不同循環(huán)比對氧化溝脫氮除磷效果影響與微生物量分析

焦 超，于靜潔，蘇凡凱，孫力平(. 天津城建大學 a. 環(huán)境與市政工程學院；b. 天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384；. 成都軍區(qū)建筑設計研究院 昆明分院，昆明 65000)

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不同循環(huán)比對氧化溝脫氮除磷效果影響與微生物量分析

焦 超1，于靜潔1，蘇凡凱2，孫力平1
(1. 天津城建大學 a. 環(huán)境與市政工程學院；b. 天津市水質科學與技術重點實驗室，天津 300384；2. 成都軍區(qū)建筑設計研究院 昆明分院，昆明 650200)

摘要：改良型氧化溝工藝通過在循環(huán)廊道內增設緩流板來調控循環(huán)比，以此調節(jié)好氧區(qū)向缺氧區(qū)回流的混合液，進而改善系統(tǒng)的脫氮除磷效果．對比研究了氧化溝循環(huán)廊道內增設緩流板前后，循環(huán)比分別為241和27時，系統(tǒng)內自養(yǎng)硝化菌、傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化菌、聚磷菌(好氧聚磷菌及缺氧反硝化聚磷菌)和普通異養(yǎng)菌所占的比例．分析結果表明：循環(huán)比為241時，系統(tǒng)中微生物以聚磷菌和普通異氧菌為主，占所有菌群比例分別為44.65%,和32.78%,，此時缺氧反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例為24.12%,；循環(huán)比為27時，系統(tǒng)中微生物以聚磷菌為主，所占比例為77.36%,，此時缺氧反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例為48.90%,．

關 鍵 詞：氧化溝；循環(huán)比；微生物；脫氮除磷

氧化溝具有處理效果穩(wěn)定、操作管理方便等優(yōu)點，國內外很多污水處理廠選用氧化溝作為生化處理構筑物[1]．自1954年第一座Pasveer氧化溝問世以來，其工藝的設計、運行及管理不斷更新．目前的氧化溝一般將曝氣方式、污泥齡、污泥濃度、C/N、水力停留時間等作為工藝的運行參數(shù)[2-4]，但是鮮有將循環(huán)比(氧化溝廊道斷面通過的循環(huán)流量與進水流量的比值)作為運行調控參數(shù)．對于像改良微孔Carrousel內部廊道設有好氧區(qū)和缺氧區(qū)的氧化溝，并沒有任何方式來控制好氧區(qū)向缺氧區(qū)的混合液回流量，此時混合液回流比就等于循環(huán)廊道的循環(huán)比．循環(huán)比在改變氧化溝內混合液流態(tài)的同時，也對DO的分布產(chǎn)生了影響，進而對系統(tǒng)脫氮除磷能力有所改善．

目前已建氧化溝(內部廊道設有好氧區(qū)和缺氧區(qū))工藝循環(huán)比可相差十幾至數(shù)十倍，混合液回流量差異很大，這將對氧化溝工藝的除污能力產(chǎn)生影響[5].本研究在氧化溝循環(huán)廊道內添加緩流板，通過改變緩流板過流斷面大小來控制循環(huán)比，從而改善系統(tǒng)的出水水質．在活性污泥處理工藝中，系統(tǒng)內各微生物群種所占比例的多少會直接影響到工藝系統(tǒng)的出水水質．因此，文中比較了增設緩流板前后，循環(huán)比為241和27時，氧化溝內自養(yǎng)硝化菌、傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化菌、聚磷菌(好氧聚磷菌及缺氧反硝化聚磷菌)和普通異養(yǎng)菌所占比例的差異，以此評估不同循環(huán)比下，氧化溝系統(tǒng)內各菌群所占比例的變化對系統(tǒng)脫氮除磷效率的影響．

1 氧化溝工藝的運行

1.1 試驗裝置

改良型循環(huán)比可調式氧化溝試驗裝置總體積為0.1,m3，沉淀池體積0.023 6,m3．該裝置前部設置三個厭氧區(qū)；主反應區(qū)由6個可循環(huán)流動的廊道組成，其中缺氧區(qū)為1-4廊道、好氧區(qū)為5-6廊道，其結構如圖1所示(工況二，加緩流板)．為調控循環(huán)比，在循環(huán)廊道內好氧1區(qū)和缺氧1區(qū)起始端增加緩流板，以保證緩流板之間是同一功能反應區(qū)．

圖1　改良型氧化溝裝置示意

1.2 試驗水質

為了排除進水水質波動對系統(tǒng)去除污染物的影響，本試驗用水采用人工配水．碳源由葡萄糖、淀粉、乙酸鈉和蛋白胨提供，氮源由NH4Cl提供，磷源由KH2PO4提供，各污染物濃度見表1．

表1　配水濃度

1.3 試驗運行條件

系統(tǒng)連續(xù)運行，采用某城鎮(zhèn)污水處理廠的回流污泥作為種泥．設定工況一和工況二，運行參數(shù)如表2所示．

表2　工況一、二的運行參數(shù)

