李冬1,高鑫1,张杰1,2,杨杰1,王文琪1
(1.水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室(北京工业大学),北京 100124; 2.城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学),哈尔滨 150090)
摘要:
为快速实现颗粒化同时富集反硝化聚磷菌（denitrifying phosphate accumulating organisms,DPAOs）,在接种絮状活性污泥和长期低温储存的颗粒污泥后,以人工配水为处理对象,分别以恒定水力停留时间（hydraulic retention time,HRT,tHR）和不同比的长/短HRT交替模式运行4组序批式活性污泥反应器 (sequencing batch reactor,SBR),探究长/短HRT交替运行下的饥饿作用对于富集DPAOs和造粒等方面的影响。结果表明,长/短HRT交替运行下的颗粒污泥均具有更高的DPAOs占比和脱氮除磷率,沉降性能良好且颗粒致密。其中,在12 h/6 h的长/短HRT交替模式下,同步硝化反硝化除磷颗粒的污染物去除性能最好,其长周期内COD、TN和TP的去除率分别达93％、96％和98％,短周期内的去除率为95％、90％和93％,这主要是大粒径颗粒内形成的缺氧区、饥饿条件下胞外聚合物的分泌以及反硝化菌对可溶性微生物产物（soluble microbial products,SMP）的利用等因素综合作用的结果；当HRT比提高至13.5 h/4.5 h时,过高水平的SMP积累和过短的厌氧时间会使得出水COD和TP质量浓度超标；而当HRT比降低至10.5 h/7.5 h时,反硝化聚磷菌的占比下降了18％,出水TN去除率也有所下降,表明12 h/6 h是采用长/短HRT交替运行的可参考值。
关键词: 水力停留时间 可溶性微生物产物 硝化反硝化除磷 颗粒污泥
DOI：10.11918/202201123
分类号:X703.1
文献标识码:A
基金项目:北京高校卓越青年科学家计划(BJJWZYJH01201910005019)
Cultivation of simultaneous nitrification and denitrification phosphorus removal granular sludge with alternating longshort HRT
LI Dong1,GAO Xin1,ZHANG Jie1,2,YANG Jie1,WANG Wenqi1
(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering (Beijing University of Technology), Beijing 100124, China; 2.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment (Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China)
Abstract:
For the rapid granulation and enrichment of denitrifying phosphate accumulating organisms (DPAOs), taking flocculent activated sludge and granular sludge stored at low temperature as inoculated sludge and synthetic water as treatment object, four groups of SBR were operated under constant hydraulic retention time (HRT) mode and alternating long/short HRT mode with different ratios. The impact of starvation under the alternating long/short HRT mode on DPAOs enrichment and granulation was explored. Results showed that the granular sludge under alternating long/short HRT mode had higher DPAOs proportion, better nitrogen and phosphorus removal capacity, better sedimentation capacity, and dense structure. The pollutant removal capacity of simultaneous nitrification-denitrification and phosphorus removal (SNDPR) particles was the best when the ratio of alternating long/short HRT mode was 12 h/6 h. The removal rates of COD, TN, and TP reached 93%, 96%, and 98% in the long cycle, and 95%, 90%, and 93% in the short cycle, which was mainly due to the comprehensive effect of anoxic zone formed in large size particles, the secretion of EPS under starvation, and the utilization of soluble microbial products (SMP) by denitrifying bacteria. When the ratio of HRT increased to 13.5 h/4.5 h, too high a level of SMP accumulation and too short anaerobic time led the effluent COD and TP concentrations to exceed the standard; when the ratio of HRT decreased to 10.5 h/7.5 h, the proportion of DPAOs decreased by 18%, and the TN removal rate of effluent also reduced, which indicated that 12 h/6 h was a reference value for the operation of alternating long/short HRT mode.
Key words: hydraulic retention time soluble microbial products nitrification and denitrification phosphorus removal granular sludge
李冬, 高鑫, 张杰, 杨杰, 王文琪. 长/短HRT交替培养同步硝化反硝化除磷颗粒[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2023, 55(2): 9-18. DOI: 10.11918/202201123.
LI Dong, GAO Xin, ZHANG Jie, YANG Jie, WANG Wenqi. Cultivation of simultaneous nitrification and denitrification phosphorus removal granular sludge with alternating long short HRT[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2023, 55(2): 9-18. DOI: 10.11918/202201123.
