李軍　王寶貞 聶梅生
（北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院） （哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院）

　　生物膜法具有單位體積生物量大、抗沖擊能力強(qiáng)、污泥易于沉淀、運(yùn)行管理方便以及節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)微生物呈固著態(tài)，有利于將微生物保持在反應(yīng)器內(nèi)和優(yōu)勢(shì)菌屬的培養(yǎng)。而這種適合于中小規(guī)模污水處理的生物膜法的除磷問(wèn)題卻是至今仍未解決的技術(shù)難題。
　　生物除磷須使微生物處于厭氧、好氧的交替狀態(tài)并將過(guò)量攝取磷的剩余污泥及時(shí)排出系統(tǒng)。這在微生物呈懸浮態(tài)的活性污泥法是容易實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)于微生物呈固著態(tài)的生物膜法卻是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。為此，本論文試驗(yàn)研究了序批式生物膜法的除磷工藝特性。

　　1　生物膜法除磷工藝選擇

　　1.1生物膜法除磷的條件
　　生物除磷機(jī)理的本質(zhì)，即：在厭氧條件下，由于廢水中沒(méi)有ＤＯ或氧化態(tài)氮（ＮＯ_Ｘ^－），一般無(wú)聚磷能力的好氧菌及脫氮菌，不能產(chǎn)生ＡＴＰ（腺嘌呤核苷三磷酸），所以這類微生物不能攝取細(xì)胞外的有機(jī)物，即不能進(jìn)行主動(dòng)傳輸。但是，有一類叫做除磷菌的細(xì)菌卻能分解細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽同時(shí)產(chǎn)生ＡＴＰ，并利用ＡＴＰ將廢水中的脂肪酸等有機(jī)物攝入細(xì)胞，以ＰＨＢ（聚―β―羥基丁酸）及糖原等有機(jī)顆粒的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)；同時(shí)將聚磷酸鹽分解所產(chǎn)生的磷酸鹽排出胞外，這時(shí)細(xì)胞內(nèi)還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生相當(dāng)量的聚磷酸鹽激酶。一旦進(jìn)入好氧環(huán)境，除磷菌又可利用ＰＨＢ氧化分解所釋放的能量來(lái)攝取廢水中的磷并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽而儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)。微生物增殖過(guò)程中，在好氧環(huán)境下所攝取的磷比在厭氧環(huán)境下所釋放的磷多，廢水生物除磷正是利用了微生物的這一過(guò)程，作為剩余污泥排走^1，2）。
　　由生物除磷機(jī)理可見(jiàn)，若想采用生物膜法除磷，必須解決以下四方面的問(wèn)題。
　　（1）必須滿足除磷菌習(xí)性，使生物膜交替處于厭氧、好氧的狀態(tài)，并逐步使除磷菌成為優(yōu)勢(shì)菌屬，實(shí)現(xiàn)其增殖。
　　（2）供給必要的有機(jī)碳源（由廢水提供）。
　　（3）最后的磷排出必須是以脫落污泥的形式，這就要求除磷菌為優(yōu)勢(shì)菌屬的生物膜生長(zhǎng)要快，且應(yīng)在好氧狀態(tài)下能脫落，即須有足夠的曝氣強(qiáng)度和選擇合適的生物膜擔(dān)體。
　　（4）污泥沉淀后應(yīng)及時(shí)排出系統(tǒng)。
　　1.2生物膜法除磷工藝選擇
　　細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含磷約2％（以重量計(jì)）^3），所以傳統(tǒng)的生物膜法最多只能去除污水中的磷約20％。對(duì)生物膜法來(lái)說(shuō)，無(wú)論是Ａ／Ｏ（厭氧/好氧）工藝還是Ａ^２／Ｏ（厭氧/缺氧/好氧）工藝，由于是在空間上造成A或O的狀態(tài)，微生物只能持續(xù)地處于要么是A要么是O的單一狀態(tài)，而不能處于A/O交替的狀態(tài)，不具備生物除磷的條件，也就達(dá)不到生物除磷的目的^4）。而序批式生物處理工藝集曝氣池、沉淀池與一池，運(yùn)轉(zhuǎn)按進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水等幾個(gè)階段進(jìn)行，污水間歇而有程序地進(jìn)入反應(yīng)池和排出反應(yīng)池。由于序批式工藝的特殊性，設(shè)計(jì)合理，可使生物膜在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài)，從而有望實(shí)現(xiàn)生物除磷的目的，同時(shí)，混合液也可在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài)，從而有望實(shí)現(xiàn)生物脫氮。

