低溫下反硝化除磷工藝厭氧段影響因素研究

宋武昌，張冬雨，溫成林

（1.濟南市供排水監(jiān)測中心，濟南 250033；2.中國重型汽車集團房地產(chǎn)開發(fā)公司，濟南250031）

低溫下反硝化除磷工藝厭氧段影響因素研究

宋武昌1，張冬雨2，溫成林1

（1.濟南市供排水監(jiān)測中心，濟南 250033；2.中國重型汽車集團房地產(chǎn)開發(fā)公司，濟南250031）

以SBR反應(yīng)器在低溫條件下進行了反硝化除磷工藝厭氧階段影響因素的試驗研究，對碳源種類、C/P、pH值、厭氧時間及厭氧階段-N濃度5個因素分別設(shè)置了4個水平的正交實驗。結(jié)果表明，影響-P去除率的各因素的主次順序為碳源、厭氧階段-N濃度、厭氧時間、C/P、pH值；各因素較佳的水平條件：碳源為淀粉，厭氧階段-N濃度為10mg/L，厭氧時間為2h，C/P為25，pH 值為 7。

反硝化除磷工藝；厭氧段；低溫；影響因素；正交實驗

近年來在試驗研究和污水處理實際工程中都發(fā)現(xiàn)有反硝化除磷（Denitrifying Phosphorus Removal）的現(xiàn)象［1-2］。 反硝化除磷菌（denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB）能在缺氧條件下，以硝酸鹽代替O2為電子受體，同步完成反硝化脫氮和過量吸磷過程［3-4］。與傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)相比，該技術(shù)緩解了反硝化和釋磷對碳源（以COD計）的需求矛盾、硝化菌和聚磷菌（PAOs）所需的最佳SRT相抵觸等矛盾。

我國北方地區(qū)，污水處理廠面臨的問題主要有季節(jié)溫差變化較大，影響活性污泥中微生物的生長和繁殖，制約污水處理廠的脫氮除磷效果。隨季節(jié)變化脫氮除磷效果不穩(wěn)定，尤其在低溫時處理效果較差，出水難以達標(biāo)。由此可見，在北方地區(qū)開展低溫下反硝化除磷工藝的研究，對于城市污水脫氮除磷具有重要的現(xiàn)實意義。反硝化除磷工藝分為厭氧、缺氧兩個階段，本試驗以厭氧段因素為研究對象分別設(shè)計了正交實驗，從而研究確定低溫下厭氧段影響反硝化除磷工藝的吸磷效率的主要因素及各因素的最佳水平，為提高低溫下反硝化除磷系統(tǒng)的除磷效率提供借鑒。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗采用SBR反應(yīng)器，反應(yīng)器由聚氯乙烯塑料板制成，其內(nèi)徑為300mm，有效容積為20L。厭氧和缺氧階段采用60r/min的恒速電機攪拌。進水由貯水箱經(jīng)潛水泵提升進入SBR反應(yīng)器，缺氧段采用一次性投加硝酸鹽的方式，各階段反應(yīng)時間通過微電腦時控開關(guān)進行控制，試驗裝置圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置圖

1.2 試驗方法

為確定厭氧階段下各因素對反硝化除磷工藝吸磷效率的影響，試驗中選取碳源種類、C/P、pH值、厭氧時間以及厭氧階段-N濃度5個因素。正交實驗設(shè)計的是5因素4水平正交［5］，即L16（45），各實驗因素及其水平見表1。

表1 厭氧階段正交實驗因素水平表

按照實驗確定的因素與水平，設(shè)計正交實驗方案表，按照實驗方案，正交分析進行了16次實驗見表2。

表2 厭氧階段正交實驗表

試驗用污泥選用經(jīng)實驗室馴化培養(yǎng)的反硝化除磷污泥，污泥濃度為5000mg/L，實驗共分4批進行，每批保持相同污泥濃度及運行參數(shù)連續(xù)運行3d，各指標(biāo)均取其平均值。每批實驗使SBR反應(yīng)器進水-P濃度為10mg/L，分別取混合液1L置于4個相同容積燒杯中，以不同濃度的碳源溶液（以COD計）調(diào)節(jié)C/P，以5%H2SO4溶液和2%NaOH溶液調(diào)整pH值，加入適量NaNO3溶液（10mg/ml，以-N計）調(diào)整-N濃度，將燒杯置于六聯(lián)攪拌儀（轉(zhuǎn)速60r/min）進行厭氧反應(yīng)，在各自厭氧時間結(jié)束時取樣并一次性投加NaNO3溶液（10mg/ml，以-N計）使-N濃度為80mg/L，缺氧運行4h，缺氧結(jié)束靜置沉淀取樣。

