SUFR系统中活性污泥特性及反硝化除磷稳定性

罗固源，张 园，许晓毅

重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045

SUFR系统中活性污泥特性及反硝化除磷稳定性

罗固源，张 园，许晓毅

重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045

通过试验考察了螺旋升流式反应器(SUFR)系统中活性污泥的特性及ρ(CODCr)和污泥龄(SRT)对反硝化除磷稳定性的影响.结果表明:SUFR系统的活性污泥指数(SVI)介于50～150 m L/g;污泥活性均在0.75以上;污泥颗粒直径多在0.7～0.9 mm，属于小颗粒污泥;污泥沉降性能良好.污泥的比硝化速率(SNR)约为1.95 mg/(g·h)，前0.5 h的比厌氧释磷速率(SPRR0.5)为26.82 mg/(g·h)，比好氧吸磷速率(ASPUR)为6.04 mg/(g·h)，比缺氧吸磷速率(NSPUR)为4.27 mg/(g·h)，污泥产率系数约为0.60，对氮磷均有较好的去除能力.SUFR系统反硝化吸磷作用对ρ(CODCr)和SRT都有一定的抗冲击能力，系统除磷效果对进水ρ(CODCr)的耐冲击负荷能力较高，但长期在较低SRT下运行会使系统内活性污泥量急剧降低，导致处理效果下降.

螺旋升流式反应器(SUFR);活性污泥;CODCr;污泥龄

Abstract:The characteristics of activated sludge and effects of influent CODCrand SRT on stability of denitrifying phosphorus removal in a SUFR system were studied.The results obtained were as follows:the SVI was between 50 to 150 m L/g;sludge activity was all over 0.75;sludge grain diameter wasmostly between 0.7 to 0.9 mm，which was small grain sludge;and，sludge settling ability was good.Further results were as follows:SNR of the sludge was about 1.95 mg/(g·h);SPRR0.5was 26.82 mg/(g·h); ASPUR was 6.04 mg/(g·h);NSPUR was 4.27 mg/(g·h);the sludge yield coefficient was about 0.60;and，the SUFR system had a higher removal ability of nitrogen and phosphorus.Denitrifying phosphorus removal in the SUFR system had some shock resistance of influent CODCrand SRT.Phosphorus removal effect had a higher shock resistance of influent CODCr，but the phosphorus removal effects would be decreased over long-term operation on a lower SRT because of a dramatic decrease of activated sludge quantity.

Keywords:spiral up-flow reactor(SUFR);activated sludge;CODCr;SRT

活性污泥是生物反应系统中生化反应的主体［1-2］，其特性直接关系到处理单元对污染物的去除效果.研究表明，序批式活性污泥工艺(SBR)中的污泥活性较高［3］.也有学者指出，系统进水碳源的不同会导致颗粒污泥特性和废水处理能力的差别［4-7］.此外，碳源对反硝化除磷也有较大的影响，厌氧段碳源浓度越高，释磷越充分，但未反应完全的有机物残留于后续缺氧段会对反硝化吸磷产生抑制作用［8］.污泥龄(SRT)对污泥活性的影响也较大，一般当SRT为 15 d时，除磷效果较好［9］.

UCT(University of Cape Town)工艺是由南非开普敦大学在A2O工艺的基础上研究开发的.许多学者对UCT工艺的研究表明，该工艺对氮磷都有较好的去除效果［10］，并且在缺氧反应器内出现明显的吸磷现象［11］.螺旋升流式反应器 (Spiral-Up Flow Reactor，SUFR)系统是在UCT工艺的基础上利用化工反应原理对单个反应器进行优化设计开发出的新型污水处理反应器系统［12］(发明专利号:ZL 03 117335.8).笔者就SUFR系统中活性污泥特性和反硝化除磷稳定性加以研究和分析.

1 材料与方法

1.1 试验设备与用水

试验采用SUFR反应器系统，反应器总有效容积为85 L，其中，厌氧反应器有效容积为16 L，缺氧反应器有效容积为24 L，好氧反应器有效容积为45 L.进水流量为9 L/h左右，水力停留时间为9 h，SRT为15 d，好氧反应器中上部ρ(DO)为3.0～3.5 mg/L，缺氧反应器ρ(DO)为0.5 mg/L.污泥回流比为40%～60%，好氧至缺氧反应器混合液回流比为200% ～250%.缺氧至厌氧反应器混合液回流比为100%～150%.工艺装置与流程见图1.

