方茜，張可方，張朝升，周莉萍，伍小軍

（廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510405）

　　摘  要：碳、氮、磷比例失調（碳源偏低）的城市污水脫氮除磷一直是一個難題。本試驗采用SBR法處理碳源偏低的廣州地區城市污水，研究其生物除磷的效果和控制影響因素。結果表明，在無需額外添加碳源的條件下，磷的出水指標可達到0.5 mg/L以下。并指出磷的厭氧釋放、反硝化除磷、污泥齡及DO控制等是高效除磷的關鍵。

　　關鍵詞：SBR法；生物除磷；反硝化除磷；低碳城市污水

　　通常，連續流的生物脫氮除磷系統（如A²/O、UCT、A/O、AB、MUCT和氧化溝等）需要一系列反應器及污泥與污水的循環來實現有機物（BOD）、氮、磷去除的不同微生物反應過程，而序批式活性污泥系統（SBR）則能使有機物、氮、磷的去除在一個反應器中完成，具有工藝流程簡單、不需要污泥回流、并能實現高效脫氮除磷的特點。目前，SBR法已得到了廣泛的研究和關注。但如何處理好不同微生物共存于一個反應裝置中的競爭關系，如：聚磷菌與硝化菌對DO、泥齡的競爭、厭氧（缺氧）時段聚磷菌與反硝化菌對碳源的競爭等，是SBR法處理城市污水尤其是碳、氮、磷比例失調（偏低）的城市污水高效脫氮除磷的關鍵和難點。

　　本試驗采用厭氧/好氧交替運行的SBR法處理低碳源的廣州地區城市污水，結果表明：當總停留時間控制在4.5～5.5 h、污泥負荷為0.14～0.26 kgBOD₅/(kgMLSS·d)、進水BOD₅為44.7～85.3 mg/L、NH₄⁺-N為17.8～25.0mg/L、TP為1.6～6.1 mg/L時，出水BOD₅在5.12～13.62 mg/L、NH₄⁺-N在2.8～9.8 mg/L、TP在0.1～0.45mg/L。在碳源偏低的情況下，無需額外添加碳源，能在去除有機物的同時，使總磷的出水指標達到0.5 mg/L以下，目前在國內外未見研究報道。本文重點分析研究了達到這種高效除磷效果的控制影響因素和實現條件，為解決低碳城市污水高效除磷提供新的思路。

　　1 試驗裝置及流程

　　SBR反應器由有機玻璃制成，總容積47.4 L，有效容積42.8 L，采用空壓機曝氣，穿孔管布氣，其流程見圖1。試驗水質見表1，試驗運行方式見表2，試驗運行參數見表3。

表1  試驗污水水質統計表        單位：mg/L            

表2  試驗運行方式

　　注：表2中的停留時間為最佳工況時的參數

表3  試驗運行參數

　　2 結果及分析

　　2.1  污染物的總去除效果

　　SBR工藝對各種污染物的總去除效果見表4。

表4  污染物處理總效果

　　注：表4中的實驗數據是最佳工況運行期間進出水濃度范圍。

　　2.2 總磷的去除效果

　　本試驗中，SBR反應器對TP的去除效果如圖2所示。在試驗中，磷的進水濃度在1.6～7.1 mg/L之間，出水濃度在0.1～0.45 mg/L之間，去除率在85%～99%之間，出水不僅都達到了排放標準，而且TP濃度都在0.5 mg/L以下。

　　2.3 結果分析

　　2.3.1 生物除磷機理

　　圖3給出了生物除磷生化代謝的模型（Wentzel等人，1986～1988；Arun等人，1987；Smolders等人，1994；Pereira等人，1996；Maurer、Mino等人，1997）。從此模型中，可清楚看到除磷的兩種途徑：① 傳統生物除磷。污水中的基質（COD）首先在厭氧條件下形成揮發性脂肪酸（圖中HAC），后被轉化為細菌細胞內的聚合物質－PHA（即PHB+PHV，以PHB為主要成份），這個過程籍細胞內多聚磷酸鹽來提供所需能量。結果，磷酸鹽被釋放到細胞之外。當環境改變為好氧條件后，由于環境中缺乏COD而使得在厭氧條件下貯存的PHB被用來充當基質，籍基質所提供的能量，細菌在此條件下過量攝取環境中的磷酸鹽而在細胞內形成多聚磷酸鹽，細胞同時得到增殖。此外，在好氧條件下糖原也得到補充。在好氧條件后分離增殖的細菌，磷便能隨細菌細胞而被排除，即厭氧釋磷－好氧吸磷過程；②反硝化除磷。指DPB（反硝化聚磷菌）在厭氧條件（無硝酸氮存在）下經歷和傳統生物除磷一樣的釋磷過程（見圖3中厭氧階段），在缺氧（無氧但存在硝酸氮）條件下，能夠象在好氧條件下一樣，利用硝酸鹽充當電子受體，以厭氧條件下貯存的PHB當基質，籍其提供的能量過量攝取環境中的磷酸鹽而形成細胞內的多聚磷酸鹽，使細胞得到增殖，在生物攝磷的同時，硝酸氮被還原為氮氣（反硝化）。顯然被DPB合并后的反硝化除磷途徑能夠節省相當的碳源（COD）和曝氣量，與傳統途徑相比，此途徑能分別節省約50%和30%的碳源與氧的消耗量。

