邱慎初
（國家城市給水排水工程技術研究中心）

　　摘要：本文介紹了80年代以來Randall等人為探明生物除磷系統的厭氧穩定作用所進行的幾個試驗實例。COD/需氧量物料平衡結果表明，厭氧區對有機物的穩定作用導致了系統的實測需氧量低于計算需氧量，從而降低能耗。試驗中對于作用機理也進行了探討，但理論依據不足，致使厭氧穩定成為至含尚未明確而有待繼續研究的問題。
　　關鍵詞：生物除磷；厭氧穩定；COD/需氧量物料平衡

1　前言

　　關于生物除磷系統是否存在厭氧穩定（AnS）并從而降低系統的需氧量，幾年來各國學者持有不同看法。通常認為在厭氧區并不發生基質的氧化，聚磷菌在厭氧區利用胞內聚磷酸鹽分解產生的能量，只是輸送揮發性脂肪酸（VFAs）進入細胞和轉化為聚β羥基丁酸(PHB)以及其他碳儲存聚合物，并將無機磷酸鹽釋放，儲存物質只能在好氧區被氧化分解并提供能量，因此，系統的需氧量并未在厭氧段得到減少。需氧量一般根據水質和處理要求按公式進行計算。然而一些試驗實踐的結果表明，在生物除磷工藝中的需氧量小于計算值，從80年代開始，陸續報道了一些生物除磷系統因厭氧段的設置使系統需氧量得以減少的情況（Lan等，1983；Randall,1984; Bordacs 和 Tracy, 1988）。Randall 等人于1992年報道了關于生物除磷系統厭氧穩定導致減少需氧量的詳細試驗結果，提出了COD/需氧量物料平衡式用以說明系統中全部COD和氮平衡關系。Wable和Randall于1994年又繼續作進一步探討。根據物料平衡關系可發現系統的預計需氧量大于實測需氧量，經試驗觀察表明，需氧量的減少范圍約為10%～30%，但對于厭氧穩定的機理至今尚未明確。

2　根據COD/需氧量的物料平衡關系研究生物除磷系統的厭氧穩定

　　生物除磷系統的厭氧反應器中有機物的穩定是指厭氧區中所去除的有機物不會隨后轉化為新的細胞物質或導致系統內外的耗氧。因此，所述厭氧穩定 (AnS) 就是將有機物轉化為完全氧化或完全還原的最終產物。由于在厭氧區所去除的有機物將被聚磷菌儲存，厭氧區COD的穩定不可能采用直接測定的方法得出準確的結果。為此，在有機物和耗氧速率(OURs）測定的基礎上使用了COD/需氧量物料平衡方程式，以期量化厭氧穩定。
　　系統所利用的進水COD_u (進水COD - 出水COD) 可分成需氧部分(COD_ox)和非需氧部分(COD_nox), 如總的進水COD中進入非需氧部分的量增加，則系統的需氧量就將減少。在穩態生物除磷系統中，可以設想非需氧部分COD的消耗減少就是由于存在COD的厭氧穩定(AnS)，缺氧穩定（缺氧區的COD穩定AxS）以及用作細胞合成形成生物體（CODw）所致。COD的缺氧穩定（AxS）可通過測定反應器中氧化氮含量的變化乘以氧當量轉換系數加以確定。測定排泥量（MLSS）和出水生物量（MLSS）并將其轉化成COD當量即可確定CODw。宜直接測定混合液懸浮固體（MLSS）的COD以獲取準確的轉換系數。COD_ox表示有機物好氧穩定所需的氧量，可通過測定系統的總耗氧量（TOR）減去氮的需氧量（NOD）求得（見圖1）。

　　Randall等人根據圖1的關系，提出生物除磷系統的厭氧穩定（AnS）可由以下COD物料平衡關系確定：
　　AnS = COD_u + NOD - AxS - CODw - TOR (1)
　　上式右邊各項可通過直接測定并采用適當的轉換系數確定
　　AnS = (進水COD - 出水COD) + 4.57 (NO3-N)_p + 3.43 (NO2-N)_P - 2.86 (NO3-N)_u - 1.71 (NO2 -N)_u - (COD/VSS)_(MX)w - (COD/VSS)_(MX)e - TOR (2)
　　在式（1）、（2）中，下標p = 產生 下標u = 利用 下標w = 排除 下標e = 出水 MX = 生物量