图1 SUFR系统装置与流程Fig.1 Schematic diagram of SUFR system

试验用水根据城市生活污水水质由校园生活污水加自来水稀释而成，同时加入奶粉、葡萄糖、碳酸氢钠、磷酸二氢钾和氯化铵等营养物质.试验污水ρ(CODCr)约 为 250～350 mg/L，ρ(TN)约 为25～40 mg/L，ρ(TP)约为5～8 mg/L，pH为6.5～7.5.

1.2 分析项目与检测设备

分析项目:ρ(CODCr)采用重铬酸钾法测定; ρ(TP)采用过硫酸钾消解－钼锑抗分光光度法测定;ρ(TN)采用过硫酸钾氧化－紫外分光光度法测定;ρ(-N)采用钠氏试剂光度法测定; ρ(MLSS)和ρ(MLVSS)采用重量法测定;30 m in沉降百分比(SV30)采用30 min沉降法测定.

检测设备:HP－6010型紫外分光光度仪; YSI5100型溶解氧测定仪;XSZ－G型光学显微镜;高压灭菌锅;电子天平;ORP－431型pH测定仪等.试验药剂购自重庆东方化玻有限责任公司.

2 结果与分析

2.1 污泥特性分析

2.1.1 活性污泥沉降性能

在系统稳定运行期间，测定各反应器中活性污泥的沉降性，结果见表1，其中的数据均为多次试验测量的平均值.一般认为，正常的活性污泥指数(SVI)介于50～150 m L/g，而测得各反应器内SVI值都在该范围内，证明SUFR系统的活性污泥沉降性能良好.另外，试验中各反应器中的污泥活性［13］ρ(MLVSS)/ρ(MLSS)均在0.75以上.

表1 各反应器中活性污泥活性及沉降性Table 1 The activity and settlement characteristics of sludge in different reactors

图2为活性污泥镜检照片.各反应器内污泥大多具有较为规则的球形或椭球形外观，污泥边缘与外部界限清晰，污泥粒径通过 Sauter活性污泥粒径计算公式［14］得到:

式中，D为污泥粒径，mm;n为测定的颗粒数目;a，b分别为污泥颗粒的长和宽，mm.

计算得到污泥粒径多在0.7～0.9 mm之间，属于小颗粒污泥.根据A lphenaar的试验研究，小颗粒污泥由更多的幼龄细胞组成，有更大的生命力与与生物活性;此外其孔隙率在40% ～80%之间，有利于基质的吸附和气态物质的逸出［15］.

2.1.2 污泥比硝化速率

从缺氧反应器出口处取一定量的泥水混合液，在4 000 r/min下离心3 min，用生理盐水洗涤后再离心3 min，重复3次后，将离心后的污泥移至1 L的烧杯中，加入配制好的微量元素营养液，并加入NH4Cl，使初始ρ(-N)为20 mg/L，并用1 mol/L的NaOH和 HCl溶液调节溶液 pH至7.0左右，同时进行曝气，每隔 0.5 h取样分析ρ(NH4+-N).根据溶液中ρ(NH4+-N)与取样时间(t)的关系，绘出回归曲线，结果见图3.

测得ρ(MLVSS)为2 126 mg/L，根据硝化过程中ρ(NH4+-N)随时间的变化情况，可得到活性污泥的比硝化速率(SNR)约为1.95 mg/(g·h)，可见系统污泥具有较好的硝化功能.

