序列間歇式活性污泥技術短程同步硝化反硝化耦合除磷的研究

摘要： 在序批式活性污泥反應器(SBR)中，以模擬城市污水為處理對象，考察了在穩定運 行期間的典型周期里COD、TP、TN、DO、pH以及ORP的變化規律。試驗表明，在SBR反應器中實 現短程同步硝化反硝化耦合除磷是完全可行的，在溫度為20～25℃、pH值為7．12～7．43的條件 下，系統對COD的去除率達到95．6％ ，對TP和TN的去除率分別為88．8％ 和87％ ，實現了短程同 步硝化反硝化與反硝化除磷的統一。

關鍵詞： 序批式活性污泥反應器(SBR)； 短程同步硝化反硝化； 反硝化除磷

生物法已廣泛用于去除大型綜合污水處理系統 中的氮、磷，但由于聚磷菌與硝化菌之間存在泥 齡矛盾、碳源不足等問題而限制了對氮、磷的去除效 果 。短程同步硝化反硝化的實現可以很好地解 決脫氮除磷的泥齡矛盾，通過控制泥齡來淘洗出泥 齡更短的亞硝酸鹽菌，以此來迎合聚磷菌所需的短 泥齡 J。短程同步硝化反硝化技術較傳統脫氮技 術更具優勢，不僅節省了25％ 的曝氣量，同時還縮 短了反應時間、減少了反應器容積 。碳源不足這 一問題則可通過反硝化除磷來解決 J。因此，筆 者考慮把短程同步硝化反硝化技術與反硝化除磷技 術相結合，這樣不僅可減少污水處理費用，而且可實 現在同一反應器內進行有機物的降解和脫氮除磷， 從而提高了系統的處理能力和效率。筆者則主要研 究了該反應過程中COD、TP、TN、DO、pH以及ORP 的變化規律。

1 試驗材料和方法

1．1 試驗裝置

試驗裝置采用序批式活性污泥反應器(SBR) (見圖1)。反應器由有機玻璃制成，內徑為20 cm， 高為44 cm，有效容積為12 L。在其側壁垂直設5 個取樣口，用于取樣及排水，底部設有放空排泥管以 及微孔曝氣頭。運行時采用空壓機曝氣，通過轉子 流量計調節曝氣量，并以電動攪拌機慢速攪拌以提 高固液混合程度，保持泥水混合均勻。反應器每天 運行兩個周期，具體操作流程為：瞬時進水一厭氧攪 拌40 min一曝氣攪拌4 h一沉淀0．5 h一排水一靜置 6．5 h。在每個周期開始運行時排出泥水混合液160 mL。試驗污泥取自瀝涪污水處理廠曝氣池的回流 污泥，經過一段時間的培養馴化，實現了短程同步硝 化反硝化耦合除磷。

圖1 試驗裝置

1．2 原水水質

原水為人工配制的模擬城市污水，主要成分為 NH4C1、KH2PO4、FeSO4、MgSO4、CaC12，配以淀粉和 無水乙酸鈉為有機碳源，同時投加NaHCO 調節原水 的pH。原水水質如下：氨氮為26．45—30．25 mg／L、 TP為5．42～7．0l mg／L、COD為213．59～268．84 mg／L、pH值為7．12～7．43、溫度為20～25℃ 。

1．3 分析方法

氨氮：納氏試劑比色法；亞硝酸鹽氮：N一(1一 萘基)一乙二胺比色法；硝酸鹽氮：麝香草酚分光光 度法；COD：哈希回流比色法；TP：鉬銻抗分光光度 法；MLSS：重量法；DO、pH、ORP：在線監測。

2 結果與討論

經過一段時間的培養馴化，出水水質達到國家 一級排放標準，對一個典型周期內的有機物、TP、氮 以及電化學參數的變化情況進行分析。

2．1 有機物及TP的變化規律

在典型周期內，短程同步硝化反硝化耦合除磷 過程中有機物和總磷的濃度變化見圖2。

圖2 有機物和總磷的濃度變化

由圖2可知，在厭氧結束后，COD由228．64 mg／L迅速降至22．61 mg／L，去除率約為90％，與此 同時，總磷由5．62 mg／L上升至46．04 mg／L，釋磷 量為40．42 mg／L，平均釋磷速率為60．63 mg／(L· h)。這主要是因為，反硝化聚磷菌分解體內的多聚 磷酸鹽，并以主動運輸方式吸收有機物，將其合成 PHB，同時釋放出無機磷。這樣，釋磷越多則合成的 PHB就越多，表現為被消耗的有機物就越多。COD 的有效快速降解，不僅使PHB得到積累，亦為后續 的吸磷提供了充足能量，同時也使COD在厭氧段得 到高效去除。而在隨后的好氧段中，反硝化聚磷菌 以NO：-為電子受體，其氧化胞內PHB時所產生的 能量被ADP獲得，并結合外界環境中的H。P0 合成 ATP，從而進行細胞合成和維持生命活動。此時由 于H PO 被過量攝入細胞體內，從而達到從污水中除磷的效果。因此，在好氧段結束后，反應器中的COD最終降至10．05 mg／L，去除率達到95．6％，TP 最終降至0．63 mg／L，去除率達到88．8％ 。

