城市污水同步硝化反硝化除磷及侧流磷回收研究

作     者：谢芷怡 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐鹏;何秋来

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：侧流磷回收 原位污泥减量 同步硝化反硝化除磷 好氧颗粒污泥 微生物群落 

摘      要：磷是自然界中所有生命体必需的营养元素,但近年来引发了关于磷资源的悖论:一方面磷具有污染性,会诱发水体富营养化;另一方面磷具有不可再生性,即将面临磷危机。大量的磷蕴藏在污水中,从污水中回收磷可满足12-15%的磷需求。因此,污水磷回收受到了越来越广泛的关注。但是城市污水中磷浓度普遍偏低,直接回收成本过高且效率较低。污水处理厂中磷回收通常是利用聚磷菌(Phosphorus accumulating organisms,PAOs)厌氧释磷作用,得到远高于进水浓度的富磷溶液,投加化学药剂进行回收。此外,侧流磷回收降低了生物系统的磷负荷,能节省碳源与能耗,减少剩余污泥产量,实现资源回收与污水处理。然而,侧流磷回收是对生物系统的中磷含量的剥夺,但目前关于侧流磷回收对主流生物系统的影响还不明确,回收条件下系统运行效能和稳定性等有待进一步研究。因此,本研究构建了厌氧/好氧/缺氧(Anaerobic/Aerobic/Anoxic,A/O/A)的模式的同步硝化反硝化除磷耦合侧流磷回收系统(Simultaneous nitrification,denitrification and phosphorus removal coulped with side-stream phosphorus removal,SNDPRr),对比研究了絮状活性污泥和好氧颗粒污泥在侧流磷回收与恢复阶段对污染物去除性能、污泥特性、胞外聚合物(Extracellular polymer substance,EPS)、磷回收潜力和微生物群落动力学的响应。为了探究侧流回收对主流生物处理系统的影响,试验选取不同的侧流回收比,明晰其对于絮状污泥生物处理系统长期稳态运行的影响并优化得到了最佳侧流比,为后续磷回收研究提供了依据。在该研究中,以人工配水模拟城市污水,分别设置了侧流比为0%、10%、20%、30%和50%的5组以A/O/A模式运行的序批式反应器(Sequencing batch reactor,SBR),在第1-80天以每天一次的回收频率将厌氧段末期富磷溶液引离,在侧流系统中回收;在81-170天内停止回收观察其恢复情况。研究结果表明:化学需氧量(Chemical oxygen demand,COD)、氨氮(Ammonia nitrogen,NH-N)与总磷(Total phosphorus,TP)的去除性能未受到磷回收的影响,平均去除率分别达到88%、95%与97%以上,出水中的残留物以硝酸盐(Nitrate,NO-N)与NO-N为主,平均浓度分别为3.5-4.5 mg/L与2-3.5 mg/L。侧流的引入降低了污泥内无机组分相对含量,改善了污泥沉降性能但抑制了污泥活性。持续性的回收导致污泥释磷量、释磷与吸磷速率下降。污泥EPS中的蛋白(Protein,PN)随侧流回收比的增加而降低,多糖(Polysaccharide,PS)随侧流比的增加而增加,二者在恢复阶段含量相对稳定。该系统在10%-50%的侧流比下能稳定回收进水中29%-50%的磷。综合考虑回收耗能与污泥性能的平衡,30%的侧流比作为该运行模式下的合适侧流比。污泥产量与侧流比例呈负相关,回收组相比空白组实现了13%-81%的原位污泥减量效果。聚糖菌(Glycogen accumulation organisms,GAOs)中的Candidatus＿Contendobacter与Candidatus＿Competibacter的相对丰度增加,而PAOs中的Candidatus＿Accumulibacter的相对丰度下降。为了进一步解侧流磷回收对主流生物除磷系统的影响,探究了以30%的侧流比进行回收时颗粒污泥系统的运行情况,同时与絮状污泥进行对比,在该研究中,采用与上述相同的反应器与运行模式,设置侧流比为30%的实验组与空白组对比,在第1-40天内每天将厌氧段末期富磷溶液引离,随后在侧流系统中回收;在41-100天内停止回收观察其恢复情况。研究结果表明:COD、NH-N与TP的去除率分别达到88%、97%与95%以上,不受回收的影响,出水NO-N与NO-N分别为3-3.5 mg/L与0.5-1 mg/L。回收导致颗粒污泥内的有机组分相对含量升高,其相对占比随回收次数而增加。在颗粒污泥的EPS中,回收降低了PN浓度,PS变化不大。颗粒污泥释磷量随回收降低,后期能稳定回收进水中60%的磷。与空白组比较,30%的侧流回收比降低了14%的污泥产量。在颗粒污泥系统中,回收的引入导致了GAOs(如Candidatus＿Competibacter)的富集,同时抑制了PAOs(如Candidatus＿Accumulibacter和unclassified＿o＿Chitinophagales)与DPAOs(如Dechloromonas)的生长繁殖,丰富且多样的微生物群落为系统的稳定性奠定了生物学基础。本研究揭示了SNDPRr系统长期稳态运行的特性与相关机制,明确了主流生物处理系统与侧流回收系统的工艺运行参数、污泥理化特性、污染物去除效能与微生物群落之间的关系,实现了生物除磷系统中污染物去除与磷回收同步进行,为侧流磷回收的实际应用提供了有益经验。