近年來，反硝化除磷技術(shù)已成為污水處理研究領(lǐng)域熱點問題，反硝化除磷技術(shù)不但減少了聚磷菌胞內(nèi)聚羥基烷酸(PHA)的無謂消耗、減少需氧量、降低能耗，達到了“一碳二用”的目的，解決了傳統(tǒng)工藝中脫氮和除磷兩個過程在碳源爭奪問題上的矛盾，并且減少了剩余污泥排放量，在滿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實現(xiàn)的，如果污泥齡SRT維持較短則可能導致MLSS濃度變低，無法保證系統(tǒng)的正常運行，過高的SRT會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(xiàn)了微生物的生長環(huán)境和世代周期，而且影響污泥系統(tǒng)的處理效率、出水水質(zhì)和產(chǎn)泥量。目前，國內(nèi)外學者關(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(tǒng)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(tǒng)。兩級SBR是采用有機玻璃制成，兩個SBR分別單獨進水，N-SBR出水中NO2--N作為電子受體投加到A2-SBR缺氧段進行反硝化吸磷。亞硝化反應器N-SBR有效容積3 L，通過微氧曝氣實現(xiàn)短程硝化，每天運行2個周期，每個周期3 h;反硝化除磷反應器A2-SBR有效容積35 L。以沈陽北部污水處理廠沉降池污泥作為接種污泥，MLSS為3 000~4 000 mg/L，進水采用瞬時加入，通過攪拌器使泥水混合均勻，系統(tǒng)的進水、攪拌、曝氣、加藥、排水等工序均由時控器和電子閥控制。首先采用厭氧/缺氧運行模式將傳統(tǒng)聚磷菌污泥馴化為反硝化除磷污泥，之后轉(zhuǎn)入正常運行，每天運行2個周期，每個周期5.5 h，日處理污水量60 L，SRT為20 d，每個周期運行步驟：瞬時進水、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(tǒng)
1—A2SBR進水箱；2—NSBR反應器；3—電動攪拌機；4—曝氣泵；5—氣體流量計；6—曝氣頭；7—時間繼電器；8—電磁閥；9—液體流量計；10—A2SBR進水管；11—A2SBR排水管；12—排泥口；13—A2SBR反應器；14—NSBR進水箱；15—NSBR出水管。
1.2 試驗水質(zhì)
試驗用水取自東北大學校園家屬樓下水管道實際生活污水，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(jié)果與討論
2.1 無排泥情況除磷效果
SRT的大小直接影響著污水的處理效果，SRT較短將對生物除磷量產(chǎn)生影響，導致系統(tǒng)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(tǒng)的SRT，考察了SBR連續(xù)36 d無排泥情況下系統(tǒng)的脫氮除磷效果，進而確定最佳的SRT，試驗過程中保持進水磷質(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(tǒng)每天運行2個周期。
由圖 2可以看出，連續(xù)36 d不排泥，系統(tǒng)仍有處理效果，沒有發(fā)生出水磷濃度大于進水的情況，但除磷效果不是很穩(wěn)定，除磷率在48.00%~86.75%波動。系統(tǒng)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(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準，平均去除率為80.67%，系統(tǒng)運行到第26天后，除磷效果逐漸變差，除磷率開始下降，到第36天時，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(tǒng)不排泥的情況下，仍有除磷效果，但連續(xù)運行超過24 d后，除磷效果開始下降。這與傳統(tǒng)除磷理論認為泥齡越短除磷效果越好的說法不一致，因為厭氧/缺氧條件下生長的反硝化聚磷菌DPAOs比傳統(tǒng)聚磷菌PAO生長速率慢，所以其SRT比PAOs的長，這與石玉明等結(jié)論相同〔7, 8〕。
圖 2 無排泥系統(tǒng)除磷效果
圖 3為系統(tǒng)無排泥連續(xù)運行36 d情況下的脫氮及COD去除效果。
圖 3 無排泥系統(tǒng)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，出水平均COD為22.91 mg/L，不排泥連續(xù)運行對COD去除并沒有太大影響。碳源是微生物生長需要量最大的營養(yǎng)元素，在反硝化除磷系統(tǒng)中，乙酸作為能源吸收到胞內(nèi)以PHB形式進行儲存以便用于缺氧吸磷，即使在DPAOs生長受到抑制的情況下，其他異養(yǎng)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(tǒng)中存在著傳統(tǒng)反硝化菌同樣能夠發(fā)生反硝化反應，進而NO2--N得到去除。
2.2 泥齡對系統(tǒng)運行效果影響
2.2.1 泥齡對除磷的影響
在系統(tǒng)運行穩(wěn)定的情況下，考察SRT分別為10、16、24、32 d時對污水的處理效果，每種條件下運行1個SRT周期，每天運行2個周期，反應過程中進水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，試驗過程中保持溫度為25~27 ℃，pH為7.5~7.7，4個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(jié)果見圖 4。
圖 4 不同SRT對除磷效果影響