基金项目 北京高校卓越青年科学家计划(BJJWZYJH01201910005019) 作者简介 李冬(1976—)，女，教授，博士生导师;
张杰(1938—)，男，博士生导师，中国工程院院士 通信作者 李冬，lidong2006@bjut.edu.cn 文章历史 收稿日期: 2022-01-27
Abstract Full text Figures/Tables PDF
长/短HRT交替培养同步硝化反硝化除磷颗粒
李冬1
, 高鑫1, 张杰1,2, 杨杰1, 王文琪1 1. 水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室(北京工业大学)，北京 100124;
2. 城市水资源与水环境国家重点实验室(哈尔滨工业大学)，哈尔滨 150090
收稿日期: 2022-01-27; 修改日期: 2022-03-15; 网络出版日期: 2022-06-26
基金项目: 北京高校卓越青年科学家计划(BJJWZYJH01201910005019)
作者简介: 李冬(1976—)，女，教授，博士生导师; 张杰(1938—)，男，博士生导师，中国工程院院士
通信作者: 李冬，lidong2006@bjut.edu.cn
摘要: 为快速实现颗粒化同时富集反硝化聚磷菌(denitrifying phosphate accumulating organisms，DPAOs)，在接种絮状活性污泥和长期低温储存的颗粒污泥后，以人工配水为处理对象，分别以恒定水力停留时间(hydraulic retention time，HRT, tHR)和不同比的长/短HRT交替模式运行4组序批式活性污泥反应器(sequencing batch reactor，SBR)，探究长/短HRT交替运行下的饥饿作用对于富集DPAOs和造粒等方面的影响。结果表明，长/短HRT交替运行下的颗粒污泥均具有更高的DPAOs占比和脱氮除磷率，沉降性能良好且颗粒致密。其中，在12 h/6 h的长/短HRT交替模式下，同步硝化反硝化除磷颗粒的污染物去除性能最好，其长周期内COD、TN和TP的去除率分别达93%、96%和98%，短周期内的去除率为95%、90%和93%，这主要是大粒径颗粒内形成的缺氧区、饥饿条件下胞外聚合物的分泌以及反硝化菌对可溶性微生物产物(soluble microbial products，SMP)的利用等因素综合作用的结果；当HRT比提高至13.5 h/4.5 h时，过高水平的SMP积累和过短的厌氧时间会使得出水COD和TP质量浓度超标；而当HRT比降低至10.5 h/7.5 h时，反硝化聚磷菌的占比下降了18%，出水TN去除率也有所下降，表明12 h/6 h是采用长/短HRT交替运行的可参考值。
关键词: 水力停留时间 可溶性微生物产物 硝化反硝化除磷 颗粒污泥
Cultivation of simultaneous nitrification and denitrification phosphorus removal granular sludge with alternating long short HRT
LI Dong1
, GAO Xin1, ZHANG Jie1,2, YANG Jie1, WANG Wenqi1 1. Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering (Beijing University of Technology), Beijing 100124, China;
2. State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment (Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China
Abstract: For the rapid granulation and enrichment of denitrifying phosphate accumulating organisms (DPAOs), taking flocculent activated sludge and granular sludge stored at low temperature as inoculated sludge and synthetic water as treatment object, four groups of SBR were operated under constant hydraulic retention time (HRT) mode and alternating long/short HRT mode with different ratios. The impact of starvation under the alternating long/short HRT mode on DPAOs enrichment and granulation was explored. Results showed that the granular sludge under alternating long/short HRT mode had higher DPAOs proportion, better nitrogen and phosphorus removal capacity, better sedimentation capacity, and dense structure. The pollutant removal capacity of simultaneous nitrification-denitrification and phosphorus removal (SNDPR) particles was the best when the ratio of alternating long/short HRT mode was 12 h/6 h. The removal rates of COD, TN, and TP reached 93%, 96%, and 98% in the long cycle, and 95%, 90%, and 93% in the short cycle, which was mainly due to the comprehensive effect of anoxic zone formed in large size particles, the secretion of EPS under starvation, and the utilization of soluble microbial products (SMP) by denitrifying bacteria. When the ratio of HRT increased to 13.5 h/4.5 h, too high a level of SMP accumulation and too short anaerobic time led the effluent COD and TP concentrations to exceed the standard; when the ratio of HRT decreased to 10.5 h/7.5 h, the proportion of DPAOs decreased by 18%, and the TN removal rate of effluent also reduced, which indicated that 12 h/6 h was a reference value for the operation of alternating long/short HRT mode.
