微生物除磷
—!!—・治理技术・
四川环境!""#年第!)卷第)期
增加污水中挥发性脂肪酸以提高生物
除磷效果的研究进展
张华星,陈银广,杨海真
(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海!)"""+!
摘要:-.*(挥发性脂肪酸)是生物除磷过程中的关键物质,并且不同-.*对生物除磷效果的影响也不相同。本文介绍了提高污水中-.*含量的几种方法,这些方法包括直接加入-.*、通过发酵污水产生-.*、发酵污水和初沉污泥产生-.*、发酵初沉污泥以及发酵初沉污泥和剩余污泥的混合物产生-.*等几种方法来提高生物除磷效率。目前国内外以发酵初沉污泥产生-.*的研究和应用较多。关
键
词:污泥;挥发性脂肪酸;生物除磷
文献标识码:*
文章编号:()%""%$&())!""#")$""!!$")
中图分类号:/0"&
!"#$%&’()%*+-.#’+’%/.01).2.)&$245.(5.-6(7’+.#$28*%&-’$()%$(/’;$/’-
,,12*34256$789;2?@9:::
(!,1"#"$%$#()*#")*))--."/)01)0"*)-#023$4).*5$43$.4$,6)0/90/:$*4/"!;#0;#/!"""+!;/0#)&’&+,78&,7
:-(-)!8(/-$&/.*AB6C8B@D6CC6F8G8H6I@D6FCAJ89@9?69F@GK8ABA8F6B?AH?AJ5HJ@MAN6BJAF@HHO*9GG8DD@J@9C-.*PH@DD@FCA9EE:LLL
@9?69F@GK8ABA8F6BL?AH?AJ5HJ@MAN6BLJAF@HH8H9ACC?@H6M@OQ?8H6JC8FB@8HFA9F@J9@GR8C?HAM@G8DD@J@9CI89GHADM@C?AGH89:L
,,D@JM@9C6C8A9ADR6HC@R6C@J6GN69F89C?@-.*LJAG5FC8A989R6HC@R6C@JOQ?@J@6J@M696HH5F?6HG8J@FC895CAD-.*:EREL,,R6HC@R6C@J69GJ8M6JHB5G@D@JM@9C6C8A9ADJ8M6JHB5G@69GD@JM@9C6C8A9ADM8789ADJ8M6JHB5G@69G@7F@HHHB5G@89AJG@JLE:LE::LE::
,CA8MJAN@C?@@DD8F8@9FDK8ABA8F6B?AH?AJ5HJ@MAN6BO*CLJ@H@9CC?@J@H@6JF?@H69G6B8F6C8A9HADC?@D@JM@9C6C8A9ADLJ8M6JLEA:LLLLEHB5G@8HC?@MAHCFAMMA9O:
:;;>’.-"(SB5G@NAB6C8B@D6CC6F8GHK8ABA8F6B?AH?AJ5HJ@MAN6B:E:LL9;
%前
言
目前,污水除磷方法分为化学除磷方法和生物除
磷方法两种,污水化学除磷需要投加化学药剂,增加运行费用,且产生的化学污泥还要进行处理处置;而厌氧、好氧增强生物除磷技术是在厌氧条件时兼性细菌通过发酵作用将溶解性TUV转化为低分子有机物,聚磷菌(W*U)分解细胞内的聚磷酸盐同时产生
,并使细胞内的乙酸活化产生乙酰辅酶*,并利*QW用*QW将废水中的有机物(主要是挥发性脂肪酸-.*)摄入细胞内,以胞内碳能源存储物聚羟基烷酸(W、聚—)及糖原等有机颗粒2*)2T!羟基丁酸盐(W
收稿日期:!""#$"%$&%基金项目:国家’()、国家自然科学(&青年基金资助项目!"")**()+&&"
青年基金资助项目()、教育部留学回国人员基金项#")"’"&+
目。
作者简介:张华星(,男,上海人,同济大学环境科学与工程学院%+’%,)
环境工程专业万 方数据!""&级硕士研究生。研究方向水污染控制。
的形式存在于细胞内,并导致磷酸盐的释放。在随后
的好氧条件下,细菌储存的W2T降解代谢为生物合成
,提供碳,并通过三羧酸循环(Q;*循环)产生*QW
并为合成细胞物质及聚磷菌的大量合成提供能量。因而在好氧条件下,聚磷菌细胞过量吸收磷,运行上通过排泥使废水中的磷得到高效去除。-.*是保证聚磷
[]%菌生长的必要底物,作为W*U的碳源,-.*能够被
去除的磷其利用来直接除磷,T6J96JG的研究表明,%M:
需要0"+M.*,而且可通过增加-.*来达到:的-[]使出水磷含量保持在低于"/X!""X&MY的水平!。:显然,-.*在生物除磷过程中起着重要作用。本文就
国内外增加污水中-.*的方法作一介绍,以期为提高
生物除磷效果的研究提供指导。
!直接加入人工合成的-.*以提高生
物除磷效率
到目前为止,绝大多数有关生物除磷的研究都是
四川环境C==F年第C?卷第?
