溫度對A OA-SBR工藝同步脫氮除磷的影響

張?zhí)m河， 周廣吉 ，龐香蕊 ，王靈川 ，張海豐

（1東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132012；2遼寧大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036）

含氮、磷污水的過度排放，能夠導致水體的富營養(yǎng)化[1]。序批式生物反應器（SBR）工藝具有同時脫除N、P污染物，其投資省、占地面積小、操作靈活和管理方便等優(yōu)點在城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水處理中得到了廣泛應用[2-3]，近年來受到廣泛關注。溫度是影響污水處理效率的重要因素，不僅影響微生物的比增長速率和酶活性，而且影響氧的傳遞效率和基質擴散的速率[4]。生物除磷作用在低溫下部分或完全失效，低溫影響有機物的去除，對硝化反硝化作用的沖擊也較大，直接影響出水水質[5-8]。國外許多學者考察了溫度變化對 SBR工藝同步脫氮除磷的影響。例如，Panswad等[9]研究了溫度對聚磷菌和聚糖菌競爭生長的影響，一定溫度范圍內（20～35.5 ℃），隨著溫度升高，聚磷菌（polyphosphate accumulating organisms，PAOs）對基質的利用能力下降增長速率變慢，PAOs數量減少，聚糖菌（glycogen accumulating organisms，GAOs）取代PAOs成為優(yōu)勢菌群。此外，溫度降低，硝化能力減弱，溫度低于 15 ℃，硝化能力明顯下降，溫度降至 5 ℃以下時，硝化作用幾乎停止[10-12]。國內關于溫度變化對 SBR工藝同步脫氮除磷的影響亦進行了研究。王淑瑩等[13]考察了變頻控制DO條件下溫度對中試 SBR脫氮除磷的影響時發(fā)現，溫度對COD和TP去除率的影響較小，對NH4+-N去除率的影響較大。當溫度為 11～26 ℃時，比氨氧化速率隨溫度的下降而降低。當溫度為 18～26 ℃時，釋磷和吸磷速率分別為0.25 kgPO43?-P/ (kgMLSS·d)和 0.05 kgPO43?-P/(kgMLSS·d)，保持穩(wěn)定；當溫度為 11～18 ℃時，釋磷和吸磷速率隨溫度的下降而大大降低。姜體勝等[14]探討了溫度和pH值對活性污泥法脫氮除磷的影響，在溫度分別為 5 ℃和33 ℃條件下，硝化速率分別為 0.01 kgNH4+-N/(kgVSS·d)和 0.28 kgNH4+-N/(kgVSS·d)，反硝化速率 分 別 為 0.097 kgNO3?-N/(kgVSS·d)和 0.476 kgNO3?-N/(kgVSS·d)，溫度對吸磷和釋磷速率的影響較小。但是，關于不同溫度下N/P和SRT對AOASBR工藝同步脫氮除磷的影響報道尚少。

污泥齡（biological solid retention time，SRT）反映了活性污泥系統(tǒng)中微生物的生長狀態(tài)、生長條件與世代周期等基本特征。在AOA-SBR系統(tǒng)中，硝化菌、反硝化菌、反硝化聚磷菌（Denitrifying phosphate removal bacteria，DPB）及非聚磷異養(yǎng)菌等微生物共存于同一懸浮污泥系統(tǒng)中，共同經歷了厭氧、好氧和缺氧環(huán)境。在單污泥生物處理系統(tǒng)中各類菌群的生長繁殖速率和活性存在差異，所需的適宜溫度和SRT不同[15-16]。低溫（8～10 ℃）導致厭氧釋磷和缺氧吸磷的生化反應速率下降，但是低溫對反硝化聚磷菌抑制作用較小[17]。由于硝化菌和聚磷菌的競爭，SRT越長，硝化作用越明顯，但是SRT過長則排出的剩余污泥量太少，除磷效率較低。SRT越短，除磷效果越好。但是SRT過短，硝化菌被系統(tǒng)排出，大大地影響硝化反應進程，氨氮去除率較低。SRT過短或過長均不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。平衡系統(tǒng)SRT是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵。目前，溫度對同步脫氮除磷工藝運行特性的影響尚不清楚。