Keywords: hydraulic retention time soluble microbial products nitrification and denitrification phosphorus removal granular sludge
反硝化除磷工艺(denitrifying phosphate removal，DPR)通过富集反硝化聚磷菌(denitrifying phosphate accumulating organisms，DPAOs)实现同步脱氮除磷，节省了为好氧吸磷提供的曝气量和反硝化所需的碳源量，降低了污泥产量和污泥处置成本[1-4]。而在培养反硝化菌的过程中，由于具备结构强度高、沉降性能好、抗水质变化冲击能力强以及为DPAOs提供缺氧的富集环境等优势，颗粒污泥(granular sludge，GS)成为实现DPR工艺最有前景的方法之一[5-7]。已有研究证实DPR颗粒在处理低碳氮比污水时的优越性，但对于如何在富集DPAOs的同时加速颗粒形成的研究仍然较少，因此，拟探究一种可行的方法同步实现DPAOs的富集和颗粒化。
在培养颗粒污泥并富集DPAOs的过程中，运行周期的水力停留时间(hydraulic retention time，tHR)长短一直是一个十分关键的因素[8]。较长的HRT有利于延长微生物经历的饥饿时间，刺激其产生更多的胞外聚合物(extracellular polymeric substances，EPS)以黏附絮状污泥形成大颗粒，同时促使从污泥表面延伸出的细丝收缩、卷曲并被多糖(polysaccharide，PS)包裹和“粘合”到更致密的颗粒污泥结构中，形成更大的缺氧区为DPAOs提供富集条件[9]; 其次，延长HRT有利于刺激微生物降解可溶性微生物产物(soluble microbial products，SMP)中的蛋白质、多糖和类腐殖酸化合物[10]转化为可被微生物重新利用的低分子质量化合物，作为饥饿条件下的电子供体进行反硝化，强化反硝化脱氮，降低DPAOs的碳源竞争压力。缩短HRT则有利于增大换水频率提高水力选择压，充分利用DPAOs位于沉降性能好的大颗粒内核的分布优势，将多存在于小颗粒及絮体污泥中的普通异养菌和聚糖菌洗脱出去，富集主要功能菌[11]; 此外，短HRT还可以避免微生物长期处于饥饿阶段，过度消耗微生物产物造成代谢活性降低最终导致系统失稳。因此，本研究拟采用长/短HRT交替运行模式，利用长HRT周期提高颗粒污泥的结构强度，为DPAOs的富集创造环境，采用短HRT周期提高水力选择压，排除与DPAOs存在竞争关系的非功能菌，加速启动过程。
本实验设置了恒定HRT的对照组和不同长/短HRT比的实验组。根据周期内污染物去除路径以及SMP质量分数的变化阐明了长/短HRT模式的运行机制，通过监测运行期间污染物去除效果、颗粒污泥形态、沉降性能以及功能菌活性占比评判不同运行条件下的系统性能，明确长/短HRT策略在培养同步硝化反硝化除磷(simultaneous nitrification-denitrification and phosphorus removal，SNDPR)颗粒方面的优势效果。
1 实验 1.1 实验装置与运行方法本实验采用4组有效容积为6 L的亚克力材质序批式活性污泥反应器(sequencing batch reactor，SBR)，换水比为2∶ 3。各反应器每天均运行4个周期，R1采用恒为9 h的HRT，R2、R3和R4采用相邻周期长短交替的HRT，长/短HRT分别为13.5 h/4.5 h、12 h/6 h和10.5 h/7.5 h。各反应器的厌氧、好氧与缺氧段时间比保持一致，各反应器好氧段曝气量均为0.45 L/min。此外包含5 min进水，5 min沉淀，5 min排水，剩余时间闲置。各反应器运行模式见表 1。
表 1
表 1 不同模式下反应器运行参数 Tab. 1 Operation parameters of the reactor in different modes 反应器时间/min运行时间/htHR/h厌氧段好氧段缺氧段
R11201408069.0
R2180210120913.5
60704034.5
R3160185105812.0
80955546.0
R414016090710.5
1001207057.5
