羅固源，張 園，許曉毅

重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045

SUFR系統(tǒng)中活性污泥特性及反硝化除磷穩(wěn)定性

羅固源，張 園，許曉毅

重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400045

通過試驗考察了螺旋升流式反應(yīng)器(SUFR)系統(tǒng)中活性污泥的特性及ρ(CODCr)和污泥齡(SRT)對反硝化除磷穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明:SUFR系統(tǒng)的活性污泥指數(shù)(SVI)介于50～150 m L/g;污泥活性均在0.75以上;污泥顆粒直徑多在0.7～0.9 mm，屬于小顆粒污泥;污泥沉降性能良好.污泥的比硝化速率(SNR)約為1.95 mg/(g·h)，前0.5 h的比厭氧釋磷速率(SPRR0.5)為26.82 mg/(g·h)，比好氧吸磷速率(ASPUR)為6.04 mg/(g·h)，比缺氧吸磷速率(NSPUR)為4.27 mg/(g·h)，污泥產(chǎn)率系數(shù)約為0.60，對氮磷均有較好的去除能力.SUFR系統(tǒng)反硝化吸磷作用對ρ(CODCr)和SRT都有一定的抗沖擊能力，系統(tǒng)除磷效果對進水ρ(CODCr)的耐沖擊負荷能力較高，但長期在較低SRT下運行會使系統(tǒng)內(nèi)活性污泥量急劇降低，導(dǎo)致處理效果下降.

螺旋升流式反應(yīng)器(SUFR);活性污泥;CODCr;污泥齡

Abstract:The characteristics of activated sludge and effects of influent CODCrand SRT on stability of denitrifying phosphorus removal in a SUFR system were studied.The results obtained were as follows:the SVI was between 50 to 150 m L/g;sludge activity was all over 0.75;sludge grain diameter wasmostly between 0.7 to 0.9 mm，which was small grain sludge;and，sludge settling ability was good.Further results were as follows:SNR of the sludge was about 1.95 mg/(g·h);SPRR0.5was 26.82 mg/(g·h); ASPUR was 6.04 mg/(g·h);NSPUR was 4.27 mg/(g·h);the sludge yield coefficient was about 0.60;and，the SUFR system had a higher removal ability of nitrogen and phosphorus.Denitrifying phosphorus removal in the SUFR system had some shock resistance of influent CODCrand SRT.Phosphorus removal effect had a higher shock resistance of influent CODCr，but the phosphorus removal effects would be decreased over long-term operation on a lower SRT because of a dramatic decrease of activated sludge quantity.

Keywords:spiral up-flow reactor(SUFR);activated sludge;CODCr;SRT

活性污泥是生物反應(yīng)系統(tǒng)中生化反應(yīng)的主體［1-2］，其特性直接關(guān)系到處理單元對污染物的去除效果.研究表明，序批式活性污泥工藝(SBR)中的污泥活性較高［3］.也有學(xué)者指出，系統(tǒng)進水碳源的不同會導(dǎo)致顆粒污泥特性和廢水處理能力的差別［4-7］.此外，碳源對反硝化除磷也有較大的影響，厭氧段碳源濃度越高，釋磷越充分，但未反應(yīng)完全的有機物殘留于后續(xù)缺氧段會對反硝化吸磷產(chǎn)生抑制作用［8］.污泥齡(SRT)對污泥活性的影響也較大，一般當(dāng)SRT為 15 d時，除磷效果較好［9］.

UCT(University of Cape Town)工藝是由南非開普敦大學(xué)在A2O工藝的基礎(chǔ)上研究開發(fā)的.許多學(xué)者對UCT工藝的研究表明，該工藝對氮磷都有較好的去除效果［10］，并且在缺氧反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)明顯的吸磷現(xiàn)象［11］.螺旋升流式反應(yīng)器 (Spiral-Up Flow Reactor，SUFR)系統(tǒng)是在UCT工藝的基礎(chǔ)上利用化工反應(yīng)原理對單個反應(yīng)器進行優(yōu)化設(shè)計開發(fā)出的新型污水處理反應(yīng)器系統(tǒng)［12］(發(fā)明專利號:ZL 03 117335.8).筆者就SUFR系統(tǒng)中活性污泥特性和反硝化除磷穩(wěn)定性加以研究和分析.

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備與用水

試驗采用SUFR反應(yīng)器系統(tǒng)，反應(yīng)器總有效容積為85 L，其中，厭氧反應(yīng)器有效容積為16 L，缺氧反應(yīng)器有效容積為24 L，好氧反應(yīng)器有效容積為45 L.進水流量為9 L/h左右，水力停留時間為9 h，SRT為15 d，好氧反應(yīng)器中上部ρ(DO)為3.0～3.5 mg/L，缺氧反應(yīng)器ρ(DO)為0.5 mg/L.污泥回流比為40%～60%，好氧至缺氧反應(yīng)器混合液回流比為200% ～250%.缺氧至厭氧反應(yīng)器混合液回流比為100%～150%.工藝裝置與流程見圖1.

