低温下反硝化除磷工艺厌氧段影响因素研究

宋武昌，张冬雨，温成林

（1.济南市供排水监测中心，济南 250033；2.中国重型汽车集团房地产开发公司，济南250031）

低温下反硝化除磷工艺厌氧段影响因素研究

宋武昌1，张冬雨2，温成林1

（1.济南市供排水监测中心，济南 250033；2.中国重型汽车集团房地产开发公司，济南250031）

以SBR反应器在低温条件下进行了反硝化除磷工艺厌氧阶段影响因素的试验研究，对碳源种类、C/P、pH值、厌氧时间及厌氧阶段-N浓度5个因素分别设置了4个水平的正交实验。结果表明，影响-P去除率的各因素的主次顺序为碳源、厌氧阶段-N浓度、厌氧时间、C/P、pH值；各因素较佳的水平条件：碳源为淀粉，厌氧阶段-N浓度为10mg/L，厌氧时间为2h，C/P为25，pH 值为 7。

反硝化除磷工艺；厌氧段；低温；影响因素；正交实验

近年来在试验研究和污水处理实际工程中都发现有反硝化除磷（Denitrifying Phosphorus Removal）的现象［1-2］。 反硝化除磷菌（denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB）能在缺氧条件下，以硝酸盐代替O2为电子受体，同步完成反硝化脱氮和过量吸磷过程［3-4］。与传统生物脱氮除磷技术相比，该技术缓解了反硝化和释磷对碳源（以COD计）的需求矛盾、硝化菌和聚磷菌（PAOs）所需的最佳SRT相抵触等矛盾。

我国北方地区，污水处理厂面临的问题主要有季节温差变化较大，影响活性污泥中微生物的生长和繁殖，制约污水处理厂的脱氮除磷效果。随季节变化脱氮除磷效果不稳定，尤其在低温时处理效果较差，出水难以达标。由此可见，在北方地区开展低温下反硝化除磷工艺的研究，对于城市污水脱氮除磷具有重要的现实意义。反硝化除磷工艺分为厌氧、缺氧两个阶段，本试验以厌氧段因素为研究对象分别设计了正交实验，从而研究确定低温下厌氧段影响反硝化除磷工艺的吸磷效率的主要因素及各因素的最佳水平，为提高低温下反硝化除磷系统的除磷效率提供借鉴。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置

试验采用SBR反应器，反应器由聚氯乙烯塑料板制成，其内径为300mm，有效容积为20L。厌氧和缺氧阶段采用60r/min的恒速电机搅拌。进水由贮水箱经潜水泵提升进入SBR反应器，缺氧段采用一次性投加硝酸盐的方式，各阶段反应时间通过微电脑时控开关进行控制，试验装置图如图1所示。

图1 试验装置图

1.2 试验方法

为确定厌氧阶段下各因素对反硝化除磷工艺吸磷效率的影响，试验中选取碳源种类、C/P、pH值、厌氧时间以及厌氧阶段-N浓度5个因素。正交实验设计的是5因素4水平正交［5］，即L16（45），各实验因素及其水平见表1。

表1 厌氧阶段正交实验因素水平表

按照实验确定的因素与水平，设计正交实验方案表，按照实验方案，正交分析进行了16次实验见表2。

表2 厌氧阶段正交实验表

试验用污泥选用经实验室驯化培养的反硝化除磷污泥，污泥浓度为5000mg/L，实验共分4批进行，每批保持相同污泥浓度及运行参数连续运行3d，各指标均取其平均值。每批实验使SBR反应器进水-P浓度为10mg/L，分别取混合液1L置于4个相同容积烧杯中，以不同浓度的碳源溶液（以COD计）调节C/P，以5%H2SO4溶液和2%NaOH溶液调整pH值，加入适量NaNO3溶液（10mg/ml，以-N计）调整-N浓度，将烧杯置于六联搅拌仪（转速60r/min）进行厌氧反应，在各自厌氧时间结束时取样并一次性投加NaNO3溶液（10mg/ml，以-N计）使-N浓度为80mg/L，缺氧运行4h，缺氧结束静置沉淀取样。

1.3 分析项目及方法

主要分析项目及测定方法见表3。

表3 分析项目及测定方法

2 结果与讨论

2.1 实验结果直观分析

为确定厌氧阶段碳源种类、C/P、pH值、厌氧时间及厌氧阶段-N浓度5个因素对-P去除率的影响主次关系，需要对实验数据进行进一步的深入分析。利用统计学方法对正交表进行直观分析［5］，本实验以-P去除率为考核指标，结果见表4。

表4 正交实验的直观分析

表5 厌氧阶段各因素最佳水平条件

对于反硝化除磷来说，碳源中含有的低分子有机物质含量越多，厌氧段初始的磷的释放速率越快，磷的释放也越充分，后续反硝化脱氮和吸磷效果越好［8］。按照这种观点，本实验中碳源最佳水平应为乙酸钠而不是淀粉，这有可能是本实验采用碳源均较简单及低温条件和DPB污泥性能不同造成的。

反硝化除磷系统首先要求提供给厌氧段足够的可降解COD，其越充足则合成的PHB越多。 Keren Jespersen［9］研究表明，缺氧阶段环境条件下的吸磷率、反硝化率是PAOs体内PHB储量的函数；HAc的消耗量（PHB量）与缺氧段反硝化率及吸磷率存在一定的线性关系；缺氧阶段环境条件下的吸磷率是PHB的一阶方程。从这些函数关系可见，厌氧段提供的COD（HAc）充足与否直接关系着缺氧段反硝化和吸磷能力的强弱。进水的C/P符合最佳比例关系可使处理效果达到最佳。本实验C/P最佳水平为25，而赵庆等［10］研究结果表明C/P>23时，磷的去除率在90%以上；以乙酸钠为碳源时，C/P比为30时，释磷量最大，摄磷量为释磷量的1.58倍，反硝化聚磷率达89%［11］。反硝化除磷C/P最佳水平的不同，可能与DPB污泥性能和碳源种类有关。

