羅固源，羅寧，吉芳英，許曉毅?
(重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400045)

　　摘　要：在對(duì)生物脫氮與除磷機(jī)理進(jìn)行深入研究后發(fā)現(xiàn)，生物脫氮與除磷是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又相互交叉的生理過程，其交叉點(diǎn)是部分聚磷菌在缺氧狀態(tài)下的反硝化吸磷脫氮。在此基礎(chǔ)上提出的新型雙泥生物反硝化除磷脫氮工藝(由兩個(gè)不同功能的SBR反應(yīng)器組成)成功地解決了硝化菌與聚磷菌的泥齡之爭、反硝化與聚磷菌厭氧釋磷的矛盾等難題。該工藝運(yùn)行穩(wěn)定且處理效果良好，特別適合于處理BOD₅/TP值低的污水。
　　關(guān)鍵詞：除磷脫氮；雙泥；聚磷菌
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)09-0004-04

New Biological Denitrification Process with Two-Sludge for Nitrogen and Phosph orus Removal
LUO Gu-yuan, LUO Ning, JI Fang-ying, XU Xiao-yi

(School of Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China)

　　Abstract： After making thorough study on mechanism of nitrogen and phosphorus removal,it was found that biological removal of nitrogen and phosphorus is two independent and overlap biological processes.The overlap represents that denitrification,phosphorus uptake and nitrogen removal occur under anoxic condition due to contribution of phosphorus accumulating organisms.On basis of this conception,a new two-sludge treatment system (consists of two SBR system with different functions) was developed for biological denitrification and removal phosph or us.It gives a successful solution to the different requirement of nitrifying bac teria and PAOs on sludge age and the contradiction between denitrification and anaerobic phosphorus release from PAOs.The process has advantages of steady operation and good treatment effect,and is particularly suitable for treatment of wastewater with low?BOD₅/TP ratio.
　　Keywords: nitrogen and phosphorus removal; two-sludge; phosphorus accumulating organisms

　　單泥生物脫氮除磷工藝中聚磷菌、反硝化菌、硝化菌等共存于同一活性污泥系統(tǒng)，必然存在硝化菌與聚磷菌的不同泥齡之爭，使除磷和硝化相互干擾；同時(shí)因?yàn)橄趸亲责B(yǎng)型專性好氧微生物，反硝化菌和聚磷菌是異養(yǎng)型兼性菌，系統(tǒng)的厭氧/缺氧/好氧交替的運(yùn)行工況雖有利于反硝化和除磷，但是對(duì)硝化菌而言卻不是理想的環(huán)境。
　　新型雙泥生物反硝化除磷工藝由兩個(gè)反應(yīng)器組成：A²/O-SBR反應(yīng)器的主要功能是去除COD和反硝化除磷脫氮，N-SBR反應(yīng)器主要起硝化作用。這兩個(gè)反應(yīng)器的活性污泥是完全分開的，只將各自沉淀后的上清液相互交換。整個(gè)工藝流程如圖1所示。

1 試驗(yàn)方法與水質(zhì)

　　A²/O-SBR反應(yīng)器的操作步驟：
　?、偌尤胛鬯畢捬鯏嚢?～1.5h；②靜置沉淀，將上清液排入N-SBR反應(yīng)器；③加入來自N-SBR反應(yīng)器經(jīng)靜置沉淀后的上清液，缺氧攪拌1～2h；④好氧曝氣3～5h；⑤靜置沉淀后先排水，再排剩余污泥。
　　N-SBR反應(yīng)器的操作步驟：
　?、偌尤階²/O-SBR反應(yīng)器經(jīng)靜置沉淀后的上清液，好氧曝氣6～8h；②靜置沉淀后將上清液排入A²/O-SBR反應(yīng)器。
1.1 污水水質(zhì)
　　 人工合成污水的配方和水質(zhì)分別見表1、2。 表1 人工合成污水配方 組成 淀粉 葡萄糖 奶粉 尿素 磷酸二氫鉀 氯化銨 Na₂CO₃ 含量(mg/L) 70 170 160 50 30 110 少許

