近年來(lái)我國水體富營(yíng)養化問(wèn)題頻繁暴發(fā)，其中氮、 磷為主要因素，對此我國針對氮、 磷制定出了更為嚴格的排放標準.然而在實(shí)際工程中，污水生物除磷普遍面臨碳源(COD)不足問(wèn)題，導致EBPR(enhanced biological phosphorus removal)系統不能高效穩定運行，進(jìn)而出水水質(zhì)未能達標，另一方面，磷是人們日常生活中不可缺少的自然資源，但在自然界中磷是起始于陸地歸于海洋的單向遷移.在此情況下，把磷從污水中去除轉變成回收利用已經(jīng)受到國際社會(huì )的廣泛關(guān)注.側流磷回收將SBR反應器厭氧末期上清液按一定比例提取，剝奪EBPR系統中的磷等污染物，污泥系統中相應的COD/P比有所上升，一定程度緩解了除磷與脫氮在碳源上的競爭，并且化學(xué)反應后可溶性磷酸鹽易于結晶析出，以純化學(xué)污泥形式(金屬沉淀物)排出系統，利于回收，且回收量大，將預防水體富營(yíng)養化和磷回收兩者結合一體.
溶解氧(DO)濃度是活性污泥法運行中的重要因素，EBPR系統中，生物曝氣是最大的耗能單元，調研結果表明曝氣成本占實(shí)際污水廠(chǎng)總運營(yíng)支出的50%~80%且大部分污水廠(chǎng)存在過(guò)量曝氣現象，此情況下不僅增加曝氣成本，過(guò)曝氣也容易引發(fā)系統失效.若污水廠(chǎng)在低DO濃度條件下穩定達標運行，整個(gè)污水廠(chǎng)的能耗可降低10%左右.若能將側流磷回收與低好氧條件下的EBPR系統聯(lián)合起來(lái)，則在預防水體富營(yíng)養化和磷回收的基礎上又可大大節約污水生物除磷成本.
本研究在低DO濃度(DO=1mg·L-1)下的EBPR系統內提取不同側流比(0、 1/4、 1/3、 1/2)厭氧上清液進(jìn)行磷回收，通過(guò)分析實(shí)施側流磷回收時(shí)主流系統的各項出水指標及其相應側流比磷回收率，探究低DO條件下EBPR系統與側流磷回收結合的可行性，并確定最佳側流比.
1 材料與方法1.1 實(shí)驗裝置及運行
實(shí)驗所用SBR反應器由有機玻璃制成，總有效容積為5.4 L.在反應器壁上的垂直方向設置一排間距10 cm的取樣口，用于取樣和排水，底部設有排泥口; 以黏砂塊作為微孔曝氣器，采用鼓風(fēng)機曝氣，氣量由轉子流量計調節; 反應器好氧段的溶解氧濃度采用帶有Labview軟件編程的計算機系統加以控制.實(shí)驗裝置如圖 1所示.
1. 原水水箱; 2. 蠕動(dòng)泵; 3. 攪拌裝置; 4. 黏砂塊曝氣頭; 5. 排泥口; 6.DO探頭; 7.Multi 3420在線(xiàn)測定儀;8. 計算機; 9.控制系統; 10.空氣壓縮機; 11.流量計; 12.蠕動(dòng)泵; 13. 水箱; 14.電磁閥
圖 1 SBR實(shí)驗裝置示意
反應器每天共運行3個(gè)周期，每周期8 h，包括2 h厭氧(厭氧最后15 min靜置沉淀，由此可將富磷上清液通過(guò)蠕動(dòng)泵按比例精準抽出0、 1/4、 1/3、 1/2側流比)，5 h好氧及1 h沉淀、 排水、 閑置.反應器排水比1/3，污泥齡為10 d，實(shí)驗溫度始終為16℃.厭氧末期聚磷菌充分釋磷，磷濃度為原污水磷濃度的數倍，因此在厭氧末期提取上清液并引入旁路進(jìn)行化學(xué)磷回收是一個(gè)有利的回收點(diǎn)，這與Kuba等[17]的觀(guān)點(diǎn)一致.引出上清液，配水中的鈣、 鎂離子濃度較高，投加NaOH調節pH(>9.0)后沉淀反應40 min可實(shí)現磷回收[18].反應器運行工況見(jiàn)表 1，其中溶解氧為理論控制值，實(shí)際DO濃度因控制系統的滯后性略低于控制值.混合液懸浮固體濃度MLSS是系統的重要設計運行參數，MLSS太高說(shuō)明生化池中的活性污泥過(guò)剩，超出生化處理的需求而影響出水水質(zhì)，MLSS太低則說(shuō)明生化池中的污泥負荷不夠，出水各項指標將不達標，因此，MLSS只有在合理范圍(2 500~4 000mg·L-1)之內，系統才能正常運行.由表 1可得，MLSS隨側流比的增大不斷減小，保持在2 700~3 600mg·L-1之間，系統MLSS波動(dòng)范圍正常.