表 1 不同模式下反应器运行参数 Tab. 1 Operation parameters of the reactor in different modes
1.2 接种污泥与实验用水以絮状活性污泥以及长期低温储存的颗粒污泥为接种污泥，接种絮状污泥与颗粒污泥MLSS分别为1 385、2 181 mg/L，两者体积比为1∶ 1，以人工合成废水为实验处理对象，配制涉及的物质有水、CH3CH2COONa、NaHCO3、NH4Cl、KH2PO4、MgSO4 · 7H2O以及CaCl2，各监测项目见表 2。
表 2
表 2 人工合成废水水质 Tab. 2 Water quality of synthetic water COD/(mg·L-1)ρ(氮素)/(mg·L-1)ρ(PO43--P)/(mg·L-1)pH250±2545~556~87.6~8.4
表 2 人工合成废水水质 Tab. 2 Water quality of synthetic water
1.3 分析项目与检测方法NH4+-N、NO3--N和NO2--N、COD和TP的测定参考国家规定标准，每2 d测量一次; MLSS、MLVSS和SVI等指标均采用国家规定的标准方法[12]; 多糖测定采用Lowry法[13]，蛋白质测定采用蒽酮硫酸法[14]。
1.4 三维荧光和平行因子分析三维荧光Ex(激发光谱)和Em(发射光谱)扫描范围分别为200~700 nm、200~600 nm，激发/发射波长间隔10 nm。其中X轴代表Em发射波长，Y轴代表Ex激发波长，等高线颜色深浅反映EPS样品的荧光强度。利用MALAB toolbox DOMFluor对获得的多次三维荧光数据结果进行平行因子法建模，对EEM数据进行对半分析、方差检验和核心一致性诊断验证方法，后明确荧光成分的数量。
1.5 计算方法采用批次实验测定DPAOs在PAOs中的占比[15]，具体实验步骤如下：从反应器中取出2 L泥水混合物平均分为两份，用去离子水冲洗3次洗去杂质，加入CH3CH2COONa和KH2PO4使其COD与磷质量浓度分别为275和7 mg/L，在厌氧条件下进行充分释磷，沉淀排出上清液后用去离子水清洗污泥。将反应器泥水混合物用蒸馏水稀释到原容积，加入KH2PO4保持P质量浓度与释磷结束后相等，一份进行曝气控制DO质量浓度为3.0~4.0 mg/L，另一份保持缺氧加入KNO3使NO3-初始质量浓度为3 mg/L。每隔一段时间对两个反应器进行取样测定磷质量浓度，直至稳定后结束反应。由式(1)和(2)计算的缺氧(Pa)和好氧(Po)的最大比吸磷速率之比可以大致反映DPAOs的百分比。缺氧或好氧最大比吸磷速率可近似按以下公式计算：
$\begin{aligned}P_{\mathrm{a}}=\frac{\rho_{\mathrm{a}, t 1}(\mathrm{P})-\rho_{\mathrm{a}, t 2}(\mathrm{P})}{\left(t_2-t_1\right) \times \rho_{\mathrm{MLVSS}}} \end{aligned}$ (1)
$P_{\mathrm{o}}=\frac{\rho_{\mathrm{o}, t 1}(\mathrm{P})-\rho_{\mathrm{o}, t 2}(\mathrm{P})}{\left(t_2-t_1\right) \times \rho_{\mathrm{MLVSS}}}$ (2)
式中：ρa, t1(P)、ρa, t2(P)分别为缺氧反应下t1, t2时刻PO43--P质量浓度，ρo, t1(P)、ρo, t2(P)分别为好氧反应下t1，t2时刻PO43--P质量浓度。
2 结果与讨论 2.1 典型周期实验 2.1.1 典型周期内C、N、P变化第60天对R3进行周期实验，典型周期内C、N、P基质质量浓度情况如图 1所示。厌氧段的前120 min内COD被微生物快速利用，在厌氧末时COD仅剩15.19 mg/L，且COD的下降伴随着磷质量浓度增加至20.73 mg/L。这是由于厌氧段PAOs和DPAOs将细胞中的聚磷酸盐水解为正磷酸盐释放至胞外，并利用产生的能量吸收污水中易降解的COD如挥发性脂肪酸，合成贮能物质聚β-羟基丁酸盐(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)等[16]。此外，厌氧段前期氨氮质量浓度的下降是因为硝化细菌利用进水中的DO将其氧化为NOx--N，随后异养反硝化菌利用COD进行反硝化脱氮，总氮下降了15.46 mg/L。