图2 镜检活性污泥Fig.2 Microphotograph of granular sludge

图3 比硝化速率试验中ρ(NH4+-N)变化曲线Fig.3 The ammonia mass concentration in the test for specific nitrification rate

2.1.3 污泥比厌氧释磷速率

从好氧反应器末端取混合液0.5 L，过滤去除上清液，并用生理盐水清洗离心3次后，将污泥移至锥形瓶中，加入配制好的微量元素营养液，并加入醋酸钠，使初始ρ(CODCr)在500 mg/L以上，然后密封瓶口防止空气中氧的干扰，使其处于厌氧状态，并通过磁力搅拌保持瓶内泥水混合均匀.在0.5 h时取样测定溶液ρ(TP)，计算前0.5 h的比厌氧释磷速率:

式中，SPRR为比厌氧释磷速率，mg/(g·h); ρ(TP)0和ρ(TP)0.5分别为初始时刻和第0.5小时时测得的ρ(TP)，mg/L;t为反应时间，h，此处取0.5 h.

试验得到 SUFR系统中活性污泥的前0.5 h比厌氧释磷速率(SPRR0.5)为26.82 mg/(g·h)，污泥的厌氧释磷性能较高.在系统日常运行中，由于沉淀池的回流污泥进入缺氧反应器，减少了厌氧反应器受回流污泥携带 DO和硝态氮的影响.此外，由于厌氧反应器的水力停留时间约为 1.5～1.7 h，保证了聚磷菌的充分释磷，从而使其释磷能力得到强化.

2.1.4 污泥比好氧/缺氧吸磷速率

将经过厌氧充分释磷的泥水混合液过滤并用生理盐水清洗离心3次，再将污泥转移至锥形瓶中，加入0.5 L配制好的微量元素营养液，并加入KH2PO4和 NaNO3，使 ρ(TP)0为40 mg/L，初始ρ(NO3

－-N)为30 mg/L，然后密封瓶口通入氮气提供缺氧环境进行缺氧吸磷1 h，然后打开瓶口开始曝气，溶液中 ρ(DO)约3.5 mg/L.好氧吸磷1 h后，分别取样测定缺氧和好氧条件下的ρ(TP)和ρ(MLVSS)，并计算聚磷菌在缺氧和好氧条件下的比吸磷速率:

式中，SPUR为比吸磷速率，mg/(g·h);ρ(TP)t为t时刻测得的ρ(TP)，mg/L.

试验测得比好氧吸磷速率(ASPUR)为6.04 mg/(g·h)，比缺氧吸磷速率(NSPUR)为4.27 mg/(g·h).计算具有反硝化吸磷能力的反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例［16-17］:

式中，RDPAO为具有反硝化除磷能力的反硝化聚磷菌占总聚磷菌的比例，%;qan为缺氧反硝化吸磷速率，mg/(g·h);qae为好氧吸磷速率，mg/(g·h).

通过计算得出反硝化吸磷菌在全部聚磷菌中约占70.7%，表明 SUFR系统中活性污泥的反硝化能力较高.由于好氧反应器中硝化液回流至缺氧反应器中，促进了缺氧反应器中的反硝化作用，有利于反硝化聚磷菌利用厌氧阶段体内贮存的有机颗粒在缺氧环境下进行反硝化吸磷和反硝化聚磷菌的富集.

2.1.5 污泥产率

在稳态条件下系统各反应器中污泥浓度的数值相对稳定，此时系统出水中带出的污泥量即为污泥的增长量，故污泥产率系数(Y)可以按照下式计算:

式中，Q为出水流量，试验中为9 L/h;Xe为出水中挥发性固体ρ(MLVSS)，mg/L;ρ(S0)为进水有机物质量浓度，mg/L，以CODCr计;ρ(Se)为出水有机物质量浓度，mg/L，以CODCr计.

系统在稳定运行下，测得Xe为 0.218 g/L，ρ(S0)为379 mg/L，ρ(Se)为14 mg/L.将其带入上式得出SUFR系统的污泥产率系数(Y)约为0.60，比传统活性污泥法小15%左右［18］.SUFR系统的好氧反应器中ρ(DO)一般为3.0～3.5 mg/L，因此微生物代谢速率较快，而大部分有机物在厌氧和缺氧反应器中已经去除，微生物在好氧反应器中内源消耗量较多，异化作用有优势，所以其污泥产率比传统活性污泥法要小些.