本研究利用AOA-SBR對模擬生活污水進行了長期試驗，考察溫度對同步脫氮除磷的影響，分析不同N/P和污泥齡下AOA-SBR工藝氮、磷同步去除效率的變化，為同步脫氮除磷工藝在實際城市污水處理廠的應用提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

AOA-SBR反應器采用有機玻璃制成，反應器內徑為16 cm，有效高度為40 cm，工作容積為3 L。反應裝置（圖1）采用ACO-003電磁式空氣泵曝氣，利用曝氣砂頭作為曝氣設備。通過轉子流量計控制曝氣泵進氣流量。采用電磁式攪拌器使泥水充分混合，控制攪拌轉速為300 r/min。pH值、ORP、DO探頭分置于反應器內，實時監(jiān)測指標的變化。為了分析和檢測方便，設置3個取樣口。采用KG316T時間繼電器控制每個反應運行周期的時間。每個運行周期為9 h，采用瞬時進水→厭氧攪拌180 min→曝氣攪拌240 min→缺氧攪拌120 min→靜止沉淀30 min→排水→閑置的方式運行。控制pH值為7.2±0.2，好氧段 DO 濃度為2.5～3.5 mg/L。

圖1 SBR實驗裝置示意圖

活性污泥取自吉林市污水處理廠二沉池回流污泥池，經過2個月的馴化培養(yǎng)，使污泥具有一定的脫氮除磷的能力。混合液懸浮固體濃度（MLSS）約為3200 mg/L，MLVSS/MLSS為0.52。

1.2 實驗水質

實驗用水采用模擬生活污水，主要成分為乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O和微量元素液 1 mL/L。微量元素液的成分為FeSO4·7H2O，20 mg/L；CuSO4·5H2O，50 mg/L；H3BO3， 50 mg/L ； MnSO4·H2O ， 50 mg/L ；Na2MoO4·2H2O，10 mg/L；ZnCl·7H2O，10 mg/L；CoCl2·6H2O，50 mg/L。控制進水 COD為300～400 mg/L，進水TP為6～10 mg/L，通過調節(jié)進水氨氮濃度調整N/P比分別為2～3、3～5和5～7。進水水質見表1。

表1 進水水質

1.3 檢測項目和分析方法

COD、NH4+-N、TN、NO2?-N、NO3?-N、TP、SVI、MLSS、MLVSS等采用國家標準分析方法測定[18]，DO采用德國WTW （Oxi 340i型）分析儀監(jiān)測定；ORP和pH值采用德國WTW（pH3310型）分析儀監(jiān)測；MLSS采用濾紙重量法；溫度由 0～100 ℃水銀溫度計監(jiān)測定。

2 結果與討論

2.1 不同溫度下N/P對同步脫氮除磷的影響

圖2 不同溫度下N/P比對氮磷去除率的影響

將馴化好的污泥平均分為4組，分別接種于4個AOA-SBR反應器內，SRT控制在15 d，每個反應器均連續(xù)運行兩個月。不同溫度下 N/P對AOA-SBR工藝同步脫氮除磷效果的影響，如圖 2所示。在相同N/P條件下，隨著溫度的升高，氨氮、TN和TP的去除率明顯提高。在N/P為2～3的條件下，當溫度為10 ℃時，氨氮、TN和TP的去除率分別為 78.13%、69.52%和 56.88%。當溫度為35 ℃時，氨氮、TN和TP的去除率分別為93.18%、88.02%和66.41%?？梢?，硝化過程對溫度的變化最為敏感[19]。隨著溫度的增加，硝化細菌活性增強，氨氮的去除率逐漸升高。Kim等[20]研究發(fā)現，30 ℃時硝化菌的硝化效率是10 ℃硝化效率的3倍。隨著氨氮去除率的增加，缺氧段作為電子受體的NO3?-N增多，反硝化聚磷菌利用NO3?-N作為電子受體過量吸磷同時反硝化，使得出水 NH4+-N和NO3?-N濃度較低，TP和TN去除率升高。相反，低溫能夠抑制硝化細菌的活性，這與Euiso和蔡軍等[21-23]的研究結果一致。試驗中發(fā)現，隨著溫度的增加，釋磷和吸磷速率均加快，但是釋磷量和吸磷量變化較小。隨著溫度的降低，反硝化率降低，系統(tǒng)的反硝化脫氮效果下降。

