反應(yīng)時(shí)間和碳磷比對(duì)單級(jí)好氧除磷的影響

彭趙旭， 韓 微, 彭志遠(yuǎn)， 雷志超， 陳 干(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

傳統(tǒng)理論認(rèn)為生物除磷需要在交替的厭氧、好氧環(huán)境中進(jìn)行.厭氧時(shí)聚磷菌(PAOs)吸收揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)合成聚-β-羥基丁酸鹽(PHB)，同時(shí)水解體內(nèi)多聚磷酸鹽放磷；好氧時(shí)，PAOs氧化PHB合成糖原，同時(shí)吸磷生成多聚磷酸鹽.由于吸磷量遠(yuǎn)大于放磷量，因此通過(guò)排放剩余污泥可以實(shí)現(xiàn)除磷[1].近年來(lái)，很多研究發(fā)現(xiàn)單級(jí)好氧條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)生物除磷[2].楊帆等[3]指出其主要原因是微生物對(duì)儲(chǔ)能物質(zhì)的消耗和存貯過(guò)程與傳統(tǒng)途徑存在差異.Wang等[4]發(fā)現(xiàn)單級(jí)好氧運(yùn)行時(shí)糖原能夠代替PHB為吸磷過(guò)程提供能量，但是目前還沒(méi)有單級(jí)好氧生物除磷實(shí)際應(yīng)用的案例[5].如果能夠?qū)崿F(xiàn)，再結(jié)合好氧環(huán)境下的同步硝化反硝化等技術(shù)，勢(shì)必會(huì)開(kāi)發(fā)出新型的生物脫氮除磷工藝.筆者通過(guò)考察好氧時(shí)間和碳磷比這兩個(gè)主要參數(shù)對(duì)單級(jí)好氧除磷工藝的影響，旨在為其實(shí)際應(yīng)用提供理論支持與技術(shù)指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水來(lái)源和水質(zhì)

試驗(yàn)采用人工配水，理論上認(rèn)為微生物體內(nèi)的碳磷比為100∶1.為了強(qiáng)化除磷，配水時(shí)加入了更多的磷.具體配方為每升水中添加0.33～1.32 g CH3COONa·3H2O,0.17 g NH4Cl,0.02～0.04 g KH2PO4, 0.38 g NaHCO3,0.04 g CaCl2·2H2O,0.08 g MgSO4和0.3 mL營(yíng)養(yǎng)液[6].主要水質(zhì)成分及其濃度如表1所示.

表1 廢水水質(zhì)Tab.1 Water quality of wastewater

1.2 試驗(yàn)裝置和方法

SBR反應(yīng)器上部為圓柱形，下部為圓錐體，總有效容積12 L.每周期由進(jìn)水(3 L，進(jìn)水時(shí)曝氣)、曝氣、沉淀、潷水和閑置組成.曝氣末段排放一定體積的泥水混合液來(lái)控制污泥濃度.采用7個(gè)SBR反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間和碳磷比來(lái)考察單級(jí)好氧除磷過(guò)程的變化，具體方式見(jiàn)表2，其中BOD5表示5 d生化需氧量.用SBR1、SBR2和SBR3來(lái)研究反應(yīng)時(shí)間的影響；用SBR3、SBR4、SBR5、SBR1、SBR6、SBR7分別研究PO43--P濃度恒定和碳源濃度恒定時(shí)碳磷比的影響.種泥取自哈爾濱文昌污水處理廠(AO工藝)，均分到7個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行馴化，待性能穩(wěn)定后開(kāi)始試驗(yàn).溫度由加熱棒控制在(21±1) ℃.

表2 不同試驗(yàn)階段的運(yùn)行方式Tab.2 Operation model under different experimental stages

1.3 檢測(cè)分析項(xiàng)目

COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、PO43--P、SV、SVI和MLSS等均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[7].DO(溶解氧)、pH值和ORP(氧化還原電位)用WTW 340i溶解氧儀在線(xiàn)檢測(cè).PHB采用氣相色譜法，具體操作過(guò)程見(jiàn)Wang等[4]介紹的方法.微生物相采用OLYMPUS BX51型光學(xué)顯微鏡觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)單級(jí)好氧除磷的影響

改變反應(yīng)時(shí)間主要影響活性污泥中的微生物種類(lèi)，而改變碳磷比主要影響好氧除磷的代謝途徑，因此本研究?jī)H考察當(dāng)碳磷比為48.8時(shí)反應(yīng)時(shí)間對(duì)好氧除磷的影響.在進(jìn)水末SBR1、SBR2、SBR3中的磷濃度分別為13.81、14.88、15.97 mg/L；在好氧末段，SBR1、SBR2、SBR3中磷濃度分別為2.56、0.37、0.57 mg/L，且除磷性能隨反應(yīng)時(shí)間減小而略有增強(qiáng)(圖1所示).其主要原因是污泥齡不同，3組反應(yīng)器的SRT分別為10.00、8.75、7.50 d，較小的SRT更有助于PAOs的富集，提高除磷效率.

