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1、5,生物脱氮除磷工艺中的矛盾 (1)泥龄问题 作为硝化过程的主休,硝化菌通常都属于自养型专性好氧菌.这类微生物的一个突出特点是繁殖速度慢,世代时间较长.在冬季,硝化菌繁殖所需世代时间可长达30d以上;即使在夏季,在泥龄小于5d的活性污泥中硝化作用也十分微弱.聚磷菌多为短世代微生物,为探讨泥龄对生物除磷工艺的影响,Rensink等(1985年)23用表2归纳了以往的研究成果,并指出降低泥龄将会提高系统的除磷效率. 泥龄与除磷率关系 表2 泥龄/d 30 17 5.3 4.6 磷去除率/% 40 50 87.5 91 由表2可见聚磷微生物所需要泥龄很短.泥龄在3.0d左右时,系统仍能维持较好的除磷
2、效率.此外,生物除磷的唯一渠道是排除剩余污泥.为了保证系统的除磷效果就不得不维持较高的污泥排放量,系统的泥龄也不得不相应的降低.显然硝化菌和聚磷菌在泥龄上存在着矛盾.若泥龄太高,不利于磷的去除;泥龄太低,硝化菌无法存活,且泥量过大也会影响后续污泥处理.针对此矛盾,在污水处理工艺系统设计及运行中,一般所采用的措施是把系统的泥龄控制在一个较窄范围内,兼顾脱氮与除磷的需要.这种调和,在实践中被证明是可行的. 为了能够充分发挥脱氮与降磷两类微生物的各自优势,可采取的其它对策大致上有两类. 第一类是设立中间沉淀池,搞两套污泥回流系统使不同泥龄的微生物居于前后两级(见图4),第一级泥龄很短,主要功能是除磷
3、;第二级泥龄较长,主要功能是脱氮.该系统的优点是成功地把两类泥龄不同的微生物分开.但是,这类工艺也是存在局限性.第一,两套污泥回流系统,再加上中间沉淀池和内循环,使该类工艺流程长且比较复杂.第二,该类工艺把原来常规A2/O(见图5)工艺中同步进行的吸磷和硝化过程分离开来,而各自所需的反应时间又无法减少,因而导致工艺总的停留时间变长.第三,该工艺的第二级容易发生碳源不足的情况,致使脱氮效率大受影响.此外,由于吸磷和硝化都需要好氧条件,工艺所需的曝气量也可能有所增加. 第二类方法是在A2/O工艺好氧区的适当位置投放填料.由于硝化菌可栖息于填料表面不参与污泥回流,故能解决脱氮除磷工艺的泥龄矛盾.这种
4、作法的优点是既达到了分离不同泥龄微生物的目的,又维持了常规A2/O工艺的简捷特点.但是该工艺也必须解决好以下几个问题:投放填料后必须给悬浮性活性污泥以优先的和充分的增殖机会,防止生物膜越来越多而MLSS越来越少的情况发生;要保证足够的搅拌强度,防止因填料截留作用致使污泥在填料表面间大量结团;填料投放量必须适中,投放量太少难以发挥作用,太多则难免出现对污泥的截留.此外,填料的类型和布置方式都应作慎重考虑. (2)碳源问题 碳是微生物生长需要要最大的营养元素.在脱氮除磷系统中,碳源大致上消耗于释磷,反硝化和异养菌正常代谢等方面.其中释磷和反硝化的反应速率与进水碳源中的易降解部分,尤其是挥发性有机脂
5、肪酸(VFA)的数量关系很大. 一般来说,城市污水中所含的易降解COD的数量是十分有限的,以VFA为例,通常只有几十mg/L.所以在城市污水生物脱氮除磷系统的释磷和反硝化之间,存在着因碳源不足而引发的竞争性矛盾. 解决这一问题一般需要从两个方面来考虑.一是从工艺外部采取措施,增加进水易降解COD的数量,例如取消初沉池,污泥消化液回流,将初沉池改为酸化池等都有一定作用,还可考虑外加碳源的方法.二是从工艺内部考虑,权衡利弊,更合理地为反硝化和释磷分配碳源,常规脱氮除磷工艺总是优先照顾释磷的需要,把厌氧区放在工艺的前部,缺氧区置后.这种作法当然是以牺牲系统的反硝化速率为前提.但是,释磷本身并不是脱氮
