生物脫氮除磷工藝中的矛盾

1、5, 生物脫氮除磷工藝中的矛盾（1）泥齡問題作為硝化過程的主休 , 硝化菌通常都屬于自養(yǎng)型專性好氧菌 . 這類微生物的一個突出特點是繁殖速度慢 ,世代時間較長.在冬季,硝化菌繁殖所需世代時間可長達30d以上;即使在夏季，在泥齡小于5d的活性污泥中硝化作用也十分微弱 . 聚磷菌多為短世代微生物 , 為探討泥齡對生物除磷工藝的影響 ,Rensink 等（1985 年）23用表 2 歸納了以往的研究成果 ，并指出降低泥齡將會提高系統(tǒng)的除磷效率 .泥齡與除磷率關系 表 2泥齡/d30175.34.6磷去除率 /%405087.591由表 2可見聚磷微生物所需要泥齡很短 . 泥齡在 3.0d 左右時 ，

2、 系統(tǒng)仍能維持較好的除磷效率 . 此外 ， 生物除磷的唯一渠道是排除剩余污泥 . 為了保證系統(tǒng)的除磷效果就不得不維持較高的污泥排放量 ， 系統(tǒng)的泥齡也不得不相應的降低 .顯然硝化菌和聚磷菌在泥齡上存在著矛盾 .若泥齡太高 ，不利于磷的去除 ;泥齡太低 ，硝化菌無法存活 ， 且泥量過大也會影響后續(xù)污泥處理 . 針對此矛盾 ， 在污水處理工藝系統(tǒng)設計及運行中 ， 一般所采用的措施是把系統(tǒng)的泥齡控制在一個較窄范圍內 ， 兼顧脫氮與除磷的需要 .這種調和 ，在實踐中被證明是可行的.為了能夠充分發(fā)揮脫氮與降磷兩類微生物的各自優(yōu)勢 ， 可采取的其它對策大致上有兩類 . 第一類是設立中間沉淀池 ，搞兩套污泥

3、回流系統(tǒng)使不同泥齡的微生物居于前后兩級 （見圖 4）， 第一級泥齡很 短， 主要功能是除磷 ; 第二級泥齡較長 ， 主要功能是脫氮 . 該系統(tǒng)的優(yōu)點是成功地把兩類泥齡不同的微生物分 開.但是，這類工藝也是存在局限性 .第一，兩套污泥回流系統(tǒng) ，再加上中間沉淀池和內循環(huán) ，使該類工藝流程 長且比較復雜.第二，該類工藝把原來常規(guī) A2/0（見圖5）工藝中同步進行的吸磷和硝化過程分離開來，而各自所需的反應時間又無法減少 ， 因而導致工藝總的停留時間變長 . 第三 ， 該工藝的第二級容易發(fā)生碳源不足 的情況，致使脫氮效率大受影響 .此外，由于吸磷和硝化都需要好氧條件 ，工藝所需的曝氣量也可能有所增加

4、第二類方法是在A2/O工藝好氧區(qū)的適當位置投放填料.由于硝化菌可棲息于填料表面不參與污泥回流，故能解決脫氮除磷工藝的泥齡矛盾 . 這種作法的優(yōu)點是既達到了分離不同泥齡微生物的目的 ， 又維持了常規(guī) A2/O工藝的簡捷特點.但是該工藝也必須解決好以下幾個問題：投放填料后必須給懸浮性活性污泥以優(yōu)先 的和充分的增殖機會，防止生物膜越來越多而 MLSS1來越少的情況發(fā)生；要保證足夠的攪拌強度，防止因填料截留作用致使污泥在填料表面間大量結團；填料投放量必須適中，投放量太少難以發(fā)揮作用，太多則難免出現(xiàn)對污泥的截留 . 此外 ， 填料的類型和布置方式都應作慎重考慮 .(2) 碳源問題 碳是微生物生長需要要最

5、大的營養(yǎng)元素 . 在脫氮除磷系統(tǒng)中 ,碳源大致上消耗于釋磷 , 反硝化和異養(yǎng)菌正常 代謝等方面.其中釋磷和反硝化的反應速率與進水碳源中的易降解部分，尤其是揮發(fā)性有機脂肪酸(VFA)的數量關系很大.一般來說，城市污水中所含的易降解COD勺數量是十分有限的，以VFA為例，通常只有幾十mg/L. 所以在城市污水生物脫氮除磷系統(tǒng)的釋磷和反硝化之間 ， 存在著因碳源不足而引發(fā)的競爭性矛盾 .解決這一問題一般需要從兩個方面來考慮.一是從工藝外部采取措施，增加進水易降解 COD勺數量，例如取消初沉池 ， 污泥消化液回流 ， 將初沉池改為酸化池等都有一定作用 ， 還可考慮外加碳源的方法 . 二是從工藝內 部考

