彭趙旭， 王 炬， 婁天宇， 姜 昆， 牛寧琪

(鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，污水處理廠(chǎng)的尾水已成為河湖內(nèi)氮磷的主要來(lái)源，過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)鹽(尤其是磷)易引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化，破壞水生態(tài)平衡。為了提高水環(huán)境質(zhì)量，污水處理廠(chǎng)目前普遍執(zhí)行一級(jí)A(GB 18918—2006)或更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，由于生產(chǎn)的季節(jié)性波動(dòng)，以及部分區(qū)域管網(wǎng)建設(shè)滯后，造成污水廠(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大(例如TP)，導(dǎo)致處理效果不穩(wěn)定。而應(yīng)急性的化學(xué)除磷不但成本高昂，而且產(chǎn)生固廢。因此，在進(jìn)水磷負(fù)荷沖擊下，如何最大化依靠生物除磷實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前有關(guān)進(jìn)水碳磷比對(duì)活性污泥的影響主要表現(xiàn)為系統(tǒng)除磷性能，許多學(xué)者認(rèn)為低碳磷比對(duì)活性污泥系統(tǒng)除磷性能的提高有一定的影響。王榕等[1]發(fā)現(xiàn)低碳磷比時(shí)活性污泥系統(tǒng)對(duì)TP的去除速率均優(yōu)于高碳磷比，低碳磷比有利于富集聚磷菌(PAOs), 部分PAO能夠利用NO3--N和NO2--N作為電子受體實(shí)現(xiàn)反硝化除磷；甄建園等[2]發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低碳磷比可以提高反硝化除磷系統(tǒng)的除磷性能，當(dāng)碳磷比為30時(shí)系統(tǒng)除磷性能最高；彭趙旭等[3]發(fā)現(xiàn)在磷濃度恒定時(shí)，系統(tǒng)除磷性能隨著碳磷比增加而顯著增強(qiáng)，在碳源濃度恒定時(shí)，低碳磷比有助于PAOs在和聚糖菌(GAOs)的競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)。然而，生物除磷與脫氮之間存在碳源競(jìng)爭(zhēng)，且與污泥沉降性關(guān)系密切，但目前關(guān)于進(jìn)水磷沖擊對(duì)脫氮除磷、污泥沉降性等方面綜合影響的研究還鮮有報(bào)道。

鑒于此，本試驗(yàn)以序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)為研究對(duì)象，通過(guò)改變進(jìn)水碳磷比，在以往研究系統(tǒng)脫氮除磷表現(xiàn)的基礎(chǔ)上，探討了污泥沉降性變化，并進(jìn)一步考察了活性污泥微生物的活性及系統(tǒng)pH值、ORP等參數(shù)的變化，為污水廠(chǎng)應(yīng)對(duì)進(jìn)水磷波動(dòng)提供理論借鑒和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水來(lái)源與水質(zhì)

試驗(yàn)采用人工合成廢水,以CH3COONa·3H2O作為碳源，NH4Cl作為氮源，KH2PO4作為磷源，投加NaHCO3補(bǔ)充廢水堿度，投加CaCl2·2H2O和MgSO4以滿(mǎn)足活性污泥微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)要求。合成廢水成分及水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 合成廢水成分及水質(zhì)Table 1 Composition and quality of synthetic wastewater

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

采用SBR進(jìn)行試驗(yàn)。反應(yīng)器上部為圓柱體，下部為圓錐體，總有效容積為12 L(圖1)。反應(yīng)器垂直方向設(shè)置一排間隔10 cm的取樣口，底部設(shè)有放空管。以曝氣砂頭作為微孔曝氣器，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量，恒溫加熱器將溫度控制在(21±1)℃，pH值、DO、ORP探頭置于反應(yīng)器內(nèi)，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)各參數(shù)變化。好氧末期排放污泥混合液100 mL，以使混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度保持在1 800～2 700 mg/L。

1—pH測(cè)定儀；2—加熱棒插頭；3—pH探頭；4—加熱棒；5—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器； 6—ORP測(cè)定儀；7—DO測(cè)定儀；8—DO探頭；9—ORP探頭；10—取樣口； 11—曝氣泵；12—轉(zhuǎn)子流量計(jì)；13—曝氣口；14—放空閥。圖1 SBR反應(yīng)裝置Figure 1 SBR reaction equipment

1.3 技術(shù)路線(xiàn)

試驗(yàn)污泥取自中試規(guī)模厭氧-缺氧-好氧(AAO)反應(yīng)器，處于絲狀菌膨脹狀態(tài)，其污泥容積指數(shù)(SVI)為335.38 mL/g, MLSS的質(zhì)量濃度為2 773 mg/L。試驗(yàn)共運(yùn)行4個(gè)階段142個(gè)周期，在進(jìn)水COD、NH4+-N濃度不變的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)PO43--P來(lái)改變碳磷比，進(jìn)而考察了磷沖擊對(duì)活性污泥系統(tǒng)的影響。具體方式如表2所示。每個(gè)周期的運(yùn)行模式均為首先脈沖進(jìn)水3 L，其次厭氧混合0.5 h,好氧曝氣2 h,靜置沉淀0.5 h,潷水排放1 h,閑置待機(jī)4 h。

