1、倒置AAO工藝聚磷微生物的吸磷行為陳洪斌 1,2*,唐賢春 1,何群彪 2,屈計寧 1,高廷耀 2 (1.同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室,上海200092；2.同濟大學城市污染控制國家工程研究中心,上海 200092)摘要：采用人工配水和市政污水研究了“缺氧-厭氧-好氧”(倒置 AAO)脫氮除磷工藝中，聚磷微生物（PAOs）在低碳源、高硝酸鹽環境下的釋磷和吸磷行為。結果表明，在低碳源、高氮和磷環境中，盡管PAOs在缺氧厭氧段釋磷程度低，如果適當延長厭氧段和好氧段的HRT、且好氧曝氣較充分，仍能超量吸收磷。PAOs過量吸磷的能量來源不僅僅是厭氧段吸收與合成的胞內聚合物在好氧段的氧化，

2、還來自好氧環境正常代謝過程中多余的能量。外加碳源的投加時間點對PAOs吸磷的影響不顯著。PAOs在厭氧段后期出現過量吸磷現象，推測是細胞內有機物厭氧降解產生的ATP通過某種代謝途徑被用于無機磷的吸收。關鍵詞：生活污水；脫氮除磷；聚磷菌；厭氧磷吸收中圖分類號：X703.5 文獻標識碼：A 文章編號：1000-6923(2007)01-0049-05Phosphorus uptaking behavior of phosphorus accumulating organisms in reversed AAO Process. CHEN Hong-bin1,2*, TANG Xian-chun1,

3、 HE Qun-biao2, QU Ji-ning1, GAO Ting-yao2 (1.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse；2.National Engineering Research Center for Urban Pollution Control, Tongji University,Shanghai 200092, China). China Environmental Science, 2007,27(1)：4953Abstract: The phosphorus release and up

4、take behavior of phosphorus accumulating organisms (PAOs) in “anoxic-anaerobic-aerobic” denitrification and phosphorus removal process (namely reversed AAO) with low carbon nutrients and high nitrate were explored using artificial wastewater and municipal wastewater. Phosphorus release of PAOs is in

5、complete with low carbon nutrient and high nitrate in anoxic and anaerobic stage, however, a suitable prolonged anaerobic time, aerating time and enough oxygen can initiate phosphorus ultra-uptake of PAOs; the energy source of phosphorus ultra-uptake by PAOs was due to not only the intracellular PHB

6、 synthesized during anaerobic stage, but also the surplus energies during aerobic stage. The position of adding external carbon nutrients has nearly no influence to behaviors of PAOs. It was found that PAOs can re-uptake phosphate in the later anaerobic stage, a possible explanation was that its ene

7、rgy demand derived from the anaerobic degradation of organics and utilized to uptake phosphate form water.Key words：municipal wastewater；denitrification and phosphorus removal；phosphorus accumulating organisms；anaerobic phosphorus uptake生物脫氮除磷研究的深入發展，促進了新型生物脫氮除磷工藝的研制與開發1-2。張波，高廷耀等3-5研究了“厭氧-缺氧-好氧”脫氮除

8、磷工藝的厭氧段和缺氧段倒置效應，并由此在常規AAO工藝的基礎上開發出倒置AAO工藝，該工藝投資和能耗均有所降低。目前，倒置AAO工藝的研究和應用多以外排水的氮、磷達到一級B排放標準為主，若使工藝達到一級A排放標準或歐盟排放標準，則需回流的NO3-N總量大幅增加，因而造成反硝化細菌和聚磷菌(PAOs)對營養物的競爭加劇。碳源與TN和TP的比例失調，以及碳源不足，對PAOs除磷的影響更加突出。為此，本研究采用德國Darmstadt市某污水處理廠的進水及人工配水，探討在高NO3-N和PO43-P、低碳源條件下倒置AAO工藝的PAOs吸磷規律以及污水碳源缺乏時外加碳源的投加時間點對PAOs的影響。1

