Phosphorus removal and N2O production in anaerobic/anoxic denitrifying phosphorus removal process: Long-term impact of influent phosphorus concentration

厭氧/缺氧反硝化除磷過程中磷去除和N2O生產：進水磷濃度的長期影響

來源：Bioresource Technology, Volume 179, 2015, Pages 585-594

《生物資源技術》，第179卷，2015年，585-594頁

 

摘要

摘要部分闡述了研究進水磷濃度對反硝化除磷和N2O生產的長期影響。結果表明，在厭氧/缺氧SBR中，通過提供最佳培養條件，反硝化聚磷菌（DPAOs）能快速成為主導種群，反應器表現出良好的反硝化除磷性能。進水磷濃度顯著影響厭氧多聚羥基脂肪酸酯（PHA）合成、反硝化除磷和N2O生產。當進水磷濃度超過20 mg/L時，由于可用碳源類型的轉變，DPAOs活性開始被抑制，同時隨著缺氧亞硝酸鹽積累的緩解，N2O生產也被抑制。采用改進的進料方式可以增強反硝化除磷并抑制N2O生產。

 

研究目的

研究目的是調查進水磷濃度對厭氧/缺氧反硝化除磷過程中磷去除和N2O生產的長期影響，探索其機制，并評估改進進料方式在優化過程性能和減少溫室氣體排放方面的潛力。

 

研究思路

研究思路包括在實驗室規模的厭氧/缺氧SBR中培養DPAOs，運行超過90個周期以穩定反應器性能。然后進行連續實驗，在不同進水磷濃度（5、10、20、30、40和50 mg/L）下測量化學需氧量（COD）、磷化合物、PHA、糖原和N2O濃度等參數，使用動力學模型分析污泥行為，并比較改進進料方式（連續添加磷和硝酸鹽）的效果。數據分析結合統計方法，以揭示進水磷濃度的影響機制。

 

測量的數據及研究意義

1 氮氧化物和磷去除數據，來自圖1。研究意義是驗證反應器在馴化期間的性能穩定性，顯示NO-N和磷去除率均高于93.74%和97.49%，表明DPAOs成功富集，為后續實驗提供基礎。

 

2 典型循環中各參數濃度曲線數據，包括COD、PO3--P、NOX-N、PHA、糖原和N2O，來自圖2。研究意義是展示DPAOs的典型代謝表型，如厭氧期COD消耗伴隨PHA合成和磷釋放，缺氧期同步反硝化和磷吸收，并揭示N2O主要產生于缺氧期，峰值達3.56 mg/L，關聯到PHA降解導致的電子競爭。

 

3 不同進水磷濃度下磷釋放/吸收、COD去除、PHA合成和N2O濃度數據，來自圖3和表1。研究意義是證明進水磷濃度超過20 mg/L時抑制厭氧磷釋放和PHA合成，導致磷去除率下降（從96.24%至7.61%），同時N2O生產減少（從1.64%至0.16%的TN去除），表明高磷濃度轉變反硝化路徑，緩解電子競爭。

 

 

4 改進進料方式下磷吸收、COD去除、PHA合成和N2O數據，來自圖4。研究意義是顯示連續添加磷和硝酸鹽能增強厭氧PHA合成（如20 mg/L時從1.76增至3.03 mmol-C/gVSS）和磷去除，并抑制N2O生產（低至0.01 mg/L），為實際工程中優化操作提供依據。

 

5 動力學參數數據，如最大比降解速率（qmax）和表觀半速率常數（K），來自表2。研究意義是通過Monod動力學模型量化污泥行為，顯示進水磷濃度增加時qmax和K下降（如qmax從0.29降至0.05 h-1），表明高磷濃度抑制DPAOs代謝，支持磷濃度對過程性能的負面影響。

 

 

結論

1 進水磷濃度顯著影響反硝化除磷過程，當濃度超過20 mg/L時，DPAOs活性被抑制，導致磷去除率下降和PHA合成減少。

2 N2O生產隨進水磷濃度增加而減少，歸因于缺氧亞硝酸鹽積累的緩解和反硝化路徑的轉變。

3 采用改進的進料方式（連續添加磷和硝酸鹽）能增強磷去除并抑制N2O生產，為處理高磷廢水提供可行策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量N2O數據的研究意義在于，它提供了高精度的原位監測能力，能夠實時量化液體和氣體相中的N2O濃度，從而準確評估反硝化除磷過程中的溫室氣體排放動態。在本文中，電極數據（來自圖2和圖3）揭示了N2O主要產生于缺氧期，并顯示峰值濃度隨進水磷濃度變化，這有助于識別N2O產生機制（如PHA降解導致的電子競爭）。通過精確測量，電極數據將N2O排放與操作參數（如磷濃度和進料方式）直接關聯，為優化廢水處理工藝、減少碳足跡提供了可靠依據，并支持了溫室氣體減排策略的制定。