圖1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)單級(jí)好氧除磷的影響Fig.1 Impacts of reaction time on single-stage aerobic phosphorus removal process

雖然是單級(jí)好氧運(yùn)行，但是每周期初期均發(fā)生了明顯的放磷現(xiàn)象.這是因?yàn)樵陔娮邮荏w與電子供體共同存在時(shí)，部分PAOs可以直接從氧化COD的過(guò)程中獲得能量[8]，以保證放磷的進(jìn)行.另外在進(jìn)水階段碳源濃度較高，PAOs吸收乙酸合成PHB的過(guò)程也會(huì)伴隨著放磷.進(jìn)水末期SBR1、SBR2、SBR3中平均每克MLVSS中含有7.88、9.51、10.16 mg的PHB.

PHB的產(chǎn)生常伴隨著微生物的進(jìn)食和饑餓，該過(guò)程是微生物強(qiáng)化碳源貯存作用的體現(xiàn)[9].除PAOs之外，Microthrix parvicella和Nostocoida limicola II 等常見(jiàn)于污泥膨脹和污泥泡沫中的菌，也有強(qiáng)大的有機(jī)物貯存能力[9].這些絲狀菌都非常適應(yīng)好氧環(huán)境，因此污泥沉降性均出現(xiàn)了惡化.

生物除磷中吸收單位乙酸所釋放的磷取決于混合液pH值、PAOs體內(nèi)多聚磷酸鹽含量、糖原含量等許多因素[1].本試驗(yàn)SBR1、SBR2、SBR3吸磷/放磷的平均比值分別為1.07、1.12、1.11，而一般厭氧/好氧除磷系統(tǒng)中該值可達(dá)2.0[10].這是因?yàn)榕c合成PHB相比，合成糖原需要降解的多聚磷酸鹽較少.在單級(jí)好氧條件下，乙酸主要用于糖原等細(xì)胞內(nèi)化合物的合成，故影響了吸磷表現(xiàn)[10].

2.2 碳磷比對(duì)單級(jí)好氧除磷的影響

2.2.1 磷濃度恒定

在磷濃度恒定時(shí)，通過(guò)改變碳源控制SBR4、SBR3、SBR5的進(jìn)水碳磷比分別為96.6、48.8、24.4，除磷性能隨碳磷比的增加顯著增強(qiáng)(圖2所示).進(jìn)水末期SBR4、SBR3、SBR5中平均每克MLVSS中含有22.09、10.16、6.34 mg的PHB，對(duì)應(yīng)的放磷量為436.06、169.23、94.56 mg，兩者近似成正比.進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，停止進(jìn)水后放磷迅速減弱，吸磷逐漸增強(qiáng)，且吸磷主要是在PHB含量較充足的情況下進(jìn)行的，在好氧末期PHB含量已很有限，吸磷過(guò)程趨于停滯.

圖2 碳磷比對(duì)單級(jí)好氧除磷的影響(磷濃度恒定)Fig.2 Impacts of C to P ratio on single-stage aerobic phosphorus removal process (phosphorus concentration constant)

細(xì)胞中的碳磷比在100左右，SBR4的進(jìn)水碳磷比高達(dá)96.6，其磷主要是通過(guò)同化作用去除的.而SBR5的進(jìn)水碳磷比僅為24.4，雖然生物除磷現(xiàn)象較弱，但是磷主要是通過(guò)PAOs的過(guò)量吸收去除的.其原因是低碳磷的條件有助于PAOs在和聚糖菌(GAOs)的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)[11-12].SBR4、SBR3和SBR5中好氧吸磷/放磷比分別為1.04、1.11和1.16，比值越大說(shuō)明PAOs在除磷中所起的作用越大，也驗(yàn)證了上述規(guī)律.

2.2.2 BOD5濃度恒定

BOD5濃度恒定，通過(guò)改變磷控制SBR1、SBR6、SBR7的進(jìn)水碳磷比，碳磷比分別為48.8、32.8和24.4，除磷性能隨碳磷比的減小未出現(xiàn)明顯變化，出水都有不同程度的磷剩余(圖3所示).

