污泥齡對A/A工藝反硝化除磷效能的影響

　　近年來(lái)，反硝化除磷技術(shù)已成為污水處理研究領(lǐng)域熱點(diǎn)問(wèn)題，反硝化除磷技術(shù)不但減少了聚磷菌胞內聚羥基烷酸(PHA)的無(wú)謂消耗、減少需氧量、降低能耗，達到了“一碳二用”的目的，解決了傳統工藝中脫氮和除磷兩個(gè)過(guò)程在碳源爭奪問(wèn)題上的矛盾，并且減少了剩余污泥排放量，在滿(mǎn)足深度污水處理要求前提下，降低了運行費用。

　　污水中磷的去除是以排放剩余污泥來(lái)實(shí)現的，如果污泥齡SRT維持較短則可能導致MLSS濃度變低，無(wú)法保證系統的正常運行，過(guò)高的SRT會(huì )對工藝的除磷效果產(chǎn)生影響，因此，合理地控制SRT是污水除磷關(guān)鍵。泥齡不僅體現了微生物的生長(cháng)環(huán)境和世代周期，而且影響污泥系統的處理效率、出水水質(zhì)和產(chǎn)泥量。目前，國內外學(xué)者關(guān)于污泥齡對反硝化除磷效果的影響有一定的研究，但關(guān)于污泥齡對NO2--N作為電子受體的反硝化除磷機理的深入研究較少。

　　筆者以厭氧/缺氧SBR為研究對象，分析了SRT對NO2--N作為電子受體反硝化除磷系統運行效能的影響，并探明了SRT與反硝化除磷機制的關(guān)聯(lián)性，為NO2--N作為電子受體的反硝化除磷技術(shù)提供參考。

　　1 試驗方法

　　1.1 試驗裝置

　　試驗采用圖 1所示SBR系統。兩級SBR是采用有機玻璃制成，兩個(gè)SBR分別單獨進(jìn)水，N-SBR出水中NO2--N作為電子受體投加到A2-SBR缺氧段進(jìn)行反硝化吸磷。亞硝化反應器N-SBR有效容積3 L，通過(guò)微氧曝氣實(shí)現短程硝化，每天運行2個(gè)周期，每個(gè)周期3 h;反硝化除磷反應器A2-SBR有效容積35 L。以沈陽(yáng)北部污水處理廠(chǎng)沉降池污泥作為接種污泥，MLSS為3 000~4 000 mg/L，進(jìn)水采用瞬時(shí)加入，通過(guò)攪拌器使泥水混合均勻，系統的進(jìn)水、攪拌、曝氣、加藥、排水等工序均由時(shí)控器和電子閥控制。首先采用厭氧/缺氧運行模式將傳統聚磷菌污泥馴化為反硝化除磷污泥，之后轉入正常運行，每天運行2個(gè)周期，每個(gè)周期5.5 h，日處理污水量60 L，SRT為20 d，每個(gè)周期運行步驟：瞬時(shí)進(jìn)水、厭氧2.0 h、缺氧2.5 h、沉淀0.5 h、排水0.5 h。

圖 1 SBR系統
1—A²SBR進(jìn)水箱；2—NSBR反應器；3—電動(dòng)攪拌機；4—曝氣泵；5—氣體流量計；6—曝氣頭；7—時(shí)間繼電器；8—電磁閥；9—液體流量計；10—A²SBR進(jìn)水管；11—A²SBR排水管；12—排泥口；13—A²SBR反應器；14—NSBR進(jìn)水箱；15—NSBR出水管。

　　1.2 試驗水質(zhì)

　　試驗用水取自東北大學(xué)校園家屬樓下水管道實(shí)際生活污水，污水COD 140.5~248.5 mg/L，NH4+-N 25.3~33.2 mg/L，TN 26.2~34.7 mg/L，TP 2.8~5.6 mg/L，pH 7.2~7.8。

　　1.3 分析方法

　　COD采用Sepectro Flex 6600型COD快速測定儀測定;亞硝態(tài)氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定;TP、poly-P采用鉬銻抗分光光度法測定;混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)采用重量法測定;pH采用pH計測定，聚-β-羥基鏈烷酯酸(PHB)采用氣相色譜法測定〔6〕。

