新型好氧/缺氧/好氧/延長(zhǎng)閑置序批式反應(yīng)器除磷性能

賀 亮

(核工業(yè)二〇三研究所，陜西咸陽(yáng) 712000)

新型好氧/缺氧/好氧/延長(zhǎng)閑置序批式反應(yīng)器除磷性能

賀 亮

(核工業(yè)二〇三研究所，陜西咸陽(yáng) 712000)

近年來(lái)，厭氧/好氧生物除磷技術(shù)得到學(xué)者的普遍關(guān)注，然而該工藝存在對(duì)碳源的依賴程度高、脫氮效率低等弊端。報(bào)道1種新型除磷工藝，即好氧/缺氧/好氧/延長(zhǎng)閑置序批式運(yùn)行反應(yīng)器，同時(shí)還研究初始pH值對(duì)該新型運(yùn)行工藝除磷性能的影響。結(jié)果表明，初始pH值為8時(shí)，該工藝具有最佳除磷性能，且除磷量為(4.01±0.15) mg/g[以單位質(zhì)量揮發(fā)性懸浮固體(VSS)中的含磷量計(jì)]；進(jìn)一步研究其機(jī)制表明，當(dāng)pH值為8.0時(shí)，該運(yùn)行工藝中聚磷菌(PAO)對(duì)聚磷的依賴程度較高，典型周期內(nèi)游離亞硝酸的積累量少是該工藝展現(xiàn)出較好除磷效果的原因。

好氧/缺氧/好氧/延長(zhǎng)閑置(O/A/O/EI)工藝；生物除磷；初始pH值；聚羥基脂肪酸酯(PHA)

近年來(lái)，生物除磷技術(shù)得到廣泛關(guān)注，一方面，該技術(shù)具有投資少、處理效果好等特點(diǎn)，另一方面，該技術(shù)對(duì)環(huán)境造成的二次污染小，從而使得該技術(shù)得到水廠的普遍應(yīng)用[1]。生物除磷技術(shù)主要依賴水體中的聚磷菌(PAO)，這類(lèi)菌群能夠在厭氧的環(huán)境下吸收水體中的有機(jī)物，釋放體內(nèi)的聚磷，并將吸收后的有機(jī)物存儲(chǔ)在體內(nèi)合成聚羥基脂肪酸(PHA)。在隨后的好氧條件下，PAO氧化厭氧條件下合成的PHA，將水體中過(guò)量的磷吸收。最后，通過(guò)排放富含磷的污泥實(shí)現(xiàn)生物除磷[2]。在污水體系中同樣存在另一類(lèi)微生物聚糖菌(GAO)，GAO的生活習(xí)性與PAO具有很大的相似性，只是GAO在好氧條件下不能吸磷，這就造成了GAO與PAO對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，最終導(dǎo)致除磷效果的惡化，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致除磷系統(tǒng)的崩潰[3-4]。

近年來(lái)，單極好氧除磷工藝由于其操作簡(jiǎn)單、除磷效果穩(wěn)定等特點(diǎn)而得到廣泛的研究，如序批式活性污泥法(SBR)在進(jìn)水后未經(jīng)嚴(yán)格厭氧階段而直接曝氣并延長(zhǎng)閑置期(如 210 min)仍能表現(xiàn)出良好的生物除磷性能，并證實(shí)了這種新型除磷工藝厭氧/延長(zhǎng)閑置(O/EI)在除磷能量代謝方面與傳統(tǒng)厭氧/好氧(O/A)工藝存在本質(zhì)的差異[4]。雖然O/EI工藝能夠達(dá)到良好的除磷效果，但是其反硝化脫氮能力確實(shí)不理想，在處理實(shí)際生活污水時(shí)，總氮(TN)的去除效率僅為(43±4)%[5-6]。筆者在研究O/EI工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新型脫氮除磷工藝(O/A/O/EI)，即在O/EI工藝好氧段后添加適當(dāng)時(shí)間的缺氧段以實(shí)現(xiàn)后置缺氧反硝化；另外，在缺氧段后增設(shè)短時(shí)間的好氧段，以吸收缺氧段釋放的磷，該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)更加優(yōu)良的除磷效果，且尚未有相關(guān)報(bào)道。

pH值是污水處理過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)，一方面它能夠影響污水反應(yīng)體系中微生物的活性，另一方面，pH值也可以影響化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)化學(xué)除磷[7-12]。在以往的研究中多通過(guò)反應(yīng)過(guò)程嚴(yán)格控制pH值，然而這在實(shí)際運(yùn)行中并不能很好地契合?？刂瞥跏紁H值更能很好地反映實(shí)際情況，本研究同樣分析不同初始pH值下新型O/A/O/EI反應(yīng)工藝除磷效果的差異，并從代謝機(jī)制方面解釋其中的原因。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行