1.3 分析項目及方法

主要分析項目及測定方法見表3。

表3 分析項目及測定方法

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果直觀分析

為確定厭氧階段碳源種類、C/P、pH值、厭氧時間及厭氧階段-N濃度5個因素對-P去除率的影響主次關(guān)系，需要對實驗數(shù)據(jù)進行進一步的深入分析。利用統(tǒng)計學(xué)方法對正交表進行直觀分析［5］，本實驗以-P去除率為考核指標(biāo)，結(jié)果見表4。

表4 正交實驗的直觀分析

表5 厭氧階段各因素最佳水平條件

對于反硝化除磷來說，碳源中含有的低分子有機物質(zhì)含量越多，厭氧段初始的磷的釋放速率越快，磷的釋放也越充分，后續(xù)反硝化脫氮和吸磷效果越好［8］。按照這種觀點，本實驗中碳源最佳水平應(yīng)為乙酸鈉而不是淀粉，這有可能是本實驗采用碳源均較簡單及低溫條件和DPB污泥性能不同造成的。

反硝化除磷系統(tǒng)首先要求提供給厭氧段足夠的可降解COD，其越充足則合成的PHB越多。 Keren Jespersen［9］研究表明，缺氧階段環(huán)境條件下的吸磷率、反硝化率是PAOs體內(nèi)PHB儲量的函數(shù)；HAc的消耗量（PHB量）與缺氧段反硝化率及吸磷率存在一定的線性關(guān)系；缺氧階段環(huán)境條件下的吸磷率是PHB的一階方程。從這些函數(shù)關(guān)系可見，厭氧段提供的COD（HAc）充足與否直接關(guān)系著缺氧段反硝化和吸磷能力的強弱。進水的C/P符合最佳比例關(guān)系可使處理效果達到最佳。本實驗C/P最佳水平為25，而趙慶等［10］研究結(jié)果表明C/P>23時，磷的去除率在90%以上；以乙酸鈉為碳源時，C/P比為30時，釋磷量最大，攝磷量為釋磷量的1.58倍，反硝化聚磷率達89%［11］。反硝化除磷C/P最佳水平的不同，可能與DPB污泥性能和碳源種類有關(guān)。

生物除磷過程受pH值影響比較明顯，特別是厭氧釋磷階段，pH將會影響醋酸鹽進入細(xì)胞的過程［12］。低pH值會導(dǎo)致釋磷速率和醋酸鹽吸收速率的降低，在高pH值條件下（>7.5），一個或多個金屬磷酸鹽化合物的溶解性產(chǎn)物將會增多，導(dǎo)致金屬磷酸鹽沉淀的生成。由此，本實驗得到厭氧階段pH值的最佳水平為7，不會影響基質(zhì)吸收速率及導(dǎo)致金屬磷酸鹽沉淀的生成。

厭氧段HRT長短對系統(tǒng)的除磷和脫氮效果和系統(tǒng)的處理能力起著關(guān)鍵影響，本實驗HRT最佳水平為2h。令云芳等［13］也提出了相同結(jié)論，認(rèn)為在處理實際生活污水時A2N工藝厭氧段HRT為2h，即可達到較好的除磷脫氮效果。

2.2 實驗結(jié)果方差分析

直觀分析法的優(yōu)點是簡單、直觀，分析計算量小，容易理解，但因缺乏誤差分析，所以不能給出誤差大小的估計，有時難以得出正確結(jié)論，也不能提供一個標(biāo)準(zhǔn)，用來考察、判斷因素影響是否顯著。為進一步考察厭氧階段碳源種類、C/P、pH、厭氧時間以及厭氧階段-N濃度5個因素對-P去除率的影響是否顯著，需利用方差分析法對正交實驗成果進行進一步分析。