表2 人工合成污水的水質(zhì) 水質(zhì)指標(biāo) BOD₅(mg/L) COD(mg/L) NH₃-N(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L) pH 數(shù)值 190～280 340～420 29～35 40～50 5.0～8.0 6.5

1.2 分析項(xiàng)目及方法
　　分析項(xiàng)目及方法見表3。
　　試驗(yàn)中兩個(gè)反應(yīng)器的有效容積均為30L，取城市污水處理廠的活性污泥投入兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，用人工合成的污水進(jìn)行連續(xù)馴化50 d左右，待脫氮除磷效果穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。 表3 分析項(xiàng)目及方法 項(xiàng) 目 測定方法 DO? 溶解氧測定儀 COD? 重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法 PO₄^3- 磷鉬酸銨比色法 NO₃-N 戴氏合金還原—納氏比色法 NO₂-N N-1-萘基乙二胺比色法 NH₃-N 納氏試劑比色法 MLSS 稱重法

2 結(jié)果與分析

　　將A²/O-SBR反應(yīng)器的泥齡控制在15d(N-SBR反應(yīng)器不排泥)。
2.1 A²/O-SBR 反應(yīng)器
　　A²/O-SBR反應(yīng)器在運(yùn)行周期內(nèi)的水質(zhì)變化如圖2、3所示。