期
—C3—
当H)4为B=天时,氧化还原电位值(J)L值)非常低,溶解性物质或01!都未检测出,原因可能为产酸
[]?发酵与产甲烷同时存在。
以人工合成废水为研究对象。!"#$&’(’(’&和)’*+’,,%
在生物除磷中加入甲酸、乙酸、丙酸、异丁酸、正丁酸、异戊酸和正戊酸等-种有机酸,并研究了它们对处理效果的影响。试验结果表明甲酸的加入引起了./值的急剧下降及厌氧释磷和好氧吸磷的减少;其它有机酸的加入都引起了大量的磷释放;除了甲酸以外,所有加入的01!2都被生物除磷所利用;乙酸的加入引起了磷的最大量释放,丙酸则最少。而异戊酸比正戊酸引起更多的磷释放,且在总磷释放量上仅次于乙
酸
[3]。!"#$%
&’(’(’&等人认为不同的01!加入有着不同的除磷效果,其好坏取决于碳原子数量以及支链有机酸的结构。磷释放和磷吸收与01!投加的摩尔比率有关,其具体数值如下表所示。单位摩尔01!的磷释放量随着01!分子量的增加而增加,而且对于同样碳原子数的01!,支链比直链的磷释放量要多。加入01!同样增加了好氧阶段的磷吸收。下表显示乙酸引起的磷吸收最多,丙酸则最少;除了丙酸外,吸收单位摩尔01!引起的磷吸收量随01!碳原子数的增加而增
加,并且支链比直链引起的磷吸收量多
[3]。表
厌氧及好氧状态下磷的释放和吸收与01!投加的摩尔比率4’",5)’678289.&82.&8(#2(5,5’25+’*+9’66:
’;7+#67,7
01!摩尔磷释放/摩尔01!利用
摩尔磷吸收/摩尔01!利用
乙酸=>--=>-?丙酸
=>??=>3@正丁酸=>-A=>@B异丁酸=>A==>-C正戊酸B>-CB>??异戊酸
C>3B
C>C3
通过发酵污水产生01!以提高生物
除磷效率
D’(’E
’2等人在小试规模的初次澄清池中对01!含量低的污水进行发酵,澄清池可作为预发酵池,可称为活性初沉池。装置如图B所示。污水流量为>FG/&,回流量为B>3G/&。/)4为B>3&,H)4为F!=天[?]
。研究表明,在活性初沉池中有大量的溶解性物质和发酵产物。在敞开式反应器和F天污泥停留时间(H)4)情况下,非密闭段存在固体的水解和酸化发酵,产酸量很大,这表明01!是由进水的可溶性JK形成的,01!/LJ?
$L比率从=>M到F>FN%01!$JK/N%L万 J方数据?
