低溫對(duì)EBPR系統(tǒng)生物除磷特性的影響

(北京工業(yè)大學(xué) 北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100124)

溫度對(duì)EBPR生物除磷系統(tǒng)的影響可以從2個(gè)方面來(lái)闡述。一方面，溫度降低，使得聚磷菌的代謝速率降低[1?3]，其吸放磷速率會(huì)受到一定的影響，在特定的周期時(shí)間內(nèi)，EBPR系統(tǒng)的除磷效率會(huì)有所下降[3]；另一方面，從PAO(聚磷菌)-GAO(聚糖菌)的競(jìng)爭(zhēng)角度來(lái)說(shuō)，低溫條件易于EBPR系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這是由于PAO是一種嗜冷性細(xì)菌[4?6]，其在低溫條件下對(duì)揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)依然具有較強(qiáng)的利用能力，而GAO對(duì)低溫的適應(yīng)能力較弱，因此，在低溫條件下，聚磷菌在PAO-GAO競(jìng)爭(zhēng)中占優(yōu)勢(shì)，可有效抑制聚糖菌對(duì)EBPR系統(tǒng)的不利影響[7?9]。從已報(bào)道的研究結(jié)果來(lái)看：EBPR系統(tǒng)在低溫條件下運(yùn)行時(shí)不但不會(huì)發(fā)生惡化，其運(yùn)行效果反而被增強(qiáng)[10?12]。但是，在以往的研究中，多采用配水展開實(shí)驗(yàn)，配水水質(zhì)與實(shí)際污水的水質(zhì)狀況存在較大差距，得到的結(jié)論也與實(shí)際污水廠的運(yùn)行情況存在較大的差異[12]。在此，本文作者以實(shí)際生活污水為研究對(duì)象，考察低溫對(duì)EBPR系統(tǒng)除磷性能的影響以及對(duì)PAO-GAO競(jìng)爭(zhēng)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)采用試驗(yàn)采用北京工業(yè)大學(xué)家屬區(qū)排放的實(shí)際生活污水，試驗(yàn)期間其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)際生活污水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Real domestic wastewater characteristics

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行階段

本試驗(yàn)為實(shí)驗(yàn)室小試研究。采用SBR有機(jī)玻璃反應(yīng)器，如圖1所示。反應(yīng)器直徑為20 cm，高為40 cm，總?cè)莘e為12 L，有效容積為10 L。

圖1 SBR反應(yīng)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBR reactor

反應(yīng)器每天運(yùn)行2個(gè)周期，采用瞬間進(jìn)水方式，1個(gè)周期包括進(jìn)水、厭氧2 h、好氧2 h、沉淀0.5 h和排水15 min共5個(gè)階段。維持污泥質(zhì)量濃度3 g/L，控制污泥齡為10 d，排水比為80%。反應(yīng)器配有溶解氧(DO)在線監(jiān)測(cè)儀。

試驗(yàn)共分4個(gè)階段進(jìn)行，不同階段控制不同的實(shí)驗(yàn)溫度(20，15，10和5 ℃)，考察不同溫度下聚磷菌的放吸磷特性，運(yùn)行工況如表2所示。在好氧階段初期投加烯丙基硫脲(Allylthiourea，簡(jiǎn)稱 ATU)消除硝化反應(yīng)對(duì)EBPR系統(tǒng)的影響[5]。各工況下的曝氣量為160 L/h。

表2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行階段Table 2 Running phase of experiment

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)分析方法

COD采用COD快速測(cè)定儀測(cè)定；PO43?-P采用抗壞血酸?鉬酸銨法測(cè)定；VFAs采用氣相色譜法測(cè)定；采用WTW測(cè)定儀及相應(yīng)探頭在線監(jiān)測(cè)液相內(nèi)DO和溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 中溫條件(20 )℃下EBPR系統(tǒng)馴化

試驗(yàn)污泥在20 ℃(中溫)條件下，在SBR反應(yīng)器中進(jìn)行馴化，馴化持續(xù) 30周期。20周期后，出水PO43?-P質(zhì)量濃度可穩(wěn)定維持在0.5 mg/L以下，除磷率穩(wěn)定維持在90%以上，如圖2所示。

20 ℃下，典型周期(第27周期)中COD，VFA和P的變化規(guī)律如圖3所示。從圖3可見(jiàn)：進(jìn)水PO43?-P質(zhì)量濃度為 7.85 mg/L，厭氧末 PO43?-P質(zhì)量濃度為28.15 mg/L，厭氧釋磷率為358.5%，厭氧階段前30 min的釋磷速率為5.37 mg/(g·h)；進(jìn)水中VFA質(zhì)量濃度為23.21 mg/L，在厭氧階段60 min時(shí)幾乎利用完全(1.34 mg/L)，釋磷速率收到底物VFAs濃度的限制，逐漸減??；吸磷過(guò)程在好氧階段90 min時(shí)完成，出水PO43?-P質(zhì)量濃度為0.34 mg/L，好氧吸磷率為98.7%，除磷率95.6%；好氧階段前 30 min的平均吸磷速率為11.67 mg/(g·h)。