9、材料與方法1.1 材料與制備利用連續流小試裝置培養批次試驗所需的富磷污泥。試驗裝置由缺氧厭氧池、好氧池及二沉池組成，處理水量4060L/d，缺氧厭氧池的攪拌轉速1020r/min，泥水混合液僅從二沉池回流，回流比可調。進水按德國標準方法由人工配制6，CODCr 500600mg/L，TN 80100mg/L，TP 915mg/L。污水在缺氧厭氧段和好氧段的停留時間(HRT)模擬德國污水處理廠生物處理裝置的實際HRT(1012h)，缺氧厭氧段和好氧段的比例為1:1.5或1:1.2；批次試驗所用的市政污水取自Darmstadt 市 Ebstadt污水處理廠，B/C約為0.5，人工配水與連續流實驗的

10、配制方法相同，可根據試驗需要對NO3-N或PO43-P的濃度有所調整；批次試驗的污泥TP含量為4.06%4.76%干物質(DS);批次試驗的缺氧厭氧段利用磁力攪拌器混合，轉速維持于防止污泥下沉。1.2 分析方法CODCr、NH3-N、TN、TP、NO3-N和PO43-P均采用HACH快速分析儀測試，利用事先測定的標準曲線來修正測試結果。污泥的TP與VFA測定方法見文獻6。2 結果與討論2.1 缺氧厭氧段碳源缺乏、NO3-N 濃度較高時的吸磷行為利用批次試驗探討了碳源缺乏、回流NO3-N濃度較高條件下，PAOs在缺氧厭氧段和好氧段的釋磷與吸磷現象，同時對比了常規AAO工藝在高NO3-N濃度條件下

11、的磷釋放和吸收規律。批次試驗（2個裝置同步進行）的缺氧攪拌時間均為4h，曝氣時間 6h，實驗結果見圖1，圖2。 圖1中1號和2號反應器模擬了回流比250%、高NO3-N狀態下的PAOs釋磷和吸磷效果。試驗初始的 CODCr分別為109、151mg/L，NO3-N濃度均為21.6mg/L，PO43-P分別為5.25、8.95mg/L，碳氮比和碳磷比都很低。由圖1可見，缺氧厭氧段即將結束時，NO3-N才被徹底反硝化。與此同時，厭氧段結束時水中的PO43-P分別比試驗初提高了9.25、11.2mg/L，釋磷量分別占污泥干重的0.40%和0.31%。好氧段的曝氣較充足，盡管水溫不高，但4h后NH3-N

12、被徹底氧化，6h時水中殘余的PO43-P僅為0.19、0.61mg/L。3號反應器采用人工配水，初始CODCr為150.5mg/L，PO43-P和NO3-N分別高達15.4、22.6mg/L。同樣地，NO3-N經過 4h才消耗完畢，PAOs的釋磷量僅為污泥干重的0.14%，不過好氧結束時水中殘余的PO43-P為0.18mg/L。可見，缺氧厭氧段釋磷充分與否對后續好氧段的吸磷行為影響不明顯。圖2對比了倒置 AAO 工藝和常規 AAO 工藝在碳源不足、高 NO3-N 環境中的釋磷和吸磷行為,前者在厭氧段結束時釋磷量處于最高水平,占污泥干重的0.50%;加入NO3-N后出現反硝化吸磷現象,曝氣后繼續

13、吸磷,直到好氧結束;而后者在缺氧厭氧段的釋磷量低于前者,釋磷量占污泥干重的0.36%;但好氧結束時水中殘余的PO43-P濃度與前者相近,分別為 0.22,0.25mg/L.可見,在高 NO3-N 和 PO43-P、低碳源環境中,雖然倒置 AAO 工藝的缺氧厭氧階段 PAOs 釋磷不充分,吸收有機物并合成胞內聚合物的數量有限,但在好氧段較長的HRT和充足曝氣條件下,仍能過量吸收磷,說明 PAOs 吸收磷的能量來源并不唯一.2.2 延長缺氧厭氧段 HRT 對 PAOs 吸磷的作用圖 3,圖 4 為碳源不足、高 NO3-N 回流量條件下分別以市政污水和人工配水延長缺氧厭氧段的HRT對PAOs釋磷和吸

