邱慎初
(國家城市給水排水工程技術研究中心，天津300074)

　　摘 要：介紹了20世紀80年代以來Randall等人為探明生物除磷系統(tǒng)的厭氧穩(wěn)定作用所進行的幾個試驗實例。COD/需氧量的物料平衡結(jié)果表明，厭氧區(qū)對有機物的穩(wěn)定作用導致了系統(tǒng)的實測需氧量低于計算需氧量，從而降低了能耗。試驗中對于作用機理也進行了探討，但理論依據(jù)不足，致使厭氧穩(wěn)定成為至今尚未明確而有待繼續(xù)研究的問題。?
　　關鍵詞：生物除磷；厭氧穩(wěn)定；COD/需氧量；物料平衡?
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：B
　　文章編號： 1000-4602(2001)10-0023-05

　　關于生物除磷系統(tǒng)是否存在厭氧穩(wěn)定(AnS)并導致系統(tǒng)需氧量降低的問題，幾年來各國學者持有不同看法。通常認為在厭氧區(qū)并不發(fā)生基質(zhì)的氧化，聚磷菌在厭氧區(qū)利用胞內(nèi)聚磷酸鹽分解產(chǎn)生的能量，只是輸送揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)進入細胞和轉(zhuǎn)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(zhì)只能在好氧區(qū)被氧化分解并提供能量，因此系統(tǒng)的需氧量并未在厭氧段得到減少。需氧量一般根據(jù)水質(zhì)和處理要求按公式進行計算，然而一些試驗的結(jié)果表明，在生物除磷工藝中的需氧量小于計算值。從20世紀80年代開始，Lan、Randall、Bordacs和Tracy等陸續(xù)報道了一些生物除磷系統(tǒng)因厭氧段的設置使系統(tǒng)需氧量得以減少的情況；Randall等人于1992年報道了關于生物除磷系統(tǒng)厭氧穩(wěn)定導致需氧量減少的詳細試驗結(jié)果，提出了COD/需氧量的物料平衡式用以說明系統(tǒng)中全部COD和氮的平衡關系；Wable和Randall于1994年又繼續(xù)對此作了進一步探討。根據(jù)物料平衡關系可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的預計需氧量大于實測需氧量。經(jīng)試驗觀察表明，需氧量的減少范圍約為10%～30%，但對于厭氧穩(wěn)定的機理至今尚未明確。?

1?COD/需氧量的物料平衡關系

　　生物除磷系統(tǒng)的厭氧反應器中有機物的穩(wěn)定是指厭氧區(qū)中所去除的有機物不會隨后轉(zhuǎn)化為新的細胞物質(zhì)或?qū)е孪到y(tǒng)內(nèi)外的耗氧。因此，所述厭氧穩(wěn)定就是將有機物轉(zhuǎn)化為完全氧化或完 全還原的最終產(chǎn)物。由于在厭氧區(qū)所去除的有機物將被聚磷菌儲存，厭氧區(qū)COD的穩(wěn)定不可能采用直接測定的方法而得出準確的結(jié)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(wěn)定。?
　　系統(tǒng)的COD/需氧量的物料平衡關系見圖1。

　　系統(tǒng)所利用的進水CODu(進水COD-出水COD)可分成需氧部分(CODox)和非需 氧部分(CODnox),若總的進水COD中非需氧部分的量增加，則系統(tǒng)的需氧量就將減少。在穩(wěn)態(tài)生物除磷系統(tǒng)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(wěn)定(AnS)、缺氧穩(wěn)定(缺氧區(qū)的COD穩(wěn)定AxS)以及用作細胞合成、形成生物體(CODw)所致。COD的缺氧穩(wěn)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(zhuǎn) 換系數(shù)加以確定。測定排泥量(MLSS)和出水生物量(MLSS)并將其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換系數(shù)。CODox表示有機物好氧穩(wěn)定所需的氧量，可通過測定系統(tǒng)的總耗氧量(TOR)減去氮的需氧量(NOD)求得。
　　Randall等人根據(jù)圖1的關系，提出生物除磷系統(tǒng)的厭氧穩(wěn)定可由以下COD物料平衡關系確定：
AnS=CODu+NOD-AxS-CODw-TOR)　　(1)?
　　上式右邊各項可通過直接測定并采用適當?shù)霓D(zhuǎn)換系數(shù)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)
　　式中　p——表示產(chǎn)生?
　　　?　u——表示利用?
　　　　?w——表示排除?
　　　　?e——表示出水?
　　　　?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(tǒng)中COD穩(wěn)定的總量(CODS)系微生物生長率的函數(shù)，在穩(wěn)態(tài)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=CODu-CODw　　　　(3)?
　　對于具有硝化作用完全好氧的常規(guī)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=CODu-CODw+NOD　　　(4)?
　　式(4)右邊各項均可通過測定并計算出TOR，由此可預測TOR。預計TOR值與實測TOR值作比較后，可用于對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(tǒng)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=CODu-AxS-CODw+NOD　(5)?
　　預計TOR值和直接實測TOR值的一致性可表明系統(tǒng)中的AnS作用不明顯，但是若預計值明顯大于實測值時，只要測定可靠，則其兩者的差值就是AnS。