好氧段PAOs氧化胞内贮存的PHB产生能量后，从污水中过量地吸收磷酸盐，合成ATP和聚磷贮于胞内，反应器内P质量浓度从20.73 mg/L降低到3.11 mg/L。同时，AOB和NOB将氨氮全部转化为NOx--N，且TN在好氧段有一定的下降。对比不同反应器在好氧阶段的TN减少量，发现R3的TN去除率最高，这是由于R3颗粒较大，氧传质受限的大粒径颗粒污泥内部存在缺氧区，有利于DPAOs在好氧段利用NOx--N作为电子受体进行反硝化脱氮除磷。
Fig. 1
图 1 第60天时R3典型周期内C、N和P的变化 Fig. 1 Variation of C, N, and P of R3 on the 60th day 为了验证这一猜想，采取批次实验对4组反应器内DPAOs的占比进行了分析，结果如图 2所示，R1、R2、R3和R4中反硝化聚磷菌的占比分别为14%、33%、42%和28%，证实了长/短HRT交替模式具有富集DPAOs的作用，以及好氧段颗粒内部DPAOs的脱氮除磷作用。
Fig. 2
图 2 第60天时反硝化聚磷菌占比 Fig. 2 Proportion of DPAOs on the 60th day 进入缺氧段后，DPAOs率先进行反硝化脱氮除磷，TN和TP分别下降了5.35、1.90 mg/L; 而后底物缺乏，刺激微生物水解EPS产生SMP，因此，COD在第395分钟明显上升到60.24 mg/L。随后异养反硝化菌将SMP作为基质进行反硝化脱氮，使得出水COD和TN分别降低到了35.65和13.19 mg/L。上述周期中的TN质量浓度降低了42.51 mg/L，相比R1提高了20.1%的总氮去除率，COD也随着SMP的消耗而降低，达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[17]中的一级A标准。这表明长HRT下带来的SMP增加有利于强化反硝化脱氮能力。
而在短HRT周期中，DPAOs厌氧末释磷量为14.74 mg/L，相比长HRT周期释磷量低5.99 mg/L。释磷及吸收底物不充分，导致缺氧条件下缺乏能量进行同步脱氮除磷。且由于底物匮乏时间短，短HRT周期没有产生足够的SMP，异养反硝化菌在缺氧段缺乏碳源无法进行反硝化脱氮。故短HRT周期的脱氮除磷效果不及长HRT周期，但由于长/短HRT运行模式下对功能菌的富集作用，短周期的脱氮除磷效果仍强于恒定HRT运行模式。
2.1.2 典型周期内SMP变化溶解性微生物产物(SMP)是污水生物处理中有机物质的主要成分，它的存在决定了系统对有机物的最大去除效率，研究表明，SMP在出水COD中的占比甚至可以达到70%[18]。此外，SMP还是消毒副产物的前驱物质，在出水加氯消毒的过程中易发生卤化反应，产生具有高度致癌性的消毒副产物，影响污水回用。但是，SMP可以作为反硝化的补充碳源，解决生活污水中碳氮比过低问题，强化反硝化脱氮能力。作为SMP产生的重要影响因素，HRT的改变势必会带来SMP的变化，因此，SMP的组成和浓度变化是本研究中不可忽略的因素之一。
根据产生来源不同，SMP可分为两种类型：一种是基质利用率相关产物(utilization associated product，UAP)，这类物质是伴随着微生物利用底物进行代谢的过程中直接产生的; 另一种是生物量相关产物(biomass associated product，BAP)，是伴随着细胞的衰亡、分解和EPS的水解等过程产生的[19]。因此，根据三维荧光扫描结果对其产生和降解过程进行分析来增强利用率。
在R3进入稳定运行阶段后，利用三维荧光扫描对其长周期逐小时SMP变化情况进行分析，并以平行因子(parallel factor，PARAFAC)方法对SMP中各组分变化情况进行评估。结果表明，SMP中的荧光物质主要分为两类，两者的位置分布如下：色氨酸类蛋白，Ex 250~300 nm/Em 275~375 nm; 腐殖酸类物质，Ex 310~430 nm/Em 375~525 nm[20]。以SMP中各组分的荧光强度反映其质量分数，其强度变化如图 3所示。
Fig. 3
