淹沒(méi)序批式生物膜法除磷工藝特性研究

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摘要：試驗(yàn)結(jié)果表明，軟性載體淹沒(méi)序批式生物膜法是行之有效的除磷工藝。在載體裝填密度為30％，水力停留時(shí)間為9h（其中厭氧3h、好氧6h）、進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27～1.32 kgCOD/（m³·d）時(shí)，磷的去除率達(dá)90％以上。試驗(yàn)中，還就影響除磷的因素作了系統(tǒng)的分析。

　　關(guān)鍵詞：序批式 生物膜 生物除磷

　　Study on the Characteristics of Phosphorus Removal in Sequencing Batch Reactor of Submerged Biofilm Process

　　Abstract：The study result showed that the sequencing batch reactor of submerged biofilm process with fibrous carriers is effective in phosphorus removal.When the carrierpacking percentage is 30%，hydraulic retention time （HRT） is 9 h （including 3 h for anaerobic zone and 6 h for aerobic zone），and influent loading rate is 0.27～1.32 kgCOD/（m³·d），over 90% of phosphorus removal is achieved.In the test，a systematic analysis was also made for the factors affecting phosphorusremoval.

　　Keywords：sequencing batch reactor；biofilm process；biological phosphorus removal

　　1　淹沒(méi)式生物膜法除磷工藝選擇

　　1.1　淹沒(méi)式生物膜法除磷的條件

　　在厭氧條件下，若廢水中沒(méi)有DO或氧化態(tài)氮，一般無(wú)聚磷能力的好氧菌及脫氮菌，不能產(chǎn)生ATP（三磷酸腺苷），所以這類(lèi)微生物不能攝取細(xì)胞外的有機(jī)物，即不能進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸。但是，另一類(lèi)叫做除磷菌的細(xì)菌卻能分解細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽同時(shí)產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機(jī)物攝入細(xì)胞，以PHB（聚—β—羥基丁酸）及糖原等有機(jī)顆粒的形式儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)；同時(shí)將聚磷酸鹽分解所產(chǎn)生的磷酸鹽排出胞外，這時(shí)細(xì)胞內(nèi)還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生相當(dāng)量的聚磷酸鹽激酶。一旦進(jìn)入好氧環(huán)境，除磷菌又可利用PHB氧化分解所釋放的能量來(lái)攝取廢水中的磷，并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽而儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)。微生物在增殖過(guò)程中，在好氧環(huán)境下所攝取的磷比在厭氧環(huán)境下所釋放的磷多，廢水的生物除磷正是利用了微生物的這一過(guò)程，并作為剩余污泥排走^[1].

　　由生物除磷機(jī)理可見(jiàn)，若想采用淹沒(méi)式生物膜法除磷，必須解決四方面的問(wèn)題：①必須滿足除磷菌習(xí)性，使生物膜交替處于厭氧、好氧的狀態(tài)，并逐步使除磷菌成為優(yōu)勢(shì)菌屬，實(shí)現(xiàn)其增殖；②供給必要的有機(jī)碳源（由廢水提供）；③最后的磷排出必須是以脫落污泥的形式，這就要求除磷菌為優(yōu)勢(shì)菌屬的生物膜生長(zhǎng)要快，且應(yīng)在好氧狀態(tài)下能脫落，即需有足夠的曝氣強(qiáng)度和選擇合適的生物膜載體；④污泥沉淀后應(yīng)及時(shí)排出系統(tǒng)。

