厭氧/好氧/缺氧模式對(duì)SBR工藝的影響

        隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快及城市基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步完善，污水處理量越來(lái)越大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2010年全國(guó)城鎮(zhèn)污水排放量接近400億m3，且國(guó)家對(duì)污水處理廠氮磷排放的要求越來(lái)越高〔1〕。近20 a來(lái)城市污水處理已由去除含碳有機(jī)物為目標(biāo)轉(zhuǎn)向含碳有機(jī)物和氮、磷營(yíng)養(yǎng)元素的去除。研究和開(kāi)發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的生物除磷脫氮技術(shù)已成為一大研究熱點(diǎn)，出現(xiàn)了一系列城市污水處理新工藝，如同時(shí)硝化及反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化及反硝化除磷等技術(shù)。反硝化除磷技術(shù)是反硝化聚磷菌(DPAOs)利用亞硝酸鹽、硝酸鹽為電子受體，胞內(nèi)儲(chǔ)存物聚羥基烷酸酯(PHA)為電子供體，通過(guò)“一碳兩用”來(lái)同步完成反硝化脫氮和過(guò)量吸磷的目的〔2〕。序批式間歇活性污泥反應(yīng)器(SBR)具有運(yùn)行方式靈活、節(jié)省費(fèi)用和用地、脫氮除磷效果好等優(yōu)點(diǎn)〔3〕。在目前的實(shí)際應(yīng)用中脫氮除磷的效率都不是很高，難達(dá)到滿意的處理效果〔4〕，如何在SBR工藝中實(shí)現(xiàn)反硝化除磷是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　筆者采用厭氧/好氧/缺氧模式運(yùn)行的SBR處理人工配水模擬生活污水，并研究了泥齡、溫度、曝氣量對(duì)反硝化除磷過(guò)程的影響。

　　1 材料和方法

　　1.1 SBR反應(yīng)器的運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)裝置為有機(jī)玻璃制成的長(zhǎng)方體容器，其尺寸為20 cm×20 cm×30 cm，有效容積為7 L，如圖 1所示。

圖 1 SBR系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

1-空氣壓縮機(jī)；2-時(shí)間控制開(kāi)關(guān)；3-磁力攪拌器；4-加熱棒；5-取樣口

好氧曝氣階段采用微孔曝氣頭向反應(yīng)器中充氣，厭氧和缺氧階段采用多功能攪拌器攪拌，攪拌速度約為50 r/min，該攪拌棒材質(zhì)為不銹鋼，尺寸為D 6 mm×43 cm，每隔10 cm有1個(gè)葉片，共有3個(gè)。每個(gè)階段的開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間均由定時(shí)器控制。工藝流程為：瞬時(shí)進(jìn)水，厭氧攪拌1 h，好氧曝氣4 h，缺氧攪拌2 h，靜置沉淀0.5 h，排水閑置0.5 h。每天3個(gè)周期，每周期8 h，每個(gè)周期的排水比為0.5。

實(shí)驗(yàn)采用人工配水，其中葡萄糖0.4 g/L、氯化銨0.153 g/L、磷酸氫二鉀0.129 g/L以及一定的微量元素。該模擬廢水的水質(zhì)為COD 400 mg/L、氨氮40 mg/L、磷酸鹽5 mg/L。

實(shí)驗(yàn)使用的活性污泥泥種取自太原市河西北中部污水廠的回流污泥。先將取回的污泥悶曝1 d，設(shè)定溫度為25 ℃、pH為7.5左右、曝氣量為40 L/h。之后按照瞬時(shí)進(jìn)水，厭氧攪拌2 h，好氧曝氣5 h，缺氧攪拌3 h，靜置沉淀1.5 h，排水閑置0.5 h進(jìn)行培養(yǎng)馴化，每天運(yùn)行2個(gè)周期，每周期12 h，每周期進(jìn)出水量為3.5 L。培養(yǎng)過(guò)程采用COD、氨氮投加量逐漸遞增的方式，COD從200 mg/L提升到400 mg/L，氨氮從20 mg/L提升到40 mg/L，每2 d提升1次，每次提升10%~20%。當(dāng)MLSS保持在4 500 mg/L左右，MLVSS/MLSS為0.8左右，且COD、氨氮的去除率達(dá)到90%以上時(shí)，污泥培養(yǎng)結(jié)束。