2.2 氮元素的變化規律

在典型周期內，短程同步硝化反硝化耦合除磷 過程中NH；一N、NO；一N、NO3-一N以及TN的變 化規律見圖3。 由圖3可知，在整個典型周期的反應過程中，亞 硝酸鹽氮和硝酸鹽氮始終保持在一個較低的濃度范 圍內。亞硝酸鹽氮濃度在初始曝氣時一直很低，經 3 h曝氣后，出現了小幅上升，隨后又逐漸降低；而 硝酸鹽氮濃度只在反應結束時出現了小幅上升。這 主要是由于氧擴散的限制，形成了DO濃度梯度，加 上體系內的DO濃度較低，氧氣無法深入到微生物 絮體內部，從而出現“表里不一”的現象，為硝化和 反硝化反應的進行分別提供了有利環境，實現了同 步硝化反硝化。由于微生物絮體外表面的DO濃度 較絮體內部的高而形成了好氧區，以硝化菌為主，發 生了硝化反應，而氧氣濃度較低使硝化反應又只能 停留在亞硝酸鹽階段，出現了短程硝化現象；絮體內 部則由于氧傳遞受阻及外部氧大量消耗而形成缺氧 區，反硝化菌占優勢，發生了反硝化反應，從而實現 了短程同步硝化反硝化。從圖3還可知，在典型周 期內，氨氮濃度隨運行時間的延長而降低，從反應初 始時的27．05 mg／L降至0．51 mg／L，去除率達到 98％。在反應初期，氨氮濃度有所下降，這是由稀釋 效應引起的。而總氮的降解曲線與氨氮的降解曲線 大致相同，這是因為進水氮源主要為氨氮，且在整個 反應過程中，由氨氮轉化的亞硝酸鹽氮與硝酸鹽氮 一直沒有得到較多積累，使總氮始終保持與氨氮同 樣的下降趨勢，由進水時的30．19 mg／L降至出水時 的3．95 mg／L，去除率達到87％。

圖3 氮元素的濃度變化

2．3 電化學參數的變化

2．3．1 DO的變化規律

從試驗可知，在厭氧結束后的前3 h曝氣反應 內，反應體系的DO濃度從厭氧時的0．15 mg／L迅 速升至好氧初期的0．80 mg／L左右，隨后維持在 0．80～0．95 mg／L，此環境利于短程同步硝化反硝 化的進行。出現此現象的原因主要有兩方面：一是 在該時間段內，微生物處于對數增殖期，耗氧速率處 于最大時期；二是硝化菌將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮 的過程需要消耗大量的氧氣。在這兩方面的共同作 用下，供氧速率與耗氧速率達到動態平衡，并維持在 較低的DO濃度范圍內。隨著曝氣進人最后1 h，反 應體系里的微生物處于減速增殖期，甚至是內源呼 吸期，需氧量迅速降低；同時由于反應器內的氨氮已 近乎耗盡，硝化反應速率與耗氧速率也隨之迅速降 低，導致體系的DO濃度迅速升高。但在整個反應 過程中，幾乎沒有出現硝酸鹽氮的積累，而且在DO 濃度迅速升高前，體系中TP濃度已達到較高的出 水標準。這說明在反應體系內實現了短程同步硝化 反硝化耦合除磷。

2．3．2 pH及ORP的變化規律

試驗結果表明，進水的pH及ORP分別為7．18 和一29 mV，反應結束時分別為7．52和139 mV。

從試驗可知，pH在厭氧段呈一定的下降趨勢， 厭氧結束時，pH值降至6．85。這是由于污水中的 有機碳源首先轉化為揮發性脂肪酸供微生物厭氧釋 磷，這期間產生了CO ，CO 溶解在水中使得pH有 所降低。在好氧初期，pH以較快的速度升高，這主 要是因為曝氣不斷將產生的CO 吹脫。待曝氣進 行至2 h左右時，pH由上升轉而下降，這主要是因 為硝化反應產生了H 。pH的下降一直持續，當曝 氣進行了3 h時，pH又出現緩慢上升，直至反應結 束。這是因為，在這個階段氨氮近乎降解完全，堿度 大于硝化所需。

ORP在厭氧段快速下降，厭氧結束時，ORP降 至一129 mV。在好氧初期，ORP出現迅速上升現 象，隨后仍持續增大，直到反應結束時ORP升至139 mV。這是因為在好氧初期，COD濃度較低，異養菌 無法再大量攝取有機物，而此時氨氮濃度較高，硝化 菌的比增殖速率大大超過異養菌，故出現ORP迅速 上升現象；后來隨著氨氮濃度不斷降低，硝化速率不 斷減小，耗氧速率小于供氧速率，且硝化菌的比增殖 速率明顯小于異養菌，從而使得ORP上升速度減 緩。

3 結論

① 在SBR中，通過厭氧一好氧運行方式培 養、馴化活性污泥，使其具有短程同步硝化反硝化耦 合除磷特性，從而實現了短程同步硝化反硝化與反 硝化除磷的統一。

② 當溫度為20～25℃、pH值為7．12～ 7．43、氨氮為26．45—30．25 mg／L、TP為5．42— 7．O1 mg／L、COD為213．59—268．84 mg／L時，SBR 短程同步硝化反硝化耦合除磷系統對COD的去除 率為95．6％ 、對TP的去除率為88．8％、對TN的去 除率為87％。 來源：中國給水排水