　　1.2　淹沒(méi)式生物膜法除磷工藝選擇

　　細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含磷約2%（以質(zhì)量計(jì)），所以傳統(tǒng)的生物膜法最多只能去除污水中約20%的磷。對(duì)一般生物膜法來(lái)說(shuō)，無(wú)論是A/O（厭氧/好氧）工藝還是A2/O（厭氧/缺氧/好氧）工藝，由于是在空間上造成A或O的狀態(tài)，微生物只能持續(xù)地處于A或O的單一狀態(tài)，而不能處于A/O交替的狀態(tài)，因此，不具備生物除磷的條件，也就達(dá)不到生物除磷的目的[2].而序批式生物處理工藝集曝氣、沉淀于一池，運(yùn)轉(zhuǎn)按進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水等幾個(gè)階段進(jìn)行，污水間歇而有序地進(jìn)入反應(yīng)池和排出反應(yīng)池。由于序批式工藝的特殊性，設(shè)計(jì)合理，可使生物膜在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài)，從而有望實(shí)現(xiàn)生物除磷的目的，同時(shí)，混合液也可在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài)，從而有望實(shí)現(xiàn)生物脫氮。

　　2　試驗(yàn)方法

　　2.1試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置如圖1所示。

　　試驗(yàn)用反應(yīng)器是有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為15cm，反應(yīng)器內(nèi)有效容積為18L，其中沉淀池容積為2L.其試驗(yàn)進(jìn)水的TP平均為10.0mg/L，COD為370.0mg/L，溫度為25℃，好氧狀態(tài)的DO平均為5.5mg/L.

　　裝填密度是指生物膜與載體所占容積與整個(gè)反應(yīng)器容積之比。在分別做了最大裝填密度：37.5%、實(shí)用裝填密度：30%以及較低裝填密度：22.5%的對(duì)比試驗(yàn)后，確定較適宜的裝填密度為30%.此時(shí)，反應(yīng)器中的纖維載體的比表面積為2.66m²/L.

　　生物膜培養(yǎng)采用A/O交替運(yùn)行方式歷時(shí)3個(gè)月，菌種取自一般活性污泥工藝。在之后的工藝參數(shù)和影響因素的試驗(yàn)中，取運(yùn)行條件改變后2周的水樣進(jìn)行測(cè)定。

　　2.2　原水和主要分析方法

　　原水用自來(lái)水加蛋白胨配制，同時(shí)還投加少量氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉等，配制后水質(zhì)如表1所示。

　　表1　原水水質(zhì)表 水質(zhì)指標(biāo)COD（mg/L）TN（mg/L）NH+4-N（mg/L）NO-3-N（mg/L）NO-2-N（mg/L）測(cè)定值250～40030～6010～200.20.1水質(zhì)指標(biāo)TP（mg/L）SP（mg/L）pH堿度（mg/L）BOD5（mg/L）測(cè)定值8～107～97.3380～440180～300 注：COD為重鉻酸鉀法；TN為過(guò)硫酸鉀—紫外分光光度法；NH+4-N為納氏試劑光度法；NO-3-N、NO-2-N為離子色譜法；TP為過(guò)硫酸鉀氯化亞錫還原光度法。

　　3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1厭氧時(shí)間段和好氧時(shí)間段的確定

　　為確定合適的厭氧所需時(shí)間，將厭氧時(shí)間延長(zhǎng)到12 h，并測(cè)定了TP的變化過(guò)程（見(jiàn)圖2）。

　　由圖2可知，磷釋放主要集中在前3 h內(nèi)，之后的9 h，磷釋放現(xiàn)象雖有，但幅度很小。聚磷菌只有充分釋放磷后，才能很好地過(guò)量攝取磷，從而達(dá)到生物除磷的目的。另一方面，厭氧時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將導(dǎo)致廢水在整個(gè)反應(yīng)器中的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，很不經(jīng)濟(jì)。因此，依據(jù)試驗(yàn)曲線，確定厭氧段所需時(shí)間為3h.

　　為確定合適的好氧時(shí)間段，也將3h厭氧后的好氧段時(shí)間延長(zhǎng)至17h，并測(cè)定了相應(yīng)TP和各種形態(tài)氮濃度的變化曲線（見(jiàn)圖3、4）。

　　由圖3可見(jiàn)，好氧聚磷在好氧開(kāi)始后2h內(nèi)已近完成，但為保證硝化，筆者將好氧時(shí)間定為6h.由圖4知，在6h后的NH+4-N＜1mg/L，硝化基本完成，此時(shí)總氮的去除率達(dá)56.6%.