14、磷量變化.批次試驗的前4h攪拌由1 號反應器(體積10L)完成,4h 后虹吸出一半混合液轉入 2 號反應器并曝氣,剩余部分繼續攪拌 2h 后曝氣,兩反應器的 DO 控制相同.由圖 3 可見,較低溫度下 3h 后 NO3-N 才消耗完畢;4h 后反應器的 PO43-P 的濃度達到21.1mg/L;攪拌至 6h 后 PO43-P 達到 24.4mg/L,而 CODCr的下降幅度不大.2 個反應器在好氧段的曝氣 5h 后 NH3-N 均降低為 0, 6h 時 PO43-P 分別降低到0.51,0.61mg/L.同樣條件下水溫為25的試驗表明,缺氧厭氧段的HRT為4h和6h對PAOs的釋磷和吸磷效果的

15、影響弱于較低溫度條件.由圖 4 可見,水溫為 2327、人工配水延長缺氧厭氧段 HRT 對 PAOs 釋磷和吸磷的影響弱于市政污水.盡管反應初始 NO3-N 達到 26.1mg/L,PO43-P 高達 22.7mg/L,但缺氧 1h 后 NO3-N 就被消耗殆盡,反應器的 ORP 很快低于-100mV,第 4h 時 PAOs 釋磷達到高峰,水中的 PO43-P 為71.0mg/L, PAOs 釋磷量占污泥干重的 1.4%;繼續延長厭氧時間,PAOs 表現為重新吸磷現象,至 6h時水中的 PO43-P 降低至 38.8mg/L, COD 為63.1mg/L.好氧曝氣 6h 時水中的 PO43-P

16、 濃度分別為 0.29,0.35mg/L(缺氧厭氧段 HRT 為 6,4h).可見,當碳源不足、回流 NO3-N 含量高的條件下,適當延長缺氧厭氧段的 HRT 對生物除磷有促進作用,但在不同的水溫下有所差異. 2.3 外加碳源的位置對吸磷和釋磷的影響為考察在較低的溫度條件下不同位置投加甲醇對 PAOs 釋磷與吸磷的影響,以市政污水在13.3,17.2、分別位于缺氧段伊始與攪拌 2h 后投加甲醇 30mg/L(某污水處理廠曝氣生物濾池外加甲醇的劑量,活性污泥經過馴化),試驗結果見圖 5.由圖 5 可見,13.3時由于反應初始的NO3-N 濃度較低,2h 時均已消耗殆盡并進入厭氧狀態;5h 厭氧結

17、束時水中的 PO43-P 均達到22.5mg/L,曝氣 6h 后終濃度分別為 0.37mg/L(反應初始投加甲醇)和 0.23mg/L(攪拌 2h 后投加甲醇).在 17.2時,初始 NO3-N 和 PO43-P 濃度分別提高至 20.4,15.5mg/L. NO3-N 到第 4h 才消耗完畢;從 PAOs 釋磷和吸磷效果看,初始投加和 2h后投加甲醇的磷釋放和吸收曲線均相似,2h 內僅增加了 3mg/L,此后 3h 水中的 PO43-P 均持續減少,也即 PAOs 開始重新吸收磷,好氧結束時水中的 PO43-P 分別為 0.04,0.03mg/L.可見,碳源不足時,低溫下外碳源的投加位置對

18、PAOs 的釋磷和吸磷影響不明顯.即使缺氧厭氧段 PAOs 釋磷量少,PHB 等合成不足,但 PAOs 在好氧段吸收磷的數量仍達到污泥干重 0.41%,進一步說明缺氧厭氧段 PAOs 的釋磷程度與最終吸收量沒有必然的相關性.而且以市政污水開展試驗,同樣在厭氧段后期發現了磷的吸收現象.在生產性裝置中倒置AAO 工藝如需外加碳源以提高反硝化和生物除磷效率時,建議外碳源投加點設定在缺氧厭氧段的初始點,這樣不僅可促進NO3-N快速還原,而且有利于維持較長的厭氧時間。2.4 連續流小試裝置高氮環境的除磷效果連續流小試裝置穩定運行時進水為人工配水,試驗期間考察了高 NO3-N 回流量對生物除磷的影響,結果

19、見表 1.注：表中數據為連續運行的平均值，小試試驗的水溫1217；進水負荷率01.72kgCOD/(kg.d)，泥齡為15d；生物處理裝置的HRT為22h，缺氧厭氧段與好氧段的比例為1:1.5；好氧池DO控制2 3mg/L； -為未檢測。由表1可見,CODCr、有機氮和NH3-N均被徹底氧化,出水NH3-N濃度低于0.1mg/L.TN 和TP 的去除率受回流比的影響明顯:回流比為220%250%,TN 的去除率平均達到 74.6%,出水的 NO3-N 濃度平均為 20.3mg/L,TP 和 PO43-P濃度分別達到 1.65,1.48mg/L.當回流比為 150%時,TN的去除率僅為61.3%