圖2表明，在相同溫度下，N/P對氨氮的去除率影響較小，N/P對TP 和TN的去除效果影響較大。在不同溫度下，隨著N/P比的升高，TN的去除率下降，TP去除率先升高后下降。N/P為 3～5條件下 TP去除率達到最高。溫度過低微生物生長緩慢且酶活性下降，溫度過高，硝化菌大量繁殖，聚磷菌PAOs對基質的利用能力下降，增長速率變慢，PAOs數量減少[9]，溫度25 ℃下的TP去除率最大（91.37%）。當N/P為2～3時，由于進水氨氮濃度較低，好氧段通過硝化作用轉化的氨氮量減少，導致缺氧段作為電子受體的NO3?-N不足，TP不能充分去除，出水TP濃度較高。當N/P為3～5時，COD被充分利用，系統(tǒng)脫氮除磷效果良好。Wachtmeister等[24]研究發(fā)現，厭氧段COD 與O2或NO3?共存時，PAOs 將進行釋磷，只有在 COD 被消耗殆盡時，才發(fā)生過量吸磷過程。本試驗厭氧段有 機 物 轉 化 為 聚 -β- 羥 丁 酸 鹽 （ poly-βhydroxybutyrate，PHB）被大量去除，為后續(xù)好/缺氧段吸磷奠定了基礎。當溫度≥20 ℃時，好氧段具有較高的硝化速率，而硝化作用產生的 NO3?-N在缺氧段作為電子受體被充分利用，具體體現為磷被去除的同時，NO3?-N也被去除，且兩者具有適當的比例，充分反應沒有過多剩余。在溫度≥20 ℃時，出水氨氮、NO3?-N、NO2?-N和TP濃度分別低于5 mg/L、1.3 mg/L、0.6 mg/L和1 mg/L（表2）。所以適宜的N/P能夠達到最佳的脫氮除磷效果。當N/P升高至5～7時，脫氮除磷效果開始下降。原因是進水氨氮濃度過高，一部分氨氮未被硝化菌轉化，導致出水氨氮濃度較高，根據表2可知，在25 ℃條件下達到8.26 mg/L。同時，好氧末期NO3?-N較高，TP濃度保持穩(wěn)定，剩余的NO3?-N未被充分利用，導致出水NO3?-N明顯升高。由表2可知，當溫度為25 ℃時，出水NO3?-N和NO2?-N平均濃度為7.43 mg/L和7.36 mg/L，TN去除率明顯下降。而殘留的NO3?-N和NO2?-N進入下一周期厭氧段，首先利用COD進行反硝化，消耗COD的同時，抑制了厭氧釋磷量和PHB的合成，導致缺氧段吸磷效果不佳。具體表現為，在出水TP濃度較高的情況下，NO3?-N和NO2?-N出水濃度也較高，不利于磷的吸收和TN的去除。