　　2 結果與討論

　　2.1 無(wú)排泥情況除磷效果

　　SRT的大小直接影響著(zhù)污水的處理效果，SRT較短將對生物除磷量產(chǎn)生影響，導致系統中生化反應發(fā)生變化，因而需要控制污泥齡恰當，既要保證污水除磷效果又要維持較高污泥濃度。為了大致確定系統的SRT，考察了SBR連續36 d無(wú)排泥情況下系統的脫氮除磷效果，進(jìn)而確定最佳的SRT，試驗過(guò)程中保持進(jìn)水磷質(zhì)量濃度2.78~5.73 mg/L，COD 145.06~227.66 mg/L，電子受體NO2--N質(zhì)量濃度12~14 mg/L，pH 7.3~7.6，溫度25 ℃左右，系統每天運行2個(gè)周期。

　　由圖 2可以看出，連續36 d不排泥，系統仍有處理效果，沒(méi)有發(fā)生出水磷濃度大于進(jìn)水的情況，但除磷效果不是很穩定，除磷率在48.00%~86.75%波動(dòng)。系統運行第24天之前，出水磷質(zhì)量濃度均小于1 mg/L，達到《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》一級B標準，平均去除率為80.67%，系統運行到第26天后，除磷效果逐漸變差，除磷率開(kāi)始下降，到第36天時(shí)，出水磷質(zhì)量濃度為2.68 mg/L，磷去除率為48.00%，由此可推斷，在系統不排泥的情況下，仍有除磷效果，但連續運行超過(guò)24 d后，除磷效果開(kāi)始下降。這與傳統除磷理論認為泥齡越短除磷效果越好的說(shuō)法不一致，因為厭氧/缺氧條件下生長(cháng)的反硝化聚磷菌DPAOs比傳統聚磷菌PAO生長(cháng)速率慢，所以其SRT比PAOs的長(cháng)，這與石玉明等結論相同〔7, 8〕。

圖 2 無(wú)排泥系統除磷效果

圖 3為系統無(wú)排泥連續運行36 d情況下的脫氮及COD去除效果。

 圖 3 無(wú)排泥系統COD、NO₂^--N去除效果

　　從圖 3可以看出，COD的去除率在84.02%~92.71%變動(dòng)，出水平均COD為22.91 mg/L，不排泥連續運行對COD去除并沒(méi)有太大影響。碳源是微生物生長(cháng)需要量最大的營(yíng)養元素，在反硝化除磷系統中，乙酸作為能源吸收到胞內以PHB形式進(jìn)行儲存以便用于缺氧吸磷，即使在DPAOs生長(cháng)受到抑制的情況下，其他異養菌同樣能吸收碳源作為能源維持自身的新陳代謝，對污水中的COD仍有去除〔9, 10〕。在36 d的反應過(guò)程中，NO2--N去除率為75.83%~88.75%，NO2--N平均出水質(zhì)量濃度為2.01 mg/L，在反硝化除磷反應過(guò)程中，亞硝酸鹽作為反硝化除磷反應的電子受體被去除，此外，系統中存在著(zhù)傳統反硝化菌同樣能夠發(fā)生反硝化反應，進(jìn)而NO2--N得到去除。

　　2.2 泥齡對系統運行效果影響

　　2.2.1 泥齡對除磷的影響

　　在系統運行穩定的情況下，考察SRT分別為10、16、24、32 d時(shí)對污水的處理效果，每種條件下運行1個(gè)SRT周期，每天運行2個(gè)周期，反應過(guò)程中進(jìn)水COD為180~240 mg/L，TP為2.8~5.2 mg/L，缺氧段滴加NO2--N質(zhì)量濃度為13~15 mg/L，試驗過(guò)程中保持溫度為25~27 ℃，pH為7.5~7.7，4個(gè)SRT周期的排泥量分別為1.0、0.5、0.5、0.5 L，在此期間測定脫氮除磷及COD去除效果，并且測定污泥性能指標，結果見(jiàn)圖 4。