圖1 SUFR系統(tǒng)裝置與流程Fig.1 Schematic diagram of SUFR system

試驗用水根據(jù)城市生活污水水質(zhì)由校園生活污水加自來水稀釋而成，同時加入奶粉、葡萄糖、碳酸氫鈉、磷酸二氫鉀和氯化銨等營養(yǎng)物質(zhì).試驗污水ρ(CODCr)約 為 250～350 mg/L，ρ(TN)約 為25～40 mg/L，ρ(TP)約為5～8 mg/L，pH為6.5～7.5.

1.2 分析項目與檢測設(shè)備

分析項目:ρ(CODCr)采用重鉻酸鉀法測定; ρ(TP)采用過硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法測定;ρ(TN)采用過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法測定;ρ(-N)采用鈉氏試劑光度法測定; ρ(MLSS)和ρ(MLVSS)采用重量法測定;30 m in沉降百分比(SV30)采用30 min沉降法測定.

檢測設(shè)備:HP－6010型紫外分光光度儀; YSI5100型溶解氧測定儀;XSZ－G型光學(xué)顯微鏡;高壓滅菌鍋;電子天平;ORP－431型pH測定儀等.試驗藥劑購自重慶東方化玻有限責(zé)任公司.

2 結(jié)果與分析

2.1 污泥特性分析

2.1.1 活性污泥沉降性能

在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，測定各反應(yīng)器中活性污泥的沉降性，結(jié)果見表1，其中的數(shù)據(jù)均為多次試驗測量的平均值.一般認為，正常的活性污泥指數(shù)(SVI)介于50～150 m L/g，而測得各反應(yīng)器內(nèi)SVI值都在該范圍內(nèi)，證明SUFR系統(tǒng)的活性污泥沉降性能良好.另外，試驗中各反應(yīng)器中的污泥活性［13］ρ(MLVSS)/ρ(MLSS)均在0.75以上.

表1 各反應(yīng)器中活性污泥活性及沉降性Table 1 The activity and settlement characteristics of sludge in different reactors

圖2為活性污泥鏡檢照片.各反應(yīng)器內(nèi)污泥大多具有較為規(guī)則的球形或橢球形外觀，污泥邊緣與外部界限清晰，污泥粒徑通過 Sauter活性污泥粒徑計算公式［14］得到:

式中，D為污泥粒徑，mm;n為測定的顆粒數(shù)目;a，b分別為污泥顆粒的長和寬，mm.

計算得到污泥粒徑多在0.7～0.9 mm之間，屬于小顆粒污泥.根據(jù)A lphenaar的試驗研究，小顆粒污泥由更多的幼齡細胞組成，有更大的生命力與與生物活性;此外其孔隙率在40% ～80%之間，有利于基質(zhì)的吸附和氣態(tài)物質(zhì)的逸出［15］.

2.1.2 污泥比硝化速率

從缺氧反應(yīng)器出口處取一定量的泥水混合液，在4 000 r/min下離心3 min，用生理鹽水洗滌后再離心3 min，重復(fù)3次后，將離心后的污泥移至1 L的燒杯中，加入配制好的微量元素營養(yǎng)液，并加入NH4Cl，使初始ρ(-N)為20 mg/L，并用1 mol/L的NaOH和 HCl溶液調(diào)節(jié)溶液 pH至7.0左右，同時進行曝氣，每隔 0.5 h取樣分析ρ(NH4+-N).根據(jù)溶液中ρ(NH4+-N)與取樣時間(t)的關(guān)系，繪出回歸曲線，結(jié)果見圖3.

測得ρ(MLVSS)為2 126 mg/L，根據(jù)硝化過程中ρ(NH4+-N)隨時間的變化情況，可得到活性污泥的比硝化速率(SNR)約為1.95 mg/(g·h)，可見系統(tǒng)污泥具有較好的硝化功能.

圖2 鏡檢活性污泥Fig.2 Microphotograph of granular sludge

圖3 比硝化速率試驗中ρ(NH4+-N)變化曲線Fig.3 The ammonia mass concentration in the test for specific nitrification rate

2.1.3 污泥比厭氧釋磷速率

從好氧反應(yīng)器末端取混合液0.5 L，過濾去除上清液，并用生理鹽水清洗離心3次后，將污泥移至錐形瓶中，加入配制好的微量元素營養(yǎng)液，并加入醋酸鈉，使初始ρ(CODCr)在500 mg/L以上，然后密封瓶口防止空氣中氧的干擾，使其處于厭氧狀態(tài)，并通過磁力攪拌保持瓶內(nèi)泥水混合均勻.在0.5 h時取樣測定溶液ρ(TP)，計算前0.5 h的比厭氧釋磷速率:

式中，SPRR為比厭氧釋磷速率，mg/(g·h); ρ(TP)0和ρ(TP)0.5分別為初始時刻和第0.5小時時測得的ρ(TP)，mg/L;t為反應(yīng)時間，h，此處取0.5 h.