6、除磷工艺的最终目的.就工艺的最终目的而言.把厌氧区前置是否真正有利,利弊如何,是值得进一步研究的.根据对厌氧有效释磷可能并不是好氧过度吸磷充分必要条件的新认识,倒置A2/O工艺(见图6)将缺氧区放在工艺最前端,厌氧区置后24-26.经过这种改变,脱氮菌可以优先获得碳源,反硝化速率得到大幅度提高.同时,原来困扰脱氮除磷工艺的硝酸盐问题不存在了,所有污泥都将经历完整的释磷和吸磷过程,除磷能力不仅未受影响,反而有所增强24-26.这种新的碳源分配方式对脱氮除磷工艺的实践和机理研究都有重要意义. (3)硝酸盐问题 在常规A2/O工艺中,由于厌氧区在前,回流污泥不可避免地将一部分硝酸盐带入该区.硝酸盐的
7、存在严重影响了聚磷蓖的释磷效率,尤其当进水中VFA较少,污泥的含磷量又不高时,硝酸盐的存在甚至会导致聚磷菌直接吸磷.所以在常规A2/O工艺框架下,如何避免硝酸盐进入厌氧区干扰释磷一度成为研究热点,并围绕这一问题产生了诸如UCT工艺,JHB工艺,EASC工艺等,其中最著名的应属UCT工艺(如图7) 解决硝酸盐问题的关键是如何在回流污泥进入厌氧区之前,设法将其携带的硝酸盐消耗掉.一种方法是在回流污泥进入厌氧区之前,先进处一个附设的缺氧池,在这个缺氧池中回流污泥携带的硝酸盐利用污泥本身的碳源反硝化.由于没有外加碳源,这种反硝化实际上多属内源代谢,因此反硝化速率不高.作为对第一种6,生物脱氮除磷工艺反
8、应中微生物关系 一般来就27,微生物的相互关系有三种可能:第一,一种微生物的生长和代谢对另一种微生物的生长有利影响,或者相互有利,形成有利关系,如生物间的共生和互生;第二,一种微生物的生长与代谢对另一种微生物的生长产生不利影响,或者相互在害,形成有害关系,如微生物间的拮抗,竞争,寄生和捕食;第三,两种微生物生活在一起,两者间发生无关紧要,没有意义的相互影响,表出出彼此对生长和代谢无明显的有利或有害影响,形成中性关系,如种间共处. (1)有利关系 微生物之间的有利关系可分为互生关系和共生关系.互生关系是微生物间比较松散的联合,在联合中可以是一方得利,即一方为另一方提供或改善生活条件,或者是双方都
9、得利.而共生关系是两种微生物紧密地结合在一起,当这种关系高度发展时,就形成特殊的共同体,在生理上表现出一定的分工,在组织和形态上产生新的结构. 生物脱氮系统中,互生关系主要表现为在化学水平的协作,即微生物间相互提供生长因子,代谢刺激物或降解对方的代谢抑制物,平衡PH值,维持适当的氧化还原电位或消除中间产物的累积.氨化细菌,亚硝酸菌,硝酸菌及反硝化菌之间就表现为互生关系.在氨素转化过程中,氨化细菌分解有机氮化合物产生氨,为亚硝酸菌创造了必需的生活条件,但对氨化细菌则无害也无利.亚硝酸菌氧化氨,生成亚硝酸,又为硝酸菌创造了必要的生活条件.Chai Sung Gee等28研究了亚硝化单胞菌属与硝化杆
