賀 亮

(核工業(yè)二〇三研究所，陜西咸陽 712000)

新型好氧/缺氧/好氧/延長閑置序批式反應(yīng)器除磷性能

賀 亮

(核工業(yè)二〇三研究所，陜西咸陽 712000)

近年來，厭氧/好氧生物除磷技術(shù)得到學(xué)者的普遍關(guān)注，然而該工藝存在對碳源的依賴程度高、脫氮效率低等弊端。報道1種新型除磷工藝，即好氧/缺氧/好氧/延長閑置序批式運行反應(yīng)器，同時還研究初始pH值對該新型運行工藝除磷性能的影響。結(jié)果表明，初始pH值為8時，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]；進一步研究其機制表明，當(dāng)pH值為8.0時，該運行工藝中聚磷菌(PAO)對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，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，另一方面，該技術(shù)對環(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)，這類菌群能夠在厭氧的環(huán)境下吸收水體中的有機物，釋放體內(nèi)的聚磷，并將吸收后的有機物存儲在體內(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，將水體中過量的磷吸收。最后，通過排放富含磷的污泥實現(xiàn)生物除磷[2]。在污水體系中同樣存在另一類微生物聚糖菌(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對碳源的競爭，最終導(dǎo)致除磷效果的惡化，情況嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致除磷系統(tǒng)的崩潰[3-4]。

近年來，單極好氧除磷工藝由于其操作簡單、除磷效果穩(wěn)定等特點而得到廣泛的研究，如序批式活性污泥法(SBR)在進水后未經(jīng)嚴(yán)格厭氧階段而直接曝氣并延長閑置期(如 210 min)仍能表現(xiàn)出良好的生物除磷性能，并證實了這種新型除磷工藝厭氧/延長閑置(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工藝能夠達到良好的除磷效果，但是其反硝化脫氮能力確實不理想，在處理實際生活污水時，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)時間的缺氧段以實現(xiàn)后置缺氧反硝化；另外，在缺氧段后增設(shè)短時間的好氧段，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)報道。

pH值是污水處理過程中的一個重要參數(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)過程，實現(xiàn)化學(xué)除磷[7-12]。在以往的研究中多通過反應(yīng)過程嚴(yán)格控制pH值，然而這在實際運行中并不能很好地契合。控制初始pH值更能很好地反映實際情況，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，并從代謝機制方面解釋其中的原因。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行

本試驗在3個相同的玻璃反應(yīng)器(R1、R2、R3)中進行，反應(yīng)器的有效容積為1.8 L。3個反應(yīng)器的運行方式：瞬間進水→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)。試驗污泥取自長沙市第一污水處理廠，在實驗室母反應(yīng)器馴化1個月后取得良好的生物脫氮除磷效果(除磷率>95%，脫氮率>90%)，試驗初始活性污泥濃度為3 500 mg/L，污泥停留時間(SRT)控制在15 d。好氧曝氣采用空氣壓縮機進行曝氣，空氣流速2 L/min。R1、R2、R3反應(yīng)器初始pH值通過人工添加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)過程中并不控制pH值。

1.2 試驗污水水質(zhì)

研究初始pH值對O/A/O/EI工藝脫氮除磷性能時所采用的污水為合成廢水，以乙酸鈉作為單一碳源，進水化學(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，下同]，因此碳磷比(C/P)=20 mg/mg(以單位質(zhì)量PO43--P所含COD計，下同)[12]有利于選擇污泥中的PAO。進水氨態(tài)氮(NH3-N)含量為35 mg/L，試驗合成廢水其他營養(yǎng)成分包括5 mg/L CaCl2、5 mg/L MgSO4、1 mL/L微量元素，微量元素的組成見文獻[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、硝酸鹽含量的測定可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢測方法[13]；PHA的測定采用氣相色譜法[4]，色譜儀的型號為安捷倫6890N；糖原質(zhì)的測定采用苯酚-硫酸法[4]；溶解氧(DO)含量的測定采用便攜式溶解氧儀[13]；pH值的測定采用玻璃電極法[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 3個反應(yīng)器長期穩(wěn)定運行的脫氮除磷性能

3個反應(yīng)器平行運行120 d，出水磷、氮的含量見表1、圖1，可見經(jīng)過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，下同)升高到(4.01±0.15) mg/g。Zhang等也曾報道，在初始pH值在7.6～8.0之間時，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)揮性有機質(zhì)在總固體中的比值。

本試驗只控制初始pH值，在反應(yīng)過程中并不嚴(yán)格控制。由圖2可見3個反應(yīng)器中pH值的大體變化趨勢：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；在隨后的缺氧時期，pH值繼續(xù)上升；在第2好氧時期，pH值再次呈現(xiàn)上升趨勢并隨后下降；在最后的延長閑置階段，pH值略有下降。

2.2 典型周期內(nèi)營養(yǎng)鹽的變化

為了更好地闡釋初始pH值=8.0時，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個典型pH值作對比。圖3展示了2個典型pH值下穩(wěn)定運行周期內(nèi)物質(zhì)的變化。由圖3-a、圖3-c可見，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段好氧時期的吸磷量分別為19.0、25.1 mg/L。在第1段好氧時期同時還存在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好氧時段，NOx-N濃度在2個反應(yīng)器中幾乎沒有發(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R1中也存在少量吸磷。在最后的延長閑置時期，R3有明顯的釋磷，釋磷量達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，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，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，下同)，PHA合成量達最大值后逐步被氧化分解，PHA及糖原質(zhì)的變化趨勢與Wang等研究[4]相一致。進入缺氧期時PHA的含量分別為1.62、2.45 mmol/g，經(jīng)過缺氧期，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，整個周期中糖原質(zhì)含量在R3中的變化較大。

2.4 初始pH值對O/A/O/EI中除磷的影響

BPR的實質(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程中作為能源物質(zhì)提供能量時，微生物就能超量攝取污水中的磷酸鹽，BPR得以實現(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。在延長閑置階段，PAO維持自身代謝所需的能量來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在延長閑置時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閑置時期發(fā)生了較高釋磷(5.4 mg/L)，而R1在延長閑置時期釋磷卻不明顯，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)]，這表明R1在延長閑置期維持微生物自身生命和代謝所需的能量主要來源于糖原質(zhì)的酵解與少量聚磷水解，然而R3在延長閑置時期所需的能量主要由聚磷的水解提供。聚磷雖然在2個典型pH值下均起到重要作用，但在R3中作用更大。

PAO-GAO的競爭往往是導(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)會與PAO競爭污水中有限的碳源，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[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。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)]。Filipe等研究表明，PAO在好氧條件下對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[8]。Oehmen等研究表明，當(dāng)系統(tǒng)pH值=8.0時，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。

3 結(jié)論

當(dāng)初始pH值=8.0時，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)，脫氮量為(5.23±0.27) mg/g(以單位質(zhì)量VSS的含氮量計)。

當(dāng)初始pH值=8.0時，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，陜西咸陽人，碩士，工程師，從事環(huán)境影響評價與污染治理研究。E-mail：1225239930@qq.com。

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1002-1302(2017)02-0225-04

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