當前，我國面臨著嚴重的水體富營養化問題，而造成水體富營養化的原因主要為氮磷的超標排放，所以，如何有效地去除污水中的氮磷成為我國急需解決的問題[1,2]. 在目前存在的脫氮和除磷技術中,同步脫氮除磷技術由于具有處理成本低，易與原有系統銜接，能同時去除有機碳化物、 N、 P 等污染物,能提高難降解有機物的去除率,并能抑制絲狀菌生長繁殖等優點而被廣泛應用[3, 4, 5]. 近年來，為實現污水的同步脫氮除磷，國內外研究者開發了改進的Dephanox 工藝，連續流厭氧/缺氧活性污泥系統，連續流厭氧/好氧/缺氧同步脫氮除磷工藝等[6, 7, 8]. 但連續流系統有構筑物多、 占地面積大、 能耗高、 剩余污泥量大等缺陷,為解決以上問題而設計的SBR工藝也具有眾多脫氮除磷生物群落難以共存的矛盾[9,10]. 針對以上問題，本試驗設計了一種同步脫氮除磷新工藝——生物膜/顆粒污泥耦合工藝，在好氧區利用載體固定生長緩慢的硝化菌群形成硝化菌生物膜，在厭氧區培養馴化反硝化聚磷菌顆粒污泥. 好氧區與厭氧區容積負荷對氮磷的去除有顯著影響[11,12]. 好氧區容積負荷主要決定硝化反應的進行，直接影響硝化菌對氨氮的氧化作用，從而決定著氨氮的去除率，所以，好氧區的容積負荷是影響脫氮的關鍵因素之一. 厭氧區容積負荷不但決定厭氧釋磷量的大小，而且對反硝化聚磷菌也有著重要影響，厭氧區容積負荷決定著磷的去除情況，同時也影響著脫氮[13]. 本試驗基于生物膜/顆粒污泥耦合工藝反應器對不同好氧/厭氧區容積負荷這一影響因素進行研究，分析不同好/厭氧區容積負荷對脫氮除磷的影響，以期為該工藝高效運行提供依據.
1 材料與方法
1.1 試驗用水及種泥
試驗采用模擬人工配水，其組分為：COD 300 mg ·L-1，NH+4-N 30 mg ·L-1，PO3-4-P 5 mg ·L-1,微量元素混合液 0.3 mL ·L-1. 微量元素(g ·L-1)組成:FeCl3 ·6H2 O 1.5; H3BO3 0.15; CuSO4 ·5H2 O 0.03; KI 0.18; EDTA 10; MnSO4 ·H2 O 0.15; ZnSO4 ·7H2 O 0.12; CoSO4 ·7H2 O 0.03. 試驗種泥均取自哈爾濱文昌污水處理廠二沉池.
1.2 試驗裝置與運行方案
試驗所用反應器有效體積25 L，分內外兩個筒，外筒高53.5 cm，直徑28 cm，內筒高40 cm，直徑18 cm; 載體選擇聚氨酯泡沫; 好氧區DO控制在2~4 mg ·L-1; HRT為8.5 h，厭氧區SRT控制在15 d[14]. 反應器的運行方式為：進水240 min(采用蠕動泵連續進水，同時開啟厭氧區攪拌器)、 曝氣240 min、 沉淀和排水30 min.
污水由上部經內外筒之間的夾層流入反應器底部，然后在內筒內上升至反應器頂部，再經內外筒之間的夾層流回反應器底部，構成自上而下內循環水流狀態，內筒設有多孔分體隔板，隔板表面具有開口式的孔，隔板放置于隔板墊上，將反應器內筒分為上下兩層，上層作為好氧區放置硝化菌載體生物膜，下層作為厭氧區放置反硝化聚磷菌顆粒污泥，隔板上安放微孔曝氣盤，這樣可以保證上端的硝化菌生物膜始終處于好氧狀態，而下端的顆粒污泥則處于厭氧和缺氧的狀態[14]. 在反應器的外筒側面上設有一排取水口，在最下面的取樣口取樣和排水，底部設有排泥管.
本研究旨在提高生物膜/顆粒污泥耦合工藝對模擬城市污水中氮、 磷等污染物質的去除效率. 在工藝穩定運行的基礎上，通過對好氧區和厭氧區的容積大小調整，研究好/厭氧區容積負荷對耦合工藝脫氮除磷影響，為該工藝高效運行提供依據.