圖2 EBPR系統(tǒng)馴化過(guò)程中除磷率的變化曲線Fig.2 Variety of PO43?-P during adjusting range of EBRP system

圖3 20 ℃典型周期中COD，VFA和P的質(zhì)量濃度變化規(guī)律Fig.3 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 20 ℃

2.2 低溫條件下EBPR系統(tǒng)的除磷性能

從第31個(gè)周期開始，EBPR系統(tǒng)先后在 15，10和5 ℃下運(yùn)行，每個(gè)階段持續(xù)10個(gè)周期，以考察低溫對(duì)EBPR系統(tǒng)的短期影響。3個(gè)階段的PO43?-P，COD和VFA質(zhì)量濃度的典型變化曲線分別如圖4～6所示，圖7所示為3個(gè)階段的DO質(zhì)量濃度的比較結(jié)果。

從圖4～6可以看出：低溫(≤15 ℃)條件下，聚磷菌的吸放磷速率均較中溫條件下的有所下降。15，10和5 ℃ 3個(gè)階段典型周期的進(jìn)水PO43?-P質(zhì)量濃度分別為6.06，7.74和6.17 mg/L，厭氧末PO43?-P質(zhì)量濃度分別為23.67，19.18和12.90 mg/L；厭氧釋磷率分別為358.5%，247.8%和209.1%，較20 ℃時(shí)分別下降了0，30.8%和41.6%；厭氧階段前30 min的釋磷速率分別為 3.84，2.35和 1.37 mg/(g·h)，較 20 ℃時(shí)分別下降了26.0%，56.2%和74.5%；厭氧階段VFAs的利用率分別為88.9%，58.4%和33.8%。

聚磷菌在15，10和5 ℃ 3個(gè)階段的好氧吸磷率分別為97.1%，76.0%和46.1%，較20 ℃時(shí)分別下降了1.0%，22.9%和57.8%；好氧階段前30 min的吸磷速率分別為 6.43，2.24和1.34 mg/(g·h)，較 20 ℃時(shí)分別下降了 44.9%，80.8%和 88.5%。出水 PO43?P質(zhì)量濃度分別為 0.67，4.60和 6.95 mg/L，除磷率分別為88.9%，24.0%和?12.6%，較20 ℃時(shí)分別下降了7.0%，74.9%和112.6%。

圖4 15 ℃典型周期中COD，VFA和P質(zhì)量濃度的變化規(guī)律Fig.4 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 15 ℃

圖5 10 ℃典型周期中COD，VFA和P的質(zhì)量濃度變化規(guī)律Fig.5 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 10 ℃

圖6 5 ℃典型周期中COD，VFA和P質(zhì)量濃度的變化規(guī)律Fig.6 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in a typical operational cycle at 5 ℃

圖7所示為4種溫度下典型周期的DO質(zhì)量濃度變化曲線。由圖 7可以看到：隨著溫度的降低，DO質(zhì)量濃度曲線的上升速率逐漸加快，且DO質(zhì)量濃度逐漸增大。本試驗(yàn)各個(gè)階段維持恒定曝氣量160 L/h，DO質(zhì)量濃度為充氧量質(zhì)量濃度與耗氧量質(zhì)量濃度之差，表明溫度越低，微生物的耗氧速率越低。從側(cè)面反映了聚磷菌在低溫條件下的活性受到了抑制。

圖7 不同工況的典型周期下DO質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)Fig.7 Profiles of mass concentration of DO in typical circles of different stages

通過(guò)比較可以看出：15 ℃時(shí)，EBPR系統(tǒng)仍有較好的除磷性能，盡管在聚磷菌的最大吸放磷速率受到了較大影響。但是，在本試驗(yàn)的周期時(shí)間下，其釋磷率和吸磷率仍然可以保證，能夠取得較好的出水效果。當(dāng)溫度降至10 ℃及以下時(shí)，聚磷菌的吸放磷速率受到較為嚴(yán)重的抑制，出水效果嚴(yán)重惡化。

2.3 低溫對(duì)PAO-GAO競(jìng)爭(zhēng)的影響

在EBPR系統(tǒng)中，聚糖菌(GAO)是造成其運(yùn)行不穩(wěn)定的主要原因。GAO與PAO在厭氧條件下競(jìng)爭(zhēng)有機(jī)底物VFAs，從而影響PAO的釋磷量及PHA的合成，使得 EBPR系統(tǒng)的除磷效率下降。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析VFAs和PO43?-P質(zhì)量濃度在不同溫度下的變化情況，來(lái)推測(cè)PAO?GAO競(jìng)爭(zhēng)情況的改變。

圖 8所示為不同工況下磷在厭氧段的變化趨勢(shì)圖。由圖8可見(jiàn)：低溫(15，10和5 ℃)下的釋磷曲線與20 ℃下的不同，在厭氧階段，釋磷量與時(shí)間幾乎呈線性關(guān)系。這主要是因?yàn)榈蜏貤l件下的VFAs在厭氧段沒(méi)有降解完，聚磷菌的釋磷速率沒(méi)有收到底物的限制，釋磷量隨時(shí)間線性增長(zhǎng)。