圖 4 不同SRT對除磷效果影響

　　由圖 4可以看出，系統在不同SRT條件下運行均有除磷效果，并沒(méi)有出水磷濃度大于進(jìn)水的情況發(fā)生，SRT=10 d時(shí)，除磷率較低，TP平均去除率為60.69%，出水平均TP質(zhì)量濃度為1.58 mg/L，分析認為反硝化聚磷菌DPB生長(cháng)速率較慢，世代周期比較長(cháng)，當SRT小于其世代周期時(shí)，過(guò)早地排放剩余污泥，會(huì )使污泥中的DPB流失，DPB在微生物種群中所占的比例減小，逐漸成為非優(yōu)勢菌種影響除磷效果;此外，進(jìn)水有機物濃度固定，SRT較小的情況下，污泥有機負荷變大，厭氧結束后會(huì )有大量未被利用的外碳源COD進(jìn)入缺氧段，傳統反硝化菌及其他異養微生物吸收外碳源大量生長(cháng)繁殖，從而抑制了DPB利用內碳源PHB進(jìn)行反硝化吸磷〔11, 12〕。SRT提高到16 d時(shí)，系統除磷效果有所提高，去除率較SRT=10 d時(shí)提高了12.4%，出水平均TP質(zhì)量濃度為1.18 mg/L。當SRT=24 d時(shí)，系統除磷效果最佳，TP平均去除率為89.66%，出水平均TP質(zhì)量濃度為0.23~0.98 mg/L，隨著(zhù)SRT的延長(cháng)，在厭氧段DPB充分吸收外碳源并以PHB的形式儲存于體內，使得在缺氧段沒(méi)有外碳源存在時(shí)，DPB仍可利用PHB進(jìn)行缺氧吸磷反應�？梢�(jiàn)，隨著(zhù)系統SRT變大，除磷率提高，這與傳統觀(guān)點(diǎn)認為SRT越小，除磷效果越好的觀(guān)點(diǎn)并不一致。SRT繼續提高到32 d的時(shí)候，系統出水除磷效果惡化，除磷率下降到59.25%，出水平均TP質(zhì)量濃度下降到0.58 mg/L，其原因是隨著(zhù)SRT的增大，污泥濃度變大，污泥有機負荷降低，在厭氧釋磷過(guò)程中并沒(méi)有足夠的外碳源可供吸收，造成了“無(wú)效釋磷”的發(fā)生，在缺氧段沒(méi)有充足的內碳源PHB可供利用，缺氧吸磷受阻〔12〕。

　　由此可見(jiàn)，選擇合適的SRT對除磷至關(guān)重要，SRT既不能過(guò)大導致系統內有機負荷變低，又不能過(guò)小致使有機負荷過(guò)高，根據除磷效果認定，本系統最佳SRT取24 d。

　　2.2.2 泥齡對碳源利用的影響

　　圖 5是系統厭氧釋磷缺氧吸磷過(guò)程中碳源的利用情況。

 圖 5 不同SRT對碳源的利用

　　由圖 5可知，SRT=10 d時(shí)，厭氧段系統對外碳源利用率較低，厭氧末端系統出水COD偏高，平均為73.7 mg/L，隨著(zhù)SRT的延長(cháng)，微生物吸收外碳源量增加，出水平均COD降低，SRT為16、24、32 d時(shí)，系統厭氧出水平均COD分別為41.6、37.4、、33.7 mg/L。分析認為SRT過(guò)小時(shí)，會(huì )出現DPB隨著(zhù)剩余污泥排出的情況，系統內聚磷菌含量變少，不足以提供足夠的能源吸收乙酸于胞內，出水COD偏高，此外，當SRT很小時(shí)MLSS小，反應器中微生物處于營(yíng)養過(guò)剩的環(huán)境中活性低;而適當延長(cháng)SRT，微生物處于營(yíng)養缺乏的增殖后期，其活性較強，為了維持自身的生命活力、新陳代謝，需要吸收利用大量有機物〔13, 14〕，因此SRT為16、24 d時(shí)，系統COD去除效果提高。SRT為10~24 d時(shí)，雖然不同SRT對厭氧出水COD有影響，但缺氧出水COD并無(wú)影響，出水平均COD均低于20 mg/L。SRT為10、16、24 d時(shí)，厭氧末端胞內PHB含量比較相近，出水平均COD分別為90.05、84.93、86.06 mg/L，SRT=32 d時(shí)，厭氧末端PHB質(zhì)量濃度較低，為56.45 mg/L，原因是SRT較長(cháng)時(shí)，污泥有機負荷偏低，胞內轉化為PHB量少。隨著(zhù)SRT的延長(cháng)，缺氧末端PHB含量呈先升高后降低的趨勢，SRT較小時(shí)，污泥有機負荷高，厭氧結束后殘余的碳源進(jìn)入缺氧段，異養菌優(yōu)先吸收外碳源進(jìn)行生化反應，反硝化聚磷菌吸收內碳源PHB進(jìn)行缺氧吸磷受到抑制，因而缺氧末端PHB含量高。隨著(zhù)SRT的逐漸增大，污泥有機負荷變小，厭氧段外碳源被徹底吸收轉化為PHB，缺氧段幾乎沒(méi)有殘余的外碳源存在，PHB作為內碳源被聚磷菌充分吸收利用，出水PHB含量降低。當SRT延長(cháng)到32 d時(shí)，系統中老化死亡的微生物殘骸含量過(guò)高，聚磷菌活性降低，出水COD偏高，PHB不能被充分利用而剩余。

