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强化生物除磷工艺(Enhanced biological phosphorus removal,EBPR)包括厌氧放磷和好氧吸磷过程,即厌氧条件下,聚磷菌(Phosphate accumulation organisms,PAOs)利用体内多聚磷酸盐分解释放的能量,吸收VFA并以PHA的形式储存在体内;好氧条件下,PAOs以PHA作为碳源和能源,过量吸收磷酸盐并在体内合成多聚磷酸盐,最终通过排放剩余污泥而达到除磷的目的。
亚硝酸盐作为硝化过程的中间产物,广泛存在于生活污水脱氮除磷系统中,并在一定条件下形成积累,含量甚至能够达到20mg/L-30mg/L。在污水生物处理系统中,高浓度的亚硝酸盐对多种微生物产生抑制作用,包括普通需氧型异养菌、氨氧化菌和亚硝态氮氧化菌等。近年来有研究认为亚硝酸盐影响了EBPR工艺的除磷过程。
以富集聚磷菌系统、全程硝化生物除磷系统和短程硝化除磷系统中的活性污泥为研究对象,考察了亚硝酸盐对聚磷菌厌氧代谢和好氧代谢的影响。采用SBR工艺处理实际生活污水,通过控制好氧段的DO浓度及曝气时间,实现了短程硝化反硝化,考察了短程硝化引起的亚硝酸盐积累对生物除磷系统的影响。研究结果表明:
厌氧条件下,不同EBPR系统中的聚磷菌对于亚硝酸盐的耐受能力不同,在人工配水富集聚磷菌系统中,当亚硝态氮浓度为10mg/L-30mg/L时,聚磷菌吸收VFA的过程受到抑制,使得VFA的吸收和PHA的合成减少,磷酸盐的释放增加;而亚硝酸盐浓度高于50mg/L时,亚硝酸盐对聚磷菌吸收VFA和释放磷酸盐的过程都造成了抑制;在处理生活污水的SBR短程硝化生物除磷系统中,亚硝酸盐的浓度高达30mg/L时,未对聚磷菌的厌氧代谢造成抑制,但仍造成不利的影响。
在人工配水富集聚磷菌的系统中,SBR短程硝化和SBR全程硝化生物除磷系统中的聚磷菌占全菌的比例分别达到55%,7.6%和6.5%,好氧条件下,不同EBPR系统中的聚磷菌对于亚硝酸盐的耐受能力不同。在人工配水富集聚磷菌的系统中,当FNA浓度为0.47mgHNO2-N/L时,聚磷菌好氧吸磷过程和体内PHA的氧化过程都受到了抑制作用;在处理生活污水的SBR短程硝化和SBR全程硝化生物除磷系统中,FNA浓度分别为3mgHNO2-N/L和2.13mgHNO2-N/L时,聚磷菌的好氧吸磷均未受到抑制。在人工配水富集聚磷菌的系统中,存在以亚硝酸盐为电子受体的聚磷菌,能够在好氧条件下进行反硝化吸磷,FNA浓度达到2.25mgHNO2-N/L时反硝化吸磷受到抑制:系统中亚硝酸盐一旦消失,对于好氧吸磷的抑制作用随之停止。
在SBR工艺处理实际生活污水的短程脱氮除磷系统中,在没有补充外碳源的情况下,好氧阶段NO2--N积累低于10mg/L时,聚磷菌的吸磷及放磷能力没有受到影响,好氧出水磷浓度基本维持在1mg/L以下:当NO2--N浓度达到20mg/L时,好氧出水磷酸盐浓度升至5mg/L左右,聚磷菌的释磷量和吸磷量明显下降,系统除磷性能恶化。向系统中投加碳源(初始COD浓度200mg/L),20d后除磷性能恢复。
经分析,好氧阶段高达25-30mg/L的亚硝酸盐积累并没有对聚磷菌好氧吸磷产生抑制作用。除磷性能恶化的主要原因是一定浓度的亚硝酸盐进入厌氧段,反硝化菌与聚磷菌竞争碳源,碳源不足时导致聚磷菌合成PHA的量减少,好氧吸磷量随之减少,最终导致系统除磷性能恶化。亚硝酸盐对聚磷菌厌氧代谢影响的静态批次试验表明:作为一种抑制剂,高达30mg/L的亚硝态氮没有对聚磷菌的厌氧释磷产生抑制;碳源充足情况下,30mg/L的亚硝态氮对聚磷菌合成PHA没有影响,但在碳源不足的情况下,厌氧段反硝化引起的碳源竞争导致聚磷菌PHA合成量和释磷量减少。
在厌氧/好氧交替运行的SBR生物除磷系统中,30mg/L和10mg/L的亚硝酸盐分别对聚磷菌的厌氧代谢和好氧代谢产生抑制。之后从系统中去除亚硝酸盐,对生物除磷性能进行恢复。经过两个周期的运行之后,好氧吸磷量超过厌氧放磷量,系统的除磷性能恢复。