方茜，張可方，張朝升，周莉萍，伍小軍

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510405）

　　摘  要：碳、氮、磷比例失調(diào)（碳源偏低）的城市污水脫氮除磷一直是一個難題。本試驗(yàn)采用SBR法處理碳源偏低的廣州地區(qū)城市污水，研究其生物除磷的效果和控制影響因素。結(jié)果表明，在無需額外添加碳源的條件下，磷的出水指標(biāo)可達(dá)到0.5 mg/L以下。并指出磷的厭氧釋放、反硝化除磷、污泥齡及DO控制等是高效除磷的關(guān)鍵。

　　關(guān)鍵詞：SBR法；生物除磷；反硝化除磷；低碳城市污水

　　通常，連續(xù)流的生物脫氮除磷系統(tǒng)（如A²/O、UCT、A/O、AB、MUCT和氧化溝等）需要一系列反應(yīng)器及污泥與污水的循環(huán)來實(shí)現(xiàn)有機(jī)物（BOD）、氮、磷去除的不同微生物反應(yīng)過程，而序批式活性污泥系統(tǒng)（SBR）則能使有機(jī)物、氮、磷的去除在一個反應(yīng)器中完成，具有工藝流程簡單、不需要污泥回流、并能實(shí)現(xiàn)高效脫氮除磷的特點(diǎn)。目前，SBR法已得到了廣泛的研究和關(guān)注。但如何處理好不同微生物共存于一個反應(yīng)裝置中的競爭關(guān)系，如：聚磷菌與硝化菌對DO、泥齡的競爭、厭氧（缺氧）時段聚磷菌與反硝化菌對碳源的競爭等，是SBR法處理城市污水尤其是碳、氮、磷比例失調(diào)（偏低）的城市污水高效脫氮除磷的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

　　本試驗(yàn)采用厭氧/好氧交替運(yùn)行的SBR法處理低碳源的廣州地區(qū)城市污水，結(jié)果表明：當(dāng)總停留時間控制在4.5～5.5 h、污泥負(fù)荷為0.14～0.26 kgBOD₅/(kgMLSS·d)、進(jìn)水BOD₅為44.7～85.3 mg/L、NH₄⁺-N為17.8～25.0mg/L、TP為1.6～6.1 mg/L時，出水BOD₅在5.12～13.62 mg/L、NH₄⁺-N在2.8～9.8 mg/L、TP在0.1～0.45mg/L。在碳源偏低的情況下，無需額外添加碳源，能在去除有機(jī)物的同時，使總磷的出水指標(biāo)達(dá)到0.5 mg/L以下，目前在國內(nèi)外未見研究報道。本文重點(diǎn)分析研究了達(dá)到這種高效除磷效果的控制影響因素和實(shí)現(xiàn)條件，為解決低碳城市污水高效除磷提供新的思路。

　　1 試驗(yàn)裝置及流程

　　SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，總?cè)莘e47.4 L，有效容積42.8 L，采用空壓機(jī)曝氣，穿孔管布?xì)猓淞鞒桃妶D1。試驗(yàn)水質(zhì)見表1，試驗(yàn)運(yùn)行方式見表2，試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)見表3。

表1  試驗(yàn)污水水質(zhì)統(tǒng)計(jì)表        單位：mg/L            

表2  試驗(yàn)運(yùn)行方式

　　注：表2中的停留時間為最佳工況時的參數(shù)

表3  試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

　　2 結(jié)果及分析

　　2.1  污染物的總?cè)コЧ?/B>

　　SBR工藝對各種污染物的總?cè)コЧ姳?。

表4  污染物處理總效果

　　注：表4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是最佳工況運(yùn)行期間進(jìn)出水濃度范圍。

　　2.2 總磷的去除效果

　　本試驗(yàn)中，SBR反應(yīng)器對TP的去除效果如圖2所示。在試驗(yàn)中，磷的進(jìn)水濃度在1.6～7.1 mg/L之間，出水濃度在0.1～0.45 mg/L之間，去除率在85%～99%之間，出水不僅都達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，而且TP濃度都在0.5 mg/L以下。