因此，在溫度為25 ℃條件下，當N/P為3～5時，系統(tǒng)具有較好的脫氮除磷效果。氨氮、TN、TP和COD去除率分別高于88%、82%、90%和92%。

2.2 不同溫度下SRT對同步脫氮除磷的影響

將馴化好的污泥平均分為4組，分別接種于4個 AOA-SBR反應器內，控制反應器內活性污泥SRT分別保持在5 d、10 d、15 d和20 d，每個反應器均連續(xù)運行兩個月。在N/P為3～5條件下，考察不同溫度下SRT對脫氮除磷效果的影響，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，SRT對有機物的去除率影響較小，COD去除率均高于 86%。然而，SRT對氨氮、TN和TP的去除率影響較大。在溫度為25 ℃條件下，SRT為5 d時，氨氮、TN和TP去除率分別為69.41%、61.83%和64.51%。SRT為10 d時，氨氮、TN和TP去除率分別為82.36%、75.34%和79.21%。SRT為15 d時，氨氮、TN和TP去除率分別為88.75%、84.16%和91.37%。SRT為20 d時，氨氮、TN和TP去除率分別為89.27%、81.22%和86.08%?？梢?，隨著污泥齡的增加，氨氮去除率明顯升高，TP和TN的去除率先升高后降低。這一方面由于硝化菌（亞硝酸菌和硝酸菌）世代周期較長，一般需 10 d以上的污泥齡才能積累大量的硝化菌[25]。SRT過短，硝化菌被系統(tǒng)排出，大大地影響硝化反應進程，導致氨氮去除率降低。另一方面由于DPB生長速率緩慢，過短的 SRT 導致DPB從污泥系統(tǒng)中流失，除磷效果降低。當SRT≥10 d時，氮和磷去除率的變化較小，可見，只要保持系統(tǒng)SRT大于硝化菌和DPB的世代時間，就能夠得到較好的脫氮除磷效果。但是SRT過長，系統(tǒng)有機負荷過低，許多微生物由于營養(yǎng)匱乏而死亡，微生物的內源呼吸作用增強。導致后續(xù)反硝化所需碳源不足[26]，不利于反硝化和除磷。

表2 不同溫度和N/P下污染物出水濃度

在溫度分別為 10 ℃和 35 ℃條件下，當SRT分別為20 d和10 d時，氨氮、TN和TP去除率分別為73.08%、65.92%、78.21% 和87.51%、82.12%、87.26%。溫度對硝化細菌的生長速率和硝化速率均有較大影響，低溫導致酶活性降低，微生物生長繁殖速度較慢。因此，在低溫條件下，適當增加污泥齡促進硝化菌生長繁殖，能提高系統(tǒng)硝化能力，為后續(xù)反硝化除磷提供電子受體。當溫度為35 ℃時，微生物生長繁殖迅速，一方面硝化速率增大，氨氮去除率升高；另一方面系統(tǒng)反硝化脫氮除磷能力增強，好氧段產生的硝酸鹽在缺氧段作為反硝化吸磷的電子受體被消耗，出水NO3?-N下降，TN和TP去除率升高。在溫度分別為20 ℃和25 ℃條件下，當SRT為15 d時，氨氮、TN和TP的去除率分別為86.82%、82.51%、91.03%和88.75%、84.16%、91.37%，TP去效率較高。然而，當SRT為20 d時，TP去除效果下降。分析認為，SRT過長，硝化菌大量繁殖，反硝化聚磷菌失去種群優(yōu)勢，在系統(tǒng)中所占比例減少。同時，SRT過長則排出的剩余污泥量太少，除磷效果下降。

在單污泥系統(tǒng)AOA-SBR中，選擇適宜的泥齡須先考慮硝化菌而非DPB，良好的硝化轉化率是后續(xù)反硝化和除磷的基礎。本試驗中，在溫度為25 ℃條件下，SRT為15 d時，脫氮除磷效率最高。

2.3 不同溫度下 SRT對污泥含磷量和污泥產率的影響

表3表明不同溫度和污泥齡下，污泥負荷NS、污泥產率YS和污泥含磷率PC的變化。污泥產率系數YS采用乘修正系數的方法[27]，按式（1）進行計算。

表3 不同溫度和污泥齡下NS、YS和PC的變化

式中，Nj為進水懸浮固體濃度，kg/m3；Lj為進水BOD濃度，kg/m3；FT為異養(yǎng)微生物生長溫度休整系數，FT=1.072(T?15)，（T為溫度，℃）；K一般取經驗值[28]，為0.8～0.9。