試驗得到 SUFR系統(tǒng)中活性污泥的前0.5 h比厭氧釋磷速率(SPRR0.5)為26.82 mg/(g·h)，污泥的厭氧釋磷性能較高.在系統(tǒng)日常運行中，由于沉淀池的回流污泥進入缺氧反應(yīng)器，減少了厭氧反應(yīng)器受回流污泥攜帶 DO和硝態(tài)氮的影響.此外，由于厭氧反應(yīng)器的水力停留時間約為 1.5～1.7 h，保證了聚磷菌的充分釋磷，從而使其釋磷能力得到強化.

2.1.4 污泥比好氧/缺氧吸磷速率

將經(jīng)過厭氧充分釋磷的泥水混合液過濾并用生理鹽水清洗離心3次，再將污泥轉(zhuǎn)移至錐形瓶中，加入0.5 L配制好的微量元素營養(yǎng)液，并加入KH2PO4和 NaNO3，使 ρ(TP)0為40 mg/L，初始ρ(NO3

－-N)為30 mg/L，然后密封瓶口通入氮氣提供缺氧環(huán)境進行缺氧吸磷1 h，然后打開瓶口開始曝氣，溶液中 ρ(DO)約3.5 mg/L.好氧吸磷1 h后，分別取樣測定缺氧和好氧條件下的ρ(TP)和ρ(MLVSS)，并計算聚磷菌在缺氧和好氧條件下的比吸磷速率:

式中，SPUR為比吸磷速率，mg/(g·h);ρ(TP)t為t時刻測得的ρ(TP)，mg/L.

試驗測得比好氧吸磷速率(ASPUR)為6.04 mg/(g·h)，比缺氧吸磷速率(NSPUR)為4.27 mg/(g·h).計算具有反硝化吸磷能力的反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例［16-17］:

式中，RDPAO為具有反硝化除磷能力的反硝化聚磷菌占總聚磷菌的比例，%;qan為缺氧反硝化吸磷速率，mg/(g·h);qae為好氧吸磷速率，mg/(g·h).

通過計算得出反硝化吸磷菌在全部聚磷菌中約占70.7%，表明 SUFR系統(tǒng)中活性污泥的反硝化能力較高.由于好氧反應(yīng)器中硝化液回流至缺氧反應(yīng)器中，促進了缺氧反應(yīng)器中的反硝化作用，有利于反硝化聚磷菌利用厭氧階段體內(nèi)貯存的有機顆粒在缺氧環(huán)境下進行反硝化吸磷和反硝化聚磷菌的富集.

2.1.5 污泥產(chǎn)率

在穩(wěn)態(tài)條件下系統(tǒng)各反應(yīng)器中污泥濃度的數(shù)值相對穩(wěn)定，此時系統(tǒng)出水中帶出的污泥量即為污泥的增長量，故污泥產(chǎn)率系數(shù)(Y)可以按照下式計算:

式中，Q為出水流量，試驗中為9 L/h;Xe為出水中揮發(fā)性固體ρ(MLVSS)，mg/L;ρ(S0)為進水有機物質(zhì)量濃度，mg/L，以CODCr計;ρ(Se)為出水有機物質(zhì)量濃度，mg/L，以CODCr計.

系統(tǒng)在穩(wěn)定運行下，測得Xe為 0.218 g/L，ρ(S0)為379 mg/L，ρ(Se)為14 mg/L.將其帶入上式得出SUFR系統(tǒng)的污泥產(chǎn)率系數(shù)(Y)約為0.60，比傳統(tǒng)活性污泥法小15%左右［18］.SUFR系統(tǒng)的好氧反應(yīng)器中ρ(DO)一般為3.0～3.5 mg/L，因此微生物代謝速率較快，而大部分有機物在厭氧和缺氧反應(yīng)器中已經(jīng)去除，微生物在好氧反應(yīng)器中內(nèi)源消耗量較多，異化作用有優(yōu)勢，所以其污泥產(chǎn)率比傳統(tǒng)活性污泥法要小些.

2.2 反硝化除磷系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

2.2.1 CODCr對穩(wěn)定運行的影響

其他營養(yǎng)物質(zhì)濃度不變，使系統(tǒng)進水ρ(CODCr)分別為100～200，200～300，300～400，400～500和 500～600 mg/L，測定不同進水ρ(CODCr)時系統(tǒng)的除磷效果，結(jié)果見圖4.