　　式2中所有各項的量均以氧當量表示。
　　生物除磷系統中COD穩定的總量（CODS）系微生物生長率的函數，在穩態下這一生長率與排泥率相等，因此CODS 隨平均細胞停留時間（MCRT）而變化（見式3）。
　　CODS = COD_u - CODw (3)
　　對于具有硝化作用完全好氧的常規活性污泥法，在理論上AnS與AxS為零，這樣，將式1重新排列如下：
　　預計TOR = COD_u - CODw + NOD (4)
　　式4右邊各項均可通過測定并計算出TOR，因此可預測TOR，預計TOR值與實測TOR值作比較后可對用于COD/需氧量物料平衡的測定可靠性進行檢查。
　　若生物除磷系統中的AnS作用不明顯，則可采用類似上述的步驟確定TOR，設AnS為零，式1重排如下：
　　預計TOR = COD_u - AxS - CODw + NOD (5)
　　預計TOR值和直接實測TOR值的一致性可表明系統中的AnS作用不明顯，但是，若預計TOR值明顯大于實測TOR值時，只要測定可靠，則其兩者的差值就是AnS。

3　厭氧穩定試驗研究工作的進展

　　試驗研究工作相繼進行了無硝化/反硝化和具有硝化/反硝化的生物除磷系統的實驗室規模研究、中間試驗以及生物除磷系統與常規活性污泥系統的對比試驗。
3.1無硝化/反硝化的生物除磷系統
　　早在1983年Lan等人在單池活性污泥系統的實驗室規模研究中首次觀察到池首 厭氧段的設置可減少系統的需氧量。采用配水試驗(試驗規模28L/d)，用右旋糖(dextrose)作為快速降解基質并投加2-咪唑啉硫酮（2-imidazolidinethione）抑制劑防止硝化作用的發生。整個試驗工作分為三個階段，其進水COD分別為542mg/L, 529mg/L, 548mg/L, MCRT為14d 、11d、8d, MVLSS為5600mg/L、4700mg/L、3400mg/L。試驗發現約有一半的COD在厭氧段中被去除，好氧段中的耗氧速率很低（0.12 d-1），屬典型的活性污泥內源呼吸，然而，所測得的理論產率系數0.5和微生物衰減系數0.09d-1均屬典型的完全好氧系統的數值，表明污泥的積累正常。1984年Randall等人對這一試驗結果進行了需氧量詳細分析，設系統需氧量的減少是由于厭氧穩定所致，為取得量化數據，使用COD/需氧量物料平衡關系式取得了如下結果（見表1）。
　　從表1中可看出，實測TOR值遠低于系統中所穩定的COD值（CODS）。由于硝化作用已被抑制，若COD未被非氧化過程所穩定，則實測的TOR照例應與CODS相同。因此，在階段1～3中，分別為42、23

表1 COD/需氧量物料平衡結果 項目 平均氧當量(mg/d或%) 階段1 階段2 階段3 COD_u 14200 13700 14100 CODw -6500 -8900 -8900 CODs(預計TOR) 7700 4800 5200 實測TOR 4500 3700 2700 AnS 3200 1100 2500 AnR 6600 8400 7600 AnS/CODs, % 42 23 48 AnS/AnR, % 48 13 33

AnS = 預計TOR - 實測TOR
AnR = 厭氧區所去除的COD

　　與28% 的總COD不可能屬于氧化或細胞合成去除。從而表明，除非測定錯誤，系統內發生了明顯的厭氧穩定作用。試驗中對MLSS的COD 值未進行直接測定，采用缺省值1.42作為氧當量的轉換系數。
3.2具有硝化/反硝化的生物除磷系統
　　Randall等人于1985～1987年期間在試驗室內對生物除磷系統中COD的去向作進一步的研究，試驗的主要目的在于弄清除了反硝化導致氧的回收外，系統的需氧量是否可通過厭氧穩定得以減少。該項試驗與試驗1有兩個主要區別，一是該系統具有硝化/反硝化作用，使得系統的COD/需氧量物料平衡需要更多的綜合性測定。二是基質的變更以便考察有關機理。試驗模型模擬UCT系統，采用配水試驗（試驗規模28L/d），分為三個階段，階段1和階段2以右旋糖作為快速降解基質，右旋糖需經發酵后才能被厭氧區的聚磷菌所利用。階段3改用不可發酵的醋酸鈉作為快速降解基質，在厭氧條件下可被聚磷菌直接利用。三個階段的進水COD分別為620mg/L，610mg/L，640mg/L,實際MCRT為18d, 12d, 13d, MVLSS為4600mg/L，4000mg/L，3600mg/L, 應用COD/需氧量物料平衡關系對試驗數據進行整理后取得的結果見表2。
表2 COD/需氧量物料平衡結果

項目 平均氧當量（mg/d或%） 階段1 階段2 階段3 COD_u 16100 1850 20300 CODw -5800 -79000 -6700 CODs(預計TOR) 10300 10600 13600 實測TOR 10900 11100 15400 實測NOD -5200 -4500 -4800 AeS(好氧穩定) 5700 6600 10600 實測AxS(缺氧穩定) +1800 +1600 +1600 AeX + AxS 7500 8200 12200 AnS 2800 2400 1400 AnR 13100 13700 12100 AnS/CODS, % 27 23 10 AnS/AnR, % 21 18 12