2.2 反硝化除磷系统稳定性分析

2.2.1 CODCr对稳定运行的影响

其他营养物质浓度不变，使系统进水ρ(CODCr)分别为100～200，200～300，300～400，400～500和 500～600 mg/L，测定不同进水ρ(CODCr)时系统的除磷效果，结果见图4.

从图4可以看出，缺氧反硝化吸磷量随着进水ρ(CODCr)增高呈先变大后减小趋势，在进水ρ(CODCr)为200～300 mg/L时达到最大.当进水ρ(CODCr)高于300～400 mg/L时，缺氧反应器内ρ(CODCr)普遍升至60 mg/L以上，外碳源浓度较高的情况下会优先支持反硝化脱氮［19］.但在试验的ρ(CODCr)范围内，缺氧反应器内都仍有一定程度的吸磷，这表明缺氧段的反硝化吸磷作用对CODCr也有一定的抗冲击能力.此外，厌氧释磷量和好氧吸磷量都随着进水ρ(CODCr)的升高而升高，在进水ρ(CODCr)高于200 mg/L后，TP去除率普遍高于90%.可见SUFR系统的除磷效果对进水CODCr冲击负荷有较高的耐受力.

图4 不同进水ρ(CODCr)下TP的去除率Fig.4 Phosphorus removal at variety of influent CODCrmass concentration

2.2.2SRT对稳定运行的影响

其他运行条件不变，使系统在SRT分别为8，15，20和25 d以及不排泥条件下运行，测定不同SRT下系统的除磷效果，结果见图5.

图5 不同SRT下TP的去除率Fig.5 Phosphorus removal at variety of SRT

从图5可以看出，随着SRT的升高，缺氧反硝化吸磷量有所下降.生物除磷理论认为［20］:较长的泥龄会导致系统内糖原累计和非聚磷微生物的增长，从而使系统的除磷效率大幅降低;同时污泥趋于老化，进而通过自身的氧化使体内的磷释放到水中.此外，随着SRT的升高，厌氧释磷量和好氧吸磷量及TP去除率也都有所下降.但从数据上看，TP去除率在不排泥的条件下仍然可以达到80%以上，这说明 SUFR系统的除磷效果对SRT变化有一定耐冲击能力，另外这也和SUFR系统自身污泥产率较传统活性污泥法低有关.此外，试验还考察了系统长期在SRT为8 d时运行的处理效果，结果发现，1周后各反应器内ρ(MLSS)普遍降至1 500 mg/L以下，好氧反应器内ρ(MLSS)仅有900 mg/L左右，而TP的去除率也降至60%左右.表明由于系统的污泥产率不高，长期在较低SRT下运行会使系统内活性污泥量急剧降低并使处理效果下降.

3 结论

a.SUFR系统的SVI值介于50～150 m L/g，活性污泥的沉降性能良好;污泥活性ρ(MLVSS)/ ρ(MLSS)均在 0.75以上;污泥颗粒直径多在0.7～0.9 mm之间，属于小颗粒污泥.

b.SUFR系统活性污泥的SNR约为 1.95 mg/(g·h)，SPRR0.5为 26.82 mg/(g·h)，ASPUR为6.04 mg/(g·h)，NSPUR为4.27 mg/(g·h)，Y约为0.60，对氮磷有较好的去除能力.

c.SUFR系统缺氧反应器内的反硝化吸磷作用对ρ(CODCr)有一定的抗冲击能力，系统除磷效果对进水ρ(CODCr)冲击负荷有较高耐受力;SUFR系统的除磷效果对SRT变化有一定耐冲击能力，但长期在较低SRT下运行会使系统内活性污泥量急剧降低导致处理效果下降.

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Characteristics o f Activated Sludge and Stability o f Denitrifying Phosphorus Rem ova l in SUFR System

LUO Gu-yuan，ZHANG Yuan，XU Xiao-yi
Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment，M inistry of Education，Chongqing University，Chongqing 400045，China

X505

A

1001－6929(2011)01－0085－05

2010－08－07

2010－09－13

科学技术部国际合作项目(2007DFA90660);重庆市科技攻关计划项目(2006AA7003，2006BB7305)

罗固源(1944－)，男，重庆人，教授，博士，主要从事水污染控制理论技术研究，gyluo@cqu.edu.cn.