溫度對(duì)MOSA工藝厭氧反應(yīng)器物質(zhì)釋放及磷回收的影響

劉貝 林玉姬 李安琪 孫連鵬 葉挺進(jìn)

摘要：以MOSA工藝厭氧反應(yīng)器為研究對(duì)象，以溫度為單一變量，構(gòu)建25℃、30℃和35℃三套厭氧反應(yīng)系統(tǒng)，通過定期監(jiān)測(cè)反應(yīng)器進(jìn)出泥的相關(guān)指標(biāo)，探究不同溫度條件下，污泥停留時(shí)間為5天的厭氧反應(yīng)器中氮磷等物質(zhì)的釋放規(guī)律，以確定鳥糞石法回收MOSA工藝厭氧反應(yīng)器中氮磷的最佳反應(yīng)溫度。結(jié)果表明，在SRT=5d條件下，NH3-N、PO43-、Mg2+釋放量均隨著溫度升高表現(xiàn)出不同程度的增長(zhǎng);Ca2+并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性;從釋放量和物質(zhì)間配比方面來看，30℃和35℃系統(tǒng)之間差別較小，更有益于高品質(zhì)鳥糞石的生成，25℃系統(tǒng)無法滿足要求。綜合比對(duì)分析，30℃為最適合用于MOSA工藝厭氧反應(yīng)器氮磷釋放并采取鳥糞石法回收的溫度。

關(guān)鍵詞：MOSA工藝;厭氧反應(yīng);溫度;鳥糞石

中圖分類號(hào)：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）05-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.058

Abstract：Modified oxic-settling-anaerobic （MOSA） process was an efficient sludge reduction process， formed by inserting a side-steam anaerobic reactor. The study focused on the effect of temperature on anaerobic reactors， which operation mode was the same as that in MOSA process. Three sets of anaerobic reactors were built up in the lab， the temperature of which were 25℃， 30℃ and 35℃ severally. To determine the best temperature for nitrogen and phosphorus recovery in anaerobic reactor of MOSA process by struvite crystallization， indexes of sludge in and out of the anaerobic reactor were monitored regularly to investigate the matter release rules at different temperature when SRT was 5 days. The results showed that the release of NH3-N， PO43- and Mg2+ showed varying degrees of growth with temperature growing while the release of Ca2+， Al3+ and Fex+ showed no significant correlation. The three temperature levels were suitable for struvite crystallization from the respective of release amount and proportions while 30℃ and 35℃ were more beneficial for high quality struvite formation. By all accounts， 30℃was the most suitable temperature for matter release and phosphorus recovery by struvite crystallization in the anaerobic reactor of MOSA process.

Keywords：MOSA process;Anaerobic reaction;Temperature;Struvite

在市政污水處理中廣泛應(yīng)用的活性污泥法會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，污泥若不經(jīng)有效處理處置，極易造成二次污染，使污水處理設(shè)施的環(huán)境效益大大降低，但與此同時(shí)污泥中也含有大量可資源化利用的物質(zhì)[1]。本研究基于MOSA工藝的厭氧反應(yīng)器，通過改變厭氧反應(yīng)溫度，探究SRT=5d時(shí)厭氧反應(yīng)器內(nèi)釋磷的最佳溫度條件，提高磷釋放量，便于后續(xù)采用鳥糞石法對(duì)其進(jìn)行回收。采用本套工藝一方面回收了厭氧反應(yīng)器中的磷素，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值;另一方面回收磷后減少了厭氧反應(yīng)器回流至生化池中的磷素，減小了對(duì)主體污水處理工藝造成的沖擊。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立

設(shè)定25℃、30℃以及35℃三個(gè)溫度梯度，對(duì)不同溫度反應(yīng)器進(jìn)出泥的氮、磷的釋放變化情況進(jìn)行系統(tǒng)的研究。系統(tǒng)通過計(jì)時(shí)器控制進(jìn)泥泵和出泥泵，對(duì)厭氧反應(yīng)器中的污泥定時(shí)進(jìn)行交換。本實(shí)驗(yàn)所采用的厭氧反應(yīng)污泥樣品取自廣州市某污水處理廠A/A/O工藝二沉池，一天4次進(jìn)出泥，每次120mL，污泥停留時(shí)間為5d。對(duì)進(jìn)泥桶設(shè)置低速攪拌避免進(jìn)泥桶內(nèi)污泥自然沉降。