由圖 4可以看出，系統(tǒng)在不同SRT條件下運行均有除磷效果，并沒有出水磷濃度大于進水的情況發(fā)生，SRT=10 d時，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生長速率較慢，世代周期比較長，當SRT小于其世代周期時，過早地排放剩余污泥，會使污泥中的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(jié)束后會有大量未被利用的外碳源COD進入缺氧段，傳統(tǒng)反硝化菌及其他異養(yǎng)微生物吸收外碳源大量生長繁殖，從而抑制了DPB利用內(nèi)碳源PHB進行反硝化吸磷〔11, 12〕。SRT提高到16 d時，系統(tǒng)除磷效果有所提高，去除率較SRT=10 d時提高了12.4%，出水平均TP質(zhì)量濃度為1.18 mg/L。當SRT=24 d時，系統(tǒng)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SRT的延長，在厭氧段DPB充分吸收外碳源并以PHB的形式儲存于體內(nèi)，使得在缺氧段沒有外碳源存在時，DPB仍可利用PHB進行缺氧吸磷反應。可見，隨著系統(tǒng)SRT變大，除磷率提高，這與傳統(tǒng)觀點認為SRT越小，除磷效果越好的觀點并不一致。SRT繼續(xù)提高到32 d的時候，系統(tǒng)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SRT的增大，污泥濃度變大，污泥有機負荷降低，在厭氧釋磷過程中并沒有足夠的外碳源可供吸收，造成了“無效釋磷”的發(fā)生，在缺氧段沒有充足的內(nèi)碳源PHB可供利用，缺氧吸磷受阻〔12〕。
由此可見，選擇合適的SRT對除磷至關(guān)重要，SRT既不能過大導致系統(tǒng)內(nèi)有機負荷變低，又不能過小致使有機負荷過高，根據(jù)除磷效果認定，本系統(tǒng)最佳SRT取24 d。
2.2.2 泥齡對碳源利用的影響
圖 5是系統(tǒng)厭氧釋磷缺氧吸磷過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，厭氧段系統(tǒng)對外碳源利用率較低，厭氧末端系統(tǒng)出水COD偏高，平均為73.7 mg/L，隨著SRT的延長，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，系統(tǒng)厭氧出水平均COD分別為41.6、37.4、、33.7 mg/L。分析認為SRT過小時，會出現(xiàn)DPB隨著剩余污泥排出的情況，系統(tǒng)內(nèi)聚磷菌含量變少，不足以提供足夠的能源吸收乙酸于胞內(nèi)，出水COD偏高，此外，當SRT很小時MLSS小，反應器中微生物處于營養(yǎng)過剩的環(huán)境中活性低;而適當延長SRT，微生物處于營養(yǎng)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，系統(tǒng)COD去除效果提高。SRT為10~24 d時，雖然不同SRT對厭氧出水COD有影響，但缺氧出水COD并無影響，出水平均COD均低于20 mg/L。SRT為10、16、24 d時，厭氧末端胞內(nèi)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，厭氧末端PHB質(zhì)量濃度較低，為56.45 mg/L，原因是SRT較長時，污泥有機負荷偏低，胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為PHB量少。隨著SRT的延長，缺氧末端PHB含量呈先升高后降低的趨勢，SRT較小時，污泥有機負荷高，厭氧結(jié)束后殘余的碳源進入缺氧段，異養(yǎng)菌優(yōu)先吸收外碳源進行生化反應，反硝化聚磷菌吸收內(nèi)碳源PHB進行缺氧吸磷受到抑制，因而缺氧末端PHB含量高。隨著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(zhuǎn)化為PHB，缺氧段幾乎沒有殘余的外碳源存在，PHB作為內(nèi)碳源被聚磷菌充分吸收利用，出水PHB含量降低。當SRT延長到32 d時，系統(tǒng)中老化死亡的微生物殘骸含量過高，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程中，污泥濃度和胞內(nèi)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SRT的延長，MLSS和MLVSS逐漸上升，厭氧段MLSS由SRT為10 d時的1 560 mg/L增加到32 d時的3 648 mg/L。缺氧段MLVSS由SRT為10 d時的1 342 mg/L增加到32 d時的2 214 mg/L。厭氧段SRT的變化對PHB的合成量并無太大影響，理論上隨著SRT的增大，PHB含量應該提高，但是在SRT延長的同時污泥濃度MLVSS也增大，所以單位質(zhì)量污泥的PHB合成量并無明顯差別，SRT為10、16、24 d時，PHB含量分別為45.7、51.6、53.8 mg/g;隨著SRT的增大，厭氧末端系統(tǒng)內(nèi)poly-P含量呈下降趨勢，SRT越長，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，poly-P含量分別為34.7、28.9、23.1、13.1 mg/g。缺氧吸磷過程中，PHB作為碳源和能源被消耗進行吸磷反應，SRT=10 d時，缺氧末端系統(tǒng)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入缺氧段，微生物優(yōu)先吸收外碳源，因而聚磷菌利用內(nèi)碳源反硝化吸磷被抑制。SRT=24 d時，觀察到污泥沉降性能、鏡檢菌膠團狀態(tài)穩(wěn)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，說明反硝化吸磷反應進行更加完全，吸磷徹底。SRT=32 d時，缺氧末端聚磷菌胞內(nèi)缺氧吸磷PHB消耗量小，聚磷含量降低為31.8 mg/g。具體參見http://www.xhxdt.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1)反硝化除磷系統(tǒng)連續(xù)36 d不排泥，系統(tǒng)仍有處理效果，反硝化和COD去除并沒有受到影響，但到第26天后除磷效果逐漸變差，除磷率開始下降。
(2)SRT既不能過大導致系統(tǒng)內(nèi)有機負荷變低，又不能過小致使有機負荷過高，SRT=24 d時，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，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SRT的延長，缺氧末端PHB濃度呈降低的趨勢，SRT=32 d時，出水COD變高。
(4)SRT與污泥濃度呈正比，隨著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。