工況一無緩流板，好氧廊道起端采用點狀微孔曝氣供氧；兩種工況下，主反應區(qū)廊道內溶解氧濃度梯度分布基本一致，由此可知，在工況一、工況二的主要調控參數(shù)HRT、SRT、MLSS、污泥回流比、容積負荷保持一致的情況下，可以認為兩種工況下氮轉化途徑及處理效果的不同，僅是由是否添加緩流板改變循環(huán)比造成的．

1.4 分析指標與測定方法

本試驗水質指標的檢測均采用國家標準方法[6]，具體見表3．

表3　進、出水水質分析項目與測定方法

2 兩種工況下氧化溝進、出水水質對比

每個工況下系統(tǒng)培養(yǎng)期為25,d左右，培養(yǎng)末期對系統(tǒng)活性污泥進行顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)大量鐘蟲，說明系統(tǒng)運行穩(wěn)定．在此期間，對進、出水水質進行定期檢測，如表4所示．

表4　兩種工況下氧化溝進、出水水質對比

由表4可知：系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，工況二相較于工況一，系統(tǒng)出水的TP、TN濃度都明顯下降，而平均去除率都顯著提高；工況一相較于工況二，COD的濃度及平均去除率變化不明顯．上述結果表明，調控氧化溝廊道循環(huán)比能有效提高系統(tǒng)的脫氮除磷能力，而對COD的去除效果影響較小．

3 不同循環(huán)比下系統(tǒng)內微生物量分析

氧化溝內，不同區(qū)域的工藝條件不同，各區(qū)域起主導作用的功能菌群也不同，因此各區(qū)域發(fā)生的生化反應也不相同．表5列出了各反應區(qū)域發(fā)生的生化反應及主導微生物．

3.1 工況一下系統(tǒng)內微生物量估測

改良型氧化溝進水量Qin為240,L/d，工況一(不加緩流板，循環(huán)比為241時)下?lián)]發(fā)性懸浮固體濃度Xv為3,323,mg/L，剩余污泥排放量Qex為8,L/d．各水質指標見表6．

表5　反應區(qū)域各類微生物發(fā)生的主要反應

表6　工況一進出水氮污染物濃度

3.1.1 厭氧區(qū)

在厭氧區(qū)內異養(yǎng)反硝化菌以回流污泥所攜帶的NO3

-為電子受體，以進水有機物為電子供體進行反硝化脫氮，使用C18,H19O9N作為基質分子式[9]，根據(jù)下列反應式：得出硝態(tài)氮和微生物的化學計量學關系為，即每去除1,g NO3-就會產(chǎn)生1.78,g微生物量．

以下計算中出現(xiàn)的M表示質量，Q表示流量，C表示濃度．

厭氧區(qū)傳統(tǒng)反硝化去除的氮量由下式求得：

則在厭氧區(qū)異養(yǎng)反硝化菌的增值量為

3.1.2 沉淀池

由于沉淀池底部也有反硝化作用的發(fā)生，因此在沉淀池底部有一部分傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化菌的生長，則沉淀池消耗的氮量為

傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化菌增長繁殖量為

3.1.3 主反應區(qū)

在主反應區(qū)主要發(fā)生的反應有好氧吸磷、反硝化脫氮吸磷、傳統(tǒng)反硝化脫氮、硝化反應，而反硝化作用消耗的NOx-量為626,mg/d[10]，那么主反應區(qū)內異養(yǎng)反硝化的增長量MDHO,G3為1,114.28,mg/d．

在缺氧條件下，反硝化聚磷菌吸收磷酸鹽合成聚合磷酸鹽[11]：

在好氧條件下，好氧聚磷菌吸收磷酸鹽合成聚合磷酸鹽[9]：

根據(jù)式(6)和(7)可以看出，在好氧和缺氧吸磷過程中，PHA-COD和微生物量之間的關系為，即每消耗1,g COD就會產(chǎn)生0.28,g微生物量．

在主反應區(qū)內存在反硝化除磷和好氧除磷兩種過程，且除磷量分別為10,224.85,mg/d和32,167.31 mg/d[11]．因此，在主反應區(qū)內聚磷菌的增長量為

硝化菌的增長量可以通過ASMs模型中自養(yǎng)菌產(chǎn)率YA的推薦值(0.24,mg(COD)/mg(N))[12]與主反應區(qū)內氨氮的去除量乘積來表示，即主反應區(qū)內硝化菌的增長量為

主反應區(qū)內普通異養(yǎng)菌的增長量為

增長污泥各菌種所占比例見表7．

表7　工況一增長污泥各菌種所占比例

污泥培養(yǎng)馴化是一個逐步有序的過程，微生物種群結構隨系統(tǒng)運行參數(shù)的變化而調整．研究者們曾指出，改變運行參數(shù)時，活性污泥系統(tǒng)至少要培養(yǎng)2個污泥齡，方能達到穩(wěn)定[13]．經(jīng)過2個污泥齡的培養(yǎng)期，系統(tǒng)內各微生物種群所占的比例應與每日增長的污泥各菌種所占比例接近．由表7可以看出：在不加緩流板、循環(huán)比為241時，系統(tǒng)中微生物以聚磷菌和普通異氧菌為主，所占的比例分別為44.65%,和32.78%,，其中缺氧反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例為24.12%,．