2　厭氧穩(wěn)定研究工作的進展

　　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(tǒng)的小試、中試以及生物除磷系統(tǒng)與常規(guī)活性污泥系統(tǒng)的對比試驗。?
2.1　無硝化/反硝化的生物除磷系統(tǒng)
　　早在1983年，Lan等人在單池活性污泥系統(tǒng)的小試研究中首次觀察到池首厭氧段的設置可減少系統(tǒng)的需氧量。采用配水試驗(流量為28L/d)，用右旋糖(dextrose)作為快速降解基質(zhì)并 投加2-咪唑啉硫酮(2-imidazolidinethione)抑制劑防止硝化作用的發(fā)生。整個試驗工作分為3個階段，其進水COD分別為542、529、548mg/L,MCRT為14、11、8d,?MLVSS為5600、4700、3400mg/L。試驗發(fā)現(xiàn)約有1/2的COD在厭氧段中被去除，好氧段中的耗氧速率很低(0.12d-1)，屬典型的活性污泥內(nèi)源呼吸。然而，所測得的理論產(chǎn)率系數(shù)(0.5)和微生物衰減系數(shù)(0.09d-1)均屬典型的完全好氧系統(tǒng)的數(shù)值，表明污泥積累正常。1984年Randall等人對這一試驗結(jié)果進行了需氧量詳細分析，設系統(tǒng)需氧量的減少是由于厭氧穩(wěn)定所致，為取得量化數(shù)據(jù)，使用COD/需氧量物料平衡關系式取得了如下結(jié)果(見表1)。?

表1　COD/需氧量物料平衡結(jié)果 項目 平均氧當量(mg/d或%) 階段1 階段2 階段3 CODu 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 注：AnS=預計TOR-實測TOR；AnR=厭氧區(qū)所去除的COD。

　　從表1中可看出，實測TOR值遠低于系統(tǒng)中所穩(wěn)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(wěn)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%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(tǒng)內(nèi)確實發(fā)生了明顯的厭氧穩(wěn)定作用。試驗中對活性污泥的COD值未進行直接測定，采用缺省值(1.42)作為氧當量的轉(zhuǎn)換系數(shù)。?
2.2　具有硝化/反硝化的生物除磷系統(tǒng)
　　Randall等人于1985年—1987年間在試驗室內(nèi)對生物除磷系統(tǒng)中COD的去向作了進一步研究，其主要目的在于弄清除了反硝化導致氧的回收外，系統(tǒng)的需氧量是否可通過厭氧穩(wěn)定得以減少。該項試驗與前述試驗有兩個主要區(qū)別，一是該系統(tǒng)具有硝化/反硝化作用，使得系統(tǒng)的COD/需氧量物料平衡需要更多的綜合性測定；二是基質(zhì)的變更有利于考察有關機理。試驗模型模擬UCT系統(tǒng)，采用配水試驗(流量為28L/d)，分為3個階段。階段1、2以右旋糖作為快速降解基質(zhì)，右旋糖需經(jīng)發(fā)酵后才能被厭氧區(qū)的聚磷菌所利用；階段3改用不可發(fā) 酵的醋酸鈉作為快速降解基質(zhì)，在厭氧條件下可被聚磷菌直接利用。3個階段的進水COD分別為620、610、640mg/L,實際MCRT為18、12、13d,?MLVSS為4600、4000、3600mg/L,應用COD/需氧量物料平衡關系對試驗數(shù)據(jù)進行整理后取得的結(jié)果見表2。