　　3.2　進(jìn)水COD負(fù)荷

　　試驗(yàn)中，采用4種COD進(jìn)水負(fù)荷考察COD、TP的變化規(guī)律（見(jiàn)圖5、6）。

　　由圖5可知，軟性填料序批式生物膜法可承受較高的COD負(fù)荷，且在厭氧段有較高的COD吸收速率。在進(jìn)水負(fù)荷為1.32kgCOD/（m³·d）（相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為496.8mg/L）時(shí)，厭氧段COD吸收值為212.5mg/L；而進(jìn)水負(fù)荷為1 kgCOD/（m³·d）（相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為375.0mg/L）時(shí)，吸收值為203.1mg/L，這說(shuō)明在進(jìn)水負(fù)荷為1kgCOD/（m³·d）時(shí)，厭氧段COD吸收值已趨于極大值，并表明了不是所有的有機(jī)物都可以作為細(xì)胞的合成物質(zhì)的。所以，筆者確定該工藝適宜進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27～1.32kgCOD/（m³·d）。

　　由圖6可知，COD負(fù)荷越高，磷釋放速率、磷吸收速率也就越快，出水的TP濃度也就越低。無(wú)論是低負(fù)荷[0.27kgCOD/（m³·d）]還是高負(fù)荷[1.32kg COD/（m³·d）]，該工藝均可使出水TP濃度低于1mg/L.同時(shí)，以上試驗(yàn)也說(shuō)明了磷釋放所能達(dá)到的最大值與有機(jī)物的最大被吸收量有關(guān)，磷釋放量隨有機(jī)物吸收量的增加而增加。

　　3.3 基質(zhì)的影響

　　試驗(yàn)比較了在相同進(jìn)水COD負(fù)荷[1kgCOD/（m³·d）]時(shí)，分別以蛋白胨、葡萄糖、乙酸為基質(zhì)的TP變化情況（見(jiàn)圖7）。

　　由圖7可見(jiàn)，磷的釋放和吸收與基質(zhì)有關(guān)。以蛋白胨為基質(zhì)的放磷均速為1.37mg/（L·h），而以葡萄糖為基質(zhì)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)時(shí)的1.8倍，以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以 葡萄糖為基質(zhì)時(shí)的1.4倍。這是由于乙酸容易被除磷菌吸收，用以合成PHB，同時(shí)分解的聚磷酸鹽也多，釋放磷量大，放磷速度就快；相反，蛋白胨的分子較大，在厭氧段酵解時(shí)速度較慢，許多中間代謝產(chǎn)物（有機(jī)酸、醇類(lèi)、醛類(lèi)等）不易被除磷菌吸收用以合成PHB，因而其體 內(nèi)聚磷酸鹽的分解就慢，故放磷速度就慢，而葡萄糖的代謝產(chǎn)物卻較有利于除磷菌的吸收。好氧吸磷速度的不同是由厭氧放磷速度不同引起的，厭氧段放磷速度快，磷釋放量大，合成的PHB就多，那么在好氧段時(shí)由于分解PHB而合成聚磷酸鹽的速度就快，所以表現(xiàn)出來(lái)的好氧吸磷速度也就快。

　　以上分析可推知，生物除磷與基質(zhì)有關(guān)，實(shí)質(zhì)上是與厭氧階段易為除磷菌所吸收的有機(jī)物（COD）濃度有關(guān)。

　　3.4 硝態(tài)氮（NO-X）的影響

　　試驗(yàn)中實(shí)行半池出水、半池進(jìn)水，使上一周期中產(chǎn)生的硝化液與新進(jìn)原水混合，混合后NO-X濃度為13.42mg/L，COD濃度為268.46mg/L，TP濃度為4.81 mg/L.此時(shí)的厭 氧變成了缺氧，除磷菌可從NO-X中獲取氧來(lái)進(jìn)行缺氧吸磷。因此在缺氧段，在進(jìn)行反硝化的同時(shí)，仍可繼續(xù)吸磷（見(jiàn)圖8）。