3.2 工況二下系統(tǒng)內微生物量估測

工況二條件下(增設緩流板，循環(huán)比為27時)揮發(fā)性懸浮固體濃度Xv為3,071,mg/L，剩余污泥排放量Qex為8,L/d．各水質指標見表8，分析結果見表9．

表8　工況二進出水氮污染物濃度

表9　工況二增長污泥各菌種所占比例

由表9可以看出：在增設緩流板、循環(huán)比為27時，系統(tǒng)中微生物以聚磷菌為主，所占比例為77.36%,，其中缺氧反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例為48.90%,．

3.3 兩種工況下系統(tǒng)內微生物量及處理效果對比分析

由兩種工況下試驗及分析結果對比可以看出：工況二(循環(huán)比為27)較工況一(循環(huán)比為241)條件下系統(tǒng)內普通異養(yǎng)菌所占比例減少，這樣用于普通異養(yǎng)菌生長消耗的有機物減少，而用于合成PHA的有機物增多，有利于聚磷菌的富集；從表7、表9數(shù)據(jù)可知，工況二下聚磷菌所占比例明顯高于工況一的，工況二下系統(tǒng)內的傳統(tǒng)異氧反硝化菌所占的比例由工況一時的15.13%,降至9.54%,，同時缺氧反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例也明顯增大，說明增加緩流板后(循環(huán)比為27時)更有利于缺氧反硝化聚磷菌的富集．缺氧反硝化聚磷菌能夠利用體內貯存的PHA，將水中的磷吸收到體內，同時將NO3-還原為N2而去除，有效地實現(xiàn)一碳兩用，從而使工況二下系統(tǒng)脫氮除磷效果更好．

綜上可知，工況二下循環(huán)廊道內增設了緩流板，減少了好氧區(qū)向缺氧區(qū)的混合液回流量，延長了混合液在好氧區(qū)和缺氧區(qū)交替流動的時間間隔，促進了缺氧反硝化反應、反硝化除磷反應、好氧硝化反應和好氧吸磷反應，從而有助于聚磷菌及反硝化聚磷菌的富集，最終提高了系統(tǒng)的脫氮除磷效果．

4 結 論

本文對比了氧化溝循環(huán)廊道內增設緩流板前后系統(tǒng)內微生物量的變化，得出以下結論：

(1)在工況一(循環(huán)比為241時)下，系統(tǒng)中以聚磷菌和普通異養(yǎng)菌為主，COD有較大一部分用于普通異養(yǎng)菌生長，脫氮效果較差；

(2)在工況二(循環(huán)比為27)下，普通異養(yǎng)菌比例減少，聚磷菌比例增多，同時缺氧反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例由工況一時的24.12%,提高到48.90%,，這有助于提高反硝化吸磷量，同時也有助于提高氧化溝系統(tǒng)的同步脫氮除磷效果，實現(xiàn)了一碳兩用．

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The Effect Analysis of Different Recirculation Ratios on Nutrient Removal and Microbial Biomass Analysis in Oxidation Ditch

JIAO Chao1，YU Jingjie1，SU Fankai2，SUN Liping1
(1a. School of Environmental and Municipal Engineering；1b. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，TCU，Tianjin 300384，China；2．Region-Kunming Branch，Architectural Design and Research Institute of Chengdu Military ，Kunming 650200，China)

Abstract：The recirculation ratio was regulated by installing flashboard in circulation compartment section in order to control mixed liquor refluxing from aerobic zone to anoxic zone and improve the nutrients removal efficiencies in the modified oxidation ditch. This paper, when the recirculation ratios were 241 and 27 respectively, examines the situation before and after installing flashboard in circulation compartment section, including the proportions level of autotrophic nitrifying bacte-

ria, traditional denitrification heterotrophic organisms, phosphate accumulating organisms(aerobic phosphate accumulating organisms and anoxic denitrifying phosphate accumulating organisms ) and ordinary heterotrophic organisms in this system. The results showed that, when the recirculation ratio was 241, the microorganism in the treatment system were mainly phosphate accumulating organisms and ordinary heterotrophic organisms, which accounted for 44.65% and 32.78% of the whole flora respectively, and the anoxic denitrifying phosphate accumulating organisms accounted for 24.12% of the total phosphate accumulating organisms. When the recirculation was 27, the main microorganism were phosphate accumulating organisms, and the proportions were 77.36% in the whole flora, and the anoxic denitrifying phosphate accumulating organisms accounted for 48.90% of the total phosphate accumulating organisms.

Key words：oxidation ditch；recirculation ratio；microorganism；nitrogen and phosphorus removal

通訊作者：于靜潔（1978—），女，教授，博士，從事水污染控制的研究．E-mail：yjj.mary@163.com

作者簡介：焦 超（1988—），男，河北邯鄲人，天津城建大學碩士生.

基金項目：國家自然科學基金(51108299)；天津市自然科學基金(10JCYBJC05300)

收稿日期：2015-03-09；

修訂日期：2015-07-06

中圖分類號：X703

文獻標志碼：A

文章編號：2095-719X(2016)01-0027-06