　　從除磷機理來看，反硝化除磷途徑對碳源偏低的城市污水除磷有著重要的意義。本試驗中，由于有機物、氮、磷的去除在同一個反應裝置中，且SBR特有的厭氧/缺氧/好氧交替運行的方式使DPB易于積累，出現了在傳統除磷過程中的反硝化除磷途徑，減免了碳源偏低的影響，這是本試驗高效除磷的一個非常重要的因素。

　　2.3.2 磷的厭氧釋放

　　①磷的厭氧釋放和進、出水的關系

　　通過試驗我們觀察到在SBR反應器中，經過厭氧狀態釋放正磷酸鹽的活性污泥，在好氧狀況下具有很強的磷吸收能力，也就是說磷的厭氧釋放是磷好氧吸收和除磷的前提條件。從圖4可看出，磷的釋放量越大，出水磷的濃度就越低，磷的處理效果也就越好。當TP進水濃度在2 mg/L以下，TP的釋放量達不到7 mg/L以上，出水TP濃度也就很難達到0.5 mg/L以下；當TP進水濃度在2～7 mg/L之間時，TP的釋放量能在10～20 mg/L之間，出水TP的濃度基本都在0.3 mg/L以下。

　　②磷的厭氧釋放和有機物的變化

　　如圖5所示，在一個反應周期內，當厭氧段有機物濃度降低時，正磷酸鹽的濃度增加。穩定運行時，在厭氧一個小時內，COD的濃度一般降解30～45 mg/L左右，去除率基本在30%左右，磷的釋放濃度能達到7.0～20 mg/L之間。

　　③磷的厭氧釋放、好氧吸收與所需時間的關系

　　如圖6所示，正是通過厭氧/缺氧/好氧交替運行的方式才實現了SBR處理系統中的生物除磷。在一個運行周期內，進水后，在經過厭氧40分鐘左右的時間，磷的釋放濃度即達到釋放的最高點。在40分鐘至60分鐘之間，磷的釋放濃度基本上沒有太大的變化。磷的吸收是從曝氣開始，磷的快速吸收發生在曝氣開始的30分鐘之內，到90分鐘后，磷的出水濃度已達到0.5 mg/L以下（需保持一定的DO濃度）。

　　2.3.3 控制影響因素

　　①污泥齡（生物固體停留時間）

　　污泥齡（SRT）對于脫氮除磷過程在同一裝置中進行的系統來說是一個非常關鍵的參數。較長的泥齡可增加生物硝化的能力，并可減輕有毒物質的抑制作用，而對于生物除磷系統而言，泥齡越長污泥含磷量越低，去除單位重量的磷需消耗的BOD就越多，此外，還會由于有機物的不足而使污泥發“自溶”現象，致使磷的溶解及排泥量的減少而導致除磷效果的降低；泥齡越短，污泥含磷量越高，通過剩余污泥的排放而去除的磷量也就越多，但是對于世代時間長的硝化菌來說，短泥齡會抑制硝化菌的生長。可見，污泥齡越長，單位BOD去除的磷量就會越少，污泥齡越短，除磷效率就越高，但硝化需要較長的污泥齡。因此在SBR處理系統中，就要有一個既符合除磷又適應脫氮的污泥齡。本試驗通過在不同泥齡下的最優化選擇將污泥齡控制在17～21 d的范圍內，就可達到上述的除磷效果。具體通過下述污泥齡的計算方法來控制：

　　Q=1/u

　　式中：Q—污泥齡，d；

　　　　　u—比污泥增長速率。

　　 　　　u=△x/t

　　式中：△x—污泥增長量（周期排泥量/污泥總量）；

　　 　　t —周期曝氣時間，d。

　　根據污泥增長速率計算出污泥齡和排泥量后，通過準確的排泥量來控制污泥齡，以達到最好的除磷效果。

　　② DO濃度

　　關于DO濃度對生物除磷的影響沒有專門的報道，從生物除磷機理可知，DO濃度可能會影響好氧區的磷吸收速率，但只要有足夠的好氧時間就不會影響磷的去除量。

　　圖7～9是3個不同周期內不同DO濃度和磷的吸收關系圖。從這三張圖中可以看出，三個運行周期中，在不同的溶解氧濃度下，磷的降解速率有所不同，但只要有足夠的好氧時間，磷的去除總量不變。