1.2 檢測(cè)指標(biāo)及方法

對(duì)于厭氧污泥樣品的各項(xiàng)溶解性指標(biāo)，采用如下步驟進(jìn)行預(yù)處理：從反應(yīng)器中取出污泥后立即進(jìn)行10min的10，000 r/min 離心，上清液通過0.45μm 微孔濾膜過濾后按照《環(huán)境檢測(cè)》（第四版）[2]進(jìn)行各指標(biāo)檢測(cè)，其中NH3-N采用納氏試劑分光光度法，總氮采用微波消解、堿式過硫酸鉀分光光度法，PO43-采用鉬酸銨分光光度法，總磷采用微波消解、鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同溫度下厭氧反應(yīng)器各物質(zhì)的釋放規(guī)律

2.1.1 不同溫度下磷元素的釋放規(guī)律

磷是衡量污泥性能的重要指標(biāo)之一。一般認(rèn)為，污泥中的磷依靠著聚磷菌的作用在固相與液相之間進(jìn)行遷移。不同溫度下TP及PO43- 的變化趨勢(shì)如圖1～2所示。由圖可得，PO43-及TP的釋放量隨著溫度的升高而增加。這是由于剩余污泥在厭氧過程中胞內(nèi)物質(zhì)和胞外聚合物在水解作用下釋放到液相中，導(dǎo)致溶解性TP和PO43-增加。污泥細(xì)胞內(nèi)磷等相關(guān)物質(zhì)從固態(tài)釋放到液相中[3]。根據(jù)王建輝等[4]的研究，在25℃時(shí)聚磷菌仍具有一定的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)吸磷速率較高;在30℃和35℃時(shí)溫度過高，PAOs的代謝模式被破壞，釋磷速度提高。因此，30℃和35℃的系統(tǒng)出泥上清液的磷含量比20℃的要高。

2.1.2 不同溫度下總氮和氨氮的釋放規(guī)律

由圖可見，TN及NH3-N的釋放量隨著溫度的上升而增加。各溫度系統(tǒng)中出泥TN中絕大部分以NH3-N形式存在，25℃、30℃及35℃系統(tǒng)NH3-N占TN的82%、87%和93%，因此，以NH3-N作為氮素的代表性指標(biāo)來對(duì)三個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。從圖4中可發(fā)現(xiàn)，不同溫度系統(tǒng)出泥的NH3-N含量具有明顯的梯度，溫度越高NH3-N釋放量越大。原泥的NH3-N含量較低，穩(wěn)定在5mg/L左右。25℃系統(tǒng)在運(yùn)行初期NH3-N相對(duì)較低，在運(yùn)行45d之后有明顯上升趨勢(shì)，與PO43-的變化趨勢(shì)一致。30℃和35℃系統(tǒng)的NH3-N與PO43-一樣，從運(yùn)行初期就保持較高濃度并且不斷增長(zhǎng)?？偟膩碚f，溫度對(duì)NH3-N的釋放影響明顯。

2.1.3 不同溫度下金屬元素的釋放規(guī)律

由于一般情況下，污泥中Mg2+和Ca2+的濃度相對(duì)較高，且會(huì)對(duì)鳥糞石生成會(huì)產(chǎn)生影響，因此對(duì)污泥上清液中Mg2+和Ca2進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖5～6所示。

系統(tǒng)未達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的Mg2+濃度都各自保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平;經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)后，三者M(jìn)g2+濃度升高后下降，其中30℃和35℃Mg2+濃度基本相等，而經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的培養(yǎng)，穩(wěn)定后25℃系統(tǒng)的Mg2+濃度接近其他兩套系統(tǒng)，相差4mg/L。而Ca2+相比于Mg2+來說并未顯現(xiàn)出規(guī)律性，每個(gè)溫度系統(tǒng)下其相應(yīng)濃度都在波動(dòng)，而且彼此之間沒有確定的大小關(guān)系。因此可以認(rèn)為溫度對(duì)Ca2+的釋放沒有顯著影響。Ca2+對(duì)鳥糞石生成反應(yīng)所造成的影響是不可忽視的。Ca2+是鳥糞石回收法中重要的雜質(zhì)離子，如不加以抑制，它帶來的副產(chǎn)物對(duì)鳥糞石的產(chǎn)量和純度造成嚴(yán)重影響[5]。