反應器總容積一定，通過調節隔板的位置，改變好/厭氧區容積，形成3種不同運行工況，3種工況下系統HRT保持不變，序批式運行方式各階段的時間分配保持一致，因此，3種工況的廢水流速相同，具體各工況的好/厭氧區容積和好/厭氧區負荷見表 1.
表 1 3種不同工況的好/厭氧區容積和負荷
1.3 檢測項目及分析方法
COD、 NH+4-N、 NO-2-N、 PO3-4-P和MLSS等指標的測定均采用國家頒布的標準方法[15]，NO-3-N的測定采用麝香草酚法.
2 結果與討論
2.1 不同好氧區容積負荷對氨氮去除的影響
不同好氧區容積負荷對系統NH+4-N去除能力有明顯的差別，隨著好氧區氮容積負荷的不斷減少，去除率相應提高，3種工況條件下平均去除率分別為75.07%、 80.63%和83.66%(圖 1). 好氧區氮容積負荷越小，單位污泥量的氮負荷就越低，氨氮的去除率就越高.
圖 1 不同容積負荷條件下NH+4-N去除效果
不同好氧區氮容積負荷條件下氨氮的去除效果如圖 2所示，此階段氮負荷主要是指氨氮負荷. 隨著好氧區氮負荷不斷減少，氮去除負荷分別為157.14~198.60、 130.00~171.50和100.97~144.02 g ·(m3 ·d)-1，平均氮去除負荷分別為181.96、 150.27和126.09 g ·(m3 ·d)-1. 由數據可以看出，氮負荷越大，其去除負荷也相應地越高. 但綜合考慮氮負荷對氨氮去除率的影響，好氧區氮容積負荷不宜太大，本研究應在186.14 g ·(m3 ·d)-1.
圖 2 不同好氧區容積氮去除速率
2.2 不同厭氧區容積負荷對COD去除的影響
厭氧區反硝化除磷對COD的去除原理是聚磷菌利用水解聚磷酸鹽所獲得的能量來吸收乙酸基質并合成為細胞內的儲能物質PHB[16,17]. 此工藝中COD的去除主要發生在厭氧區，伴隨著磷的釋放，水中COD的含量有明顯的下降. 圖 3表示不同厭氧區容積負荷對COD去除的影響. 隨著厭氧區有機負荷的不斷增大，厭氧結束時的COD濃度逐漸上升. 在進水有機負荷最大的工況Ⅲ中，厭氧結束時COD濃度達到70.89 mg ·L-1，遠高于其它兩種工況，其厭氧區的COD去除率僅為71.60%. 在工況Ⅰ和Ⅱ中，厭氧區的COD去除率較為理想，分別為89.53%和83.24%. 有研究表明在反硝化除磷工藝中，如果好氧區中存在大量的COD,氨氮的硝化將會受到很大的影響[18]. 厭氧區的COD主要是用于殘存NO-3-N的反硝化和內碳源PHB的合成，這表明在厭氧區大部分COD已經被去除，從而保證了好氧區自養型硝化菌的優勢生長，提高了氨氮的硝化率.
由上述可知，雖然在厭氧區大部分COD被去除，但從總體來看，COD的去除率不是很高，因此還要有少量的COD在好氧區被去除. 由該工藝的構型可以看出，待處理污水在厭氧區經過反硝化聚磷菌處理以后，會經過好氧區和厭氧區之間的多孔擋板，到達好氧區，由于硝化菌生物膜菌種的多樣性，可能一部分異養菌會對污水中殘余的COD進行降解，這樣在好氧區污水中COD的濃度也會有不同程度的降低，在好氧區COD的去除率在5.13%~17.10%之間. 在好氧區，體系中COD的繼續降解，對于懸浮載體的正常運行和細菌種類的多樣性都是有利的，這樣該工藝適應不同環境變化的能力就會變強. 3種工況的COD平均去除率均達到88.70%以上，可見該工藝對有機物的去除效果比較穩定.
圖 3 厭氧段COD濃度和有機負荷變化
2.3 不同厭氧區容積負荷對反硝化除磷的影響
不同厭氧區容積負荷下的釋磷情況如圖 4所示，隨著厭氧區的減小，厭氧末期磷濃度由最初的15 mg ·L-1降低到11 mg ·L-1. 3種工況的厭氧區磷酸鹽負荷分別為29.29、 33.82和39.30 g ·(m3 ·d)-1，厭氧結束時釋磷量分別為8.60、 7.23和5.63 mg ·L-1. 從中可以看出厭氧區越大，越有利于PO3-4-P的釋放，而PO3-4-P釋放量的大小，決定著體系除磷效率的高低.