圖3 碳磷比對(duì)單級(jí)好氧除磷的影響(BOD5濃度恒定) Fig.3 Impacts of C to P ratio on single-stage aerobic phosphorus removal process (BOD5 concentration constant)

原水碳源一部分經(jīng)過(guò)活性污泥吸附、氧化而被降解.在單個(gè)周期內(nèi)，COD濃度隨時(shí)間均保持在40 mg/L左右，無(wú)明顯波動(dòng).另一部分碳源被吸收合成PHB等內(nèi)碳源，進(jìn)水末期平均每克MLVSS中含有7.88、8.23、8.14 mg的PHB.可見(jiàn)當(dāng)碳源相同時(shí)，碳磷比對(duì)碳源的利用途徑影響不大[13].本階段試驗(yàn)通過(guò)穩(wěn)定碳源濃度，改變磷濃度來(lái)調(diào)節(jié)碳磷比，與第二階段調(diào)節(jié)碳磷比的方式不同，除磷性能幾乎未受任何影響.SBR1、SBR6、SBR7中好氧吸磷/放磷的比值分別為1.07、1.15、1.12.相比改變磷濃度，改變碳源對(duì)除磷的影響更大.

2.3 單級(jí)好氧除磷的原因

本試驗(yàn)各單級(jí)好氧系統(tǒng)都出現(xiàn)了生物除磷跡象，且在SRT小于7.5 d，碳磷比大于24.4時(shí)還近似實(shí)現(xiàn)了完全去除.深入分析每周期在線(xiàn)參數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)存在一些共性規(guī)律，DO和ORP的變化如圖4所示.從圖4中可見(jiàn)，平均DO濃度均在小于0.6 mg/L的低水平.受傳質(zhì)阻力的影響，氧在向活性污泥內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)會(huì)受到強(qiáng)烈抑制，從而在絮體內(nèi)部形成厭氧微環(huán)境[14].

ORP能夠反映混合液的氧化還原狀態(tài)，在生物除磷系統(tǒng)中，還與除磷進(jìn)程關(guān)系密切.一般來(lái)說(shuō)，放磷過(guò)程伴隨著ORP下降，吸磷過(guò)程伴隨著ORP上升.有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)ORP值在-80～-150 mV時(shí)，會(huì)發(fā)生明顯的磷釋放[15].結(jié)合圖2(b)、圖3(b)與圖4(b)分析可見(jiàn)，本試驗(yàn)每周期的ORP數(shù)值也呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì).在進(jìn)水階段ORP一直處于下降狀態(tài)，至進(jìn)水末期均低于-150 mV，且都發(fā)生了顯著放磷.進(jìn)水結(jié)束后隨著好氧反應(yīng)的進(jìn)行， ORP逐漸升高，至好氧末期都超過(guò)了0 mV.但是ORP數(shù)值與吸磷過(guò)程的進(jìn)展程度之間并無(wú)明顯關(guān)系，因?yàn)镺RP主要反映的是環(huán)境的氧化還原狀態(tài)，而吸磷的過(guò)程除了需要有電子受體之外，還與PAOs體內(nèi)的PHB含量、糖原含量等因素有關(guān).

本試驗(yàn)的DO濃度已經(jīng)控制在很低水平，通過(guò)進(jìn)一步降低DO濃度來(lái)強(qiáng)化單級(jí)好氧除磷已很有限.一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)水方式會(huì)對(duì)活性污泥貯存有機(jī)物的過(guò)程產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)水時(shí)間越短越有助于強(qiáng)化貯存作用，而強(qiáng)化貯存作用會(huì)促進(jìn)合成PHB，進(jìn)而影響以乙酸為底物生物除磷系統(tǒng)的性能.本試驗(yàn)進(jìn)水采用一段式連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水時(shí)間集中但是強(qiáng)度有限.若在適當(dāng)提高進(jìn)水強(qiáng)度的情況下采用多段式進(jìn)水，很可能是合理利用碳源強(qiáng)化單級(jí)好氧除磷的有效方法，這還需要進(jìn)一步的研究.

圖4 典型周期中DO和ORP的變化Fig.4 Variations of DO and ORP in a representative cycle

3 結(jié)論

(1) 在DO濃度低于0.6 mg/L的單級(jí)好氧系統(tǒng)中，存在著顯著的生物除磷，且在SRT小于7.5 d，碳磷比大于24.4的情況下還近似實(shí)現(xiàn)了完全除磷.

(2) 在好氧段無(wú)過(guò)度曝氣的情況下，縮短曝氣時(shí)間有助于小幅度地強(qiáng)化生物除磷.進(jìn)水末期活性污泥中的PHB含量與進(jìn)水時(shí)的放磷量近似成正比.

(3) 碳源濃度是影響生物除磷的重要因素.當(dāng)磷濃度恒定時(shí)，增加進(jìn)水碳磷比能夠顯著強(qiáng)化生物除磷效果；當(dāng)碳源濃度恒定時(shí)，增加進(jìn)水碳磷比對(duì)除磷效果影響有限.

(4) 在以乙酸做唯一有機(jī)底物的情況下，低溶解氧環(huán)境中傳質(zhì)受限產(chǎn)生的厭氧微環(huán)境是導(dǎo)致單級(jí)好氧生物除磷發(fā)生的重要原因.