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?qū)е滤w的富營養(yǎng)化[1]。序批式生物反應(yīng)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(yīng)用[2-3]，近年來受到廣泛關(guān)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(zhì)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(zhì)[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(nèi)（20～35.5 ℃），隨著溫度升高，聚磷菌（polyphosphate accumulating organisms，PAOs）對基質(zhì)的利用能力下降增長速率變慢，PAOs數(shù)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(nèi)關(guān)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(xiàn)，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(guān)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(jīng)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(yīng)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(yīng)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(guān)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(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

AOA-SBR反應(yīng)器采用有機玻璃制成，反應(yīng)器內(nèi)徑為16 cm，有效高度為40 cm，工作容積為3 L。反應(yīng)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(shè)備。通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為300 r/min。pH值、ORP、DO探頭分置于反應(yīng)器內(nèi)，實時監(jiān)測指標的變化。為了分析和檢測方便，設(shè)置3個取樣口。采用KG316T時間繼電器控制每個反應(yīng)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?？刂苝H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(jīng)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(zhì)

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?？刂七M水 COD為300～400 mg/L，進水TP為6～10 mg/L，通過調(diào)節(jié)進水氨氮濃度調(diào)整N/P比分別為2～3、3～5和5～7。進水水質(zhì)見表1。

表1 進水水質(zhì)

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(jié)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(yīng)器內(nèi)，SRT控制在15 d，每個反應(yīng)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(xiàn)，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(jié)果一致。試驗中發(fā)現(xiàn)，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(zhì)的利用能力下降，增長速率變慢，PAOs數(shù)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(zhuǎn)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(xiàn)，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(zhuǎn) 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(chǔ)。當溫度≥20 ℃時，好氧段具有較高的硝化速率，而硝化作用產(chǎn)生的 NO3?-N在缺氧段作為電子受體被充分利用，具體體現(xiàn)為磷被去除的同時，NO3?-N也被去除，且兩者具有適當?shù)谋壤?，充分反?yīng)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(zhuǎn)化，導致出水氨氮濃度較高，根據(jù)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(xiàn)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(yīng)器內(nèi)，控制反應(yīng)器內(nèi)活性污泥SRT分別保持在5 d、10 d、15 d和20 d，每個反應(yīng)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(jié)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(yīng)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(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)化率是后續(xù)反硝化和除磷的基礎(chǔ)。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(chǎn)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(chǎn)率YS和污泥含磷率PC的變化。污泥產(chǎn)率系數(shù)YS采用乘修正系數(shù)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(shù)，F(xiàn)T=1.072(T?15)，（T為溫度，℃）；K一般取經(jīng)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(chǎn)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(nèi)源呼吸作用和微生物間的捕食作用，細胞物質(zhì)的分解代謝加強，合成代謝減弱，導致污泥本身的凈產(chǎn)率系數(shù)變小，能夠?qū)崿F(xiàn)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(chǎn)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?；|(zhì)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(nèi)源呼吸狀態(tài)，微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)時間短，污泥產(chǎn)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(jié) 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(chǎn)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(chǎn)率系數(shù)。溫度低時，微生物生長緩慢，MLSS較低，污泥產(chǎn)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(chǎn)率最低。

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