　　2　試驗(yàn)方法

　　2.1試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置如圖1所示。
　　試驗(yàn)所用反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑15cm，反應(yīng)器內(nèi)有效容積18L，其中沉淀池2L。試驗(yàn)進(jìn)水的TP平均為10.0mg/l、COD為370.0 mg/l，溫度為25℃，好氧狀態(tài)的DO平均為5.5 mg/l。
　　裝填密度應(yīng)是纖維在載體上生物膜成熟后，膜與載體所占容積與整個(gè)反應(yīng)器容積之比。本實(shí)驗(yàn)分別做了最大裝填密度37.5％、實(shí)用裝填密度30％以及較低裝填密度22.5％的對(duì)比實(shí)驗(yàn)后，確定較適宜的裝填密度為30％。此時(shí)，反應(yīng)器中的纖維載體的比表面積為2.66m²/l 。
　　生物膜培養(yǎng)采用A/O交替運(yùn)行方式歷時(shí)3個(gè)月，菌種取自一般活性污泥工藝。在之后的工藝參數(shù)和影響因素的試驗(yàn)中，以試驗(yàn)條件改變后運(yùn)行2周后的水樣為試樣。
　　2.2原生污水和主要分析方法
　　原生污水用自來(lái)水加蛋白胨配制，配制時(shí)還投加少量氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉等，配制后水質(zhì)如表1所示。

表1 原生污水水質(zhì)表 水質(zhì)指標(biāo) COD TN NH₄⁺-N NO₃^--N NO₂^--N 濃度（mg/l） 250-400 30-60 10-20 0.2 0.1 水質(zhì)指標(biāo) TP SP PH 堿度 BOD₅ 濃度（mg/l） 8-10 7-9 7.3 380-440 180-300

注：COD,重鉻酸鉀法；TN,過(guò)硫酸鉀-紫外分光光度法；NH₄⁺-N,納氏試劑光度法； NO₃^--N、NO₂^—N,離子色譜法；TP,過(guò)硫酸鉀氯化亞錫還原光度法。

　　3　試驗(yàn)研究

　　3.1厭氧時(shí)間段和好氧時(shí)間段的確定
　　為確定合適的厭氧所需時(shí)間，筆者將厭氧時(shí)間延長(zhǎng)到12h，并測(cè)定了TP的變化過(guò)程線，如圖2所示。由圖2可知，P釋放主要集中在前3個(gè)小時(shí)內(nèi)，之后的9個(gè)小時(shí)，P釋放現(xiàn)象雖有，但幅度很小。聚磷菌只有充分釋放磷后，才能很好地過(guò)量攝取磷，從而達(dá)到生物除磷的目的。因此必須保證能充分放磷的時(shí)間；另一方面，厭氧時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)器的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)。綜上所述，筆者依據(jù)試驗(yàn)曲線，確定厭氧段所需時(shí)間為3h。

　

