改良氧化溝活性污泥ORP的調控及對磷吸收/釋放的影響

　　水體富營(yíng)養化是當前我國水環(huán)境存在的主要問(wèn)題之一，太湖、滇池和巢湖等重點(diǎn)流域湖泊幾乎每年都會(huì )發(fā)生大規模的藍藻暴發(fā)，造成水質(zhì)惡化，嚴重影響了區域社會(huì )和諧與經(jīng)濟的穩定發(fā)展。造成水體富營(yíng)養化的主要原因是氮、磷等營(yíng)養物進(jìn)入到水體。城鎮污水處理廠(chǎng)是水環(huán)境磷負荷的重要來(lái)源，為了保護水環(huán)境，必須對城鎮污水處理廠(chǎng)的磷排放量進(jìn)行削減。污水處理廠(chǎng)生物除磷主要通過(guò)2 種機制來(lái)完成，生物同化作用除磷和強化生物除磷(EBPR)。由于同化作用對磷的吸收量有限，因而EBPR 是污水生物處理過(guò)程去除磷的主要途徑。國內外許多研究者對EBPR 的機理進(jìn)行了深入探討，并對EBPR 過(guò)程影響除磷效率的因素進(jìn)行了大量的研究。

　　在EBPR 工藝中，污泥處于厭氧狀態(tài)下的磷的充分釋放是好氧磷吸收的關(guān)鍵，也是影響整個(gè)工藝磷去除效率的關(guān)鍵因素，指示污泥處于厭氧狀態(tài)的氧化還原電位(ORP)，是反映污泥性能的重要指標。國內外實(shí)驗研究結果也表明，ORP 可以作為關(guān)鍵指標驗證污泥的狀態(tài)，并且可以作為優(yōu)化曝氣效率的指標。早年有文獻報道磷的釋放和低的ORP 之間有較好的線(xiàn)性關(guān)系，ORP 越低，釋放磷的能力越強，盡管如此，ORP 本身作為指標只是反映了系統的厭氧程度，對非含磷污泥，ORP 再低也不會(huì )有磷的釋放。對于特定的含磷污泥，實(shí)踐證明ORP 確實(shí)是控制磷釋放的關(guān)鍵因素，因而對不同EBPR 工藝的磷的釋放和ORP 之間的關(guān)系仍值得探索和研究。但是，迄今為止在典型的EBPR 工藝中如何對系統的ORP 進(jìn)行調控，應該調控到何種程度，哪些因素控制了系統ORP 的高低，仍缺乏研究。本研究以穩定運行的改良Carrousel 氧化溝工藝系統的污泥為研究對象，探索了影響和控制污泥ORP 狀態(tài)的因素，同時(shí)研究了ORP 對污泥磷釋放/吸收的影響。

　　1 試驗與分析方法

　　1.1 試驗方法

　　每次取改良的Carrousel 氧化溝工藝活性污泥 2.5 L(除說(shuō)明外，污泥取自合肥經(jīng)濟技術(shù)開(kāi)發(fā)區污水處理廠(chǎng)，回流污泥)，取回實(shí)驗室后迅速均勻地分散放在5 個(gè)0.5 L 錐形瓶?jì)�，加保鮮膜覆蓋密封(對照實(shí)驗未密封);分別加入不同濃度的有機物，有機物種類(lèi)有葡萄糖、乙酸鈉、丙酸鈉、丁酸鈉等;恒溫振蕩，振蕩速度為100 r/min;間隔一定時(shí)間取樣測試 ORP、DO、溶解性TP。取樣測試ORP 和DO 時(shí)要小心操作，避免空氣中的氧溶解進(jìn)入水樣。測試溶解性 TP 時(shí)，在取樣后需立即將污泥過(guò)濾去除。每次進(jìn)行 1 組實(shí)驗，實(shí)驗結束后重新到污水廠(chǎng)取污泥樣品。

　　1.2 測試分析方法

　　總磷/溶解性總磷：鉬酸銨分光光度法;氧化還原電位：ORP 測量?jì)x(ORP-412，上�？祪x儀器有限公司);溶解氧：DO 測量?jì)x(JPB-607，上海雷磁儀器廠(chǎng))。

　　2 結果與討論

　　2.1 新鮮污泥加入有機物后ORP 的變化和磷釋放

　　新鮮污泥加入不同濃度的乙酸鈉后ORP 的變化情況如圖 1 所示。

　　圖 1 新鮮污泥加入乙酸鈉后ORP 的變化(25 ℃)

　　試驗結果表明，在反應器未密封的條件下，反應過(guò)程中DO 濃度甚至有所增加，約從起始階段的平均1.5 mg/L 左右增加到3 h 時(shí)的2.2 mg/L 左右，系統ORP 也有所增加，約從起始階段的平均170 mV增加到280 mV，說(shuō)明在DO 濃度較高的情況下決定系統ORP 的是溶解氧。當反應器完全密封后，ORP 隨著(zhù)反應的進(jìn)行而迅速降低，反應進(jìn)行到2 h 時(shí)，反應器內DO 平均約為0.34 mg/L，3 h 以后幾乎為0，說(shuō)明當系統溶解氧較低時(shí)，系統的ORP 不是由氧決定的。