6、慮 ， 權衡利弊 ， 更合理地為反硝化和釋磷分配碳源 ， 常規(guī)脫氮除磷工藝總是優(yōu)先照顧釋磷的需要 ， 把厭氧 區(qū)放在工藝的前部 ， 缺氧區(qū)置后 . 這種作法當然是以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提 . 但是， 釋磷本身并不是脫 氮除磷工藝的最終目的 . 就工藝的最終目的而言 . 把厭氧區(qū)前置是否真正有利 ， 利弊如何 ， 是值得進一步研究 的.根據對厭氧有效釋磷可能并不是好氧過度吸磷充分必要條件的新認識，倒置A2/O工藝(見圖6)將缺氧區(qū)放在工藝最前端 ， 厭氧區(qū)置后 24-26. 經過這種改變 ， 脫氮菌可以優(yōu)先獲得碳源 ， 反硝化速率得到大幅度提高.同時，原來困擾脫氮除磷工藝的硝酸鹽問題不存在了

7、 ，所有污泥都將經歷完整的釋磷和吸磷過程 ，除磷能力不僅未受影響 ， 反而有所增強 24-26. 這種新的碳源分配方式對脫氮除磷工藝的實踐和機理研究都有重要意義 .(3) 硝酸鹽問題在常規(guī) A2/O 工藝中 ， 由于厭氧區(qū)在前 ， 回流污泥不可避免地將一部分硝酸鹽帶入該區(qū) . 硝酸鹽的存在嚴重影 響了聚磷蓖的釋磷效率，尤其當進水中VFA較少，污泥的含磷量又不高時，硝酸鹽的存在甚至會導致聚磷菌 直接吸磷.所以在常規(guī)A2/O工藝框架下，如何避免硝酸鹽進入厭氧區(qū)干擾釋磷一度成為研究熱點，并圍繞這一問題產生了諸如 UCT工藝,JHB工藝，EASC工藝等，其中最著名的應屬 UCT工藝(如圖7)解決硝酸鹽

8、問題的關鍵是如何在回流污泥進入厭氧區(qū)之前 ， 設法將其攜帶的硝酸鹽消耗掉 . 一種方法是在回流污泥進入厭氧區(qū)之前 ， 先進處一個附設的缺氧池 ， 在這個缺氧池中回流污泥攜帶的硝酸鹽利用污泥本身的碳源反硝化 . 由于沒有外加碳源 ， 這種反硝化實際上多屬內源代謝 ， 因此反硝化速率不高 . 作為對第一種6， 生物脫氮除磷工藝反應中微生物關系一般來就 27， 微生物的相互關系有三種可能 :第一， 一種微生物的生長和代謝對另一種微生物的生長有利 影響， 或者相互有利 ， 形成有利關系 ， 如生物間的共生和互生 ; 第二， 一種微生物的生長與代謝對另一種微生 物的生長產生不利影響 ，或者相互在害 ，形

9、成有害關系 ，如微生物間的拮抗 ，競爭，寄生和捕食;第三，兩種微 生物生活在一起 ， 兩者間發(fā)生無關緊要 ， 沒有意義的相互影響 ， 表出出彼此對生長和代謝無明顯的有利或有 害影響 ， 形成中性關系 ， 如種間共處 .(1) 有利關系微生物之間的有利關系可分為互生關系和共生關系 .互生關系是微生物間比較松散的聯(lián)合 ，在聯(lián)合中可以是一方得利 ， 即一方為另一方提供或改善生活條件 ， 或者是雙方都得利 . 而共生關系是兩種微生物緊密地結合在一起 ， 當這種關系高度發(fā)展時 ， 就形成特殊的共同體 ， 在生理上表現(xiàn)出一定的分工 ， 在組織和形態(tài)上產生新的結構 .生物脫氮系統(tǒng)中 ，互生關系主要表現(xiàn)為在化

10、學水平的協(xié)作 ，即微生物間相互提供生長因子 ，代謝刺激物或降解對方的代謝抑制物，平衡PH值，維持適當的氧化還原電位或消除中間產物的累積.氨化細菌，亞硝酸菌，硝酸菌及反硝化菌之間就表現(xiàn)為互生關系 . 在氨素轉化過程中 , 氨化細菌分解有機氮化合物產生氨 ,為亞硝酸 菌創(chuàng)造了必需的生活條件 , 但對氨化細菌則無害也無利 . 亞硝酸菌氧化氨 ,生成亞硝酸 , 又為硝酸菌創(chuàng)造了必 要的生活條件 .Chai Sung Gee 等 28 研究了亞硝化單胞菌屬與硝化桿菌在反應器內的相互作用 , 運用懸浮 生長實驗獲得的穩(wěn)態(tài)氨和亞硝酸氧化的數據確定的這兩種細菌數量的生工參數,得出結論 : 硝化桿菌的活性依賴于

