新型好氧/缺氧/好氧/延长闲置序批式反应器除磷性能

贺 亮

(核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000)

新型好氧/缺氧/好氧/延长闲置序批式反应器除磷性能

贺 亮

(核工业二〇三研究所，陕西咸阳 712000)

近年来，厌氧/好氧生物除磷技术得到学者的普遍关注，然而该工艺存在对碳源的依赖程度高、脱氮效率低等弊端。报道1种新型除磷工艺，即好氧/缺氧/好氧/延长闲置序批式运行反应器，同时还研究初始pH值对该新型运行工艺除磷性能的影响。结果表明，初始pH值为8时，该工艺具有最佳除磷性能，且除磷量为(4.01±0.15) mg/g[以单位质量挥发性悬浮固体(VSS)中的含磷量计]；进一步研究其机制表明，当pH值为8.0时，该运行工艺中聚磷菌(PAO)对聚磷的依赖程度较高，典型周期内游离亚硝酸的积累量少是该工艺展现出较好除磷效果的原因。

好氧/缺氧/好氧/延长闲置(O/A/O/EI)工艺；生物除磷；初始pH值；聚羟基脂肪酸酯(PHA)

近年来，生物除磷技术得到广泛关注，一方面，该技术具有投资少、处理效果好等特点，另一方面，该技术对环境造成的二次污染小，从而使得该技术得到水厂的普遍应用[1]。生物除磷技术主要依赖水体中的聚磷菌(PAO)，这类菌群能够在厌氧的环境下吸收水体中的有机物，释放体内的聚磷，并将吸收后的有机物存储在体内合成聚羟基脂肪酸(PHA)。在随后的好氧条件下，PAO氧化厌氧条件下合成的PHA，将水体中过量的磷吸收。最后，通过排放富含磷的污泥实现生物除磷[2]。在污水体系中同样存在另一类微生物聚糖菌(GAO)，GAO的生活习性与PAO具有很大的相似性，只是GAO在好氧条件下不能吸磷，这就造成了GAO与PAO对碳源的竞争，最终导致除磷效果的恶化，情况严重时甚至会导致除磷系统的崩溃[3-4]。

近年来，单极好氧除磷工艺由于其操作简单、除磷效果稳定等特点而得到广泛的研究，如序批式活性污泥法(SBR)在进水后未经严格厌氧阶段而直接曝气并延长闲置期(如 210 min)仍能表现出良好的生物除磷性能，并证实了这种新型除磷工艺厌氧/延长闲置(O/EI)在除磷能量代谢方面与传统厌氧/好氧(O/A)工艺存在本质的差异[4]。虽然O/EI工艺能够达到良好的除磷效果，但是其反硝化脱氮能力确实不理想，在处理实际生活污水时，总氮(TN)的去除效率仅为(43±4)%[5-6]。笔者在研究O/EI工艺的基础上，设计新型脱氮除磷工艺(O/A/O/EI)，即在O/EI工艺好氧段后添加适当时间的缺氧段以实现后置缺氧反硝化；另外，在缺氧段后增设短时间的好氧段，以吸收缺氧段释放的磷，该工艺能够实现更加优良的除磷效果，且尚未有相关报道。

pH值是污水处理过程中的一个重要参数，一方面它能够影响污水反应体系中微生物的活性，另一方面，pH值也可以影响化学反应过程，实现化学除磷[7-12]。在以往的研究中多通过反应过程严格控制pH值，然而这在实际运行中并不能很好地契合。控制初始pH值更能很好地反映实际情况，本研究同样分析不同初始pH值下新型O/A/O/EI反应工艺除磷效果的差异，并从代谢机制方面解释其中的原因。

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行

本试验在3个相同的玻璃反应器(R1、R2、R3)中进行，反应器的有效容积为1.8 L。3个反应器的运行方式：瞬间进水→好氧曝气(120 min)→缺氧搅拌(90 min)→好氧曝气(60 min)→沉淀出水(30 min)→闲置(180 min)。试验污泥取自长沙市第一污水处理厂，在实验室母反应器驯化1个月后取得良好的生物脱氮除磷效果(除磷率>95%，脱氮率>90%)，试验初始活性污泥浓度为3 500 mg/L，污泥停留时间(SRT)控制在15 d。好氧曝气采用空气压缩机进行曝气，空气流速2 L/min。R1、R2、R3反应器初始pH值通过人工添加0.5 mol/L氢氧化钠、0.5 mol/L盐酸分别控制在(6.0±0.1)(7.0±0.1)(8.0±0.1)，反应过程中并不控制pH值。