表 1 反應器運行工況
1.2 實(shí)驗水質(zhì)及接種污泥
本實(shí)驗采用模擬廢水，由碳源液、 磷液、 氮液、 濃縮液及微量元素配制而成，模擬廢水pH平均值為6.760.無(wú)水乙酸鈉為碳源(COD=400mg·L-1)，磷酸二氫鉀(PO3-4-P=8mg·L-1)、 氯化銨(NH4+-N=40mg·L-1)、 濃縮液(1 L)由45 g MgSO4·7H2O、 80 g MgCl2·6H2O、21 g CaCl·2H2O、 10 g酵母浸膏、 61 g蛋白胨組成，微量元素組成參照文獻[19].為滿(mǎn)足微生物生長(cháng)需要，1 L模擬廢水加入1 mL濃縮液及1 mL微量元素液.
實(shí)驗所用污泥接種自蘭州市七里河城市污水處理廠(chǎng)4號曝氣池，該污水廠(chǎng)采用A2/O工藝，污泥具有一定脫氮除磷性能，污泥各項指標性能良好.
1.3 分析項目及方法
所有水樣均采用定性濾紙過(guò)濾后測定，水質(zhì)分析項目中PO3-4-P采用鉬銻抗分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，COD采用COD快速測定儀測定，MLSS(混合液懸浮固體濃度)采用濾紙重量法測定.溫度、 ORP(氧化還原電位)值和DO由德國Multi 3420在線(xiàn)測定儀在線(xiàn)監測.
2 結果與討論2.1 不同側流比條件下EBPR系統COD、 NH4+-N的去除性能
圖 2為不同側流比條件下系統COD、 NH4+-N去除性能.控制DO=1mg·L-1，在提取側流比為0、 1/4、 1/3、 1/2的4個(gè)階段監測日常運行時(shí)反應器進(jìn)、 出水COD、 NH4+-N濃度及其去除率.圖 2(a)中，反應器在Ⅰ階段與Ⅱ階段對COD的去除率均高于81.9%，出水COD濃度平均值為24.1mg·L-1，COD得以穩定去除.但在后兩個(gè)階段，COD出水濃度與去除率有所波動(dòng)，Ⅲ、 Ⅳ階段中，COD最低去除率均為79.7%，出水COD的殘余量達到81.3mg·L-1.與文獻給出的側流除磷對COD去除效果幾乎無(wú)影響不同，分析認為，郝曉地等[18]的研究表明，在不斷增大側流比時(shí)，生物除磷所需最低COD/P值會(huì )不斷下降(側流比從0增大至20%時(shí)，所需最低COD/P值隨之由20降至15)，即側流比不斷增大時(shí)，整個(gè)生物反應過(guò)程所需COD不斷減小，本實(shí)驗COD/P值并未隨相應的COD/P有所降低且始終為50，因此在Ⅲ階段與Ⅳ階段出水有些許COD殘留.
圖 2 不同側流比條件下系統COD、 NH4+-N去除性能
由圖 2(b)中可得，各階段下NH4+-N去除率僅在改變不同側流比初期略有降低，之后快速回升至100%并實(shí)現氨氮的穩定去除.反應器在整個(gè)實(shí)驗階段(110 d)對NH4+-N去除率均值為98.1%，出水NH4+-N濃度平均值為0.8mg·L-1，工藝去除NH4+-N性能高效穩定，說(shuō)明反應器中NH4+-N去除不受側流比影響，類(lèi)似的研究結論也有報道.且此時(shí)反應器在低好氧(DO=1mg·L-1)的情況下，證明側流比磷回收與低DO濃度(DO=1mg·L-1)條件下的EBPR系統結合運行對去除NH4+-N影響甚微.