根據(jù)表4計算的各因素的水平效應(yīng)值K及指標(biāo)y之和，計算統(tǒng)計量與各項偏差平方和［5］，計算結(jié)果見表6。厭氧階段方差分析檢驗數(shù)據(jù)見表7。

表6 統(tǒng)計量與偏差平方和計算結(jié)果

表7 厭氧階段方差分析檢驗表

根據(jù)各因素的自由度n1和誤差的自由度n2，查文獻［5］附表3F分布表，得λ0.05為4.76，由于各因素F值均小于λ0.05，故碳源種類、厭氧時間及厭氧階段-N濃度對低溫下反硝化工藝除磷效率有影響，但95%的置信度說明它們不是顯著影響因素。

3 結(jié)語

［1］Kuba T， van Loosdrecht M C M， Heijinen J J.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system［J］.Wat Res， 1996， 30（7）：1702-1710.

［2］Meinhold J， Filipe C D M， Daigger G T， et al.Characterization of the denitrifying fraction of phosphate accumulating organisms in biological phosphate removal ［J］.Wat Sci Technol， 1999， 39（1）：31-42.

［3］Lee D S， Jeon C O， Park J M.Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in a sequencing batch reactor using single sludge system ［J］.Wat Res， 2001， 35（16）：3968-3976.

［4］Ahn J， Daidou T， Tsuneda S， et al.Characterization of denitrifying phosphate-accumulating organisms cultivated under different electron acceptor conditions using polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis assay ［J］.Wat Res， 2002， 36（2）：403-412.

［5］李燕城.水處理實驗技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［6］國家環(huán)境保護總局/水和廢水監(jiān)測分析方法委員會編.水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［7］GB/T 5750.5—2006，生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法：無機非金屬指標(biāo)［S］.

［8］王亞宜，彭永臻，王淑瑩，等.碳源和硝態(tài)氮濃度對反硝化聚磷的影響及ORP的變化規(guī)律［J］.環(huán)境科學(xué)， 2004， 25（4）：54-58.

［9］Kerrn J.P.Jespersen， M.Henze.Biological phosphorus uptake under anoxic and aerobic condition ［J］.Wat Res， 1993， 27（4）：617-624.

［10］趙慶，袁林江，王磊，等.碳源濃度對SBR法同步脫氮除磷的影響試驗研究［J］.西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2006， 36 （4）：599-602.

［11］張立卿，袁林江，王磊，等.乙酸鈉濃度對反硝化聚磷效果的影響試驗研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，39 （6）：349-352.

［12］祝貴兵，彭永臻.生物除磷設(shè)計與運行手冊［K］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［13］令云芳，王淑瑩，王偉，等.厭氧段 HRT對A2N工藝反硝化除磷脫氮效果的影響［J］.水處理技術(shù)， 2006， 32（10）：44-47.

［14］劉慧，米海蓉.硝氮對反硝化除磷系統(tǒng)效率的影響［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報， 2006， 30（4）：43-46.

Study about influence factors of denitrifying phosphorus removal process on anaerobic phase at low temperature

SONG Wu-chang1，ZHANG Dong-yu2，WEN Cheng-lin1
（1.Jinan Water and Wastewater Monitoring Centre，Jinan250033，China；2.China National heavyduty truck group real estate company，Jinan250031，China）

The anaerobic phase orthogonal experiments were taken to denitrifying phosphorus removal process with sequence batch reactors in low temperature.The factors of category of carbon source，C/P，pH，anaerobic time and the-N concentration of anaerobic phase were chosen in anaerobic phase，and each factor was set four levels.The results showed that：the primary and secondary order of factors which affected the phosphorus removal，were the category of carbon source，the-N concentration of anaerobic phase， anaerobic time， C/P， pH.The proper level of each factor was faecula， 10mg/L， 2h， 25， and 7， respectively.

denitrifying phosphorus removal；anaerobic phase；low temperature；influence factor； orthogonal experiment

TV131.61+9

A

1672-9900（2010）03-0034-04

2010-03-04

宋武昌（1981-），男（漢族），山東蒼山人，碩士，主要從事水處理技術(shù)研究，（Tel）0531-88965077。