表2?COD/需氧量物料平衡結(jié)果 項目 平均氧當量(mg/d或%) 階段1 階段2 階段3 CODu 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(wěn)定) 5700 6600 10600 實測AxS(缺氧穩(wěn)定) 1800 1600 1600 AeS+AxS 7500 8200 12200 AnS 2800 2400 1400 AnR 13100 13700 12100 AnS/CODS(%) 27 23 10 AnS/AnR(%) 21 18 12 注：AnS=CODs-(AeS+AxS)；AnR=厭氧

　　系統(tǒng)中穩(wěn)定的COD(CODS)減去好氧區(qū)穩(wěn)定的COD(CODOX)與反硝化穩(wěn)定的COD(AxS)之和后即可看出在階段1、2中發(fā)生了明顯的穩(wěn)定作用，而這一作用不能用好氧穩(wěn)定或反硝化穩(wěn)定來加以解釋。厭氧穩(wěn)定值分別占整個系統(tǒng)COD穩(wěn)定值的27%和23%。?
　　在階段1，經(jīng)測定活性污泥的COD得出MLVSS的氧當量轉(zhuǎn)換系數(shù)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。?
2.3　生物除磷系統(tǒng)的中試
　　中試歷時15個月，進水濃度較低，COD值為190～300mg/L。試驗模擬了處理規(guī)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(xiàn)場實測，COD/VSS的平均比值為1.42(范圍為1.25～1.56)。對中試數(shù)據(jù) 進行COD/需氧量物料平衡分析的結(jié)果表明，整個系統(tǒng)中從0～50%的COD穩(wěn)定數(shù)值系在厭 氧區(qū)中發(fā)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(見圖2)。可見，AnS量與可利用COD發(fā)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(chǎn)生的AnS只是超過聚磷菌用于轉(zhuǎn)化、儲存PHB的那部分COD。這一結(jié)果意味著非聚磷菌的存在導致AnS的產(chǎn)生。?

2.4　生物除磷與常規(guī)活性污泥系統(tǒng)的對比試驗
　　以上試驗結(jié)果表明，生物除磷系統(tǒng)中存在厭氧穩(wěn)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(wěn)定方面COD/需氧量物料平衡結(jié)果的可靠性。為此，進行實驗 室規(guī)模的生物除磷系統(tǒng)(UCT)與常規(guī)活性污泥系統(tǒng)的平行對比試驗。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(zhì)、流量、MCRT和溫度等都是相同的。為防止廢 水受磷的限制，投加磷酸鈉溶液使廢水中磷的濃度提高至13mg/L左右。流量為151.2L/d，進水COD為170～320mg/L,MLVSS為970～2650mg/L,溫度為10～20℃,MCRT為5～15d，各項指標均用標準方法進行分析測定。如上所述，常規(guī)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(shù)值可對確定CODu、CODw、NOD、TOR值所作測定的可靠性進行檢查。活性污泥系統(tǒng)的這一檢查分析見表3。除階段2外，各階段的需氧量預計值與實測值之差均≤4%。

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

　　從表3中同時也可看到生物除磷系統(tǒng)進行COD/需氧量的物料平衡分析的結(jié)果，預計TOR系由式(5)計算所得，表示系統(tǒng)在不發(fā)生厭氧穩(wěn)定情況下的預期需氧量。然而在各階段中，預計TOR值總是超過實測TOR值。由于從對照系統(tǒng)(常規(guī)活性污泥法)運行所得的物料平衡結(jié)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(tǒng)厭氧區(qū)中發(fā)生的厭氧穩(wěn)定。在試驗溫度下，當MCRT為5d和15d時，COD的厭氧穩(wěn)定范圍分別為8%～18%和12%～27%。?