　　從圖2、3可以看出：
　?、?厭氧段
　　在厭氧段開始時(shí)加入了19.5L人工合成污水，整個(gè)厭氧段水中的NH₄⁺濃度幾乎保持不變。上個(gè)周期好氧段結(jié)束后殘留于活性污泥中的少量NO₃-在厭氧段初期很快被反硝化完畢，由于進(jìn)水中無NO₃-故不存在降解NO₃-的問題。伴隨著水中COD的去除，反應(yīng)器中出現(xiàn)厭氧釋磷現(xiàn)象，釋磷速率與水中COD去除率相對(duì)應(yīng)。
　　厭氧段快速吸收有機(jī)物有三大特點(diǎn)：
　　a.由于進(jìn)水中的有機(jī)物大部分在厭氧條件下被去除，這為聚磷菌提供了呈梯度的高濃度有機(jī)物(F/M值)，使有機(jī)物最大可能地被用于厭氧釋磷和后續(xù)缺氧段的反硝化吸磷脫氮，提高了有機(jī)物在生物脫氮吸磷中的利用率，避免了在好氧段被其他非脫氮除磷好氧菌利用。
　　b.由于部分COD直接以厭氧產(chǎn)物或經(jīng)缺氧呼吸的形式被去除，降低了后續(xù)好氧段需氧化的有機(jī)物量，使得該工藝比傳統(tǒng)活性污泥法大大節(jié)省了供氧量。
　　c.由于進(jìn)水中的有機(jī)物大部分在厭氧條件下被去除且無NH₄⁺的消耗，為平行運(yùn)行的N-SBR反應(yīng)器提供了富含磷且低COD/TKN值的進(jìn)水，為保證N-SBR高效的硝化反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。
　?、?靜置內(nèi)換水段
　　除了厭氧初期少量的反硝化，厭氧段的主流是快速去除有機(jī)物和厭氧釋磷，因此活性污泥的SVI為80～90L/g，沉降性能好(上清液略顯渾濁)。由于活性污泥厭氧吸附和降解了進(jìn)水中85%以上的COD，故沉淀上清液中的COD濃度較低(50～70mg/L)且多為溶解性難降解有機(jī)物和懸浮的細(xì)小微生物絮體。如果將上清液靜置沉淀1h以上并去除水中懸浮的細(xì)小微生物絮體后，其COD＜40 mg/L。由于厭氧段不消耗進(jìn)水中的TKN，水中的COD/TKN值由進(jìn)水的8.2～8.5變?yōu)樯锨逡旱?.8～1。
　　將此富含磷且COD/TKN值低的上清液全部轉(zhuǎn)到N-SBR反應(yīng)器中進(jìn)行硝化。
　?、?缺氧段?
　　在缺氧段初期的3～5min內(nèi)，污水中的NO₃-急劇下降60%，隨后進(jìn)入緩慢的下降過程。伴隨著NO₃-的下降，反應(yīng)器中出現(xiàn)缺氧吸磷現(xiàn)象，但與NO₃-的去除速率相比，呈現(xiàn)出快速反硝化而相對(duì)慢速吸磷的現(xiàn)象。在缺氧段結(jié)束時(shí)，水中的TP由缺氧段開始時(shí)的25mg/L左右降到8mg/L。
　　污水中殘留的NH₄⁺以及低濃度的COD幾乎沒有變化，這表明：缺氧狀況下無NH₄⁺消耗；污水中的COD只是殘留的溶解性難生物降解有機(jī)物，在缺氧狀態(tài)下很難被細(xì)菌降解。
　　圖2、3表明缺氧段的反硝化過程含兩個(gè)階段：
　　a.初期(快速反硝化吸磷脫氮)
　　反硝化聚磷菌經(jīng)過厭氧段充分有效地釋磷并吸收快速降解有機(jī)物合成大量的PHB后進(jìn)入缺氧段，由于初期反硝化速率很快，可見大量的氣泡迅速逸出。SV值的變化曲線也相應(yīng)表明，在缺氧初期快速反硝化導(dǎo)致SV值有輕微波動(dòng)。?
　　b.中、后期(慢速反硝化脫氮)
　　反硝化菌利用吸附在菌膠團(tuán)上的有機(jī)物作碳源慢速反硝化殘留的NO₃-。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在缺氧段后期(45或50min后)可見許多細(xì)小的氣泡產(chǎn)生并附在菌膠團(tuán)內(nèi)，導(dǎo)致活性污泥上浮(SV=100%)。
　　④ 好氧段
　　進(jìn)入好氧段后反應(yīng)器出現(xiàn)好氧吸磷現(xiàn)象(1.5h后水中的TP＜0.5mg/L)。COD值在4h的好氧期間緩慢地小幅度降解，表明此時(shí)水中的COD基本為少量的溶解性難生物降解有機(jī)物。
　　水中殘留的NH₄⁺在1h內(nèi)迅速被硝化，與之相應(yīng)的中間產(chǎn)物NO₂-濃度迅速升高到2mg/L左右，并在1h后達(dá)到最高點(diǎn)，隨即迅速下降，1.5h后達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。
　　好氧段結(jié)束時(shí)水中COD為14mg/L,TP＜0.5mg/L,NH₃-N為零，NO₃-N＜10mg/L，出水指標(biāo)達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
2.2 N-SBR 反應(yīng)器
　　其運(yùn)行周期內(nèi)的水質(zhì)變化如圖4、5所示。
　　在N-SBR中進(jìn)行好氧硝化，試驗(yàn)期間基本不排泥。水中低濃度COD經(jīng)7h的好氧硝化去除不多，表明從A²/O-SBR的厭氧段轉(zhuǎn)入的　上清液中所含COD主要是難降解的溶解性有機(jī)物。
　　水中的NH₄⁺迅速被硝化，與之相應(yīng)的NO₂-濃度迅速升高，1h后達(dá)到最高點(diǎn)(1.4mg/L左右)，隨即迅速下降，1.5h后達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。
　　由于N-SBR反應(yīng)器一直處于好氧硝化狀態(tài)，水中COD濃度很低又不排泥，這都不利于聚磷菌的生長。雖然水中的TP濃度較高(26mg/L)，但在整個(gè)硝化段TP基本保持不變，不存在吸磷現(xiàn)象。
　　從圖4可以看到N-SBR是很好的生物硝化系統(tǒng)，其良好的性能得益于4方面：①完全好氧，無厭氧或缺氧段；②進(jìn)水COD/?TKN值特別低(0.8～1)；③超長泥齡(不排泥)；④超低的污泥負(fù)荷［F/M=0.041kgBOD₅/(kgMLVSS·d)］。

