但在MUCT工藝中，硝化液內循環比較高時，將使進入到第二缺氧段的溶解氧增加和使混合液在第二缺氧段的實際水力停留時間縮短，導致該段的反硝化容量和吸磷量降低。

為了深入分析硝化液內循環比與COD降解轉化、PHA的代謝、磷的轉移以及氮的轉化等4個過程的關系，本文以模擬生活污水為考察對象進行了試驗研究。

1 原理與方法

1.1 試驗裝置

MUCT系統試驗裝置如圖1所示。裝置由有機玻璃制成，為二廊道推流式反應器，分為4個反應段，依次為厭氧段、第一缺氧段、第二缺氧段、好氧段。試驗的進水、硝化液內循環α、內循環混合液γ以及回流污泥s等流量均由蠕動泵控制。

1.2 試驗方案

試驗期間進水水質保持在一個水平，COD濃度恒定為(290±10) mg/L，TN濃度恒定為(55±0.5) mg/L，TP濃度恒定為(7.0±0.5) mg/L。試驗過程中保持硝化液內循環比以外的其他運行條件和參數不變。調節硝化液內循環比α，進行了4組試驗，每組試驗為一個階段。ANA∶ANO1∶ANO2∶AE各段體積比為2∶1∶2∶5。s為0.5，γ為1。好氧段末端溶解氧濃度控制在2 mg/L左右，剩余污泥污泥齡控制在12 d，污泥量根據Zhu等推薦的公式進行計算[9]，溫度控制在(20±1)℃。實時監測反應器的DO、pH值以及ORP值，用以反饋系統狀態。

1.3 檢測指標

試驗過程中測定DO、ORP、MLSS、COD、NH4

+-N、NO3--N、TP、TN、PHA、pH、水溫等指標。PHA采用氣相色譜法測定，其他指標均采用國標方法。統計分析各試驗階段穩定運行期間的測定結果，分析用數據點個數在20～30個范圍之間［10,11］。

圖1 MUCT工藝流程圖Fig.1 The sehematic diagram of MUCT process

2 結果與分析

2.1 硝化液內循環比與PHA的代謝

2.1.1 PHA的貯存

試驗期間MUCT工藝各反應段出水COD濃度和活性污泥PHA含量見表1。

表1 各反應器出水COD濃度和活性污泥PHA含量Table 1 Effluent COD concentration and PHA content in each bioreactor

從表1中還可以看出，好氧段活性污泥中PHA含量最低，厭氧段最高。為分析COD降解和PHA代謝的反應過程，以厭氧段和第一缺氧段為系統邊界，基于混合液COD濃度和PHA含量的平均值（統計結果）進行了物料平衡分析，確定了兩段COD的去除量和PHA的貯存量（以COD表示，PHA的COD化學計量學常數取1.67 g COD/g PHA），結果見圖2。

圖2 試驗期間COD、PHA的反應量Fig.2 Relation amount of COD，PHA during experiment

從圖中可以看出，試驗期間厭氧段PHA的貯存量基本保持不變，說明α對厭氧段PHA貯存量無顯著影響。厭氧段去除的COD中63%～67%被轉化為PHA貯存在聚磷菌體內，這是該段COD濃度降低的主要原因。PHA的大量貯存有利于生物除磷過程的進行。

從表1中可以得出，第一缺氧段污泥PHA含量降低，而從圖2中卻可以得出第一缺氧段內PHA總量升高，即貯存了PHA。說明第一缺氧段的主要作用是還原回流污泥中的硝酸鹽氮，以避免其對厭氧釋磷過程的影響。第一缺氧段COD和硝酸鹽氮物料平衡計算結果見表2［10］。

表2 第一、二缺氧段COD、NO3--N反應量Table 2 Amount of COD,NO3--N in No.1 and No.2 anoxic zone

磷菌只占活性污泥中一部分，所以出現了第一缺氧段雖反硝化菌屬異養型細菌，為了達到理想的反硝化效果， COD/N比值約為4 g COD/g NO3--N。從表中可以得出，第一缺氧段COD消耗量與硝酸鹽氮還原量的比值大于4 g COD/g NO3--N，回流污泥中的硝酸鹽氮被完全反硝化，所以該段消耗的COD一部分用于反硝化，一部分被聚磷菌吸收并以PHA形式貯存。回流污泥(PHA含量與好氧段污泥相同)進入到第一缺氧段，經γ循環至厭氧段，為其提供微生物，致使厭氧段活性污泥濃度比第一缺氧段低，加之聚然貯存了PHA，而污泥PHA含量下降的現象［10］。