3 鳥糞石回收磷可行性分析

從組成上看，鳥糞石的生成理論上需要NH3-N/PO43-摩爾比（簡(jiǎn)稱N/P）等于1，但一方面，上清液中存在的Ca2+、Mg2+會(huì)與PO43-發(fā)生各種副反應(yīng)，所以有必要選擇較高的N/P以促進(jìn)PO43-向生成鳥糞石的方向轉(zhuǎn)化;另一方面，因鳥糞石反應(yīng)是一個(gè)消耗堿度的過程，提高NH3-N的濃度，保持一定的緩沖能力，有利于鳥糞石生成反應(yīng)的進(jìn)行[6]。所以，N/P需保證大于1。25℃、30℃、35℃各系統(tǒng)出泥上清液的N/P見圖7所示。可以看出，30℃和35℃系統(tǒng)的出泥上清液N/P大于1，25℃系統(tǒng)的N/P最低值為0.89，接近于1基本滿足實(shí)際的反應(yīng)需求。

和N/P一樣，鳥糞石的生成反應(yīng)理論需要的Mg2+/PO43-摩爾比（簡(jiǎn)稱Mg/P，下同）為1，但提高M(jìn)g2+的濃度能促進(jìn)鳥糞石的生成反應(yīng);然而若Mg2+含量過高，副產(chǎn)物諸如Mg3（PO4）2、Mg（OH）2等又會(huì)降低鳥糞石的純度[6]。研究表明，Mg/P達(dá)到1.2時(shí)磷的回收率可以達(dá)到95% [18]。25℃、30℃、35℃各系統(tǒng)出泥上清液的Mg/P見圖8，前期25℃系統(tǒng)的Mg/P波動(dòng)大，后期漸趨穩(wěn)定;所有系統(tǒng)的Mg/P都穩(wěn)定在0.5的范圍內(nèi)。

結(jié)合圖6中Ca2+的變化情況，可以看出三個(gè)系統(tǒng)中的Ca2+/PO43-摩爾比較高，不利于鳥糞石的生成[7]。但30℃和35℃系統(tǒng)中N/P均超過1，因此可以在保證N/P值較高的條件下，投加Mg使得Mg/P稍大于1，即可在Ca2+濃度較高的條件下依然獲得更優(yōu)質(zhì)的鳥糞石[8-9]。

綜上，對(duì)25℃而言，其PO43-低于其他兩套系統(tǒng)，對(duì)充分回收剩余污泥中的磷元素是不理想的;對(duì)30℃和35℃而言，其在PO43-的釋放濃度和Mg/P兩個(gè)指標(biāo)上水平相當(dāng)，而且它們的N/P都能滿足要求。因此，30℃系統(tǒng)和35℃系統(tǒng)在以回收鳥糞石為目的時(shí)，其在5天厭氧條件下物質(zhì)釋放的效果沒有區(qū)別。但考慮實(shí)際生產(chǎn)中溫度越高，實(shí)際操作越困難及成本越高，因此最適宜應(yīng)用于生產(chǎn)中的溫度為30℃。

4 結(jié)論

（1）溫度對(duì)NH3-N的釋放有明顯影響，不同溫度條件下NH3-N釋放量具有明顯的梯度，溫度越高NH3-N釋放量越大;溫度對(duì)PO43-的影響相對(duì)較小，30℃和35℃條件下的PO43-釋放量幾乎不存在差別。金屬離子方面主要受溫度影響的是Mg2+，隨著溫度升高釋放量略有增長(zhǎng);但Ca2+隨溫度變化不表現(xiàn)出規(guī)律性;（2）在以鳥糞石法為回收手段、以盡可能回收剩余污泥中磷元素為目的時(shí)，25℃系統(tǒng)無法達(dá)到理想的回收效果;在30℃和35℃兩個(gè)溫度條件下，氮磷釋放效果及物質(zhì)間配比較為接近，均可達(dá)到較理想的鳥糞石回收效果?？紤]運(yùn)行成本及可操作性，30℃更適宜于在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。

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收稿日期：2019-02-16

作者簡(jiǎn)介：劉貝（1989-），女，漢族，研究生學(xué)歷，工程師，研究方向?yàn)樗h(huán)境治理。