图 3 R3长HRT周期运行过程中SMP三维荧光分析 Fig. 3 EEM analysis of SMP during long HRT cycle operation of R3 在0 h时色氨酸类蛋白和腐殖酸类物质的荧光强度峰值IF分别为265.57和343.45，该初始浓度主要来源于上一周期因换水比未排出的残留SMP。反应进行2 h后，伴随着COD的大量降低，色氨酸类蛋白IF达到了423.44的峰值，表明微生物利用进水中有机物进行代谢的同时产生了UAP。随着进水底物被消耗殆尽，微生物转而利用UAP作为碳源，使得色氨酸类蛋白的荧光强度在3~5 h逐渐降低至182.97，而腐殖酸类物质的IF并未下降，这主要是由于微生物代谢难以利用腐殖酸。但在第6小时色氨酸类蛋白的IF产生了第二次明显的升高，这是由于环境中容易被利用的底物耗尽，微生物通过内源呼吸以及EPS水解来产生BAP。此时，反应处于缺氧段，异养反硝化菌能够利用BAP进行反硝化，这解释了长/短HRT下TN去除率较高的原因。若继续增加HRT，SMP的产生量将超过可利用量，出水COD将超出排放标准，R2的出水COD高正是这一原因。
2.2 系统污染物去除性能 2.2.1 COD去除性能图 4反映了4组反应器随运行COD去除的变化。随着污泥活性的逐渐恢复，各反应器的COD去除率从第6天开始均有所提高，其中R1、R3和R4的出水COD都低于50 mg/L，且去除率达到90%左右，COD去除性能良好。然而R2长周期出水COD超出了50 mg/L，不符合排放标准。过长的HRT延长了底物匮乏期，进而刺激微生物产生更多BAP，然而生物可以水解利用的BAP的量有限，当反硝化将NOx--N消耗后，剩余的BAP将很难被利用，出水中会残留SMP[21]。因此，对R2长周期出水中的SMP进行了分析，发现色氨酸类蛋白质的IF升高到了270.13。此外，就长短周期比较而言，各反应器长周期的出水COD均高于短周期，也证实了饥饿条件下BAP的产生引起了COD的增加。
Fig. 4
图 4 不同运行模式下COD变化 Fig. 4 Variation of COD concentration under different operating modes 2.2.2 TN去除性能图 5为4组反应器运行过程中的氮素变化。由于硝化细菌的适应能力和世代倍增时间慢于异养菌，各组反应器的脱氮性能恢复节点相比COD去除能力的恢复约慢5 d以上。而以长/短HRT交替运行的3组反应器与恒定HRT模式相比能更快地恢复脱氮能力，证明了长/短HRT对脱氮的促进效果。特别是R2和R3长HRT周期在稳定后出水TN去除率分别达到了90.10%和94.28%，具有优良的脱氮效果。此外，两者的短周期脱氮能力略有差别，R2长周期中残留了更高浓度的SMP为相邻短周期反硝化提供了部分碳源，提高了R2短周期的TN去除率。整体来看，R2与R3的脱氮效果强于R1和R4，后两者的总氮去除率分别为73.94%和86.35%，显然，在不考虑出水COD的情况下，较大的长/短HRT比有利于增强脱氮效果。
Fig. 5
图 5 不同运行模式下TN变化 Fig. 5 Variation of TN concentration under different operating modes 2.2.3 TP去除性能4组不同运行模式下系统TP去除性能变化如图 6所示。研究表明，颗粒污泥储存时间越长，系统的除磷能力越难以恢复[22]。系统的除磷性能约在第25天开始恢复，远迟于COD与TN的去除。其中，R2和R3的除磷性能在第45天左右达到了稳定，两者长周期的TP去除率为90%以上，高于R1和R4。R1的去除率最低，仅为70%。这是因为长/短HRT交替的模式有利于DPAOs的富集，而较高丰度的DPAOs能够在缺氧段消耗掉好氧末剩余的磷，使得出水TP质量浓度进一步下降。
Fig. 6
图 6 不同运行模式下TP变化 Fig. 6 Variation of TP concentration under different operating modes 就短周期而言，因HRT过短，释磷不充分使DPAOs有机物贮存和磷吸收不充分，R2短周期除磷率仅为70%。综上，R3的长、短周期均具有较好的除磷效果，为最适宜的长/短HRT比设置。