AnS = CODs - (AeX + AxS)
AnR = 厭氧區去除的COD

　　系統中穩定的COD（CODS）減去好氧區穩定的COD（COD_ox）與反硝化穩定的COD（AxS）之和后即可看出在階段1、2中發生了明顯的穩定作用，而這一作用不能用好氧穩定或反硝化穩定來加以解釋。厭氧穩定值分別占整個系統COD穩定值的27%和23%。
在階段1，經測定MLSS的COD得出MLVSS的氧當量轉換系數平均值為1.44，由于此值與1.42相接近，故采用1.42進行物料平衡計算。
3.3生物除磷系統的中間試驗
　　中間試驗歷時15個月，進水濃度較淡，COD值為190～300mg/L, 試驗模擬了規模為150000m3/d的城市污水處理廠，采用UCT流程。該項試驗的COD/MLSS值、OUR值均系現場實測，COD/VSS的平均比值為1.42（范圍為1.25~1.56）。中間試驗數據進行COD/需氧量物料平衡的結果表明，整個系統中從0至50%的COD穩定數值系在厭氧區中發生。當進水COD為190mg/L左右時，AnS基本上為零，而該值隨進水COD濃度的增加而增加（Randall, 1987,見圖2）。可見，AnS量與可利用COD發生緊密關系。由于該廢水系受磷限制，對生物除磷而言，通常有過剩的COD可資利用。由此可見，產生的AnS只是超過聚磷菌用于轉化儲存PHB的那部分COD。這一結果意味著非聚磷菌的存在造成AnS的產生。

3.4生物除磷系統與常規活性污泥系統的平行對比試驗
　　以上試驗結果表明生物除磷系統中存在厭氧穩定，因此有必要對實際需氧量的測定方法進行檢驗，以進一步確認厭氧穩定方面COD/需氧量物料平衡結果的可靠性。為此進行實驗室規模的生物除磷系統（UCT）與常規活性污泥系統平行對比試驗。兩者除工藝流程不同外，其試驗運行條件完全一致，即進水水質、流量、MCRT和溫度等都是相同的。為防止廢水受磷的限制，投加磷酸納溶液使廢水中磷的濃度提高至13mg/L左右。試驗流量151.2L/d，進水COD 170～320mg/L, MVLSS 970～2650mg/L, 溫度10～20°C, MCRT 5～15天，各項指標均用標準方法進行分析測定，COD/需氧量物料平衡結果見表3。
　　如上所述，常規活性污泥法的總需氧量可通過實測與采用式4求得，比較兩者的數值可對確定COD_u CODw, NOD, TOR值所作測定的可靠性進行檢查。活性污泥系統的這一檢查分析見表3所示。除階段2外，各階段的需氧量預計值與實測值的百分比差均不超過4%。從表3中同時也可看到生物除磷系統進行COD/需氧量的物料平衡結果，預計TOR系由式5計算所得，表示系統不發生厭氧穩定情況下的預期需氧量。然而在各試驗階段中，預計TOR值總是超過實測TOR值。由于從對照系統（常規活性污泥法）運行所得的物料平衡結果表明，COD/需氧量物料平衡的測定方法是可靠的，在理論上預計TOR與直接測定的TOR兩者之差即歸諸于生物除磷系統厭氧區中發生的厭氧穩定。在試驗溫度下，當MCRT為5天和15天時，COD的厭氧穩定范圍分別為8%～18% 和12%～27%。

表3 COD/需氧量物料平衡結果 階段 系統 預計TOR (g/d) 實測TOR (g/d) AnS/CODS(%) 1 常規 23.88 24.95 18.3 生物除磷 20.16 16.47 2 常規 31.93 27.41 8.4 生物除磷 19.91 18.23 3 常規 43.27 42.41 10.0 生物除磷 36.19 32.56 4 常規 26.12 25.63 11.6 生物除磷 21.96 19.42 5 常規 34.91 34.07 24.6 生物除磷 28.71 21.71 6 常規 33.82 34.20 27.3 生物除磷 29.46 21.44