　　從圖中看，三個運行周期中，盡管溶解氧濃度不同，但在曝氣30分鐘時都出現了不同程度的快速吸收。圖7由于曝氣30分鐘后DO濃度就達到了3.9 mg/L，所以磷的吸收速率很快，而圖9由于一直保持較低的DO濃度，所以磷的吸收速率較慢。這三種情況下，DO濃度在90分鐘前盡管有所不同，但除磷效果基本一致，即曝氣2小時，磷的出水濃度都可以達到0.5 mg/L以下，如果從除磷效果及經濟合理兩方面考慮，圖8的DO濃度較為經濟適用。但在本試驗中，既要脫氮，又要除磷，所以DO濃度的選擇要以雙方都適宜為準。

　　③硝酸鹽及碳源的影響

　　關于硝酸鹽和碳源對除磷的影響，有過很多報道。主要認為：厭氧區硝酸鹽還原過程消耗了可供聚磷菌吸收之用的基質，因此，硝酸鹽會降低進水的有效BOD/P比值。一般認為BOD/P應大于20，硝態氮才不會影響磷的厭氧釋放及磷的去除效果。在本試驗進水中，BOD/P的比值，大部分在15～17左右。但是盡管BOD/P的比值較低，并沒有影響磷的厭氧釋放及除磷的效果。主要原因可能如下：①反硝化除磷現象的存在：由于DPB這種兼性反硝化除磷菌具有生物攝/放磷的功能，在厭氧（缺氧）條件下，能以硝態氮為電子受體進行除磷并將其反硝化為氮氣，將反硝化和除磷合二為一，節省了碳源，即使有硝態氮存在、碳源不足，除磷效果也不會受影響；②水中的溶解性有機物基本可以滿足反硝化的要求；③由于在SBR處理系統中，微生物不斷地進行厭氧和好氧（氧化還原電位小于150 mV）交替運行，水中殘余的硝酸鹽對生物除磷影響極微。

　　④出水SS

　　由于SBR處理系統是一體化的反應池，即去除有機物、脫氮、除磷都在一個裝置中進行，所以MLSS的含磷量較高，應當嚴格控制出水的SS。本試驗中當出水SS低于20 mg/L時，對磷的出水濃度影響不大。

　　3 結論

　　①用SBR法處理碳源偏低的廣州地區城市污水，在出水有機物和氨氮達標的同時，磷的出水指標可以達到0.1～0.45 mg/L。磷的釋放量越大，出水磷的濃度就越低，磷厭氧釋放是磷好氧吸收的前提。

　　②磷的厭氧釋放最佳反應時間為1 h，好氧吸收最佳反應時間為2 h。

　　③溶解氧濃度影響磷的去除速率，但并不影響磷的去除總量。

　　④泥齡是影響SBR工藝脫氮除磷的關鍵，本實驗最佳泥齡為17～21 d。

　　⑤ SBR法特有的厭氧/缺氧/好氧交替運行方式，易于DPB的積累。反硝化除磷途徑可節省碳源，減免碳源及硝酸鹽對除磷的影響，是低碳城市污水高效除磷的重要且有效的途徑。

　　參考文獻

　　[1] Kuba T, Smolders GJF, Loosdrecht MCM van, Heijnen JJ. Biological phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor. Water. Sci. Tech., 1993, 27, 241-252.

　　[2] Merzouki M, Bernet N. Biological denitrifying phosphorus removal in SBR: effect of added nitrate concentration and sludge retention time[J]. Wat Sci Tech, 2001, 43(3): 191-194.

　　[3] 龍騰銳, 郭勁松, 高旭. 連續流間歇曝氣工藝脫氮除磷研究[J]. 中國環境科學, 2000(4): 366-370.

　　[4] 熊建英, 揚海珍, 顧國偉. 連續流SBR法處理城市污水實驗研究[J]. 中國給水排水, 1999(8): 9-14.

　　[5] 鄭興燦, 李亞新. 污水除磷脫氮技術[M], “九五”國家重點科技攻關成果給水和廢水處理技術叢書. 北京: 中國建筑工業出版社, 1998.

　　[6] Goronszy, M.C., 朱明權等. 循環式活性污泥法（CAST）的應用及其發展[J], 中國給水排水, 1996, 12(6): 4-9.

　　[7] 鄭興燦. 污水生物脫氮（缺氧/好氧）工藝的計算[J], 給水排水技術動態, 1995, 4: 34-39.