進水碳磷比對SBR系統(tǒng)污泥沉降及脫氮除磷性能的影響

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

隨著城市化進程的加快，污水處理廠的尾水已成為河湖內(nèi)氮磷的主要來源，過量的營養(yǎng)鹽(尤其是磷)易引發(fā)水體富營養(yǎng)化，破壞水生態(tài)平衡。為了提高水環(huán)境質(zhì)量，污水處理廠目前普遍執(zhí)行一級A(GB 18918—2006)或更嚴格的排放標準。與此同時，由于生產(chǎn)的季節(jié)性波動，以及部分區(qū)域管網(wǎng)建設(shè)滯后，造成污水廠進水水質(zhì)波動較大(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，在進水磷負荷沖擊下，如何最大化依靠生物除磷實現(xiàn)達標排放，具有重要的現(xiàn)實意義。

目前有關(guān)進水碳磷比對活性污泥的影響主要表現(xiàn)為系統(tǒng)除磷性能，許多學(xué)者認為低碳磷比對活性污泥系統(tǒng)除磷性能的提高有一定的影響。王榕等[1]發(fā)現(xiàn)低碳磷比時活性污泥系統(tǒng)對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，系統(tǒng)除磷性能隨著碳磷比增加而顯著增強，在碳源濃度恒定時，低碳磷比有助于PAOs在和聚糖菌(GAOs)的競爭中取得優(yōu)勢。然而，生物除磷與脫氮之間存在碳源競爭，且與污泥沉降性關(guān)系密切，但目前關(guān)于進水磷沖擊對脫氮除磷、污泥沉降性等方面綜合影響的研究還鮮有報道。

鑒于此，本試驗以序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)為研究對象，通過改變進水碳磷比，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，為污水廠應(yīng)對進水磷波動提供理論借鑒和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗用水來源與水質(zhì)

試驗采用人工合成廢水,以CH3COONa·3H2O作為碳源，NH4Cl作為氮源，KH2PO4作為磷源，投加NaHCO3補充廢水堿度，投加CaCl2·2H2O和MgSO4以滿足活性污泥微生物生長所需的營養(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 試驗裝置及方法

采用SBR進行試驗。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)，在線監(jiān)測各參數(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測定儀；7—DO測定儀；8—DO探頭；9—ORP探頭；10—取樣口； 11—曝氣泵；12—轉(zhuǎn)子流量計；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

試驗污泥取自中試規(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。試驗共運行4個階段142個周期，在進水COD、NH4+-N濃度不變的情況下，通過調(diào)節(jié)PO43--P來改變碳磷比，進而考察了磷沖擊對活性污泥系統(tǒng)的影響。具體方式如表2所示。每個周期的運行模式均為首先脈沖進水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4 h。

表2 不同試驗階段的運行模式Table 2 Operation mode of different test stages

1.4 檢測分析項目

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等均采用國家標準方法測定，利用WTW Multi 340i DO儀監(jiān)測系統(tǒng)厭氧和好氧階段的DO、pH和ORP，利用光學(xué)顯微鏡OLYMPUS BX51觀察微生物形態(tài)。比釋磷量和比吸磷量分別按照式(1)、(2)進行計算，比釋磷(比吸磷)速率按照式(3)計算：

(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，實際需要8.67 g COD。轉(zhuǎn)化1 g亞硝酸鹽為氮氣，考慮到同化作用實際需要5.20 g COD[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷沖擊負荷對污泥沉降性能的影響

試驗中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，可以更好地進行釋磷和吸磷，因此好氧段的比吸磷量呈增加趨勢[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 磷沖擊負荷對脫氮除磷的影響

生物除磷系統(tǒng)中除PAOs以外，還存在代謝過程與PAOs類似的聚糖菌(GAOs)，但GAOs的代謝過程中沒有磷參與[6]，僅消耗外界碳源，因此GAOs的存在會與PAOs競爭進水中的碳源[7]，從而導(dǎo)致PAOs的生長及活性受到限制。不同的碳磷比會影響PAOs和GAOs的競爭關(guān)系，進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，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，系統(tǒng)中釋磷量和吸磷量均隨著碳磷比降低呈升高趨勢。在第3到第4階段，厭氧段釋磷量的少量上升就會引起好氧段吸磷量的大量增加。研究表明，系統(tǒng)中磷負荷越高，PAOs相對GAOs在系統(tǒng)中越占據(jù)競爭優(yōu)勢，除磷效果也越好[8]。本試驗中隨著碳磷比降低，PAOs富集且活性增強，在厭氧階段能競爭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，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物，為自養(yǎng)硝化菌的生長創(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 磷沖擊負荷對去除有機物的影響

反硝化過程是反硝化菌將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原成氮氣。反硝化菌是一類化能異養(yǎng)兼性厭氧細菌，在無氧時可利用有機物做電子供體進行反硝化作用[11]。分別計算反硝化和釋磷消耗的COD，發(fā)現(xiàn)進水碳磷比與比厭氧釋磷消耗的COD呈線性相關(guān)，如圖5所示，表明增加進水磷含量將提升厭氧段釋磷所消耗的COD，廢水中有機物也消耗得越充分。且在系統(tǒng)中由厭氧釋磷消耗的COD遠高于由反硝化消耗的COD，這說明大部分的COD在厭氧階段被用來除磷，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 磷沖擊負荷對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，在厭氧期末達到谷點，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，隨后由于硝化過程消耗堿度，pH值上升趨勢減緩，并在好氧段末期保持穩(wěn)定[13]。在厭氧階段，DO曲線趨近于零，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被吸附的有機物消耗了。好氧階段中后期吸附的有機物完成分解，DO質(zhì)量濃度逐漸上升。ORP曲線在厭氧階段下降速率先快后慢，如圖6(c)所示，分別對應(yīng)了反硝化和釋磷過程。至厭氧結(jié)束時ORP降至谷點，釋磷量達到最大[14]。隨后在好氧階段由于DO含量升高，ORP曲線不斷上升，并且上升途中形成2個平臺期。在好氧初期，因異氧菌降解吸附的有機物，DO質(zhì)量濃度難以升高，導(dǎo)致ORP緩慢增加形成小平臺期。當(dāng)吸附的有機物被降解完，耗氧速率下降，DO質(zhì)量濃度加速升高，ORP曲線也隨之躍遷形成大平臺。由此可見，厭氧段在線監(jiān)測ORP有利于嚴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)進水COD恒定，磷濃度升高引起碳磷比下降時，厭氧(好氧)運行的活性污泥系統(tǒng)會強化厭氧釋磷對有機物的吸收，進而提高PAOs活性，改善污泥沉降性。同時好氧段較少的有機物為自養(yǎng)硝化菌創(chuàng)造了良好生長環(huán)境，提高比硝化速率。

(2)通過分析pH值、ORP、DO曲線的變化趨勢，能夠間接掌握系統(tǒng)脫氮除磷進程。厭氧階段pH值的下降速率與聚磷菌釋磷速率相關(guān)，ORP下降的最低點與釋磷量最高點對應(yīng)。好氧階段ORP曲線出現(xiàn)2個平臺期，中間的過渡段與DO突躍期對應(yīng)，指示耗氧物質(zhì)降解結(jié)束。

(3)本研究集中于進水磷濃度長期沖擊對系統(tǒng)的綜合影響，短期間歇性沖擊的影響特點，還需要進一步研究。