從圖4可以看出，缺氧反硝化吸磷量隨著進水ρ(CODCr)增高呈先變大后減小趨勢，在進水ρ(CODCr)為200～300 mg/L時達到最大.當(dāng)進水ρ(CODCr)高于300～400 mg/L時，缺氧反應(yīng)器內(nèi)ρ(CODCr)普遍升至60 mg/L以上，外碳源濃度較高的情況下會優(yōu)先支持反硝化脫氮［19］.但在試驗的ρ(CODCr)范圍內(nèi)，缺氧反應(yīng)器內(nèi)都仍有一定程度的吸磷，這表明缺氧段的反硝化吸磷作用對CODCr也有一定的抗沖擊能力.此外，厭氧釋磷量和好氧吸磷量都隨著進水ρ(CODCr)的升高而升高，在進水ρ(CODCr)高于200 mg/L后，TP去除率普遍高于90%.可見SUFR系統(tǒng)的除磷效果對進水CODCr沖擊負荷有較高的耐受力.

圖4 不同進水ρ(CODCr)下TP的去除率Fig.4 Phosphorus removal at variety of influent CODCrmass concentration

2.2.2SRT對穩(wěn)定運行的影響

其他運行條件不變，使系統(tǒng)在SRT分別為8，15，20和25 d以及不排泥條件下運行，測定不同SRT下系統(tǒng)的除磷效果，結(jié)果見圖5.

圖5 不同SRT下TP的去除率Fig.5 Phosphorus removal at variety of SRT

從圖5可以看出，隨著SRT的升高，缺氧反硝化吸磷量有所下降.生物除磷理論認為［20］:較長的泥齡會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)糖原累計和非聚磷微生物的增長，從而使系統(tǒng)的除磷效率大幅降低;同時污泥趨于老化，進而通過自身的氧化使體內(nèi)的磷釋放到水中.此外，隨著SRT的升高，厭氧釋磷量和好氧吸磷量及TP去除率也都有所下降.但從數(shù)據(jù)上看，TP去除率在不排泥的條件下仍然可以達到80%以上，這說明 SUFR系統(tǒng)的除磷效果對SRT變化有一定耐沖擊能力，另外這也和SUFR系統(tǒng)自身污泥產(chǎn)率較傳統(tǒng)活性污泥法低有關(guān).此外，試驗還考察了系統(tǒng)長期在SRT為8 d時運行的處理效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1周后各反應(yīng)器內(nèi)ρ(MLSS)普遍降至1 500 mg/L以下，好氧反應(yīng)器內(nèi)ρ(MLSS)僅有900 mg/L左右，而TP的去除率也降至60%左右.表明由于系統(tǒng)的污泥產(chǎn)率不高，長期在較低SRT下運行會使系統(tǒng)內(nèi)活性污泥量急劇降低并使處理效果下降.

3 結(jié)論

a.SUFR系統(tǒng)的SVI值介于50～150 m L/g，活性污泥的沉降性能良好;污泥活性ρ(MLVSS)/ ρ(MLSS)均在 0.75以上;污泥顆粒直徑多在0.7～0.9 mm之間，屬于小顆粒污泥.

b.SUFR系統(tǒng)活性污泥的SNR約為 1.95 mg/(g·h)，SPRR0.5為 26.82 mg/(g·h)，ASPUR為6.04 mg/(g·h)，NSPUR為4.27 mg/(g·h)，Y約為0.60，對氮磷有較好的去除能力.

c.SUFR系統(tǒng)缺氧反應(yīng)器內(nèi)的反硝化吸磷作用對ρ(CODCr)有一定的抗沖擊能力，系統(tǒng)除磷效果對進水ρ(CODCr)沖擊負荷有較高耐受力;SUFR系統(tǒng)的除磷效果對SRT變化有一定耐沖擊能力，但長期在較低SRT下運行會使系統(tǒng)內(nèi)活性污泥量急劇降低導(dǎo)致處理效果下降.

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Characteristics o f Activated Sludge and Stability o f Denitrifying Phosphorus Rem ova l in SUFR System

LUO Gu-yuan，ZHANG Yuan，XU Xiao-yi
Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment，M inistry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，China

X505

A

1001－6929(2011)01－0085－05

2010－08－07

2010－09－13

科學(xué)技術(shù)部國際合作項目(2007DFA90660);重慶市科技攻關(guān)計劃項目(2006AA7003，2006BB7305)

羅固源(1944－)，男，重慶人，教授，博士，主要從事水污染控制理論技術(shù)研究，gyluo@cqu.edu.cn.