　　確定合適的好氧時(shí)間段，筆者將3h厭氧后好氧段的時(shí)間延長(zhǎng)至17h，并測(cè)定了相應(yīng)TP和各形態(tài)氮濃度的變化曲線，見(jiàn)圖3、圖4。
　　由圖3可見(jiàn)，好氧聚磷在好氧開(kāi)始后2小時(shí)內(nèi)已主要完成，但為保證硝化，筆者將好氧時(shí)間定為6h。由圖4知，在好氧開(kāi)始后的6小時(shí)后NH₄⁺-N已低于1 mg/l，硝化基本完成,同時(shí)也可看到此時(shí)脫氮率達(dá)56.6%。
　　3.2進(jìn)水COD負(fù)荷
　　試驗(yàn)中，采用4種COD進(jìn)水負(fù)荷考察COD、TP的變化規(guī)律，見(jiàn)圖5、圖6。

　　由圖5可知，軟性填料序批式生物膜可承受較高的COD負(fù)荷的增長(zhǎng)，且在厭氧段有較高的COD吸收速率，COD負(fù)荷越高，其COD吸收速率也就越高。厭氧段COD吸收值在進(jìn)水負(fù)荷1.32 kg COD/m³.d(相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為496.8mg/l)時(shí)為212.5mg/l，而在進(jìn)水負(fù)荷1.00kg COD/m³.d（相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為375.0mg/l）時(shí)為203.1mg/l，這說(shuō)明在進(jìn)水負(fù)荷為1.00 kg COD/m³.d時(shí)，厭氧段COD吸收值已趨于極大值，對(duì)COD吸收達(dá)到極大值表明不是所有的有機(jī)物都可以做為細(xì)胞中的合成物質(zhì)。所以筆者確定該工藝適宜進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27－1.32 kg COD/m³.d

　　由圖6可知，COD負(fù)荷越高，磷釋放速率、磷吸收速率也就越快，出水的TP濃度也就越低，無(wú)論是在低負(fù)荷（0.27kg COD/m³.d），還是高負(fù)荷（1.32 kg COD/m³.d），該工藝均可使出水TP濃度低于1mg/l。因此，該工藝是一種經(jīng)濟(jì)、可行、行之有效的除磷工藝。
　　同時(shí)，以上試驗(yàn)也說(shuō)明了磷釋放所能達(dá)到的最大值與有機(jī)物的最大吸收量有關(guān)，磷釋放量隨有機(jī)物吸收量增加而增加。
　　3.3基質(zhì)的影響
　　本試驗(yàn)比較了在相同進(jìn)水COD負(fù)荷（1.00 kgCOD/m³·d）時(shí)，分別以蛋白胨、葡萄糖、乙酸為基質(zhì)的TP變化情況，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，磷的釋放和吸收與基質(zhì)有關(guān)。以蛋白胨為基質(zhì)的放磷均速為1.37mg/l/h，而以葡萄糖為基質(zhì)時(shí)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)時(shí)的1.8倍，以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以葡萄糖為基質(zhì)時(shí)的1.4倍。這是由于乙酸容易被除磷菌吸收，用以合成PHB，同時(shí)分解的聚磷酸鹽也多，釋放磷量大，放磷速度就快；相反，蛋白胨的分子較大，在厭氧段酵解時(shí)，速度較慢，許多中間代謝產(chǎn)物有機(jī)酸、醇類、醛類等不易被除磷菌吸收用以合成PHB，因而其體內(nèi)聚磷酸鹽的分解就慢，故放磷速度就慢，而葡萄糖的代謝產(chǎn)物卻較有利于除磷菌的吸收。好氧吸磷速度的不同是由厭氧放磷速度不同引起的。厭氧段放磷速度大，磷釋放量大，合成的PHB就多，那么在好氧段時(shí)由于分解PHB而合成的聚磷酸鹽速度就較大，所以表現(xiàn)出來(lái)的好氧吸磷速度就大。