　　實(shí)驗結果說(shuō)明，在反應器振蕩且未密封的情況下，系統由于獲得了一定的氧供給，ORP 增加，污泥不能正常釋放磷。實(shí)際測量反應器未密封情況下的溶解性TP，發(fā)現污泥中溶解性TP 從0 時(shí)刻的平均 0.55 mg/L 降低到3 h 時(shí)的0.41 mg/L，說(shuō)明不但沒(méi)有發(fā)生厭氧磷的釋放，反而發(fā)生磷的吸收，由于此時(shí)系統內DO 濃度較高，污泥發(fā)生磷的吸收是正�，F象。相反的，當反應器處于完全密封狀態(tài)時(shí)，由于ORP 迅速降低，從0 時(shí)刻的100～180 mV 降低到3 h 時(shí)的接近于0，此時(shí)磷開(kāi)始有釋放，溶解性TP 從0 時(shí)刻的0.49 mg/L 增加到3 h 時(shí)的0.52 mg/L 左右，繼而到24 h 時(shí)的5.8～6.9 mg/L。加入不同濃度的乙酸鈉對磷的釋放量有一定的影響，總體規律是加入乙酸鈉越多，磷釋放量越多，但影響并不強烈，說(shuō)明碳源濃度并非影響磷釋放的關(guān)鍵因素。前3~4 h，ORP 維持較高，系統磷釋放量很少，反應后期，ORP 較低，磷釋放也迅速增加。

　　為了比較不同污泥的有機物加入對ORP 的影響，選擇采用合肥望塘污水處理廠(chǎng)的新鮮污泥在反應器密封條件下進(jìn)行了對比試驗，該污水處理廠(chǎng)污水處理工藝也為改良氧化溝，結果見(jiàn)圖 2。

　　圖 2 望塘廠(chǎng)新鮮污泥加入乙酸鈉后ORP 的變化(25 ℃)

　　由圖 2 可知，系統的ORP 從起始的80～150 mV 降至8 h 的-30～-80 mV 左右，反應時(shí)間進(jìn)一步延長(cháng)，ORP 基本不再降低。其結果與前者基本相同，即在反應器密封的情況下，隨著(zhù)厭氧微生物的代謝，系統ORP 會(huì )降低，加入有機物與不加入有機物相比，加入有機物ORP 會(huì )更低一些，但變化不是非常顯著(zhù)。

　　李圭白等〔12, 13〕則認為，對于一般的厭氧生物處理工藝，即使按照厭氧微生物繁殖的最低限度ORP 為-100 mV 考慮，按照Nernst 方程計算溶解氧濃度也低達10-56 mol/L，所以當系統ORP 較低時(shí)，系統的 ORP 顯然不是由溶解氧所決定。戴樹(shù)桂〔14〕認為，在有機物累積的厭氧環(huán)境中，有機物是“決定電位”物質(zhì)。實(shí)驗結果說(shuō)明，在DO 濃度較高的情況下，系統的ORP 決定于DO 的濃度，隨著(zhù)DO 濃度的降低， ORP 迅速隨之降低。當溶解氧消耗完畢或接近完畢時(shí)，控制系統ORP 的因素較為復雜，有機物的濃度是其中的因素之一，但系統在厭氧狀態(tài)下其ORP 的高低不是取決于有機物濃度的大小，而是厭氧微生物的代謝和活性。由于厭氧微生物世代時(shí)間較長(cháng)，所以對于一定的污泥來(lái)說(shuō)，其微生物活性短時(shí)間內不因為加入有機物的多少而顯著(zhù)變化，所以系統的 ORP 高低雖然受到有機物的濃度的影響，但不是由有機物濃度決定。相同條件下有機物濃度越大，則 ORP 越低。對于EBPR 工藝的污泥，在厭氧狀態(tài)下 ORP 是由哪些反應來(lái)控制值得進(jìn)一步研究。

　　2.2 有機物種類(lèi)對ORP 的影響

　　以乙酸鈉為碳源的試驗結果表明，有機物濃度不是決定ORP 高低的主要因素，那么其他種類(lèi)有機物是否會(huì )表現出不同的結果，對此，以葡萄糖、丙酸鈉、丁酸鈉等為碳源進(jìn)行了試驗，新鮮污泥加入葡萄糖后ORP 的變化如圖 3 所示。

　　圖 3 新鮮污泥加入不同濃度葡萄糖后ORP 的變化(25 ℃)