本試驗(yàn)在3個(gè)相同的玻璃反應(yīng)器(R1、R2、R3)中進(jìn)行，反應(yīng)器的有效容積為1.8 L。3個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行方式：瞬間進(jìn)水→好氧曝氣(120 min)→缺氧攪拌(90 min)→好氧曝氣(60 min)→沉淀出水(30 min)→閑置(180 min)。試驗(yàn)污泥取自長(zhǎng)沙市第一污水處理廠，在實(shí)驗(yàn)室母反應(yīng)器馴化1個(gè)月后取得良好的生物脫氮除磷效果(除磷率>95%，脫氮率>90%)，試驗(yàn)初始活性污泥濃度為3 500 mg/L，污泥停留時(shí)間(SRT)控制在15 d。好氧曝氣采用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行曝氣，空氣流速2 L/min。R1、R2、R3反應(yīng)器初始pH值通過(guò)人工添加0.5 mol/L氫氧化鈉、0.5 mol/L鹽酸分別控制在(6.0±0.1)(7.0±0.1)(8.0±0.1)，反應(yīng)過(guò)程中并不控制pH值。

1.2 試驗(yàn)污水水質(zhì)

研究初始pH值對(duì)O/A/O/EI工藝脫氮除磷性能時(shí)所采用的污水為合成廢水，以乙酸鈉作為單一碳源，進(jìn)水化學(xué)需氧量(COD)約為300mg/L，以磷酸二氫鉀作為磷源，濃度為15 mg/L [以正磷態(tài)磷(PO43--P)計(jì)，下同]，因此碳磷比(C/P)=20 mg/mg(以單位質(zhì)量PO43--P所含COD計(jì)，下同)[12]有利于選擇污泥中的PAO。進(jìn)水氨態(tài)氮(NH3-N)含量為35 mg/L，試驗(yàn)合成廢水其他營(yíng)養(yǎng)成分包括5 mg/L CaCl2、5 mg/L MgSO4、1 mL/L微量元素，微量元素的組成見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

1.3 分析方法

COD、混合液懸浮固體(MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)、溶解性正磷酸鹽(SOP)、氨態(tài)氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽含量的測(cè)定可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法[13]；PHA的測(cè)定采用氣相色譜法[4]，色譜儀的型號(hào)為安捷倫6890N；糖原質(zhì)的測(cè)定采用苯酚-硫酸法[4]；溶解氧(DO)含量的測(cè)定采用便攜式溶解氧儀[13]；pH值的測(cè)定采用玻璃電極法[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 3個(gè)反應(yīng)器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的脫氮除磷性能

3個(gè)反應(yīng)器平行運(yùn)行120 d，出水磷、氮的含量見(jiàn)表1、圖1，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)15 d的pH值馴化，出水水質(zhì)基本趨于穩(wěn)定。為了更加精確地反映單位污泥的脫氮除磷效率，表1列出單位質(zhì)量VSS的脫氮除磷量，可見(jiàn)隨pH值由6.0升高到8.0，單位質(zhì)量VSS的除磷量也由(2.78±0.31) mg/g(以單位質(zhì)量VSS的含磷量計(jì)，下同)升高到(4.01±0.15) mg/g。Zhang等也曾報(bào)道，在初始pH值在7.6～8.0之間時(shí)，A/O工藝有較高的生物除磷(BPR)效率[14]。