　　2.2.3 泥齡對污泥濃度及除磷機制影響

　　表 1是SRT為10、16、24、32 d的生物除磷反應器在不同泥齡條件下運行過(guò)程中，污泥濃度和胞內聚合物的含量變化情況。

　　從表 1可以看出，污泥齡SRT與污泥濃度MLSS和MLVSS成正相關(guān)性，隨著(zhù)SRT的延長(cháng)，MLSS和MLVSS逐漸上升，厭氧段MLSS由SRT為10 d時(shí)的1 560 mg/L增加到32 d時(shí)的3 648 mg/L。缺氧段MLVSS由SRT為10 d時(shí)的1 342 mg/L增加到32 d時(shí)的2 214 mg/L。厭氧段SRT的變化對PHB的合成量并無(wú)太大影響，理論上隨著(zhù)SRT的增大，PHB含量應該提高，但是在SRT延長(cháng)的同時(shí)污泥濃度MLVSS也增大，所以單位質(zhì)量污泥的PHB合成量并無(wú)明顯差別，SRT為10、16、24 d時(shí)，PHB含量分別為45.7、51.6、53.8 mg/g;隨著(zhù)SRT的增大，厭氧末端系統內poly-P含量呈下降趨勢，SRT越長(cháng)，MLVSS越大，聚磷菌釋磷越充分，厭氧末端污泥中poly-P含量越少，SRT為10、16、24、32 d時(shí)，poly-P含量分別為34.7、28.9、23.1、13.1 mg/g。缺氧吸磷過(guò)程中，PHB作為碳源和能源被消耗進(jìn)行吸磷反應，SRT=10 d時(shí)，缺氧末端系統中PHB含量較高為25.9 mg/g，poly-P含量較低為48.3 mg/g，分析認為厭氧段殘余的外碳源進(jìn)入缺氧段，微生物優(yōu)先吸收外碳源，因而聚磷菌利用內碳源反硝化吸磷被抑制。SRT=24 d時(shí)，觀(guān)察到污泥沉降性能、鏡檢菌膠團狀態(tài)穩定，泥水界面清晰，缺氧末端PHB含量和poly-P合成量分別為6.3、79.4 mg/g，PHB消耗量越多，說(shuō)明反硝化吸磷反應進(jìn)行更加完全，吸磷徹底。SRT=32 d時(shí)，缺氧末端聚磷菌胞內缺氧吸磷PHB消耗量小，聚磷含量降低為31.8 mg/g。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結論

　　(1)反硝化除磷系統連續36 d不排泥，系統仍有處理效果，反硝化和COD去除并沒(méi)有受到影響，但到第26天后除磷效果逐漸變差，除磷率開(kāi)始下降。

　　(2)SRT既不能過(guò)大導致系統內有機負荷變低，又不能過(guò)小致使有機負荷過(guò)高，SRT=24 d時(shí)，除磷效果最佳，TP平均去除率為89.66%，TP出水質(zhì)量濃度為0.23~0.98 mg/L。

　　(3)SRT為10~24 d時(shí)，SRT與厭氧末端出水COD呈反比，而對厭氧末端PHB濃度影響不大，隨著(zhù)SRT的延長(cháng)，缺氧末端PHB濃度呈降低的趨勢，SRT=32 d時(shí)，出水COD變高。

　　(4)SRT與污泥濃度呈正比，隨著(zhù)SRT的升高，厭氧末端污泥PHB含量呈升高趨勢、poly-P含量呈下降趨勢，缺氧末端污泥PHB含量呈下降趨勢、poly-P含量呈上升趨勢，SRT=24 d，厭氧末端污泥PHB和poly-P含量分別為53.8、23.1 mg/g;缺氧末端污泥PHB和poly-P含量分別為6.3、79.4 mg/g。