2.3 污泥物理特性变化 2.3.1 外观形态及粒径变化图 7显示了随着运行不同反应器污泥的粒径分布变化。本实验接种颗粒污泥结构如图 8(a)所示，呈现明显中空透明，240 d储存期使得颗粒整体呈现不规则但完整的状态。接种污泥平均粒径为960 μm。运行10 d后，由于曝气以及搅拌带来的水力剪切力和颗粒碰撞等不利条件，颗粒污泥裂解破碎如图 8(b)所示，形成絮体、片状以及不规则颗粒的混合状态，故前期4组反应器的颗粒粒径均明显下降。在第30天时，R2粒径分布存在3个峰值，100~180 μm为絮状活性污泥，新出现的700~800 μm峰值为破碎的颗粒污泥碎片，1 100~1 200 μm为完整的颗粒污泥，但较接种时颗粒粒径有明显下降，且大粒径颗粒占比下降。通过表 3颗粒粒径变化可以看出第60天，R1、R2、R3和R4反应器内污泥平均粒径分别达753、762、932和886 μm，且絮状污泥占比很少，认为颗粒化成功。其中，R3具有最大粒径的颗粒，长/短HRT交替模式下各组反应器的平均粒径均高于恒定HRT下的反应器，证实该模式对于造粒的促进作用。
Fig. 7
图 7 不同运行模式下粒径分布变化 Fig. 7 Variation of particle size distribution under different operating modes Fig. 8
图 8 颗粒污泥随运行时间变化的显微镜照片 Fig. 8 Optical microscopy images of granular sludge over time 表 3
表 3 不同运行模式下颗粒平均粒径变化 Tab. 3 Variation of particle size under different operating modes t/d平均粒径/μmR1R2R3R4
0929965960974
30704452852583
60753762932886
表 3 不同运行模式下颗粒平均粒径变化 Tab. 3 Variation of particle size under different operating modes
如图 8(c)所示，R1在恒定HRT运行条件的第20天发生了污泥膨胀现象，主要是由于从无基质低温储存到有进水COD作为细菌生长底物后，异养丝状菌比功能菌群更快地恢复生长[23]。丝状菌在颗粒表面延伸，颗粒之间难以靠近，削弱了污泥的压缩性，颗粒沉降面在出水口的上方，颗粒污泥逐渐随出水流失。以长/短HRT交替运行的反应器，由于颗粒受到饥饿/饱食冲击，抑制了丝状菌的增长，并未出现污泥膨胀现象。在颗粒污泥破碎解体的过程中，拥有最大长/短HRT比的R2解体程度最高，而R3和R4解体时间相对较短。此外，周期性的饥饿促使微生物释放大量的EPS，促进絮状污泥黏附到颗粒的碎片上形成了新的颗粒污泥。因此，如图 8(d)~(g)所示，在经历不同程度的解体后，各反应器均实现了新的颗粒化，其中，R2形成了不均匀的粒径分布; R3内解体程度较轻的颗粒，与絮体结合形成了更为致密且粒径更大的颗粒; R4形成的颗粒颜色较浅且致密性不及R2和R3，原因为该长/短HRT比下EPS的产生量较少。
研究表明，颗粒污泥粒径增大会造成颗粒内部氧渗透深度减小，造成缺氧区体积的增大和好氧区体积的下降。因此，基于长/短HRT下R3粒径的增大为富集反硝化聚磷菌提供了良好的环境基础[24]，这也与R3中较高的反硝化聚磷菌占比结论一致。
2.3.2 生物量及沉淀性能变化不同阶段的MLSS和MLVSS的变化如图 9所示，各反应器的起始污泥质量浓度分别为2 892、2 288、2 684和2 724 mg/L。4组反应器的MLSS整体呈现先下降后上升的趋势，在第30天，R2由于解体严重，部分污泥沉降性能较差，被排出反应器，图 10显示污泥容积指数(sludge volume index，SVI)明显上升，MLSS下降至1 792 mg/L。而R3和R4解体程度低、时间短，没有引起严重污泥流失率，先实现了生物量的增长。R1的MLSS降低同样是由于污泥流失，但区别在于R1是在恢复期产生了丝状菌膨胀，SVI同样明显上升，沉降性能大幅下降，MLSS降低到了974 mg/L。在启动成功后，各反应器的污泥量均有上升，MLSS分别为2 181、2 704、3 444和2 563 mg/L。由表 4可以看出，在启动过程中，各反应器的f(MLVSS与MLSS质量浓度比)整体呈现下降趋势，这是因为随着除磷性能的恢复，DPAOs能够贮存更多的磷，再加上颗粒污泥内DPAOs占比的不断提高，使得污泥内无机质成分的占比也越来越高。
