反硝化脫氮吸磷過程中的影響因子

李宏罡，張 玲，黃民生

（1.黑龍江生物科技職業(yè)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150025；2.華東師范大學(xué)，上海 200062）

玉米深加工企業(yè)生產(chǎn)過程排放的廢水中含有各種污染物，廠區(qū)內(nèi)生活廢水與之混合后，出水中氮、磷含量很高，排放到自然水體中，會(huì)加快引起水體富營(yíng)養(yǎng)化。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷[1,2]工藝存在自身難以解決的矛盾：聚磷菌和反硝化菌對(duì)碳源競(jìng)爭(zhēng)始終存在；硝化菌、反硝化菌、聚磷菌菌齡不同，各種菌群混合在一起互相制約，難以使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行條件[3,4]。為此各國(guó)水處理專家有針對(duì)性地進(jìn)行大量研究，在工藝形式和工藝流程上進(jìn)行一系列的革新，尤其是反硝化聚磷菌（denitrification phosphorus removal bacteria，DPB）的發(fā)現(xiàn)使脫氮除磷工藝有了更為廣闊的發(fā)展前景。DPB有著與完全好氧聚磷菌（phosphorus accumulating organism，PAO）相似的除磷機(jī)理和潛力，所不同的是DPB利用N而非O2作為電子受體，并通過氧化內(nèi)碳源（主要為聚-β-羥基烷酸，即PHA）過量吸磷，同時(shí)將N還原成N2，使吸磷和反硝化這兩個(gè)原本對(duì)立的過程統(tǒng)一在一起[5-7]。

在反硝化脫氮吸磷實(shí)際運(yùn)行過程中，由于污水濃度隨生產(chǎn)時(shí)間、規(guī)模、生活規(guī)律發(fā)生變化，如何及時(shí)、有效掌控脫氮、吸磷排泥的最佳時(shí)機(jī)是能否取得良好運(yùn)行效果的關(guān)鍵，本文主要研究反硝化吸磷和脫氮過程中pH、COD、磷酸鹽、N-N、N-N和N-N等參數(shù)變化趨勢(shì)及其相關(guān)性，探索變形化性規(guī)律，使其在實(shí)際工作中發(fā)揮指示作用，從而能實(shí)時(shí)掌握反硝化吸磷和脫氮過程，合理安排排泥除磷和反硝化脫氮時(shí)段。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 污泥來源

玉米深加工廢水水解酸化+IC+A／O+MBR工藝中反硝化段污泥（階段性試驗(yàn)證明具有反硝化吸磷脫氮功能）。污泥靜置48 h后，采用自來水反復(fù)沖洗，測(cè)得該污泥上清液各項(xiàng)指標(biāo)：CODCr為10 mg／L左右，N-N，N-N，N-N，磷酸鹽均為 0～1 mg／L。

1.1.2 廢水水質(zhì)

玉米深加工廢水水解酸化+IC+A／O+MBR工藝中IC反應(yīng)器出水，水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表 1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo) ／（mg·L-1）Tab.1 Water Quality Indicators ／（mg·L-1）

1.1.3 回流硝化液

玉米深加工廢水水解酸化+IC+A／O+MBR工藝中A段反應(yīng)器出水，水質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 回流硝化液水質(zhì)指標(biāo) ／（mg·L-1）Tab.2The Quality Indicators of Nitrification Liquid／（mg·L-1）

1.1.4 回流比 R=2，回流液流量與進(jìn)水流量等比等于2，用蠕動(dòng)泵加入，混合水樣體積達(dá)到4 L。

1.1.5 間歇反應(yīng)器內(nèi)混合水質(zhì)指標(biāo)（見表3）

表 3 混合水質(zhì)指標(biāo) ／（mg·L-1）Tab.3 The Quality Indicators of Mixture ／（mg·L-1）

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 分析項(xiàng)目及方法

1.2.2 試驗(yàn)反應(yīng)器

序批式反應(yīng)器（SBR）如圖1所示，總?cè)莘e5 L，有效容積4 L，由有機(jī)玻璃制得，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，保持泥水混合均勻，外設(shè)水浴恒溫裝置保持系統(tǒng)內(nèi)恒溫。每間隔30 min檢測(cè)混合液的NN、NN、COD、N-N、磷酸鹽濃度，在線監(jiān)測(cè) pH、水溫。采用間歇進(jìn)水方式，反應(yīng)時(shí)間4 h。

圖1 SBR示意圖Fig.1 Schematic Diagram of SBR Process

2 結(jié)果與討論

2.1 反硝化脫氮過程中各參數(shù)變化趨勢(shì)分析

圖2 pH、N-N、N-N隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Trends of pH,NN,N-N by Time