表1 穩(wěn)定期單位VSS脫氮除磷量及出水NOx-N含量

注：VSS/SS值為發(fā)揮性有機(jī)質(zhì)在總固體中的比值。

本試驗(yàn)只控制初始pH值，在反應(yīng)過(guò)程中并不嚴(yán)格控制。由圖2可見(jiàn)3個(gè)反應(yīng)器中pH值的大體變化趨勢(shì)：在最初好氧的60 min內(nèi)，pH值逐漸上升，60～90 min內(nèi)，pH值逐漸緩慢下降；在隨后的缺氧時(shí)期，pH值繼續(xù)上升；在第2好氧時(shí)期，pH值再次呈現(xiàn)上升趨勢(shì)并隨后下降；在最后的延長(zhǎng)閑置階段，pH值略有下降。

2.2 典型周期內(nèi)營(yíng)養(yǎng)鹽的變化

為了更好地闡釋初始pH值=8.0時(shí)，O/A/O/EI工藝脫氮除磷效率較高的原因，選取pH值=6.0、8.0這2個(gè)典型pH值作對(duì)比。圖3展示了2個(gè)典型pH值下穩(wěn)定運(yùn)行周期內(nèi)物質(zhì)的變化。由圖3-a、圖3-c可見(jiàn)，R1、R3在周期反應(yīng)的初始磷酸鹽的含量稍有變化，但在30 min后表現(xiàn)出超量吸磷，在第1段好氧時(shí)期的吸磷量分別為19.0、25.1 mg/L。在第1段好氧時(shí)期同時(shí)還存在COD迅速降解、氨氮的氧化及NOx-N的積累，R1、R3中亞硝態(tài)氮的最大積累量分別為7.5、6.3 mg/L，硝態(tài)氮的最大積累量分別為7.1、6.0 mg/L。在缺氧段，R1、R3中發(fā)生了明顯的反硝化作用，但與此同時(shí)R3中發(fā)生了釋磷現(xiàn)象，且釋磷量為1.3 mg/L。在第2好氧時(shí)段，NOx-N濃度在2個(gè)反應(yīng)器中幾乎沒(méi)有發(fā)生變化，在R3中，前期缺氧段釋放的磷在第2好氧期被吸收，同時(shí)R1中也存在少量吸磷。在最后的延長(zhǎng)閑置時(shí)期，R3有明顯的釋磷，釋磷量達(dá)5.4 mg/L，而R1釋磷量不明顯。

2.3 典型周期內(nèi)COD、PHA及糖原質(zhì)的變化

內(nèi)聚物的變化與生物除磷有密切關(guān)系[14-15]。由圖3-b、圖3-d可見(jiàn)，在第1段好氧期，COD迅速被消耗并伴隨著PHA、糖原質(zhì)的積累，R1、R3的PHA最大積累量分別為2.12、3.07 mmol/g(以單位質(zhì)量VSS所含碳的物質(zhì)的量計(jì)，下同)，糖原質(zhì)的最大積累量分別為4.3、5.2 mmol/g(以單位質(zhì)量VSS所含碳的物質(zhì)的量計(jì)，下同)，PHA合成量達(dá)最大值后逐步被氧化分解，PHA及糖原質(zhì)的變化趨勢(shì)與Wang等研究[4]相一致。進(jìn)入缺氧期時(shí)PHA的含量分別為1.62、2.45 mmol/g，經(jīng)過(guò)缺氧期，PHA的含量均大幅降低，PHA在缺氧期的大量降解為反硝化脫氮提供了能量。在第2段好氧期，R3中PHA仍存在小幅降低。延長(zhǎng)閑置階段，糖原質(zhì)在R1中有較大的降解，而在R3中幾乎保持不變，整個(gè)周期中糖原質(zhì)含量在R3中的變化較大。

2.4 初始pH值對(duì)O/A/O/EI中除磷的影響

BPR的實(shí)質(zhì)就是誘導(dǎo)并利用污水中的某些微生物，在一

定條件下過(guò)量攝取磷酸鹽并合成體內(nèi)貯能物質(zhì)聚磷的能力[16]，聚磷在微生物代謝中起到的作用決定了攝磷能力。聚磷在微生物代謝過(guò)程中作為能源物質(zhì)提供能量時(shí)，微生物就能超量攝取污水中的磷酸鹽，BPR得以實(shí)現(xiàn)。