Fig. 9
图 9 不同运行模式下MLSS及MLVSS的变化 Fig. 9 Variation of MLSS and MLVSS under different operating modes Fig. 10
图 10 不同运行模式下SVI的变化 Fig. 10 Variation of SVI under different operating modes 表 4
表 4 不同运行模式下f的变化 Tab. 4 Variation of f under different operating modes t/dfR1R2R3R4
00.9090.9170.9080.904
150.8720.9040.8530.911
300.7940.8630.8790.892
450.8910.8490.8530.880
600.8770.8000.8310.878
表 4 不同运行模式下f的变化 Tab. 4 Variation of f under different operating modes
随着颗粒污泥沉降性能的不断提高，各反应器的SVI值均有下降，分别为128、80、74和85 mL/g。这表明长/短HRT的运行模式有利于增强颗粒的沉降性能，并且当长/短HRT为12 h/6 h时，其沉降性能最佳。
2.3.3 颗粒污泥胞外聚合物质量分数变化不同阶段4组反应器的污泥胞外聚合物中PN、PS和PN与PS质量分数比的变化如图 11以及表 5所示。运行开始时，PN与PS质量分数很低，因接种颗粒污泥在长达240 d的储存过程中，为应对长期饥饿条件，微生物通过水解EPS来维持自身生存[25]。随着实验运行各反应器逐渐恢复颗粒化，PN和PS均有所升高，但PN与PS质量分数比有明显下降的趋势，这是因为PS的增长速度高于PN，特别是颗粒结构最为致密的R3，其PS的质量分数为4组反应器中最高的。SHi等[26]研究也得出结论，颗粒稳定性的维持与多糖的生成有很大关系。
Fig. 11
图 11 运行过程中PN、PS变化 Fig. 11 Variation of PN and PS during operation 表 5
表 5 不同运行模式下PN与PS质量分数比的变化 Tab. 5 Variaton of PN/PS under different operating modes t/dPN与PS质量分数比R1R2R3R4
04.514.514.514.51
158.578.117.995.74
307.488.155.965.55
456.778.893.754.65
605.795.523.504.55
表 5 不同运行模式下PN与PS质量分数比的变化 Tab. 5 Variaton of PN/PS under different operating modes
启动成功时，R2、R3的EPS质量分数分别为73.31和74.89 mg/g，高于R1和R2的EPS质量分数。这是因为当好氧颗粒污泥在经历饥饿时，微生物会分泌大量的EPS来应对饥饿状态[27-28]，而大量EPS的分泌也为BAP的产生提供了基础，为反硝化菌提供了补充碳源，进而实现了长/短HRT对于处理性能的优化[29]。
3 结论1) 长/短HRT交替模式下成功培养出SNDPR颗粒污泥，各反应器出水COD、TN和TP去除率均高于恒定HRT模式，其中，长/短HRT设为12 h/6 h的R3由于能够产生并充分利用SMP强化反硝化，其长周期COD、TN和TP除效率达93%、96%和98%，短周期的COD、TN和TP去除率为95%、90%和93%。
2) 通过长/短周期下不同程度的饱食/饥饿交替，刺激EPS的产生促进颗粒化。运行到第60天时R3的粒径达到4组反应器中最大且规则致密，平均粒径为923 μm。同时，R3有较高的生物量，颗粒核心缺氧区富集反硝化聚磷菌提高了污泥沉降性能。
3) 长/短HRT交替能够实现DPAOs的富集，以不同HRT比值运行的反应器中DPAOs的占比均高于恒定HRT的反应器，其中，R3的DPAOs占比最高，达到了42%，实现颗粒化的同时成功富集了DPAOs。
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