2.1.2 PHA的消耗

從表1中可以得出，污泥中PHA的含量在第二缺氧段以及好氧段進一步降低。導致2個反應段污泥PHA含量降低主要有2個原因：硝化液內循環比的稀釋和PHA的消耗。分別以第二缺氧段和好氧段為系統邊界，依據測得的污泥PHA含量，進行了物料平衡分析計算，結果見圖3［10］。

圖3 試驗期間PHA的消耗量Fig.3 Consumption amount of COD，PHA during experiment

從圖中可以得出，在第二缺氧段PHA被消耗，且消耗量在α=4時最高。MUCT工藝的第二缺氧段的硝酸鹽氮來自于好氧段，主要功能是進行反硝化。從表2中可知，第二缺氧段COD消耗量與硝酸鹽氮還原量的比值遠小于2.86，據此推測，反硝化菌的主要供氫體是PHA。因此在第二缺氧段PHA被大量消耗，且消耗量與進入到該段的硝酸鹽氮量有關，即受硝化液內循環比α的影響，在硝化液內循環比為4時達到最大值20.73 g/d。PHA在第二缺氧段的消耗有助于節省好氧段曝氣所需能耗。結合表2和圖3可知，好氧段PHA含量繼續降低，PHA被消耗，消耗量在α=4時最低。

2.2 硝化液內循環比與磷的代謝

2.2.1 磷的釋放

MUCT工藝試驗期間各反應段出水TP濃度見表3。可以看出，硝化液內循環比α對系統出水TP濃度影響較小。試驗期間，出水TP濃度在0.59～0.84 mg/L之間，TP的去除率在87.60%～91.45%之間。以每個反應段和整個工藝為系統邊界，基于測得的各段混合液TP濃度的平均值進行了物料平衡分析。根據活性污泥微生物細胞物質的經驗公式可知，細胞物質中的含磷量一般為1.5%～2.0%[12,13]。

從表3數據可以得出，混合液進入第一缺氧段后，TP濃度降低，引起該段TP濃度下降的可能主要有3個原因：一是微生物的同化作用，二是回流污泥、混合液的稀釋作用，三是缺氧吸磷作用。在第一缺氧段內發生釋磷反應，TP濃度的降低主要由回流污泥的稀釋和微生物的同化作用引起的。在MUCT工藝中污泥回流至第一缺氧段，在該段中將進行反硝化反應。從表3中可以看出，第一缺氧段內COD消耗量/硝酸鹽氮反應量的比值在8.5左右，所以第一缺氧段內回流污泥中的硝酸鹽氮優先被傳統反硝化菌利用，不能作為反硝化聚磷菌的電子受體。在硝酸鹽氮被反硝化完全后，剩余的COD被聚磷菌吸收并以PHA的形式貯存在體內，同時釋放出磷，所以第一缺氧段表現為釋磷過程。當硝化液內循環比為4時，因出水硝酸鹽氮濃度最低，所以第一缺氧段釋磷量最高。

根據TP的物料平衡計算結果可以判斷，MUCT工藝的釋磷反應主要在厭氧段完成，第一缺氧段的釋磷量占總釋磷量的比例較低，約為7%左右，對除磷的貢獻較小。試驗期間，MUCT工藝的總釋磷

量保持在6.46～6.66 g/d之間，出水TP濃度在0.59～0.84 mg/L之間波動，保持了較高的除磷率。

2.2.2 磷的吸收

從表3中可以看出，試驗期間，第二缺氧段TP濃度大幅降低，主要是由于缺氧吸磷和硝化液的稀釋作用導致的。根據TP物料平衡計算結果，確定了MUCT工藝在不同硝化液內循環比條件下運行時的缺氧吸磷量和缺氧段吸磷質量分數。缺氧吸磷質量分數表示缺氧吸磷量占總吸磷量的比例。

表3 各反應器出水TP濃度Table 3 Effluent TP concentration and P content in each bioreactor mg/L

從圖中可以看出，缺氧吸磷質量分數隨著硝化液內循環比α的升高而增加，從α為2時的0.37增加到α為4時的44%。然而當α繼續增加至5時，缺氧吸磷量和缺氧吸磷質量分數下降。