1.2 试验污水水质

研究初始pH值对O/A/O/EI工艺脱氮除磷性能时所采用的污水为合成废水，以乙酸钠作为单一碳源，进水化学需氧量(COD)约为300mg/L，以磷酸二氢钾作为磷源，浓度为15 mg/L [以正磷态磷(PO43--P)计，下同]，因此碳磷比(C/P)=20 mg/mg(以单位质量PO43--P所含COD计，下同)[12]有利于选择污泥中的PAO。进水氨态氮(NH3-N)含量为35 mg/L，试验合成废水其他营养成分包括5 mg/L CaCl2、5 mg/L MgSO4、1 mL/L微量元素，微量元素的组成见文献[4]。

1.3 分析方法

COD、混合液悬浮固体(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)、溶解性正磷酸盐(SOP)、氨态氮、亚硝酸盐、硝酸盐含量的测定可根据标准检测方法[13]；PHA的测定采用气相色谱法[4]，色谱仪的型号为安捷伦6890N；糖原质的测定采用苯酚-硫酸法[4]；溶解氧(DO)含量的测定采用便携式溶解氧仪[13]；pH值的测定采用玻璃电极法[13]。

2 结果与分析

2.1 3个反应器长期稳定运行的脱氮除磷性能

3个反应器平行运行120 d，出水磷、氮的含量见表1、图1，可见经过15 d的pH值驯化，出水水质基本趋于稳定。为了更加精确地反映单位污泥的脱氮除磷效率，表1列出单位质量VSS的脱氮除磷量，可见随pH值由6.0升高到8.0，单位质量VSS的除磷量也由(2.78±0.31) mg/g(以单位质量VSS的含磷量计，下同)升高到(4.01±0.15) mg/g。Zhang等也曾报道，在初始pH值在7.6～8.0之间时，A/O工艺有较高的生物除磷(BPR)效率[14]。

表1 稳定期单位VSS脱氮除磷量及出水NOx-N含量

注：VSS/SS值为发挥性有机质在总固体中的比值。

本试验只控制初始pH值，在反应过程中并不严格控制。由图2可见3个反应器中pH值的大体变化趋势：在最初好氧的60 min内，pH值逐渐上升，60～90 min内，pH值逐渐缓慢下降；在随后的缺氧时期，pH值继续上升；在第2好氧时期，pH值再次呈现上升趋势并随后下降；在最后的延长闲置阶段，pH值略有下降。

2.2 典型周期内营养盐的变化

为了更好地阐释初始pH值=8.0时，O/A/O/EI工艺脱氮除磷效率较高的原因，选取pH值=6.0、8.0这2个典型pH值作对比。图3展示了2个典型pH值下稳定运行周期内物质的变化。由图3-a、图3-c可见，R1、R3在周期反应的初始磷酸盐的含量稍有变化，但在30 min后表现出超量吸磷，在第1段好氧时期的吸磷量分别为19.0、25.1 mg/L。在第1段好氧时期同时还存在COD迅速降解、氨氮的氧化及NOx-N的积累，R1、R3中亚硝态氮的最大积累量分别为7.5、6.3 mg/L，硝态氮的最大积累量分别为7.1、6.0 mg/L。在缺氧段，R1、R3中发生了明显的反硝化作用，但与此同时R3中发生了释磷现象，且释磷量为1.3 mg/L。在第2好氧时段，NOx-N浓度在2个反应器中几乎没有发生变化，在R3中，前期缺氧段释放的磷在第2好氧期被吸收，同时R1中也存在少量吸磷。在最后的延长闲置时期，R3有明显的释磷，释磷量达5.4 mg/L，而R1释磷量不明显。