　　由圖 3 可知，其結果與加入乙酸鈉很類(lèi)似，起始時(shí)刻系統的ORP 在150～220 mV 之間，DO 為1.8 mg/L，隨著(zhù)反應的進(jìn)行，當達到3 h 左右時(shí)，系統的 ORP 降低到0 左右，DO 也接近于0，而反應到8 h 時(shí)，ORP 約為-50～-60 mV。實(shí)驗結果再次說(shuō)明，污泥系統厭氧狀態(tài)下的ORP 高低主要是微生物代謝決定的，但有機物濃度對ORP 高低也有一定影響，有機物濃度越高，ORP 越低。

　　根據Nernst 方程，厭氧反應系統中的ORP 高低由系統的主要厭氧反應的氧化產(chǎn)物和還原物(有機物)濃度所決定，當同時(shí)存在多個(gè)厭氧的氧化還原反應時(shí)，則由多個(gè)反應共同控制。對于 EBPR 工藝的污泥來(lái)說(shuō)，聚磷菌只是厭氧微生物的組成部分，而并非系統的主要厭氧微生物，所以聚磷菌的代謝活動(dòng)將不是決定系統ORP 高低的決定性因素，所以無(wú)論加入何種有機物，對系統的ORP 來(lái)說(shuō)，與不加有機物相比，系統的ORP 不會(huì )有很大的差距。試驗結果與此結論相吻合，即無(wú)論是哪種有機物都不會(huì )對系統的ORP 產(chǎn)生顯著(zhù)影響。這說(shuō)明，采用加入有機物(碳源)的方法不能顯著(zhù)降低系統的ORP。

　　2.3 陳污泥加入有機物后ORP 的變化和磷釋放

　　污泥陳放一定時(shí)間后，微生物的活性降低，如果系統的ORP 由微生物代謝決定，則理論上ORP 值與新鮮污泥相比會(huì )較高一些。將從望塘污水處理廠(chǎng)取來(lái)的污泥密封，不做任何處理，分別在24 h 和 48 h 后加入乙酸鈉，其ORP 的變化見(jiàn)圖 4。

　　圖 4 陳污泥加入乙酸鈉后ORP 的變化(25 ℃)

　　由圖 4 可知，陳放24 h 的污泥加入乙酸鈉后，起始的ORP 在-30～-50 mV 左右，加入乙酸鈉濃度較高者，ORP 較低。隨著(zhù)反應振蕩進(jìn)行，ORP 僅略有降低，48 h 后僅僅維持在-40～-60 mV 左右的水平。而陳放48 h 的污泥，加入乙酸鈉后ORP 也是僅略有降低，反應一定時(shí)間后ORP 反而有所增加。污泥陳放一定時(shí)間后，由于系統在陳放過(guò)程中無(wú)任何有機物，污泥活性逐漸降低，即使加入有機物其ORP 的降低也不再顯著(zhù)，說(shuō)明維持系統低的ORP 主要不是有機物的濃度，而是厭氧微生物的活性，但是有機物濃度對ORP 有一定的影響。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　污泥陳放24 h 后，污泥中溶解性TP 為3.1 mg/L，顯然24 h 陳化過(guò)程中磷的釋放已經(jīng)較多，加入不同質(zhì)量濃度的乙酸鈉后(0、20、50、100、200 mg/L)，再恒溫振蕩24 h，溶解性TP 分別為6.7、8.2、8.0、 8.3、8.4 mg/L，說(shuō)明沒(méi)有外加碳源污泥的磷釋放也是可以發(fā)生的，外加乙酸鈉后磷的釋放有所增加，其與文獻報道的結果相符〔15〕。選用丙酸鈉或丁酸鈉等，可以得到近似的結果。進(jìn)一步延長(cháng)試驗時(shí)間，結果發(fā)現污泥磷的釋放速率到3 d 后明顯減緩，試驗進(jìn)行到 120 h 時(shí)，釋放出的溶解性TP 為10.4～11.7 mg/L。

　　3 結論

　　對穩定運行的改良氧化溝工藝系統，在DO 濃度較高的情況下，系統的ORP 主要由溶解氧決定，在DO 濃度較低或幾乎為0 的情況下，系統的ORP 主要由厭氧微生物活性決定。有機物的濃度對系統的ORP 有一定的影響，但影響微弱;有機物種類(lèi)對污泥的ORP 無(wú)明顯影響。

　　為了滿(mǎn)足磷的釋放，系統的ORP 要低，適宜在 -50 mV 以下，為了控制較低的ORP，要盡量將氧消耗盡，提高厭氧微生物的代謝活性或提高厭氧微生物濃度和有機物濃度是可以操作的控制措施。

　　對含有較低DO 濃度的改良氧化溝工藝回流污泥來(lái)說(shuō)，在密封反應且有機物充足的條件下需要3~ 4 h 可以將溶解氧消耗殆盡。而磷的釋放在前3~4 h 較慢，溶解氧消耗盡后磷釋放速率顯著(zhù)加快，一直可以維持3~5 d，說(shuō)明充分的厭氧和足夠低的ORP 是該種污泥釋放磷所必需的條件。