由表2可知，在ANO2中，由于可利用的外碳源COD量較少，所以反硝化的主要供氫體是內碳源PHA，反硝化聚磷菌的反硝化作用占有優勢，即在還原硝酸鹽氮的同時，大量的磷被吸收，污水中TP濃度降低。在MUCT工藝中進入第二缺氧段的硝酸鹽氮量主要與系統硝化效果和硝化液內循環比α有關。在硝化效果一定的條件下，該值隨著α的增加而增加，導致缺氧吸磷量從α為2時的3.06 g/d增加到α為4時的3.75 g/d。然而當α增加到5時，由于第二缺氧段實際水力停留時間較短以及隨硝化液進入到第二缺氧段的DO量較高（0.37 g/d），所以影響了反硝化聚磷菌的新陳代謝過程，導致缺氧吸磷量和缺氧吸磷質量分數分別降低至3.05和0.37 g/d。試驗發現硝化液內循環比α對總吸磷量影響較小。總吸磷量主要受試驗期間的總釋磷量的影響。吸磷量和釋磷量之間的關系見圖4。這說明厭氧釋磷是生物除磷的關鍵。

圖4 試驗期間釋磷量與吸磷量的關系Fig.4 Relationship between prelease and puntake during experiment

2.3 內循環比與TN的轉化

試驗期間系統對氨氮的去除基本不受硝化液內循環比的影響，出水氨氮濃度均在1.38 mg/L以下，去除率穩定在97%以上。而硝化液內循環比α對TN去除效果影響較大，隨著α從2增加到4，TN去除率從72.95%上升到79.45%，但當α繼續增加到5時，去除率下降至74.31%。

試驗期間，以每個反應段為系統邊界，基于測定的TN濃度，進行了物料平衡分析得知，出水中的TN以硝酸鹽氮為主（來自于好氧段氨氮的硝化反應），出水TN濃度的變化主要是由硝酸鹽氮濃度的變化所導致的；TN主要是在第一缺氧段、第二缺氧段以及好氧段被去除。第一缺氧段、第二缺氧段反生反硝化反應，硝酸鹽氮轉化為了氮氣，實現了污水的脫氮過程；而在好氧段，氮以氨氮的形式被微生物吸收，通過合成代謝過程成為生物體一部分。在本試驗中，當α較高時，一方面將有更多的DO隨著硝化液進入到第二缺氧段而影響反硝化作用；另一方面，第二缺氧段的實際水力停留時間也隨著α的增加而減少，因此，降低了第二缺氧段的反硝化潛力。

3 結 論

（1）硝化液內循環比α對厭氧段PHA貯存量無顯著影響。厭氧段去除的COD的63%～67%被轉化為PHA；第一缺氧段中首先反生反硝化反應，當硝酸鹽氮耗盡后剩余的COD被聚磷菌吸收并轉化成PHA貯存，且PHA貯存量在硝化液內循環比為4時最高。在ANO2和AE中，PHA被消耗。隨著硝化液內循環比的升高，在ANO2中的消耗量增加，在硝化液內循環比為4時，PHA的消耗量達到最高，為20.73 g/d。

（2）硝化液內循環比α對厭氧段的釋磷反應無顯著影響，但對ANO1的釋磷稍有影響，在硝化液內循環比為4時最大。在ANO2中發生吸磷反應，吸磷量與進入到該段的硝酸鹽氮量有關，即受硝化液內循環比的影響。調節硝化液內循環比可強化第二缺氧段的缺氧吸磷性能。

（3）TN的轉化主要發生在第二缺氧段，受硝化液內循環比影響。

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PHA and Phosphorus Metabolism Under Various Nitrified Liquor Recycling Conditions in MUCT Process

LU Qin-li1, WANG Xiao-ling2
(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001,China；
2. College of Environmental Engineering, Jilin Architectural and Civil Engineering Institute, Jilin Changchun 130021, China )

Based on mass balances, relationships between the nitrified liquor recycling condition and COD removal, phosphorus release, phosphorus uptake, nitration, denitrification were discussed by using low C/N rate wastewater as the research object, in which the influent chemical oxygen demand concentration was stabilized at (290±10)mg/L, the influent total nitrogen (TN) concentration was stabilized at (55±0.5)mg/L, the influent total phosphorus (TP) concentration was stabilized at (7.0±0.5)mg/L. The nitrified liquor recycling condition was changed to compare the effluent total nitrogen and total phosphorus concentration. The experimental results show that 63%～67% of the COD removed in the anaerobic zone can be identified as PHA; in the second anoxic and aerobic zone, the PHA has been consumed for phosphate uptake, consumption of PHA is significantly affected by nitrified liquor recycling condition in second anoxic zone; nitrified liquor recycling condition has little effect on phosphorus release, but it is a key factor affecting phosphorus uptake in the second anoxic zone.

MUCT process; Nitrified liquor recycling condition; Mass balance; Conversion

X 703

A

1671-0460（2012）03-0308-04

2012-01-01

鹿欽禮（1977-），男，吉林白城人，講師，碩士學位，研究方向：主要研究污水物化及生物處理技術。E-m ail：luqinli@sina.com。