在第2段好氧末期，R1、R3中外在碳源(COD)均已消耗完，PHA含量也已恢復(fù)到初始水平。在延長(zhǎng)閑置階段，PAO維持自身代謝所需的能量來(lái)源于糖原的酵解和聚磷的水解，而以往的研究表明，在糖原質(zhì)、聚磷同時(shí)存在的情況下，糖原質(zhì)將是細(xì)菌維持自身生命活性的最初能源物質(zhì)，直至糖原質(zhì)的含量降到最低為止[17]。R1在延長(zhǎng)閑置時(shí)期仍貯存較高量的糖原質(zhì)，而R3糖原質(zhì)的含量卻降低到第1段好氧初期的水平，R3閑置時(shí)期發(fā)生了較高釋磷(5.4 mg/L)，而R1在延長(zhǎng)閑置時(shí)期釋磷卻不明顯，僅為0.7 mg/L，然而糖原質(zhì)的降解較大[降解量為0.8 mmol/g(以單位質(zhì)量VSS所含碳的物質(zhì)的量計(jì))]，這表明R1在延長(zhǎng)閑置期維持微生物自身生命和代謝所需的能量主要來(lái)源于糖原質(zhì)的酵解與少量聚磷水解，然而R3在延長(zhǎng)閑置時(shí)期所需的能量主要由聚磷的水解提供。聚磷雖然在2個(gè)典型pH值下均起到重要作用，但在R3中作用更大。

PAO-GAO的競(jìng)爭(zhēng)往往是導(dǎo)致A/O工藝中除磷效率降低的原因[21]?；钚晕勰嘞到y(tǒng)中GAO的出現(xiàn)會(huì)與PAO競(jìng)爭(zhēng)污水中有限的碳源，造成BPR系統(tǒng)的惡化[22-23]。Mino等研究發(fā)現(xiàn)，BPR系統(tǒng)中較高的糖原質(zhì)合成與降解表明系統(tǒng)中GAOs活性較強(qiáng)[2，4]。在本研究中，R1糖原質(zhì)的轉(zhuǎn)化量明顯大于R3，從而表明R1中GAO的活性較強(qiáng)。另外，表1中VSS/SS在R1中為0.73±0.07，而在R3中僅為0.53±0.06，Oehmen 等研究表明，污泥系統(tǒng)中VSS/SS較低，說(shuō)明活性污泥系統(tǒng)中有較多的聚磷存在，從而PAO的數(shù)量也較多[21]。這也與R3中VSS的去磷量較R1中多相符合[R3、R1分別為(4.01±0.15)、(2.78±0.31) mg/g(以單位質(zhì)量VSS中的含磷量計(jì))]。Filipe等研究表明，PAO在好氧條件下對(duì)pH值更加敏感，GAO卻受pH值影響較小，并且適當(dāng)提高系統(tǒng)的pH值有助于PAO的生長(zhǎng)[8]。Oehmen等研究表明，當(dāng)系統(tǒng)pH值=8.0時(shí)，A/O工藝具有較高的除磷效率[21]。在本研究中，R3中pH值較R1中高，VSS的除磷性能也較強(qiáng)。

3 結(jié)論

當(dāng)初始pH值=8.0時(shí)，新型O/A/O/EI工藝具有良好的脫氮除磷效率，其脫氮率為(93±2)%，除磷率為(92±3)%，除磷量為(4.01±0.15) mg/g(以單位質(zhì)量VSS的含磷量計(jì))，脫氮量為(5.23±0.27) mg/g(以單位質(zhì)量VSS的含氮量計(jì))。

當(dāng)初始pH值=8.0時(shí)，聚磷發(fā)揮的作用更大，好氧期積累的FNA量較少，GAO的活性較差是BPR效果較好的原因，較多的PHA在后置缺氧期的分解為脫氮提供了充足的能量。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.065

2015-12-07

賀 亮(1984—)，男，陜西咸陽(yáng)人，碩士，工程師，從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)與污染治理研究。E-mail：1225239930@qq.com。

X703

A

1002-1302(2017)02-0225-04

賀 亮. 新型好氧/缺氧/好氧/延長(zhǎng)閑置序批式反應(yīng)器除磷性能[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(2)：225-228.