10、菌在反应器内的相互作用,运用悬浮生长实验获得的稳态氨和亚硝酸氧化的数据确定的这两种细菌数量的生工参数,得出结论:硝化杆菌的活性依赖于硝化杆菌对亚硝化单胞菌的数量比例,而亚硝化单胞菌的活性则不受两者之间数量比例的影响.可以判定这两个种群之间必然存在着酶促共栖或生物化学的能量转移.反硝化菌则在厌氧条件下将NO3-,NO2-还原为N2气体,从污水的液相中排出,为亚硝化菌和硝化菌解除抑制因子,同时反硝化过程还提高了反应器内的碱度,部分地补充了硝化过程所消耗的碱度,有利于反应器pH值稳定在硝化菌活性较大的范转内. 目前各类脱氮工艺大多是分段的,都设有好氧池与缺氧池,分别为硝化菌及反硝化菌提供适宜的生长环
11、境,因而硝化过程与反硝化过程是在不同反应器内完成的.各反应器内的微生物是联系不够紧密的互生关系,因而运行稳定性相对较差.最近几年国外发表了多篇论文29,30,31证实和介绍了同时硝化反硝化现象,国内同济大学(1994-1997)在中德合作项目-城市污水生物脱氮除磷技术的研究中采用了几种不同的工艺,均发现了不同程度的同步硝化反硝化现象.对这种现象,普遍被接受的观点是物理学的解释,即由于氧扩散的限制,在微生物絮体内产生溶解氧梯度,如图8所示: 微生物絮体外表面溶解氧浓度较高,优势微生物为氨化菌及硝化菌,而絮体内部,由于氧传递阻力增大和外部好氧菌的消耗,形成缺氧状态,从而反硝化菌占优.事实上这种微生
12、物絮体的组成使得微生物不仅有前述化学水平的协作,还有物理水平的协作,形成了联系紧密的共生关系,其稳定性更好.Daigger等研究了美国Elim wood污水厂的Orbal氧化沟内的同时硝化反硝化现象,也得出了相似的结论. 厌氧区内除磷菌与兼性细菌也存在着互生关系,目前对生物除磷面理的研究表明,除磷菌只能同化以乙酸为代表的低分子挥发性脂肪酸(VFAs)才能有效释放磷,而原污水中这类物质因易降解而在初沉池内甚至在管网内已被降解,故其含量较为有限,除磷菌所需的挥发性脂肪酸主要靠兼性菌在厌氧条件下发酵有机物提供.除磷菌同化挥发性脂肪酸,亦为兼生菌性长代谢解除抑制因子,两者的互生关系基本上建立在化学水平
13、的协作上. (2)不利关系 微生物间的不利关系包括拮抗,竞争,寄生,捕食等.拮抗是指两种微生物生活在一起时,一种微生物产生某种特殊的代谢产物或改变环境条件,从而抑制甚至杀死另一种微生物.竞争关系是生活在一起的两种微生物,为了争夺有限的同一营养或其它共同需要的养料,其中最能适应环境的种类将占优. 在生物除磷反应器中,同时存在着除磷菌(PAB)和聚粮菌(GAB).在厌氧段,细胞内聚磷和糖类的分解作为内存的能量吸收乙酸盐,然后乙酸盐立刻被转移并转化为PHA,在好氧阶段PHA就能被PAB和GAB用于生长和维持生命活动.Satoh发现GAB在厌氧状态下吸收乙酸而不释放磷,代谢反应式为: CH2O+0.2
14、08C6H10O5(CH)2CH1.5O0.5(PHB)+0.25CO2+0.54H2O 因此,PAB和GAB将为争夺有限的挥发性脂肪酸而进行生存竞争.Liu等研究表明PAB吸收乙酸盐比GAB更多更快,但GAB在低P/C生物除磷系统中依然占优,P/C是PAB与GAB竞争的决定性因素.由于GAB无放磷,故亦无过量吸磷,因此在除磷反应器必须要保持一定的P/C值,以保证PAB在竞争中占优. 在生物除磷反应器中,除磷菌和硝化菌则存着拮抗关系.CHUANG等43(1996)研究发现在没有足够的有机物时,反硝化很明显与磷的释放发生竞争.当有硝态氮存在时,反硝化菌将直接利用有机基质,使有机基质不能转化成挥发性脂肪酸,从而夺取了除磷菌的生长因子,故硝态氮是除磷菌生长的抑制因