2.2 不同側流比條件下EBPR系統的除磷性能
圖 3為不同側流比條件下系統的除磷性能.《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》(GB 18918-2002)規定一級A標準中總磷(以P計)排放應≤0.5mg·L-1.由圖 3可見(jiàn)，反應器Ⅰ階段(無(wú)側流比)出水磷的達標率為52.9%，該階段初期系統因剛啟動(dòng)出水有3 d不穩定，之后除磷率最低為82.3%，平均除磷率89.4%; Ⅱ、 Ⅲ階段(側流比分別為1/4、 1/3)中，平均除磷率分別為98.5%和99.0%，出水磷達標率均遠遠優(yōu)于Ⅰ階段，尤其是Ⅲ階段只有初期第一天未達到一級A標準，出水達標率為93.3%，說(shuō)明側流比升高至1/3，除磷效果也隨之上升，出水PO43--P濃度逐漸下降; Ⅳ階段中除磷率不斷波動(dòng)，除磷率最低為65.4%，出水磷的達標率僅為45.5%，在1/2側流比時(shí)，提取較多厭氧放磷上清液進(jìn)行化學(xué)磷回收，此時(shí)聚磷菌在厭氧釋磷和好氧吸磷的動(dòng)態(tài)平衡被嚴重破壞，生物性能逐漸惡化，因此在1/2側流比時(shí)抑制低好氧EBPR系統的除磷性能.說(shuō)明低好氧EBPR系統在1/4、 1/3側流比條件下于回收磷的同時(shí)EBPR系統可更加高效節能穩定運行.
圖 3 不同側流比條件下系統的除磷性能
2.3 不同側流比條件下EBPR系統典型周期磷的變化規律
圖 4為不同側流比條件下典型周期內PO3-4-P、 ORP和DO的濃度變化規律.從中可知，在DO=1mg·L-1條件下，依次提取側流比0、 1/4、 1/3、 1/2后厭氧段釋磷量呈遞減趨勢，對應厭氧末期磷濃度分別為32.8、 26.0、 20.1、 18.7mg·L-1.分析原因為: ①提取側流比即人為剝奪生物反應過(guò)程中厭氧釋磷量，隨著(zhù)不斷的磷剝奪，聚磷菌胞內聚磷顆粒含量減少，厭氧釋磷能力逐漸減弱[20]; ②從圖 4中可以看出，厭氧階段反硝化初期，氧化態(tài)的NOx--N被還原成N2，反應器中ORP不斷下降，隨后反應過(guò)程中氧化還原狀態(tài)的變化幅度減小，ORP下降速率變小并逐漸趨于平緩，厭氧段末期ORP最終分別為-258.9、 -233.7、 -231.4、 -217.8 mV.王曉玲等研究表明，在低ORP情況下，相對ORP值越高則NO3--N含量越大，即各階段中厭氧段后期NO3--N含量依次升高.隨著(zhù)厭氧段NO3--N含量升高，反硝化菌與聚磷菌在污水中競爭能力逐漸增強，聚磷菌處于劣勢，導致聚磷菌釋磷量減少.
圖 4 不同側流比條件下典型周期內PO3-4-P、 ORP和DO的濃度變化規律
由圖 4還可以看出，隨著(zhù)側流比不斷增大，對應吸磷時(shí)間逐漸延長(cháng)，系統Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ階段的吸磷過(guò)程分別可以在120、 150、 180 min內完成，對應好氧吸磷速率變慢，但同時(shí)發(fā)現Ⅳ階段(1/2側流比)吸磷過(guò)程并未完成，在好氧末期系統磷濃度為0.6mg·L-1.綜合分析表明，提取側流比逐漸增大，聚磷菌的厭氧釋磷與好氧吸磷能力均逐漸減弱，且Ⅳ階段(1/2側流比)之前均可實(shí)現除磷效果，說(shuō)明在1/4、 1/3側流比條件下EBPR系統可實(shí)現磷的高效去除，從節約能耗與磷回收方面考慮，低好氧條件下生物除磷與側流磷回收結合具有可行性.