1.2 測(cè)定方法及分析項(xiàng)目

水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用國(guó)家環(huán)?？偩诸C布的標(biāo)準(zhǔn)方法，具體如表 1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 

采用單因素分析法，首先將溫度定為室溫25 ℃、曝氣量為64 L/h，測(cè)定缺氧段出水中磷酸鹽、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度來(lái)研究泥齡(15、20、25、30 d)對(duì)系統(tǒng)反硝化除磷的影響;在曝氣量為64 L/h及較佳泥齡條件下，研究溫度(15、20、25、30 ℃)對(duì)系統(tǒng)反硝化除磷效果的影響。將泥齡和溫度都調(diào)至完備，研究曝氣量(32、48、64、80 L/h)對(duì)系統(tǒng)反硝化除磷效果的影響。

2 結(jié)論與分析

2.1 泥齡對(duì)反硝化除磷效果的影響 

在溫度25 ℃、曝氣量64 L/h條件下，研究泥齡對(duì)反硝化除磷效果的影響，結(jié)果見(jiàn)表 2。

由表 2可知，泥齡對(duì)反硝化除磷效果影響較大。泥齡為15 d時(shí)，缺氧段的吸磷速率、脫氮速率為0，沒(méi)有反硝化除磷現(xiàn)象發(fā)生。泥齡>15 d時(shí)，吸磷速率、脫氮速率隨著泥齡的增加而增加，但30 d時(shí)吸磷速率為0，說(shuō)明20、25 d有反硝化除磷現(xiàn)象，30 d無(wú)反硝化除磷現(xiàn)象發(fā)生。25 d時(shí)系統(tǒng)在缺氧段的吸磷速率較大，為0.043 3 mg/(g·h)。泥齡為15 d時(shí)沒(méi)有反硝化除磷現(xiàn)象是因?yàn)榉聪趸哿拙鶧PB在厭氧/好氧/缺氧條件下生長(zhǎng)，其利用的是一種較為復(fù)雜的有機(jī)物PHB作碳源，基質(zhì)的利用速率較慢〔5, 6〕，則DPB的生長(zhǎng)速率就慢，而過(guò)短的泥齡又導(dǎo)致DPB從系統(tǒng)中流失，影響了污泥的除磷效果，甚至失去除磷能力。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與M. Merzouki等的研究相似〔7〕。泥齡除對(duì)SBR工藝中反硝化除磷性能有較大影響，同時(shí)還會(huì)影響去除單位磷和氮所需的COD〔8〕。隨著泥齡的延長(zhǎng)，缺氧段在系統(tǒng)中所起的吸磷作用越來(lái)越明顯，但泥齡>25 d除磷效率降低，污泥發(fā)生釋磷“自溶”現(xiàn)象。這是因?yàn)橄到y(tǒng)排泥量減少，通過(guò)污泥排出的磷也減少，DPB沒(méi)有足夠的能量攝取多余的磷，造成系統(tǒng)在缺氧段除磷效果不好〔9〕。

綜上，厭氧/好氧/缺氧模式運(yùn)行的SBR泥齡過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都不利于缺氧段反硝化除磷現(xiàn)象的發(fā)生，泥齡為25 d時(shí)系統(tǒng)的反硝化除磷效果較好。

2.2 溫度對(duì)反硝化除磷的影響 

在曝氣量為64 L/h、泥齡為25 d的條件下，考察溫度對(duì)反硝化除磷效果的影響，結(jié)果見(jiàn)表 3。

可知，溫度為15 ℃時(shí)缺氧段的吸磷速率、脫氮速率為0，沒(méi)有發(fā)生反硝化除磷現(xiàn)象。溫度在15~30 ℃時(shí)缺氧段的吸磷速率隨溫度的增加而增加。溫度為20~25 ℃時(shí)，缺氧段的脫氮速率隨溫度的增加而增加，30 ℃時(shí)脫氮速率下降。這可能是溫度在20~25 ℃時(shí)反硝化除磷和利用碳源的反硝化作用同時(shí)發(fā)生，導(dǎo)致脫氮速率較高。溫度為30 ℃時(shí)吸磷速率較大，為0.051 3 mg/(g·h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與P. ELefiniotis等研究結(jié)論相近〔10〕。