　　2.3 結(jié)果分析

　　2.3.1 生物除磷機(jī)理

　　圖3給出了生物除磷生化代謝的模型（Wentzel等人，1986～1988；Arun等人，1987；Smolders等人，1994；Pereira等人，1996；Maurer、Mino等人，1997）。從此模型中，可清楚看到除磷的兩種途徑：① 傳統(tǒng)生物除磷。污水中的基質(zhì)（COD）首先在厭氧條件下形成揮發(fā)性脂肪酸（圖中HAC），后被轉(zhuǎn)化為細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的聚合物質(zhì)－PHA（即PHB+PHV，以PHB為主要成份），這個過程籍細(xì)胞內(nèi)多聚磷酸鹽來提供所需能量。結(jié)果，磷酸鹽被釋放到細(xì)胞之外。當(dāng)環(huán)境改變?yōu)楹醚鯒l件后，由于環(huán)境中缺乏COD而使得在厭氧條件下貯存的PHB被用來充當(dāng)基質(zhì)，籍基質(zhì)所提供的能量，細(xì)菌在此條件下過量攝取環(huán)境中的磷酸鹽而在細(xì)胞內(nèi)形成多聚磷酸鹽，細(xì)胞同時得到增殖。此外，在好氧條件下糖原也得到補(bǔ)充。在好氧條件后分離增殖的細(xì)菌，磷便能隨細(xì)菌細(xì)胞而被排除，即厭氧釋磷－好氧吸磷過程；②反硝化除磷。指DPB（反硝化聚磷菌）在厭氧條件（無硝酸氮存在）下經(jīng)歷和傳統(tǒng)生物除磷一樣的釋磷過程（見圖3中厭氧階段），在缺氧（無氧但存在硝酸氮）條件下，能夠象在好氧條件下一樣，利用硝酸鹽充當(dāng)電子受體，以厭氧條件下貯存的PHB當(dāng)基質(zhì)，籍其提供的能量過量攝取環(huán)境中的磷酸鹽而形成細(xì)胞內(nèi)的多聚磷酸鹽，使細(xì)胞得到增殖，在生物攝磷的同時，硝酸氮被還原為氮?dú)猓ǚ聪趸ｏ@然被DPB合并后的反硝化除磷途徑能夠節(jié)省相當(dāng)?shù)奶荚矗–OD）和曝氣量，與傳統(tǒng)途徑相比，此途徑能分別節(jié)省約50%和30%的碳源與氧的消耗量。

　　從除磷機(jī)理來看，反硝化除磷途徑對碳源偏低的城市污水除磷有著重要的意義。本試驗(yàn)中，由于有機(jī)物、氮、磷的去除在同一個反應(yīng)裝置中，且SBR特有的厭氧/缺氧/好氧交替運(yùn)行的方式使DPB易于積累，出現(xiàn)了在傳統(tǒng)除磷過程中的反硝化除磷途徑，減免了碳源偏低的影響，這是本試驗(yàn)高效除磷的一個非常重要的因素。

　　2.3.2 磷的厭氧釋放

　　①磷的厭氧釋放和進(jìn)、出水的關(guān)系

　　通過試驗(yàn)我們觀察到在SBR反應(yīng)器中，經(jīng)過厭氧狀態(tài)釋放正磷酸鹽的活性污泥，在好氧狀況下具有很強(qiáng)的磷吸收能力，也就是說磷的厭氧釋放是磷好氧吸收和除磷的前提條件。從圖4可看出，磷的釋放量越大，出水磷的濃度就越低，磷的處理效果也就越好。當(dāng)TP進(jìn)水濃度在2 mg/L以下，TP的釋放量達(dá)不到7 mg/L以上，出水TP濃度也就很難達(dá)到0.5 mg/L以下；當(dāng)TP進(jìn)水濃度在2～7 mg/L之間時，TP的釋放量能在10～20 mg/L之間，出水TP的濃度基本都在0.3 mg/L以下。

　　②磷的厭氧釋放和有機(jī)物的變化

　　如圖5所示，在一個反應(yīng)周期內(nèi)，當(dāng)厭氧段有機(jī)物濃度降低時，正磷酸鹽的濃度增加。穩(wěn)定運(yùn)行時，在厭氧一個小時內(nèi)，COD的濃度一般降解30～45 mg/L左右，去除率基本在30%左右，磷的釋放濃度能達(dá)到7.0～20 mg/L之間。

　　③磷的厭氧釋放、好氧吸收與所需時間的關(guān)系

　　如圖6所示，正是通過厭氧/缺氧/好氧交替運(yùn)行的方式才實(shí)現(xiàn)了SBR處理系統(tǒng)中的生物除磷。在一個運(yùn)行周期內(nèi)，進(jìn)水后，在經(jīng)過厭氧40分鐘左右的時間，磷的釋放濃度即達(dá)到釋放的最高點(diǎn)。在40分鐘至60分鐘之間，磷的釋放濃度基本上沒有太大的變化。磷的吸收是從曝氣開始，磷的快速吸收發(fā)生在曝氣開始的30分鐘之內(nèi)，到90分鐘后，磷的出水濃度已達(dá)到0.5 mg/L以下（需保持一定的DO濃度）。

　　2.3.3 控制影響因素

　　①污泥齡（生物固體停留時間）

　　污泥齡（SRT）對于脫氮除磷過程在同一裝置中進(jìn)行的系統(tǒng)來說是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)。較長的泥齡可增加生物硝化的能力，并可減輕有毒物質(zhì)的抑制作用，而對于生物除磷系統(tǒng)而言，泥齡越長污泥含磷量越低，去除單位重量的磷需消耗的BOD就越多，此外，還會由于有機(jī)物的不足而使污泥發(fā)“自溶”現(xiàn)象，致使磷的溶解及排泥量的減少而導(dǎo)致除磷效果的降低；泥齡越短，污泥含磷量越高，通過剩余污泥的排放而去除的磷量也就越多，但是對于世代時間長的硝化菌來說，短泥齡會抑制硝化菌的生長。可見，污泥齡越長，單位BOD去除的磷量就會越少，污泥齡越短，除磷效率就越高，但硝化需要較長的污泥齡。因此在SBR處理系統(tǒng)中，就要有一個既符合除磷又適應(yīng)脫氮的污泥齡。本試驗(yàn)通過在不同泥齡下的最優(yōu)化選擇將污泥齡控制在17～21 d的范圍內(nèi)，就可達(dá)到上述的除磷效果。具體通過下述污泥齡的計(jì)算方法來控制：