11、硝化桿菌對亞硝化單胞菌的數量比例 , 而亞硝化單胞菌的活性則不受兩者之間數量比例的影響 . 可以 判定這兩個種群之間必然存在著酶促共棲或生物化學的能量轉移.反硝化菌則在厭氧條件下將NO3-,NO2-還原為N2氣體,從污水的液相中排出，為亞硝化菌和硝化菌解除抑制因子，同時反硝化過程還提高了反應器內的堿度，部分地補充了硝化過程所消耗的堿度，有利于反應器pH值穩(wěn)定在硝化菌活性較大的范轉內.目前各類脫氮工藝大多是分段的 , 都設有好氧池與缺氧池 , 分別為硝化菌及反硝化菌提供適宜的生長環(huán)境 ,因而硝化過程與反硝化過程是在不同反應器內完成的 .各反應器內的微生物是聯(lián)系不夠緊密的互生關系 ，因而運行穩(wěn)定性

12、相對較差 . 最近幾年國外發(fā)表了多篇論文 29，30，31 證實和介紹了同時硝化反硝化現(xiàn)象 ， 國內同濟大學 (1994-1997) 在中德合作項目 -城市污水生物脫氮除磷技術的研究中采用了幾種不同的工藝 ， 均發(fā)現(xiàn)了不同程度的同步硝化反硝化現(xiàn)象 . 對這種現(xiàn)象 ， 普遍被接受的觀點是物理學的解釋 ， 即由于氧擴散的限制，在微生物絮體內產生溶解氧梯度 ，如圖 8所示:微生物絮體外表面溶解氧濃度較高 ， 優(yōu)勢微生物為氨化菌及硝化菌 ， 而絮體內部 ， 由于氧傳遞阻力增大和外部好氧菌的消耗 ， 形成缺氧狀態(tài) ， 從而反硝化菌占優(yōu) . 事實上這種微生物絮體的組成使得微生物不僅有前述化學水平的協(xié)作 ，

13、 還有物理水平的協(xié)作 ， 形成了聯(lián)系緊密的共生關系 ， 其穩(wěn)定性更好 .Daigger 等研究了美國Elim wood 污水廠的 Orbal 氧化溝內的同時硝化反硝化現(xiàn)象 ， 也得出了相似的結論 .厭氧區(qū)內除磷菌與兼性細菌也存在著互生關系 ，目前對生物除磷面理的研究表明 ，除磷菌只能同化以乙酸為代表的低分子揮發(fā)性脂肪酸 (VFAs) 才能有效釋放磷 ， 而原污水中這類物質因易降解而在初沉池內甚至在管網內已被降解 ，故其含量較為有限 ，除磷菌所需的揮發(fā)性脂肪酸主要靠兼性菌在厭氧條件下發(fā)酵有機物提供除磷菌同化揮發(fā)性脂肪酸 ， 亦為兼生菌性長代謝解除抑制因子 ， 兩者的互生關系基本上建立在化學水平的

14、協(xié)作上.(2) 不利關系微生物間的不利關系包括拮抗 ，競爭，寄生，捕食等.拮抗是指兩種微生物生活在一起時 ，一種微生物產生某 種特殊的代謝產物或改變環(huán)境條件 ， 從而抑制甚至殺死另一種微生物 . 競爭關系是生活在一起的兩種微生物 為了爭奪有限的同一營養(yǎng)或其它共同需要的養(yǎng)料 ，其中最能適應環(huán)境的種類將占優(yōu) .在生物除磷反應器中，同時存在著除磷菌(PAB)和聚糧菌(GAB).在厭氧段，細胞內聚磷和糖類的分解作為內 存的能量吸收乙酸鹽，然后乙酸鹽立刻被轉移并轉化為PHA，在好氧階段PHA就能被PAB和GAB用于生長和維持生命活動.Satoh發(fā)現(xiàn)GAB在厭氧狀態(tài)下吸收乙酸而不釋放磷，代謝反應式為：CH2O+0.208C6H10O5(CH) 2CH1.5O0.5(PHB)+0.25CO2+0.54H2O因此，PAB和GAB將為爭奪有限的揮發(fā)性脂肪酸而進行生存競爭丄iu等研究表明PAB吸收乙酸鹽比GAB更多更快，但GAB在低 P/C生物除磷