表2 不同試驗(yàn)階段的運(yùn)行模式Table 2 Operation mode of different test stages

1.4 檢測(cè)分析項(xiàng)目

COD、MLSS、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLVSS(混合液揮發(fā)性懸浮固體濃度)、SV(污泥沉降比)、SVI、和PO43--P等均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定，利用WTW Multi 340i DO儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)厭氧和好氧階段的DO、pH和ORP，利用光學(xué)顯微鏡OLYMPUS BX51觀(guān)察微生物形態(tài)。比釋磷量和比吸磷量分別按照式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算，比釋磷(比吸磷)速率按照式(3)計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式中：Kr為比釋磷量，mg/g；Ka為比吸磷量，mg/g；c1為厭氧初混合液磷質(zhì)量濃度，mg/L；c2為厭氧末混合液磷質(zhì)量濃度，mg/L；c3為好氧初混合液磷質(zhì)量濃度，mg/L；c4為好氧末混合液磷質(zhì)量濃度，mg/L；V為混合液體積，L；c(MLSS)為混合液污泥質(zhì)量濃度，mg/L；Ur/a為比釋磷(比吸磷)速率，mg/(g·min)；T為釋磷(吸磷)時(shí)間，min。

反硝化和厭氧釋磷消耗COD的量為

反硝化1 g硝酸鹽為N2需要2.86 g COD，考慮到同化作用，實(shí)際需要8.67 g COD。轉(zhuǎn)化1 g亞硝酸鹽為氮?dú)猓紤]到同化作用實(shí)際需要5.20 g COD[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷沖擊負(fù)荷對(duì)污泥沉降性能的影響

試驗(yàn)中SVI的平均變化速率隨碳磷比的降低而減小(圖2)。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，好氧段的比吸磷量與SVI平均變化速率呈極顯著負(fù)相關(guān)(R2為-0.985)。SVI平均變化速率降低意味著污泥沉降性趨于穩(wěn)定，聚磷菌(PAOs)活性較高，可以更好地進(jìn)行釋磷和吸磷，因此好氧段的比吸磷量呈增加趨勢(shì)[5]。

圖2 不同碳磷比下反應(yīng)器SVI值Figure 2 SVI in the reactor at different carbon-phosphorus ratios

2.2 磷沖擊負(fù)荷對(duì)脫氮除磷的影響

生物除磷系統(tǒng)中除PAOs以外，還存在代謝過(guò)程與PAOs類(lèi)似的聚糖菌(GAOs)，但GAOs的代謝過(guò)程中沒(méi)有磷參與[6]，僅消耗外界碳源，因此GAOs的存在會(huì)與PAOs競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)水中的碳源[7]，從而導(dǎo)致PAOs的生長(zhǎng)及活性受到限制。不同的碳磷比會(huì)影響PAOs和GAOs的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，進(jìn)而影響污水生物處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和污染物去除效果。圖3為不同碳磷比下反應(yīng)器比釋磷(比吸磷)量。當(dāng)碳磷比分別為330/8、330/12、330/16、330/20時(shí)，厭氧段比釋磷量分別為4.157、5.779、7.882、8.074 mg/g，好氧段比吸磷量分別為9.502、11.701、11.001、17.764 mg/g。在外界碳源含量相同時(shí)，系統(tǒng)中釋磷量和吸磷量均隨著碳磷比降低呈升高趨勢(shì)。在第3到第4階段，厭氧段釋磷量的少量上升就會(huì)引起好氧段吸磷量的大量增加。研究表明，系統(tǒng)中磷負(fù)荷越高，PAOs相對(duì)GAOs在系統(tǒng)中越占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，除磷效果也越好[8]。本試驗(yàn)中隨著碳磷比降低，PAOs富集且活性增強(qiáng)，在厭氧階段能競(jìng)爭(zhēng)到更多的外部能量用于合成體內(nèi)的PHA，使好氧階段可利用的PHA較多，從而為大量吸磷提供了能量保證，最終表現(xiàn)為較高的除磷效率。

圖3 不同碳磷比下反應(yīng)器比釋磷/比吸磷量Figure 3 Phosphorus release and phosphorus absorption in the reactor at different carbon-phosphorus ratios

好氧段平均DO質(zhì)量濃度與好氧段比吸磷速率、厭氧段比釋磷速率及好氧段比硝化速率之間也呈負(fù)相關(guān)，R2分別為-0.832、-0.950、-0.890，如圖4所示。隨著系統(tǒng)磷含量增加，微生物活性增強(qiáng)，耗氧量相應(yīng)增加，造成溶解氧下降。PAOs好氧吸磷速率是由厭氧釋磷速率決定的，厭氧階段釋磷速率高，磷釋放量較大，聚磷菌體內(nèi)合成的PHB增多，那么在好氧階段由于分解PHB而合成的聚磷酸鹽速率就較高[9]。而當(dāng)PAOs富集后生物除磷利用了更多的有機(jī)物，為自養(yǎng)硝化菌的生長(zhǎng)創(chuàng)造了更好的環(huán)境，因此，比硝化速率也隨之增加[10]。