$L,因此,F天为一个最佳工况。然而,图B发酵污水产酸装置图
17%>B4&55O.5(7N5*6’,;8*97%
#(’678*89P’265P’65(95(N5*6’678*’;7+8%
5*5272K’*52&等人研究了沉砂后的污水发酵情况。试验
在HD)反应器中进行,并采用不同的H)4(?,A,C,B3天),两种./值(污水原来的./值和@>B到
>?的./值),两种反应周期(@&/周期与=>CF&/周期),水力停留时间(/)4M!BC&)以及室温下C=QRCQ)进行。研究结果表明,/)4的变化不会
影响到01!的产量。在H)4为BC天、/)4为BC&的情况下,01!产量为F?N%/G・+,而/)4为M&时,产量为F3N%/G・+。最大产量出现在H)4为BC天、/)4为BC&、反应周期为=>CF&
/循环的条件下,产量为F?N%
/G・+[F]
。通过发酵初沉污泥产酸以提高生物除磷效率
HS’,2S:等人研究了初沉污泥的发酵产酸,采用两套小试反应器,其中一套反应器包括淹没式混合器、液固分离区以及臭气处理装置;另一套采用鼓泡式曝气机对污泥池进行间歇曝气,同时采用离心脱水机对泥水进行固液分离。试验研究了H)4、污泥浓度、温
度对污泥产酸的影响[@]。结果表明:
>BH)4在C到@天时,01!产量在大约挥发性固
体(0H)含量的@T!C@T之间。01!产量随着H)4值增高,发酵固体浓度降低以及温度上升而增加。最高产率是H)4为F天时的=>C@N%01!/N%0
H,C天时最低为=>C=N%01!/N%0H,两者相差几乎3=T。>C污泥浓度影响01!产量表现为,当0H浓度为
>?3T和H)4为C天时的01!产量是0H浓度等于
B@(?3CBII??=
—!)—
!"#$时%&’产量的!倍。而且稀释过的污泥能提高%&’含量,这可能是基于稀释后更好的混合条件有利于颗粒性%(水解为溶解性的发酵底物。生物质和底物更好的混合能够大幅度地提高底物的摄取量,同时稀释效果也能缓冲发酵副产物对产酸的抑制作用。)"*温度在+),!+#,之间时,%&’产量比!+,!!),之间时减少)-$到.-$。/012322等采用两个完全混合式反应器,主要研4
究和对比了引入工业污水和没有引入工业污水的条件四川环境!--.年第!)卷第)期
对产酸量也会产生不同的影响。对于工业废水和初沉污泥的混合物发酵产酸来说,当温度升高到*-,时,%&’的净产率能提升+.$,但在*.,时,会降低
!*$。可见,*-,有可能是最佳产酸条件。对于初
[]@。沉污泥发酵来说,温度较高时,有机酸的产量会降低
MCJ23NO12L23等人将初沉污泥在#个+@升的搅=
动序批式反应器中及一个!-升的非搅动序批式反应器
[]中进行发酵,其初始B5值在#")左右9。研究结果
表明,产生的有机酸中乙酸占**$,丙酸占!9$,正下,水力停留时间和温度对产酸的影响,如图!和图所示。图!表示有机酸净产量(以乙酸作为比较)与水力停留时间的关系,从图!中可看出,当56789:
,反应器+和反应器!中都没有引入工业污水时,两个反应器中的%&’净产量非常接近(反应器+为;9和反应器!为!9;);当5678+9:,反应器+中引入+?+体积混合的含淀粉污水和初沉污泥时,其%&’净产量达到了*;),这意味着+?比例混合的污水和污泥的混合物改善了反应器中
&’的产出效果,然后当5678*-:,两个反应器中&’产量都大幅度地增加(反应器+为.)!
/>和反应器!为*!;)。这表明水力停留时间从+9:增加到*-:,引入+?+比例混合的含淀粉污水的反应器+中,挥发性脂肪酸(%&’)产率提高了*@$,而反应器!中%&’产率只提高了+)$。图*表明温度
图!发酵污水和初沉污泥产酸量示意图&A=
"!7:2%&’B3CDEFGAC1CHI0JG2I0G2301DB3A
2H23
&A="*7:22HH2FGCHDAHH2321GG2
212JAJ万
方数据丁酸占+)$,且组成关系变化不大;异丁酸、甲基丁
酸和正戊酸仅占可溶性PQR的!$!)$[9]。
除此之外,MCJ23NO1=
2L23等将初沉污泥发酵产生的有机酸用于增强生物除磷的效率,其认为占发酵产物中#-$的短链脂肪酸,如乙酸和丙酸是强化生物除磷的重要基质。!S/!((磷释放与底物吸收的摩尔比率)用来决定乙酸或丙酸哪种更适合,乙酸的!S/!(值比丙酸的!S/!(高,因而除磷效果较好,如果磷释放量根据平均发酵产物的组成来计算,乙酸的!S/!(值为-"*9=S/=PQR,这很接近于活性污泥!号模型-")-=S/=PQR的推荐值。图)为每种有机酸的!S/!(比率示意图,最高的!S/!(比为)个碳的
脂肪酸(正丁酸或异丁酸),但其吸收速率很低,正丁酸是一种重要的生物除磷化合物,而且在等摩尔底物中能跟乙酸和丙酸一起同时被吸收利用。
图)磷释放和底物吸收的比率&A=")7:230GACCHB:CJB
:C3EJ32L20J201DJETJG30G2EB
G0U2*+!+%%
四川环境@--!年第@/卷第/期
—@!—
!通过发酵初沉污泥和剩余污泥的混合物以提高生物除磷效率
"#$%&’()%+%&等人将初沉污泥(,-.)和剩余污*
。泥(/-.)的混合物进行了实验。装置示意图如图!