2.4 不同側流比條件下EBPR系統生物除磷與磷回收的相互作用
圖 5為不同側流比條件下磷回收、 生物除磷性能.由圖 5(a)可得，在將側流比變?yōu)?/4時(shí)，系統聚磷菌總釋磷量明顯下降，由側流前的39.9mg·L-1下降至23.4mg·L-1，在1/3側流比時(shí)降低幅度較小，在1/2側流比時(shí)又加速下降; EBPR系統生物除磷量與總釋磷量趨勢幾乎吻合，亦發(fā)現在1/2側流比時(shí)兩者差值最大，分析原因與圖 4分析結果相同，但側流比磷回收量卻不斷上升.由圖 5(b)可得，EBPR系統生物除磷率呈先增加后減小的趨勢，在1/3側流比階段時(shí)生物除磷率最高，可達到99.0%，側流比磷回收率呈現直線(xiàn)上升趨勢.分析認為，與無(wú)側流比相比，提取1/4、 1/3側流比進(jìn)行側流比磷回收對生物除磷具有一定的強化作用，這與Barat等的模擬評價(jià)相似，但側流比為1/2時(shí)，生物除磷率迅速下降，應該存在一個(gè)最佳側流比，實(shí)現了經(jīng)濟的磷回收與高效低耗生物除磷的有效結合.其中偏差棒為各個(gè)工況對應數據的偏差，由圖 5中所有階段的各種指標可以明顯看出，在1/3側流比時(shí)所有指標偏差值均為最小值，而1/2側流比時(shí)所有指標偏差值均為最大值，即在1/3側流比時(shí)EBPR系統除磷性能與磷回收性能均為最穩定高效，反之1/2側流比抑制EBPR系統除磷性能.
圖 5 不同側流比條件下磷回收、生物除磷性能
綜合圖 5可得，1/3側流比為最佳側流比，實(shí)現了經(jīng)濟的磷回收與高效低耗生物除磷的有效結合.主要原因有: ①在1/3側流比階段時(shí)生物除磷最為穩定高效，去除率平均值為99.0%; ②雖然側流比磷回收率呈現直線(xiàn)上升趨勢，但圖 5(a)中可以看出，側流比磷回收量依次為10.5、 17.6、 17.7mg·L-1，1/2與1/3側流比僅僅相差0.1 mg·L-1，可見(jiàn)1/2側流比時(shí)對于磷的資源再利用能力已經(jīng)逐漸減緩.
2.5 不同側流比條件下EBPR系統各形態(tài)氮的去除性能
圖 6為不同側流比條件下EBPR系統各形態(tài)氮的去除性能.從中可知，各階段出水NO3--N濃度平均值依次為10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L-1.同時(shí)可見(jiàn)，系統在Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ階段時(shí)TN去除率較為穩定并逐漸下降，各階段TN去除率平均值分別為73.6%、 69.8%、 68.1%; Ⅳ階段(1/2側流比)TN去除率最小降至50.9%.由圖 2(b)可知，系統所有階段去除NH4+-N性能高效穩定，可見(jiàn)TN去除率降低主要是由于NO3--N去除降低.同時(shí)由圖 3可得，Ⅳ階段(1/2側流比)除磷率最低為65.4%，綜合證明，系統在1/2側流比時(shí)，生物反應過(guò)程中脫氮除磷效果均有所下降.
圖 6 不同側流比條件下各形態(tài)氮的去除性能
反應器采用厭氧/好氧方式運行，出水NO3--N濃度來(lái)源于厭氧段未被完全反硝化的殘留硝態(tài)氮與好氧段硝化反應的產(chǎn)物硝態(tài)氮.本實(shí)驗各階段NH4+-N去除率穩定后均可達到100%，反應器好氧段發(fā)生明顯的硝化反應.進(jìn)水NH4+-N濃度始終為40mg·L-1，但隨著(zhù)側流比增大厭氧末期逐漸剝奪更多NH4+-N，進(jìn)入好氧階段進(jìn)行硝化反應的NH4+-N濃度逐漸減小，碳源充足的條件下各階段產(chǎn)物硝態(tài)氮含量逐漸下降.由圖 6可知，各階段出水NO3--N濃度平均值依次為10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L-1，分析結果可知，厭氧末期殘留硝態(tài)氮的變化導致出水NO3--N濃度變化(由圖 4已知殘留硝態(tài)氮含量依次升高).具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
(1) 低好氧EBPR系統中，側流比對NH4+-N去除影響甚微，但隨著(zhù)側流比的增大且系統進(jìn)水COD保持初始濃度400mg·L-1，引發(fā)出水COD稍有波動(dòng).
(2) 提取側流比不斷增大，則厭氧釋磷量逐漸減小，出水磷濃度逐漸升高，在1/2側流比時(shí)，除磷性能不斷惡化.
(3) 低好氧EBPR系統中最優(yōu)工況為提取1/3側流比，此時(shí)低好氧EBPR系統與側流磷回收的結合兼顧了高效低耗除磷與磷資源回收利用，大大提高了經(jīng)濟與環(huán)境效益.
(4) 系統在0、 1/4、 1/3側流比時(shí)，TN去除率較為穩定并逐漸下降，但在1/2側流比時(shí)，厭氧末期不完全反硝化導致TN去除率迅速下降至50.9%.