2.3 典型周期内COD、PHA及糖原质的变化

内聚物的变化与生物除磷有密切关系[14-15]。由图3-b、图3-d可见，在第1段好氧期，COD迅速被消耗并伴随着PHA、糖原质的积累，R1、R3的PHA最大积累量分别为2.12、3.07 mmol/g(以单位质量VSS所含碳的物质的量计，下同)，糖原质的最大积累量分别为4.3、5.2 mmol/g(以单位质量VSS所含碳的物质的量计，下同)，PHA合成量达最大值后逐步被氧化分解，PHA及糖原质的变化趋势与Wang等研究[4]相一致。进入缺氧期时PHA的含量分别为1.62、2.45 mmol/g，经过缺氧期，PHA的含量均大幅降低，PHA在缺氧期的大量降解为反硝化脱氮提供了能量。在第2段好氧期，R3中PHA仍存在小幅降低。延长闲置阶段，糖原质在R1中有较大的降解，而在R3中几乎保持不变，整个周期中糖原质含量在R3中的变化较大。

2.4 初始pH值对O/A/O/EI中除磷的影响

BPR的实质就是诱导并利用污水中的某些微生物，在一

定条件下过量摄取磷酸盐并合成体内贮能物质聚磷的能力[16]，聚磷在微生物代谢中起到的作用决定了摄磷能力。聚磷在微生物代谢过程中作为能源物质提供能量时，微生物就能超量摄取污水中的磷酸盐，BPR得以实现。

在第2段好氧末期，R1、R3中外在碳源(COD)均已消耗完，PHA含量也已恢复到初始水平。在延长闲置阶段，PAO维持自身代谢所需的能量来源于糖原的酵解和聚磷的水解，而以往的研究表明，在糖原质、聚磷同时存在的情况下，糖原质将是细菌维持自身生命活性的最初能源物质，直至糖原质的含量降到最低为止[17]。R1在延长闲置时期仍贮存较高量的糖原质，而R3糖原质的含量却降低到第1段好氧初期的水平，R3闲置时期发生了较高释磷(5.4 mg/L)，而R1在延长闲置时期释磷却不明显，仅为0.7 mg/L，然而糖原质的降解较大[降解量为0.8 mmol/g(以单位质量VSS所含碳的物质的量计)]，这表明R1在延长闲置期维持微生物自身生命和代谢所需的能量主要来源于糖原质的酵解与少量聚磷水解，然而R3在延长闲置时期所需的能量主要由聚磷的水解提供。聚磷虽然在2个典型pH值下均起到重要作用，但在R3中作用更大。

PAO-GAO的竞争往往是导致A/O工艺中除磷效率降低的原因[21]。活性污泥系统中GAO的出现会与PAO竞争污水中有限的碳源，造成BPR系统的恶化[22-23]。Mino等研究发现，BPR系统中较高的糖原质合成与降解表明系统中GAOs活性较强[2，4]。在本研究中，R1糖原质的转化量明显大于R3，从而表明R1中GAO的活性较强。另外，表1中VSS/SS在R1中为0.73±0.07，而在R3中仅为0.53±0.06，Oehmen 等研究表明，污泥系统中VSS/SS较低，说明活性污泥系统中有较多的聚磷存在，从而PAO的数量也较多[21]。这也与R3中VSS的去磷量较R1中多相符合[R3、R1分别为(4.01±0.15)、(2.78±0.31) mg/g(以单位质量VSS中的含磷量计)]。Filipe等研究表明，PAO在好氧条件下对pH值更加敏感，GAO却受pH值影响较小，并且适当提高系统的pH值有助于PAO的生长[8]。Oehmen等研究表明，当系统pH值=8.0时，A/O工艺具有较高的除磷效率[21]。在本研究中，R3中pH值较R1中高，VSS的除磷性能也较强。

3 结论

当初始pH值=8.0时，新型O/A/O/EI工艺具有良好的脱氮除磷效率，其脱氮率为(93±2)%，除磷率为(92±3)%，除磷量为(4.01±0.15) mg/g(以单位质量VSS的含磷量计)，脱氮量为(5.23±0.27) mg/g(以单位质量VSS的含氮量计)。

当初始pH值=8.0时，聚磷发挥的作用更大，好氧期积累的FNA量较少，GAO的活性较差是BPR效果较好的原因，较多的PHA在后置缺氧期的分解为脱氮提供了充足的能量。

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10.15889/j.issn.1002-1302.2017.02.065

2015-12-07

贺 亮(1984—)，男，陕西咸阳人，硕士，工程师，从事环境影响评价与污染治理研究。E-mail：1225239930@qq.com。

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1002-1302(2017)02-0225-04

贺 亮. 新型好氧/缺氧/好氧/延长闲置序批式反应器除磷性能[J]. 江苏农业科学，2017，45(2)：225-228.