4　結果與討論

　　1. 從以上試驗實例中可以看出，生物除磷系統的厭氧穩定值難以在厭氧區直接測定，因此，在有機物和耗氧速率(OURs）測定的基礎上使用COD/需氧量物料平衡方程式來量化厭氧穩定是可行的，問題的關鍵是測定方法必須準確可靠。在生物除磷系統與常規活性污泥系統的平行對比試驗中，對COD_u, CODw, NOD, AxS，TOR值的測定可靠性進行了檢查，所得的物料平衡結果表明，COD/需氧量物料平衡所用各項指標的測定方法是準確可靠的。
　　2. 以往對于生物除磷系統的需氧量有所減少問題，往往歸諸于反硝化和在好氧區尚未降解的PHB進入了污泥系統，從以上幾個試驗實例可見，經對系統中所有各項輸入和輸出值作仔細監測，并采用COD/需氧量物料平衡對所有非需氧作用所消耗的COD進行量化，發現厭氧穩定和反硝化可明顯降低系統的需氧量，但是系統的需氧量減少值總是大于反硝化導致的減少值。另外，試驗中對活性污泥的COD 作了測定，其值接近1.42mg COD/mg MLVSS, 從而表明所排出的生物量中不會含有多少未氧化分解的儲存有機物。試驗實例表明，生物除磷系統內由于厭氧區的設置而發生有機物的厭氧穩定，而這一厭氧穩定是指厭氧區中所去除的有機物不會轉化為新的細胞物質或導致其后的耗氧，從而減少了系統的能耗。
　　3．污水中有機物的生物降解性能，特別是快速降解基質的含量對生物除磷過程的影響至為重要。生活污水中的快速降解基質系VFAs和其他生活活動所產生有機物的混合體，VFAs所占比例取決于下水道中所產生的發酵作用的程度。通常，聚磷菌在厭氧段僅能將短鏈VFAs（乙酸和丙酸）輸送至細胞內并轉化為PHB加以儲存。但兼氧菌可將其他快速降解基質進一步發酵產生VFAs而被聚磷菌所利用。如VFAs在進水快速降解有機物中僅占很小比例，則厭氧段的反應速率受發酵限制。可見，聚磷菌所需VFAs有兩個來源：其一為原污水本身所含，其二為兼氧異養菌對其他快速生物降解基質進行發酵的產物。如前者的VFAs含量較高，則有利于聚磷菌進行快速吸收。而后者只要可發酵有機物的含量足夠，其發酵產物同樣可被聚磷菌吸收，但除磷系統厭氧段的大小將受到污水成分的影響。
　　試驗1與試驗2的第1、2階段均采用可發酵有機物右旋糖作為快速降解基質，系統中都發生了明顯的厭氧穩定，但在試驗2中的第3階段，進水中的快速降解基質從可發酵基質（右旋糖）改為可被聚磷菌直接快速吸收的不可發酵基質（醋酸鈉）后，經過三個泥齡階段，系統的厭氧穩定（AnS）值逐漸減少至接近零。另外，從試驗3（圖2）可看出，當進水水質較淡如COD值低于190mg/L左右時，系統的厭氧穩定值約 下降至零。如上所述，聚磷菌能在厭氧區將VFAs吸收至細胞內作為PHB加以儲存，但當可發酵有機物（如右旋糖）的含量足夠而VFA 的含量不足時，則必須通過兼氧異養菌對可發酵有機物的的發酵作用，使之成為簡單的有機酸（VFAs），這樣才能在厭氧條件下形成PHB儲存在細胞內。因此，在含有可發酵快速降解基質的除磷脫氮系統中存在兩類微生物（聚磷菌和兼氧發酵菌）進行生物代謝。由此可見，若廢水中可發酵快速降解基質含量的比值較高且有發酵菌存在時，系統的厭氧穩定在基質發酵過程中得以產生，而厭氧穩定值的大小取決于廢水的濃度。
　　4. Wable和Randall等人對厭氧穩定的機理進行了研究探討，認為許多兼氧異養菌能將葡萄糖等基質發酵產生氫、二氧化碳和乙酸，并引用了Daniels（1984）提出的如下化學計量式：
　　6.5C6H12O6 + 13H2O → 26H2 + 13CO2 + 13CH3COOH
　　但是，上式并不是一個通用的反應式，葡萄糖的發酵過程不一定都能產生氫氣，而且在所有的試驗中均未見到闡明這一機理的試驗數據。我國在設計生物除磷系統時，有的給排水設計工作者曾提出在需氧量計算中應考慮厭氧穩定的減少量，但苦無計算上的理論依據。因此，重要的問題還是在于厭氧穩定的機理研究方面需要有所突破，為設計中需氧量計算提供理論依據。
　　綜上所述，生物除磷系統的厭氧穩定問題，經多年研究已取得相當結果，但由于有關機理至今尚未最后明確，在生物除磷系統的設計中難以對此進行量化和計算。因此，在這一需要繼續研究的難題尚未解決前，生物除磷系統設計需氧量的計算中還不能考慮厭氧穩定問題。建議在設計中采取措施，使系統投入運行后有降低供氧量的可能，以便于在運行中一旦發現實際需氧量確實低于設計計算的需氧量時可以進行調節，從而降低能耗。

參考文獻

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