3　結(jié)果與討論

? ①由于生物除磷系統(tǒng)的厭氧穩(wěn)定值難以在厭氧區(qū)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(wěn)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(tǒng)與常規(guī)活性污泥系統(tǒng)的平行對比試驗中，對CODu、CODw、NOD、AxS、TOR值的測定可靠性進行了檢查，所得的物料平衡結(jié)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(tǒng)的需氧量有所減少問題，往往歸諸于反硝化和在好氧區(qū)尚未降解的PHB進入了污泥系統(tǒng)。經(jīng)對系統(tǒng)中所有各項輸入和輸出值作仔細監(jiān)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(fā)現(xiàn)厭氧穩(wěn)定和反硝化可明顯 降低系統(tǒng)的需氧量，但是系統(tǒng)的需氧量減少值總是大于反硝化導致的減少值。另外，活性污泥的COD值接近1.42 mgCOD/mgMLVSS,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。生物除磷系統(tǒng)內(nèi)由于厭氧區(qū)的設置而發(fā)生有機物的厭氧穩(wěn)定，而這一厭氧穩(wěn)定是指厭氧區(qū)中所去除的有機物不會轉(zhuǎn)化為新的細胞物質(zhì)或?qū)е缕浜蟮暮难酰瑥亩鴾p少了系統(tǒng)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(zhì)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(zhì)系VFAs和其他生命活動所產(chǎn)生有機物的混合體，VFAs所占比例取決于下水道中所產(chǎn)生的發(fā)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(nèi)并轉(zhuǎn)化為PHB加以儲存，但兼氧菌可將其他快速降解基 質(zhì)進一步發(fā)酵產(chǎn)生VFAs而被聚磷菌所利用。若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將受發(fā)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(yǎng)菌對其他快速生物降解基質(zhì)進行發(fā)酵的產(chǎn)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(fā)酵有機物的含量足夠， 其發(fā)酵產(chǎn)物同樣可被聚磷菌吸收，但除磷系統(tǒng)厭氧段的大小將受到污水成分的影響。
　　小試的第1、2階段均采用可發(fā)酵有機物右旋糖作為快速降解基質(zhì)，系統(tǒng)中都發(fā)生了明顯的厭氧穩(wěn)定，但在2.2節(jié)試驗中的第3階段，進水中的快速降解基質(zhì)從可發(fā)酵基質(zhì)(右旋糖)改為可被聚磷菌直接快速吸收的不可發(fā)酵基質(zhì)(醋酸鈉)后，經(jīng)過3個泥齡階段，系統(tǒng)的厭氧穩(wěn)定(AnS)值逐漸減少至接近零。另外，從中試(圖2)可看出，當進水COD＜190mg/L左右時，系統(tǒng)的厭氧穩(wěn)定值約下降至零。如上所述，聚磷菌能在厭氧區(qū)將VFAs吸收至細胞內(nèi)作為PHB加以儲存，但當可發(fā)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(yǎng)菌對可發(fā)酵有機物的發(fā)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(nèi)。因此，在含有可發(fā)酵快速降解基質(zhì)的除磷脫氮系統(tǒng)中存在兩類微生物(聚磷菌和兼氧發(fā)酵菌)進行生物代謝。由此可見，若廢水中可發(fā)酵快速降解基質(zhì)含量的比值較高且有發(fā)酵菌存在時，系統(tǒng)的厭氧穩(wěn)定在基質(zhì)發(fā)酵過程中得以產(chǎn)生，而厭氧穩(wěn)定值的大小取決于廢水的濃度。?
　　④Wable和Randall等人對厭氧穩(wěn)定的機理進行了研究探討，認為許多兼氧異養(yǎng)菌能將葡萄糖等基質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生氫、二氧化碳和乙酸，并引用了Daniels(1984年)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(fā)酵過程不一定都能產(chǎn)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(shù)據(jù)。我國在設計生物除磷系統(tǒng)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(wěn)定的減少量，但苦于無計算上的理論依據(jù)。因此，重要的問題還是在于厭氧穩(wěn)定的機理研究方面需要有所突破，為設計中需氧量的計算提供理論依據(jù)。

4　結(jié)語

　　綜上所述，生物除磷系統(tǒng)的厭氧穩(wěn)定問題，經(jīng)多年研究已取得相當成果，但由于有關機理至今尚未最后明確，在生物除磷系統(tǒng)的設計中難以對此進行量化和計算。因此，在這一需要繼續(xù)研究的難題尚未解決前，生物除磷系統(tǒng)設計需氧量的計算中還不能考慮厭氧穩(wěn)定問題。建議在設計中采取措施，使系統(tǒng)投入運行后有降低供氧量的可能，以便于在運行中一旦發(fā)現(xiàn)實際需氧量確實低于設計計算的需氧量時可以進行調(diào)節(jié)，從而降低能耗。

參考文獻：

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　　收稿日期：2001-07-02