在微生物生理活性中起影響作用的因素很多，其中溫度對(duì)生物蛋白的活性影響很大，酶自身具有的蛋白質(zhì)特性決定了污水生物處理必須在一定溫度范圍內(nèi)才能取得良好的處理效果。在低于中溫和常溫條件下，細(xì)菌的酶活性受到抑制，降低了反硝化除磷效果〔11〕。因此該系統(tǒng)適宜溫度確定為30 ℃。

2.3 曝氣量對(duì)反硝化除磷的影響 

在溫度為30 ℃、泥齡為25 d條件下研究曝氣量對(duì)反硝化除磷效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖 2~圖 4、表 4。其中圖 2~圖 4為該系統(tǒng)缺氧段在不同曝氣量下的磷酸鹽、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮的變化情況。

圖 2 不同曝氣量下磷酸鹽在缺氧段的變化 

 圖 3 不同曝氣量下硝態(tài)氮在缺氧段的變化

圖 4 不同曝氣量下亞硝態(tài)氮在缺氧段的變化

由圖 2~圖 4可知，曝氣量為32 L/h時(shí)，缺氧段的磷酸鹽沒(méi)有下降趨勢(shì)，系統(tǒng)中沒(méi)有發(fā)生反硝化除磷現(xiàn)象。當(dāng)曝氣量增大到48 L/h時(shí)，反應(yīng)第1 h磷酸鹽與硝態(tài)氮都逐漸降低，反硝化聚磷菌利用硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化除磷;第2 h磷酸鹽及硝態(tài)氮繼續(xù)降低，亞硝氮也開(kāi)始降低，當(dāng)硝態(tài)氮<0.5 mg/L時(shí)，反硝化聚磷菌同時(shí)利用硝態(tài)氮和亞硝氮進(jìn)行反硝化除磷。由表 4可知，曝氣量為48 L/h時(shí)系統(tǒng)缺氧段的吸磷速率、脫氮速率分別為0.045 1、0.248 7 mg/(g·h)。

曝氣量為64 L/h時(shí)缺氧段一開(kāi)始NO3-下降，磷酸鹽隨之下降，這說(shuō)明此過(guò)程中反硝化聚磷菌利用NO3-作為電子受體;當(dāng)NO3-<0.5 mg/L時(shí)，系統(tǒng)中的NO2-開(kāi)始被消耗，表明反硝化聚磷菌開(kāi)始利用NO2-作為電子受體。筆者認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)中的NO3-和NO2-共存時(shí)，NO3-首先被消耗，但當(dāng)NO3-下降到一定程度時(shí)，NO2-隨之被消耗。 

當(dāng)曝氣量繼續(xù)增較高，分別為0.035 4、0.458 0 mg/(g·h)。 

在反硝化除磷工藝中，缺氧段反硝化除磷的效果與厭氧條件控制的好壞有直接關(guān)系。厭氧段曝氣量過(guò)高會(huì)影響釋磷，而缺氧段曝氣量過(guò)高則影響反硝化過(guò)程。令云芳等〔12〕認(rèn)為反硝化除磷的厭氧和缺氧段應(yīng)保持DO < 0.2 mg/L。缺氧段的DO過(guò)高會(huì)導(dǎo)致分子態(tài)氧與硝態(tài)氮競(jìng)爭(zhēng)，影響聚磷菌的缺氧反硝化過(guò)程，因此缺氧段的溶解氧需控制在≤0.5 mg/L〔13〕。實(shí)驗(yàn)中，曝氣量為64 L/h時(shí)厭氧段、缺氧段的DO適合反硝化細(xì)菌和反硝化聚磷菌的生長(zhǎng)，缺氧段吸磷速率、脫氮速率較高，故適宜的曝氣量確定為64 L/h。 

3 結(jié)論 

(1)在溫度25 ℃、曝氣量64 L/h條件下，泥齡過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都不利于反硝化除磷現(xiàn)象的發(fā)生，泥齡在25 d時(shí)效果較好。

(2)在曝氣量64 L/h、泥齡為25 d條件下，溫度為20、25、30 ℃時(shí)都出現(xiàn)一定的反硝化除磷，30 ℃時(shí)較為明顯，缺氧段吸磷速率較高為0.051 3 mg/(g·h)，脫氮速率為0.180 1 mg/(g·h)。

(3)在溫度30 ℃、泥齡25 d條件下，曝氣量為64 L/h時(shí)反硝化除磷效果較好，吸磷速率較高為0.054 0 mg/(g·h)，脫氮速率為0.594 6 mg/(g·h)。