在硝化回流液中存在硝態(tài)氮，同時(shí)還存在氧和少量亞硝酸鹽，大多數(shù)反硝化細(xì)菌是兼性厭氧細(xì)菌，在有氧時(shí)進(jìn)行好氧呼吸，無氧時(shí)進(jìn)行硝酸鹽呼吸，水中有機(jī)物做為電子供體，發(fā)生以下反應(yīng)[8]：

由圖2可知，O2、N-N還原成NN不產(chǎn)生堿度，pH上升趨勢(shì)緩慢；N-N還原N2階段產(chǎn)生OH-，pH上升趨勢(shì)變快，當(dāng)試驗(yàn)反應(yīng)進(jìn)行到2 h左右，pH曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)B點(diǎn)，此時(shí)，系統(tǒng)中NN濃度為0 mg/L，即“硝酸鹽弓”，N-N濃度達(dá)到最大（圖2中A點(diǎn)），又稱為“亞硝酸鹽峰”。當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到3.5 h左右，NN和NN幾乎均被還原，反硝化結(jié)束，沒有堿度繼續(xù)產(chǎn)生pH開始下降，即pH曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)C（“亞硝酸鹽膝”），所以可以看出利用pH曲線第2個(gè)拐點(diǎn)可以準(zhǔn)確指示反硝化過程的“真正結(jié)束點(diǎn)”[9]。

圖3 pH、N隨時(shí)間變化趨勢(shì)分析Fig.3 Trends of pH,NN by Time

2.2 反硝化吸磷過程中pH、磷酸鹽、N-N、N-N變化趨勢(shì)分析

圖4 磷酸鹽、N-N、N-N變化趨勢(shì)分析Fig.4 Trends of P-P,N-N,N-N by Time

2.3 反硝化脫氮吸磷過程中pH、COD隨時(shí)間變化趨勢(shì)分析

由圖5可知，反硝化脫氮吸磷過程中可以看出反應(yīng)初期COD下降較快，主要為O2和N提供電子以及吸磷過程中能量消耗，pH曲線B點(diǎn)之后，主要為N-N還原反應(yīng)，聚磷菌對(duì)磷的釋放，對(duì)電子供體需求量相對(duì)減少，COD下降趨勢(shì)變緩。同時(shí)有缺氧反硝化條件下，不溶性有機(jī)物被微生物降解，產(chǎn)生小分子有機(jī)物，使廢水中保持一定的COD值。

3 結(jié)論

圖5 pH、COD隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 Trends of pH,COD by Time

（3）反硝化脫氮吸磷過程中，反硝化細(xì)菌對(duì)碳源有需求，保持系統(tǒng)中具有一定碳源是十分必要。

［1］蔡碧婧,謝麗,楊殿海,等.反硝化脫氮工藝補(bǔ)充碳源選擇與優(yōu)化研究進(jìn)展[J].凈水技術(shù),2007,26(6)：37-41.

［2］李賢勝,王琳,施永生.生物法同步脫氮降磷主要工藝及問題探討[J].凈水技術(shù),2005,24(5)：30-33.

［3］張杰，臧景紅，楊宏，等.A/O工藝的固有缺陷和對(duì)策研究[J].給水排水，2003,29(3)：22-26.

［4］姜鳴，張靜慧，宮飛蓬，等.生物反硝化除磷技術(shù)研究進(jìn)展[J].凈水技術(shù)，2011,30（6）：16-20.

［5］Satoshi Tsuneda,Takashi Ohno,Koichi Soejima,et a1.Simu ltaineous nitrogen and phosphorus removal using denitr-ifying phosphate accumulating organisms in a sequencing batch reactor[J].Biochemical Engineering Journa1，2006，27：191-196.

［6］Naohiro Kishida,Juhyun Kim,Satoshi Tsuneda,et a1.Anaerobic/oxic/anoxic granular sludge process as an effective nutrient removal process utilizing denitrifying polyphosphate-accumulating organisms[J].Water Research,2006,40：2303-2310.

［7］萬金保，王永建.反硝化除磷理論及運(yùn)用現(xiàn)狀[J].水處理技術(shù)，2008,34(3)：7-10.

［8］鄭平，徐向陽，胡寶蘭，等.新型生物脫氮理論與技術(shù)[J].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［9］馬娟，彭永臻，王麗，等.溫度對(duì)反硝化過程的影響及pH變化規(guī)律[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2008,28(11)：1004-1008.

［10］王亞宜，王淑瑩，彭永臻.MLSS、pH及N-N對(duì)反硝化除磷的影響[J].中國(guó)給水排水，2005,21(7)：47-51.