20、,出水的TP和PO43-P分別為0.57,0.48mg/L.試驗發現,連續流條件下高NO3-N 對 PAOs 吸磷的影響與批次試驗有一定的差異性.原因可能是連續流小試裝置的缺氧厭氧段采用完全混合式池型,沒有明顯的缺氧段和厭氧段界限,ORP 為-100mV,厭氧環境未形成,對 PAOs 釋磷和吸磷造成了影響.2.5 倒置 AAO 工藝在厭氧段的磷重吸收現象以圖 4 為例,從物料平衡角度分析被重新吸收的 磷 , 假 定缺 氧 厭 氧段 被 去 除 的 CODCr(175.4mg/L)全部被用于合成細胞,那么用于細胞合成的磷不超過 2mg/L,而厭氧段結束時減少的PO43-P 達到 31.2mg/L

21、,顯然這部分磷在厭氧后期被 PAOs 重新吸收.從能量平衡的角度分析,厭氧環境被去除的 COD 通過厭氧酵解等途徑產生的 ATP 能夠滿足這部分磷被細胞吸收所需要的能量.wang 等7在研究厭氧好氧序批式顆粒污泥床反應器時也發現了厭氧磷吸收現象,不過他們的試驗是以易降解物質乙酸鹽作為人工配水的唯一碳源,且于碳源豐富、TN 和 NH3-N濃度低的條件下發生.本試驗采用人工配水和市政污水在碳源較充足和碳源不足的條件下均出現厭氧段后期 PAOs 吸磷現象.筆者認為,厭氧段出現磷重吸收現象可能不僅與缺氧、厭氧段的時間較長相關,還與易降解有機物的數量、胞內聚合物及 PAOs 的代謝途徑等相關.2.6 倒

22、置 AAO 工藝 PAOs 磷吸收的能量來源試驗發現,低碳源和高回流 NO3-N 數量對倒置 AAO 工藝的缺氧厭氧段 PAOs 釋磷影響很大,但好氧段出水的 PO43-P 仍可以達到較低的濃度,厭氧段的釋磷程度與好氧段過量吸磷數量沒有顯著的相關性.只要存在厭氧狀態,PAOs 即使磷釋很低或者沒有磷釋放,在好氧段仍可過量吸收磷.可以認為,倒置AAO工藝的PAOs在好氧段過量吸磷的能量來源不僅僅是厭氧段合成的PHB 等被氧化分解而產生的能量;還來自好氧正常代謝過程中多余的能量.而厭氧后期出現PAOs 重新吸收磷的原因推測是有機物厭氧降解過程產生了較多的 ATP,被用于從水中吸收無機磷到細胞內.3

23、 結論3.1 高 NO3-N、低碳源條件下,PAOs 在缺氧厭氧階段釋磷不充分,但在好氧段較長HRT和充足曝氣條件下仍能過量吸收磷.適當延長厭氧段的HRT 對 PAOs 的好氧段吸收磷有促進作用.3.2 倒置 AAO 工藝外加碳源在缺氧段或厭氧段對 PAOs 釋磷和吸收磷的影響不明顯.生產性條件下,建議投加于缺氧段初始時,以促進系統盡快進入厭氧環境,提高厭氧程度、推動后續吸磷.3.3 PAOs 在好氧段過量吸磷的能量來源不僅僅是厭氧段的PHB等被氧化分解而產生的能量,還有來自好氧正常代謝過程中多余能量.利用市政污水和人工配水均出現厭氧后期出現PAOs重新吸收磷的現象,可能的解釋是細胞內有機物厭氧降解過程產生的多余 ATP,通過某種代謝途徑被用于從水中吸收無機磷到細胞內.參考文獻：1 Merzouki M, Bernet N, Delgenes J P, et al. Biological denitrifying phosphorus removal in SBR: effect of added nitrate concentration and sludge retention time J. Wat. Sci. Tech.,2001,43(3):191-194.2 Zill