　　由以上分析可推知，生物除磷與基質(zhì)有關(guān)，實(shí)質(zhì)上是與厭氧階段易為除磷菌所吸收的有機(jī)物（COD）濃度有關(guān)。
　　3.4硝態(tài)氮（NO_x^-）的影響
　　實(shí)驗(yàn)中實(shí)行半池出水、半池進(jìn)水控制，則在上一周期中產(chǎn)生的硝化液與新進(jìn)原生廢水混合，混合后NO_x^-濃度為13.42 mg/l，COD濃度為268.46 mg/l，TP濃度為4.81 mg/l。此時(shí)的厭氧變成了缺氧,除磷菌可從NO_x^-中獲取氧來(lái)進(jìn)行缺氧吸磷，因此在缺氧段，在進(jìn)行反硝化的同時(shí)，仍可繼續(xù)吸磷，見(jiàn)圖8。缺氧開(kāi)始后3h內(nèi)吸磷均速為0.70 mg/l/h，約為好氧吸磷均速的1/6,這是由于無(wú)氧呼吸的代謝速率和產(chǎn)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有氧呼吸。由此可看出，該工藝如果再加上缺氧段進(jìn)行反硝化，控制合適的C/N比，則可望實(shí)現(xiàn)軟性纖維載體序批式生物膜法同步除磷脫氮。

　　3.5 DNP(２，４－二硝基苯酚)的影響
　　原水COD平均為370.0 mg/l，TP平均為10.0 mg/l。做投加DNP和不投加DNP試驗(yàn)，DNP投加量為20.0 mg/l，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)投加DNP后，厭氧段的放磷量比不投加時(shí)增加了而好氧段卻沒(méi)有磷的吸收。因此，DNP對(duì)厭氧放磷是有利的，而對(duì)好氧吸磷卻有抑制作用。

　　 這是因?yàn)镈NP是一種解偶聯(lián)試劑，它對(duì)氧化呼吸鏈以外的磷酸化無(wú)抑制作用，只破壞在利用O₂或NO_X^-而進(jìn)行的呼吸過(guò)程中，從而抑制由電子傳遞而發(fā)生的ATP的形成。在厭氧段聚磷酸鹽的分解代謝中ATP的產(chǎn)生是由于底物水平磷酸化，DNP對(duì)其無(wú)抑制作用，故有PO₄^3-的釋放和PHB的合成；而在好氧段時(shí)，在有氧的條件下PHB將分解，并通過(guò)呼吸作用進(jìn)行電子傳遞而產(chǎn)生能量，但由于DNP的存在，破壞了ATP的生成，所以PO₄^3-不能與ADP結(jié)合產(chǎn)生ATP，也就產(chǎn)生不了聚磷酸鹽，廢水中的PO₄^3-不能被吸收，也就得不到去除。
　　以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：序批式生物膜除磷反應(yīng)器中磷的去除是生物作用的結(jié)果。

　　4　結(jié)論

　　（1）序批式軟性填料生物膜法除磷工藝是行之有效的除磷工藝。該工藝除磷適合的載體裝填密度為30%，水力停留時(shí)間為9h，其中厭氧3h、好氧6h。在上述工藝參數(shù)下，進(jìn)水COD負(fù)荷從0.27kgCOD/m^３.d到1.32 kgCOD/m³.d均可使除磷率達(dá)90%以上，COD負(fù)荷越高除磷速率越快，并可承受較高的COD負(fù)荷的增長(zhǎng)。
　　（2）生物除磷與基質(zhì)類型有關(guān)，以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以葡萄糖為基質(zhì)時(shí)的1.4倍，而以葡萄糖為基質(zhì)時(shí)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)時(shí)的1.8倍，生物除磷取決于厭氧放磷,而厭氧放磷速度取決于溶液中可快速吸收的有機(jī)物的多少。
　　（3）該工藝可同時(shí)去除56％左右的總氮。NO_x^-可影響磷的釋放，在缺氧段仍可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)生物吸磷，只是吸磷速度較好氧吸磷速度明顯降低，約為1/6，因此，該工藝加缺氧段，控制合適的C/N，可望實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮。
　　（4）DNP可抑制好氧吸磷，這說(shuō)明該工藝除磷是生物除磷作用的結(jié)果。

　　參考文獻(xiàn)
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