圖8 不同工況下磷質(zhì)量濃度在厭氧段的變化趨勢(shì)Fig.8 Profiles of mass concentration of P in typical circles of different stages in aerobic phase

圖9所示為不同工況下VFAs在厭氧段的變化趨勢(shì)圖。從圖9可以看出：在10 ℃和5 ℃時(shí)，VFAs的質(zhì)量濃度也與時(shí)間呈較好的線性關(guān)系，但是，在15 ℃時(shí)，VFA的質(zhì)量濃度變化曲線與時(shí)間不再呈線性關(guān)系，其變化曲線與 20 ℃時(shí)的更為相近；在厭氧前30 min內(nèi)，于溫度5，10，15和20 ℃時(shí)釋磷量的比為1:1.7:2.6:3.01，但VFAs利用量的比為1:1.7:4.5:9.09，表明在15～20 ℃時(shí)，厭氧階段初期的一部分VFAs被聚糖菌利用，聚磷菌和聚糖菌存在一定的競(jìng)爭(zhēng)；而在5～10 ℃時(shí)，聚糖菌的活性受到了一定的抑制，且由于釋磷量的比與VFAs利用量的比相同，表明聚糖菌的活性在10 ℃與5 ℃時(shí)沒(méi)有明顯的變化。

圖9 不同工況下VFAs質(zhì)量濃度在厭氧段的變化趨勢(shì)Fig.9 Profiles of mass concentration of VFAs in typical circles of different stages in aerobic phase

3 結(jié)論

(1) EBPR系統(tǒng)的釋磷和吸磷速率隨著溫度的降低而下降。但是，在周期時(shí)間為4 h(厭氧段和好氧段各2 h)時(shí)，15 ℃下的EBPR系統(tǒng)仍能表現(xiàn)出較好的除磷特性，而10 ℃及5 ℃的EBPR系統(tǒng)的吸放磷量受到嚴(yán)重影響，EBPR系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

(2) 低溫可有效抑制聚糖菌(GAO)的活性。在5～10 ℃時(shí)，GAO的活性受到較明顯的抑制，且GAO在10 ℃和5 ℃時(shí)的活性沒(méi)有明顯的變化。

(3) 當(dāng)厭氧階段VFAs不作為限制因素時(shí)，釋磷量與時(shí)間呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

[1] Grady C P L Jr, Daigger G T, Lim H C. Biological wastewater treatment[M]. 2nd ed. New York: Marcel Dekker, 1999: 1?1076.

[2] Beatons D, Vanrolleghem P A, Hosten L H. Temperature effects in bio-P removal[J]. Wat Sci & Tech, 1999, 39(1): 215?225.

[3] Damir B, Susanne L M C, van Loosdrecht M. Influence of temperature on EBPR: Process and molecular ecological studies[J]. Wat Res, 1998, 32(4): 1035?1048.

[4] Knoop S, Kunst S. Influence of temperature and sludge loading on activated sludge settling, especially on microthrix parvicella[J]. Wat Sci & Tech, 1998, 37(4/5): 27?35.

[5] Euiso C, Daewhan R, Zuwhan Y, et al. Temperature effects on biological nutrient removal system with weak municipal wastewater[J]. Wat Sci & Tech, 1998, 37(9): 219?226.

[6] Helmer C, Kunst S. Low temperature effects on phosphorus release and up take by microorganisms in EBPR plants[J]. Wat Sci & Tech, 1998, 37(4/5): 531?539.

[7] Panswad T, Doungchai A, Anotai J. Temperature effect on microbial community of enhanced biological phosphorus removal system[J]. Water Res, 2003, 37(2): 409?415.

[8] Erdal U G, Erdal Z K, Randall C W. The competition between PAOs (phosphorus accumulating organisms) and GAOs(glycogen accumulating organisms) in EBPR (enhanced biological phosphorus removal) systems at different temperatures and the effects on system performance[J]. Wat Sci& Tech, 2003, 47(11): 1?8.

[9] Erdal Z K, Erdal U G, Randall C W. Biochemistry of enhanced biological phosphorus removal and anaerobic COD stabilization[J]. Water Sci & Tech, 2005, 52(10/11): 557?567.

[10] 姜體勝, 楊琦, 尚海濤, 等. 溫度和 pH 值對(duì)活性污泥法脫氮除磷的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2007, 1(9): 10?14.JIANG Ti-sheng, YANG Qi, SHANG Hai-tao, et al. Effects of temperature and pH on nitrogen and phosphorus removal by activated sludge[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2007, 1(9): 10?14.

[11] Henze M, Harrenmoes P, Jansen J L C, et al. Wastewater treatment/biological and chemical processes[M]. 2nd ed. New York: Springer, 1997: 109?115.

[12] Barnard J L, Stevens G M, Leslie P J. Design strategies for nutrient removal plant[J]. Wat Sci & Tech, 1985, 17(11/12):233?242.