　　缺氧開(kāi)始后3 h內(nèi)吸磷均速為0.70mg/（L·h），約為好氧吸磷均速的1/6，這是由于無(wú)氧呼吸的代謝速率和產(chǎn)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有氧呼吸。由此可看出，該工藝如果再加上缺氧段進(jìn)行反硝化 ，控制合適的C/N比，則可望實(shí)現(xiàn)軟性纖維載體淹沒(méi)式生物膜法同步除磷脫氮。

　　3.5 DNP（2，4-二硝基苯酚）的影響

　　原水COD平均為370.0mg/L，TP平均為10.0 mg/L.做投加DNP和不投加DNP試驗(yàn)。DNP投加量為20.0 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

　　由圖9可見(jiàn)，投加DNP后厭氧段的放磷量比不投加時(shí)增加了，而好氧段卻沒(méi)有磷的吸收。因此，DNP對(duì)厭氧放磷是有利的，而對(duì)好氧吸磷卻有抑制作用。這是因?yàn)镈NP是一種解偶聯(lián)試劑，它對(duì)氧化呼吸鏈以外的磷酸化無(wú)抑制作用，只破壞利用O2或NO-X而進(jìn)行的呼吸過(guò)程，從而抑制由電子傳遞而發(fā)生的ATP的形成。在厭氧段聚磷酸鹽的分解代謝中ATP的產(chǎn)生是由于底物水平磷酸化，DNP對(duì)其無(wú)抑制作用，故有PO3-4的釋放和PHB的合成；而在好氧段時(shí)，在有氧的條件下PHB將分解，并通過(guò)呼吸作用進(jìn)行電子傳遞而產(chǎn)生能量，但由于DNP的存在，破壞了ATP的生成，所以　　PO3-4不能與ADP結(jié)合產(chǎn)生ATP，也就產(chǎn)生不了聚磷酸鹽，廢水中的PO3-4不能被吸收，也就得不到去除。

　　以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，序批式生物膜除磷反應(yīng)器中磷的去除是生物作用的結(jié)果。

　　4、結(jié)論

　?、傺蜎](méi)序批式生物膜法除磷工藝是行之有效的。該工藝除磷所適合的載體裝填密度為30%，水力停留時(shí)間為9 h（其中厭氧3 h、好氧6 h）。在上述工藝參數(shù)下，進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27kgCOD/（m³·d）～1.32kgCOD/（m³·d）時(shí)均可使除磷率達(dá)90%以上。COD負(fù)荷越高，除磷速率越快。

　?、谏锍着c基質(zhì)類(lèi)型有關(guān)，以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以葡萄糖為基質(zhì)的1.4倍，而以葡萄糖為基質(zhì)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)的1.8倍。生物除磷取決于厭氧放磷量，而厭氧放磷速度取決于溶液中可快速吸收的有機(jī)物的含量。

　?、墼摴に嚳赏瑫r(shí)去除56%左右的總氮，NO-X可影響磷的釋放。在缺氧段仍可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)生物吸磷，只是吸磷速度較好氧吸磷速度明顯降低，約為其1/6.因此，該工藝加缺氧段，控制合適的C/N，可望實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮。

　?、蹹NP可抑制好氧吸磷，這說(shuō)明該工藝除磷是生物除磷作用的結(jié)果。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]BaoZhen Wang，Jun Li.Mechanism of Phosphorus Removal by SBR Submerged Biofilm System[J].Water Res，1998，32（9）：2633-2638.