圖4 不同碳磷比下反應(yīng)器脫氮除磷速率變化Figure 4 Changes of nitrogen and phosphorus removal rate at different carbon-phosphorus ratios

2.3 磷沖擊負(fù)荷對(duì)去除有機(jī)物的影響

反硝化過(guò)程是反硝化菌將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮?dú)?。反硝化菌是一?lèi)化能異養(yǎng)兼性厭氧細(xì)菌，在無(wú)氧時(shí)可利用有機(jī)物做電子供體進(jìn)行反硝化作用[11]。分別計(jì)算反硝化和釋磷消耗的COD，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水碳磷比與比厭氧釋磷消耗的COD呈線(xiàn)性相關(guān)，如圖5所示，表明增加進(jìn)水磷含量將提升厭氧段釋磷所消耗的COD，廢水中有機(jī)物也消耗得越充分。且在系統(tǒng)中由厭氧釋磷消耗的COD遠(yuǎn)高于由反硝化消耗的COD，這說(shuō)明大部分的COD在厭氧階段被用來(lái)除磷，這與王文琪等[12]的研究結(jié)果一致。

圖5 不同碳磷比下反應(yīng)器消耗COD的量Figure 5 COD utilization in the reactor at different carbon-phosphorus ratios

2.4 磷沖擊負(fù)荷對(duì)pH值、ORP、DO的影響

在厭氧階段，系統(tǒng)中的pH值持續(xù)緩慢下降，在厭氧期末達(dá)到谷點(diǎn)，如圖6(a)所示，主要是由聚磷酸鹽在厭氧條件下釋放PO43--P和有機(jī)物水解酸化所致。經(jīng)相關(guān)性分析，pH值的下降速率與厭氧段比釋磷速率密切相關(guān)(R2為0.667)。好氧階段初期PAOs吸磷，且異養(yǎng)菌好氧呼吸產(chǎn)生的CO2不斷被吹脫，pH值持續(xù)上升，隨后由于硝化過(guò)程消耗堿度，pH值上升趨勢(shì)減緩，并在好氧段末期保持穩(wěn)定[13]。在厭氧階段，DO曲線(xiàn)趨近于零，如圖6(b)所示，好氧階段前期DO質(zhì)量濃度仍未上升，主要原因是曝氣后DO被吸附的有機(jī)物消耗了。好氧階段中后期吸附的有機(jī)物完成分解，DO質(zhì)量濃度逐漸上升。ORP曲線(xiàn)在厭氧階段下降速率先快后慢，如圖6(c)所示，分別對(duì)應(yīng)了反硝化和釋磷過(guò)程。至厭氧結(jié)束時(shí)ORP降至谷點(diǎn)，釋磷量達(dá)到最大[14]。隨后在好氧階段由于DO含量升高，ORP曲線(xiàn)不斷上升，并且上升途中形成2個(gè)平臺(tái)期。在好氧初期，因異氧菌降解吸附的有機(jī)物，DO質(zhì)量濃度難以升高，導(dǎo)致ORP緩慢增加形成小平臺(tái)期。當(dāng)吸附的有機(jī)物被降解完，耗氧速率下降，DO質(zhì)量濃度加速升高，ORP曲線(xiàn)也隨之躍遷形成大平臺(tái)。由此可見(jiàn)，厭氧段在線(xiàn)監(jiān)測(cè)ORP有利于嚴(yán)格控制厭氧釋磷條件[15]。

圖6 不同碳磷比下pH值、DO質(zhì)量濃度和ORP值Figure 6 Values of pH，DO and ORP at different carbon-phosphorus ratios

3 結(jié)論

(1)進(jìn)水COD恒定，磷濃度升高引起碳磷比下降時(shí)，厭氧(好氧)運(yùn)行的活性污泥系統(tǒng)會(huì)強(qiáng)化厭氧釋磷對(duì)有機(jī)物的吸收，進(jìn)而提高PAOs活性，改善污泥沉降性。同時(shí)好氧段較少的有機(jī)物為自養(yǎng)硝化菌創(chuàng)造了良好生長(zhǎng)環(huán)境，提高比硝化速率。

(2)通過(guò)分析pH值、ORP、DO曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)，能夠間接掌握系統(tǒng)脫氮除磷進(jìn)程。厭氧階段pH值的下降速率與聚磷菌釋磷速率相關(guān)，ORP下降的最低點(diǎn)與釋磷量最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)。好氧階段ORP曲線(xiàn)出現(xiàn)2個(gè)平臺(tái)期，中間的過(guò)渡段與DO突躍期對(duì)應(yīng)，指示耗氧物質(zhì)降解結(jié)束。

(3)本研究集中于進(jìn)水磷濃度長(zhǎng)期沖擊對(duì)系統(tǒng)的綜合影響，短期間歇性沖擊的影響特點(diǎn)，還需要進(jìn)一步研究。