圖 4 不同容積負荷條件下釋磷情況
不同的厭氧區容積負荷不僅會影響厭氧階段磷的釋放，同時影響磷的缺氧吸收，即反硝化除磷. 由于本研究在前期對反硝化聚磷菌顆粒污泥進行了培養和馴化. 而且好氧區的硝化菌生物載體也是僅針對硝化菌進行培養和馴化，因此，該新型反應器對磷的去除主要在厭氧區的缺氧階段通過反硝化除磷完成. 隨著好氧區的增大，NH+4-N的去除率逐漸增大(圖 1)，硝化作用產生的硝態氮濃度也相應增多，但此時由于厭氧區是縮小的，因此導致磷的容積負荷不斷上升，厭氧釋磷受到影響. 由于釋磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷過程中利用硝態氮的量降低，因此導致出水的硝態氮濃度逐漸升高. 3種工況厭氧結束時厭氧區磷容積負荷分別上升到68.27、 76.50和85.89 g ·(m3 ·d)-1，相應的磷去除負荷分別為62.52、 71.93和78.58 g ·(m3 ·d)-1，吸磷量分別為12.79、 11.93和10.04 mg ·L-1(圖 5).
圖 5 不同厭氧區容積負荷條件下吸磷情況
通過對釋磷量和吸磷量的綜合分析，在工況Ⅱ[厭氧區磷負荷33.82 g ·(m3 ·d)-1]條件下，PO3-4-P去除率比較高. 從圖 5可以看出，該條件下出水NO-x-N濃度在1.75 mg ·L-1左右，說明電子受體相對充足，出水的PO3-4-P平均濃度為0.76 mg ·L-1. 而工況Ⅰ[厭氧區磷負荷29.29 g ·(m3 ·d)-1]的出水PO3-4-P濃度為1.18 mg ·L-1，相比較而言，工況Ⅰ好氧區比例相對較小，對氨氮的去除率較低(圖 1)，由硝化菌氧化氨氮產生的硝態氮電子受體不足，導致出水PO3-4-P濃度較高. 在工況Ⅲ[厭氧區磷負荷39.30 g ·(m3 ·d)-1]條件下，雖然出水的PO3-4-P濃度比較低，但是由于釋磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷過程中利用硝態氮的量降低，使得出水NO-x-N的濃度較高.
經過60 d的穩定運行，3種工況條件對于COD均可以保持較高的去除率，但是對于NH+4-N和PO3-4-P的去除，工況Ⅱ和工況Ⅲ條件要好于工況Ⅰ，主要原因是好氧區容積負荷的大小決定著氨氮氧化的情況，而氧化產物NO-x-N是反硝化除磷電子受體來源，所以除磷能力的高低與NO-x-N量的多少有重要關系. 在工況Ⅲ條件下，氨氮充分氧化生成氧化態氮，但反硝化聚磷菌并沒有充分利用，造成出水的硝態氮濃度過高. 在工況Ⅱ條件下，即好氧區氮負荷為186.14 g ·(m3 ·d)-1，厭氧區磷和COD的負荷分別為33.82 g ·(m3 ·d)-1和1517.42 g ·(m3 ·d)-1時，由于硝化生物膜氧化氨氮產生的硝態氮作為反硝化聚磷菌的電子受體被反硝化聚磷菌充分利用，所以出水硝態氮低于其它兩種運行條件.具體參見污水寶商城資料或http://www.xhxdt.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1)隨著好氧區氮容積負荷的減少，氨氮去除率相應的增加，3種工況條件下氨氮去除率分別為75.07%、 80.63%和83.66%，氮去除負荷分別為181.96、 150.27和126.09 g ·(m3 ·d)-1.
(2)隨著厭氧區有機負荷的增大，厭氧結束時COD的去除率逐漸減少，3種工況條件下COD去除率分別89.53%、 83.24%和71.60%.
(3)隨著厭氧區磷容積負荷的增大，釋磷量逐漸降低，3種工況條件下釋磷量分別為8.60、 7.23和5.63 mg ·L-1，吸磷量分別為12.79、 11.93和10.00 mg ·L-1.
(4)從生物膜-顆粒污泥耦合工藝對有機物、 氮、 磷污染物的去除情況來看，工況Ⅰ條件下NH+4-N和PO3-4-P的去除率不高，工況Ⅲ條件下氮的去除率不高，所以工況Ⅱ為最佳運行工況.(來源及作者：東北林業大學林學院 尹航、劉暢、高輝、高大文)