　　Q=1/u

　　式中：Q—污泥齡，d；

　　　　　u—比污泥增長速率。

　　 　　　u=△x/t

　　式中：△x—污泥增長量（周期排泥量/污泥總量）；

　　 　　t —周期曝氣時間，d。

　　根據(jù)污泥增長速率計(jì)算出污泥齡和排泥量后，通過準(zhǔn)確的排泥量來控制污泥齡，以達(dá)到最好的除磷效果。

　　② DO濃度

　　關(guān)于DO濃度對生物除磷的影響沒有專門的報道，從生物除磷機(jī)理可知，DO濃度可能會影響好氧區(qū)的磷吸收速率，但只要有足夠的好氧時間就不會影響磷的去除量。

　　圖7～9是3個不同周期內(nèi)不同DO濃度和磷的吸收關(guān)系圖。從這三張圖中可以看出，三個運(yùn)行周期中，在不同的溶解氧濃度下，磷的降解速率有所不同，但只要有足夠的好氧時間，磷的去除總量不變。

　　從圖中看，三個運(yùn)行周期中，盡管溶解氧濃度不同，但在曝氣30分鐘時都出現(xiàn)了不同程度的快速吸收。圖7由于曝氣30分鐘后DO濃度就達(dá)到了3.9 mg/L，所以磷的吸收速率很快，而圖9由于一直保持較低的DO濃度，所以磷的吸收速率較慢。這三種情況下，DO濃度在90分鐘前盡管有所不同，但除磷效果基本一致，即曝氣2小時，磷的出水濃度都可以達(dá)到0.5 mg/L以下，如果從除磷效果及經(jīng)濟(jì)合理兩方面考慮，圖8的DO濃度較為經(jīng)濟(jì)適用。但在本試驗(yàn)中，既要脫氮，又要除磷，所以DO濃度的選擇要以雙方都適宜為準(zhǔn)。

　　③硝酸鹽及碳源的影響

　　關(guān)于硝酸鹽和碳源對除磷的影響，有過很多報道。主要認(rèn)為：厭氧區(qū)硝酸鹽還原過程消耗了可供聚磷菌吸收之用的基質(zhì)，因此，硝酸鹽會降低進(jìn)水的有效BOD/P比值。一般認(rèn)為BOD/P應(yīng)大于20，硝態(tài)氮才不會影響磷的厭氧釋放及磷的去除效果。在本試驗(yàn)進(jìn)水中，BOD/P的比值，大部分在15～17左右。但是盡管BOD/P的比值較低，并沒有影響磷的厭氧釋放及除磷的效果。主要原因可能如下：①反硝化除磷現(xiàn)象的存在：由于DPB這種兼性反硝化除磷菌具有生物攝/放磷的功能，在厭氧（缺氧）條件下，能以硝態(tài)氮為電子受體進(jìn)行除磷并將其反硝化為氮?dú)猓瑢⒎聪趸统缀隙橐唬?jié)省了碳源，即使有硝態(tài)氮存在、碳源不足，除磷效果也不會受影響；②水中的溶解性有機(jī)物基本可以滿足反硝化的要求；③由于在SBR處理系統(tǒng)中，微生物不斷地進(jìn)行厭氧和好氧（氧化還原電位小于150 mV）交替運(yùn)行，水中殘余的硝酸鹽對生物除磷影響極微。

　　④出水SS

　　由于SBR處理系統(tǒng)是一體化的反應(yīng)池，即去除有機(jī)物、脫氮、除磷都在一個裝置中進(jìn)行，所以MLSS的含磷量較高，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制出水的SS。本試驗(yàn)中當(dāng)出水SS低于20 mg/L時，對磷的出水濃度影響不大。

　　3 結(jié)論

　　①用SBR法處理碳源偏低的廣州地區(qū)城市污水，在出水有機(jī)物和氨氮達(dá)標(biāo)的同時，磷的出水指標(biāo)可以達(dá)到0.1～0.45 mg/L。磷的釋放量越大，出水磷的濃度就越低，磷厭氧釋放是磷好氧吸收的前提。

　　②磷的厭氧釋放最佳反應(yīng)時間為1 h，好氧吸收最佳反應(yīng)時間為2 h。

　　③溶解氧濃度影響磷的去除速率，但并不影響磷的去除總量。

　　④泥齡是影響SBR工藝脫氮除磷的關(guān)鍵，本實(shí)驗(yàn)最佳泥齡為17～21 d。

　　⑤ SBR法特有的厭氧/缺氧/好氧交替運(yùn)行方式，易于DPB的積累。反硝化除磷途徑可節(jié)省碳源，減免碳源及硝酸鹽對除磷的影響，是低碳城市污水高效除磷的重要且有效的途徑。

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