,展
望
在污水处理中,剩余污泥的产生量非常之高,因此有必要将剩余污泥进行资源化处理,于是将其生物转化为有机酸,不仅可以减少污泥量,有机酸本身还有很高的利用价值,可以对前面一系列污水处理流程进行改良,促进生物脱氮除磷,改善处理效果。所以,图!发酵初沉污泥和剩余污泥的装置示意图01*2!34%%56%&17%)89+:#);1*
$+*%9)>%5:%$$$+*
%;%&7%)8981#)研究表明发酵产物的平均组成为??.乙酸,@A.丙酸,B/.正丁酸和其它产物占B,.。可发酵颗粒物的
最大量占总CDE的?-.,而且初沉污泥和混合污泥在这方面并没有太大区别。在@-F,水解系数为
-2BB4GB和温度系数为-2-HFGB时,发酵产酸量可用公式表示如下(CDE8#8为以CDE计的入流污泥颗粒物量)
[B-]:I(J8)K-2?CDE8#8G-2@/!CDE8#8
%56{G-2BB%56[G-2-H(@-G3)]8}(L*
CDE7’?)
初沉污泥与剩余污泥相比,容易消化基质的含量多,所以有机物分解率高,气体发生量大。初沉污泥发酵的基础性研究结果表明可发酵有机物最大转化所需的固体停留时间约需?天,大约?-.的初沉污泥可
转化成M0J[H]。"#$%&’()*
%+%&对初沉污泥和初沉污泥与剩余污泥的混合物两者之间进行了比较,图,为初
沉污泥和混合污泥的测量值和计算值之间的比较[B-]。
图,初沉污泥和混合污泥的测量值和计算值之间的比较1*2,C#769&1$#)#;7%9$9)>:9+:6&#>*%9)>971586&179&=$+*
%万
方数据剩余污泥生物转化为有机酸是一种很有前途的污泥处理方法。
参考文献:
[B]N9&)9&>OP2Q&%’;%&7%)8981#)1)R1#+#*
1:9+)1)*$#;84%O#1)8CIC(’JIC(T981#)9+C#);%&%):%#)()S1&#)7%)89+()*1)%%&1)*[C]UC9)9>9:"#)8&%9+,V
[@]Q1879)JXU"9)9*%7%)8#;R1#+#*
1:9+)*%$G:49)*%84%69&9>1*7$?[O]UY98%&X%$U,BHHH,??(!):BB/B’BB/,U
[?]JR9++CYU34%%;;%:8#;#&*9)1::#76
#$#)R1#+#*1:9+64#$64#&3%:4)#+,BHHB,@?:!A!’!H/U
[/]N9&9\9$"],($:9+9$J,"
#XU0%&7%)8981#)#;9+#^M0J^9$8%^98%&1)9)9:81S98%>6&179&=89)L[O]UY98%&IJ,@--@,@A(B):AH’HAU
[!]E9)%$4I,D+%$_L1%^1:_OJUM#+981+%;988=9:1>6&#>
’89L%1)R1#+#*1:9+)
[,]
IL9+$L=EI,E91**%&]3UY9$8%^98%&$#+1>$;%&7%)8981#);#&S#+981+%9:1>6&#>%)49):%>R1#+#*1:9+64#$64#&
[W]N9)%&\%%J,(+%;$1)1#81$Q,38%76
%&9’8#*%)%$1$#;7*%9)>1)>3%:4)#+,BHHA,?A(A!H):/BW’/@?U
[A]
"#$%&’()*%+%&X,‘>%&8a",Y1+>E,I1%*&1$8[UQ&#>*%;%&7%)8981#)9)>84%1&$3%:4)#+,BHHA,?A(B):@,!’@W?U
[H][日]平冈正胜,吉野善弥U污泥处理工程学["]U上海b华东化工学院出版社,BHH-U
[B-]"#$%&’()*%+%&X,aC,I1%*&1$8[U0%&7%)89’81#)#;&9^$+*%#)9)1)>966+1:981#)$;#&%+1$$#+S%>6&#>)#)’$%>17%)89R+%$#+1>$[O]UY98%&X%$U,BHHH,??(B,):?!-?’?!BBU