　　活性污泥中硝化細(xì)菌所占的比例與BOD₅/TKN值有關(guān)，而在N-SBR的活性污泥中硝化菌的比例為0.21～0.35，大大高于常規(guī)活性污泥系統(tǒng)中的比例(5%，其進(jìn)水COD/TKN=10～15)。?
　　由于BOD₅/TKN值低和泥齡超長(不排泥)導(dǎo)致N-SBR的污泥濃度(2800mg/L)和污泥負(fù)荷很低。水中的含碳有機(jī)物少且主要是難生物降解的溶解性有機(jī)物，有機(jī)物的氧化速率和耗氧速率較低，同時(shí)肉眼可見活性污泥絮體呈針狀且細(xì)小。在這種情況下，即使水中DO濃度較低(1mg/L)也可保證DO對(duì)生物絮體的穿透能力，使整個(gè)生物絮體保持好氧狀態(tài)，從而維持較高的硝化反應(yīng)速率。DO利用率的提高減少了曝氣量，避免了DO和COD的無謂浪費(fèi)。

3 結(jié)論

　　新型雙泥生物反硝化除磷脫氮工藝與常規(guī)單泥生物脫氮除磷工藝相比，其硝化段、反硝化脫 氮吸磷段和好氧吸磷段都處于較理想的反應(yīng)條件下，顯示出非常穩(wěn)定的硝化和脫氮除磷效果。其主要優(yōu)點(diǎn)為：
　　① 采用雙泥系統(tǒng)(聚磷菌、反硝化菌共存于一個(gè)活性污泥系統(tǒng)中，硝化菌為另一個(gè)污泥系統(tǒng))可分別控制硝化菌和異養(yǎng)菌(聚磷菌和反硝化菌)的泥齡，解決了異養(yǎng)菌與硝化菌的不同泥齡之爭，有利于反硝化脫氮除磷與硝化的各自優(yōu)化；
　?、?異養(yǎng)型兼性菌在理想的厭氧、缺氧、好氧交替的環(huán)境下進(jìn)行反硝化和除磷，同時(shí)自養(yǎng)型專性好氧硝化菌可始終在曝氣環(huán)境中進(jìn)行好氧硝化；
　?、?兩個(gè)反應(yīng)器的沉淀上清液相互交換，保證了原水中85%～90%的COD在A²/O-SBR的厭氧段被活性污泥快速吸附或降解并用于該段厭氧釋磷和缺氧反硝化，提高了有機(jī)物的被利用率；同時(shí)提高了缺氧段初期NO₃-的濃度，有利于反硝化。
　?、?兩個(gè)反應(yīng)器的沉淀上清液相互交換，使進(jìn)入N-SBR的COD濃度較低且多為溶解性難降解有機(jī)物，其BOD₅/TKN值約為0.8～1。此上清液不利于N-SBR中異養(yǎng)型微生物的生長，但有利于提高硝化菌的比例，強(qiáng)化硝化作用，提高DO的利用率。
　?、?在缺氧狀況下，聚磷菌可在快速反硝化脫氮的同時(shí)吸磷，提高了易降解有機(jī)物的利用率，改善了脫氮除磷效果。

參考文獻(xiàn)：

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　　作者簡介：羅固源(1944-)，男，重慶人，重慶大學(xué)博士生導(dǎo)師、教授，主要研究方向?yàn)槲鬯锾幚怼?br> 　　電話：(023)68706036(H) 65120769(O)
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　　收稿日期：2002-03-08