生物除磷过程受pH值影响比较明显，特别是厌氧释磷阶段，pH将会影响醋酸盐进入细胞的过程［12］。低pH值会导致释磷速率和醋酸盐吸收速率的降低，在高pH值条件下（>7.5），一个或多个金属磷酸盐化合物的溶解性产物将会增多，导致金属磷酸盐沉淀的生成。由此，本实验得到厌氧阶段pH值的最佳水平为7，不会影响基质吸收速率及导致金属磷酸盐沉淀的生成。

厌氧段HRT长短对系统的除磷和脱氮效果和系统的处理能力起着关键影响，本实验HRT最佳水平为2h。令云芳等［13］也提出了相同结论，认为在处理实际生活污水时A2N工艺厌氧段HRT为2h，即可达到较好的除磷脱氮效果。

2.2 实验结果方差分析

直观分析法的优点是简单、直观，分析计算量小，容易理解，但因缺乏误差分析，所以不能给出误差大小的估计，有时难以得出正确结论，也不能提供一个标准，用来考察、判断因素影响是否显著。为进一步考察厌氧阶段碳源种类、C/P、pH、厌氧时间以及厌氧阶段-N浓度5个因素对-P去除率的影响是否显著，需利用方差分析法对正交实验成果进行进一步分析。

根据表4计算的各因素的水平效应值K及指标y之和，计算统计量与各项偏差平方和［5］，计算结果见表6。厌氧阶段方差分析检验数据见表7。

表6 统计量与偏差平方和计算结果

表7 厌氧阶段方差分析检验表

根据各因素的自由度n1和误差的自由度n2，查文献［5］附表3F分布表，得λ0.05为4.76，由于各因素F值均小于λ0.05，故碳源种类、厌氧时间及厌氧阶段-N浓度对低温下反硝化工艺除磷效率有影响，但95%的置信度说明它们不是显著影响因素。

3 结语

［1］Kuba T， van Loosdrecht M C M， Heijinen J J.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system［J］.Wat Res， 1996， 30（7）：1702-1710.

［2］Meinhold J， Filipe C D M， Daigger G T， et al.Characterization of the denitrifying fraction of phosphate accumulating organisms in biological phosphate removal ［J］.Wat Sci Technol， 1999， 39（1）：31-42.

［3］Lee D S， Jeon C O， Park J M.Biological nitrogen removal with enhanced phosphate uptake in a sequencing batch reactor using single sludge system ［J］.Wat Res， 2001， 35（16）：3968-3976.

［4］Ahn J， Daidou T， Tsuneda S， et al.Characterization of denitrifying phosphate-accumulating organisms cultivated under different electron acceptor conditions using polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis assay ［J］.Wat Res， 2002， 36（2）：403-412.

［5］李燕城.水处理实验技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［6］国家环境保护总局/水和废水监测分析方法委员会编.水和废水监测分析方法（第四版）［M］.北京：中国环境科学出版社，2002.

［7］GB/T 5750.5—2006，生活饮用水标准检验方法：无机非金属指标［S］.

［8］王亚宜，彭永臻，王淑莹，等.碳源和硝态氮浓度对反硝化聚磷的影响及ORP的变化规律［J］.环境科学， 2004， 25（4）：54-58.

［9］Kerrn J.P.Jespersen， M.Henze.Biological phosphorus uptake under anoxic and aerobic condition ［J］.Wat Res， 1993， 27（4）：617-624.

［10］赵庆，袁林江，王磊，等.碳源浓度对SBR法同步脱氮除磷的影响试验研究［J］.西北大学学报（自然科学版）， 2006， 36 （4）：599-602.

［11］张立卿，袁林江，王磊，等.乙酸钠浓度对反硝化聚磷效果的影响试验研究［J］.西安建筑科技大学学报（自然科学版），2007，39 （6）：349-352.

［12］祝贵兵，彭永臻.生物除磷设计与运行手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［13］令云芳，王淑莹，王伟，等.厌氧段 HRT对A2N工艺反硝化除磷脱氮效果的影响［J］.水处理技术， 2006， 32（10）：44-47.

［14］刘慧，米海蓉.硝氮对反硝化除磷系统效率的影响［J］.大庆石油学院学报， 2006， 30（4）：43-46.

Study about influence factors of denitrifying phosphorus removal process on anaerobic phase at low temperature

SONG Wu-chang1，ZHANG Dong-yu2，WEN Cheng-lin1
（1.Jinan Water and Wastewater Monitoring Centre，Jinan250033，China；2.China National heavyduty truck group real estate company，Jinan250031，China）

The anaerobic phase orthogonal experiments were taken to denitrifying phosphorus removal process with sequence batch reactors in low temperature.The factors of category of carbon source，C/P，pH，anaerobic time and the-N concentration of anaerobic phase were chosen in anaerobic phase，and each factor was set four levels.The results showed that：the primary and secondary order of factors which affected the phosphorus removal，were the category of carbon source，the-N concentration of anaerobic phase， anaerobic time， C/P， pH.The proper level of each factor was faecula， 10mg/L， 2h， 25， and 7， respectively.

denitrifying phosphorus removal；anaerobic phase；low temperature；influence factor； orthogonal experiment

TV131.61+9

A

1672-9900（2010）03-0034-04

2010-03-04

宋武昌（1981-），男（汉族），山东苍山人，硕士，主要从事水处理技术研究，（Tel）0531-88965077。