在相同溫度下，隨著污泥齡的增加，污泥負荷NS、污泥產率YS和污泥含磷率PC均下降，混合液懸浮固體濃度MLSS上升。在溫度為25 ℃條件下，當SRT為5 d時，MLSS、NS、YS和PC分別為1.88 g/L、0.439 kgCOD/(kgMLSS·d)、0.385 kgSS/ (kgBOD5)和8.05%；當SRT為10 d時，MLSS、NS、YS和 PC分別為 2.81 g/L、0.381 kgCOD/(kgMLSS·d) 、 0.301 kgSS/(kgBOD5) 和7.21%；當 SRT為 15 d時，MLSS、NS、YS和 PC的濃度分別為 3.34 g/L、0.315 kgCOD/ (kgMLSS·d)、0.253 kgSS/(kgBOD5)和6.35%；當SRT為20 d時，MLSS、NS、YS和PC的濃度分別為3.62 g/L、0.277 kgCOD/(kgMLSS·d) 、 0.221 kgSS/(kgBOD5) 和5.69%。在短泥齡和高負荷條件下，剩余污泥排放量較大，MLSS較低，PC、NS和YS提高。然而，在長泥齡和低負荷條件下，微生物處于營養(yǎng)匱乏的饑餓狀態(tài)，微生物由于內源呼吸作用和微生物間的捕食作用，細胞物質的分解代謝加強，合成代謝減弱，導致污泥本身的凈產率系數變小，能夠實現長泥齡污水處理系統(tǒng)的污泥減量。

在相同污泥齡下，隨著溫度的升高，污泥負荷NS和污泥產率YS下降，混合液懸浮固體濃度MLSS和污泥含磷率PC上升。在SRT為15 d條件下，當溫度為10 ℃時，MLSS、NS、YS和PC分別為2.89 g/L、0.398 kgCOD/(kgMLSS·d)、0.386 kgSS/ (kgBOD5)和5.87%；當溫度為20 ℃時，MLSS、NS、YS和污泥含磷率 PC分別為 3.26 g/L、0.331 kgCOD/(kgMLSS·d)、0.293 kgSS/(kgBOD5)和6.19%；當溫度為 25 ℃時，MLSS、NS、YS和 PC濃度分別為 3.34 g/L、0.315 kgCOD/(kgMLSS·d)、0.253 kgSS/(kgBOD5)和6.33%。當溫度為35 ℃時，MLSS、NS、YS和PC的濃度分別為為 3.52 g/L、0.289 kgCOD/(kgMLSS·d)、0.186 kgSS/(kgBOD5)和6.44%。溫度影響微生物的比增長速率和氧的傳遞效率。供氧不足、溫度低時，微生物生長緩慢，MLSS較低，污泥負荷升高。基質擴散到細胞的速率慢和氧的傳遞效率低抑制了生物活性，生化降解速率較慢，推遲了微生物進入內源呼吸狀態(tài)，微生物處于內源呼吸狀態(tài)時間短，污泥產率高。溫度升高，系統(tǒng)脫氮除磷效果好，出水磷濃度低，污泥含磷率升高。

3 結 論

（1）溫度對系統(tǒng)脫氮除磷效果的影響顯著。當溫度為25 ℃、N/P為2～3時，氨氮和TN去除率分別為91.96%和87.72%，TP去除率僅為65%；當 N/P為 5～7時，脫氮除磷率分別為 78.82%和59.39%；當N/P為3～5時，氨氮、TN和TP的去除率分別高于88%、84%和91%，脫氮除磷率最高。

（2）在SRT≤10 d、溫度為20 ℃條件下，氨氮、TN和TP去除率分別低于78%、71%和76%。當SRT=15 d、溫度≥20 ℃時，氨氮、TN和TP的去除率分別高于86%、82%和91%。當SRT=20 d、溫度≥20 ℃時，氨氮、TN和TP去除率分別高于87%、80%和80%。SRT過短硝化菌被淘汰，脫氮除磷效果差。當溫度為25 ℃、SRT=15 d時，氨氮、TN和TP去除率分別為88.75%、84.16%和91.37%，脫氮除磷效率最高。

（3）污泥產率 YS隨溫度和污泥齡的增加而降低，長泥齡使系統(tǒng)具有較高的活性污泥總量，降低了污泥產率系數。溫度低時，微生物生長緩慢，MLSS較低，污泥產率高。溫度升高，系統(tǒng)脫氮除磷效果好，出水磷濃度低，污泥含磷率升高。當溫度為35 ℃、SRT=20 d時，污泥污泥產率最低。

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