史 静 吕锡武 朱光灿 朱文韬

(东南大学能源与环境学院，南京 210096)

随着我国经济的迅速发展，污水排放量日益增加，大量含有氮、磷的污染物不断排入水体，富营养化严重.目前，我国污水处理厂主要采用的传统生活污水处理工艺由于存在碳源竞争和泥龄矛盾［1-2］等瓶颈问题，难以实现氮磷的高效稳定去除.国内外学者针对传统工艺的改进、新型工艺的开发及关键影响因素优化做了大量的研究.m(C)/m(P)(COD与磷酸盐质量比)是生物脱氮除磷关键因素之一，被用于各种工艺处理效果和机理影响的研究中，如多格室A2/O工艺［3］、UCT工艺、各种周期和阶段设置的 SBR工艺［4-6］、A2NSBR 工艺［7］等.

双污泥反硝化除磷工艺是一种新型的脱氮除磷工艺.该工艺是用厌氧/缺氧环境来代替传统的厌氧/好氧环境，驯化培养出一类以硝酸根为最终电子受体的反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB)，通过其代谢作用同时完成聚磷和反硝化，达到脱氮除磷的目的［8］，解决了传统脱氮除磷工艺中的根本问题.本试验重点研究连续流反硝化除磷双污泥系统中不同进水m(C)/m(P)对 COD、氨氮、NO－3-N和TP(total phosphorus)去除的影响，为该工艺的实际推广和应用提供技术参考.

1 试验材料与方法

1.1 工艺流程

连续流双污泥反硝化除磷工艺流程如图1所示.装置采用PVC材料制作，厌氧池、缺氧池的有效容积均为75 L，硝化池有效容积为120 L，后置曝气池的有效容积为36 L，3个沉淀池的有效容积均为72 L.试验进水量为25 L/h.

图1 双污泥反硝化除磷工艺流程图

1.2 接种污泥和试验用水

反硝化聚磷接种污泥和硝化接种污泥均取自南京市某污水处理厂氧化沟，采用SBR反应器进行污泥驯化.反硝化聚磷污泥驯化分为2个阶段:第1阶段为好氧聚磷污泥的培养阶段，运行方式为厌氧/好氧/沉淀/进出水，每周期为12 h，运行约40 d，即80周期；第2阶段为反硝化聚磷污泥的培养阶段，运行方式为厌氧/缺氧/吹脱曝气/沉淀/进出水，每周期为12 h，运行约60 d，即120周期.硝化污泥驯化运行方式为好氧/沉淀/进出水，每周期为12 h，运行约100 d，即200个周期.

系统连续运行期间，污水采用人工配水模拟生活污水，投加乙酸钠、葡萄糖、尿素、磷酸二氢钾、氯化铵及营养液.营养液用于补充污泥生长所需要的微量元素，投加量为0.2 mL/L，组成如表1所示.进水分为4个阶段，每阶段进水水质如表2所示，厌氧池、缺氧池、后置快速曝气池的MLSS约为4.0 g/L.超越污泥量和污泥回流量均为进水流量的20%，即5 L/h.进水pH值为7～9，水温保持在20℃左右，硝化池DO保持在2～4 mg/L.

表1 营养液组成

1.3 水质指标与分析方法

水质指标采用国家环保总局颁布的标准分析方法进行测定［9］.COD测定采用重铬酸钾法；氨氮测定采用水杨酸-次氯酸盐光度法；TN测定(total nitrogen)采用碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法；NO3－-N测定采用紫外分光光度法；TP测定为过硫酸钾氧化分光光度法；MLSS测定为滤纸称重法.

表2 试验进水水质

2 结果与讨论

2.1 对COD去除的影响

图2为不同m(C)/m(P)下工艺对COD的去除效果.由图可见，进水 COD浓度为224.3～281.6 mg/L，出水COD浓度为17.5～38.6 mg/L，去除率保持在85.6% ～93.1%.不同m(C)/m(P)下，平均去除率分别为88.9%，90.0%，88.9%和89.1%，由此可见，m(C)/m(P)对COD的去除没有显著的影响.

图2 不同m(C)/m(P)下COD的去除效果

2.2 对氮去除的影响

氨氮和硝氮的变化曲线如图3和图4所示.4个阶段氨氮进水平均值分别为44.8，42.4，48.0，44.4 mg/L，出水氨氮平均值分别为 1.4，2.5，1.8，2.8 mg/L，去除率均大于93%.硝化段中始终保持较高的硝化效率，均大于90%，平均硝化效率为95.3%.在双污泥系统中，好氧池的主要任务是进行硝化作用.与传统的脱氮除磷工艺相比，不需要承担聚磷的任务，因此溶解氧可充分用于硝化菌进行硝化反应；同时泥龄的控制上不需要兼顾硝化菌和好氧聚磷菌，可以创造硝化菌最佳的泥龄条件，保证了硝化效果.在本试验中由于进水m(C)/m(N)基本不变，同时硝化菌与反硝化除磷菌处于不同系统，因此m(C)/m(P)对硝化作用基本没有影响.在厌氧段氨氮较进水有所下降，这是由于终沉池回流污泥的稀释作用；在缺氧段氨氮浓度较硝化池有所上升，这是由于厌氧沉淀池中的超越污泥将氨氮带入缺氧池.后置曝气池可去除少量的氨氮，平均去除量为4.7 mg/L，约占氨氮总去除量的10%.

图3 不同m(C)/m(P)下氨氮的去除效果

图4 不同m(C)/m(P)下硝酸盐的变化

由图4可知，硝化作用完成后，硝酸盐绝大部分在缺氧池中通过反硝化除磷作用去除，在不考虑超越污泥的稀释作用的情况下，反硝化效率为87.6% ～99.9%.在不同的m(C)/m(P)下，缺氧池硝酸盐浓度均小于5 mg/L，出水硝酸盐浓度为0.1～8.2 mg/L，出水平均值为 3.6 mg/L.4 个阶段中TN进水为42.4～57.6 mg/L，出水为4.9～13.2 mg/L，m(C)/m(P)对氮的处理效率并没有显著的影响.

2.3 对TP去除的影响

图5为不同m(C)/m(P)下对TP的去除效果.4个阶段平均m(C)/m(P)分别为64.1，42.0，33.0，17.8时，即进水 TP浓度为3.9，5.8，8.0，15.4 mg/L的情况下，出水TP浓度分别为0.26，0.47，1.74，5.28 mg/L，TP去除率分别为93.2%，92.0%，78.3%和65.8%.从图6可知，随着进水m(C)/m(P)的升高，TP去除率有升高的趋势.此试验结果与相关研究者在其他工艺条件下(如 A2O工艺、UCT工艺、SBR工艺)m(C)/m(P)对磷去除率的研究结果一致.

图5 不同m(C)/m(P)下TP的变化

图6 不同m(C)/m(P)下TP的去除率

表3和图7分别为不同m(C)/m(P)下TP沿程变化以及污泥释磷、聚磷特性比较.随着m(C)/m(P)的减小，反硝化除磷污泥的释磷量、缺氧聚磷量、好氧聚磷量、总聚磷量(总聚磷量=好氧聚磷量+缺氧聚磷量)、净聚磷量(净聚磷量=总聚磷量－释磷量)均上升.也就是说，在较低的m(C)/m(P)下，系统表现出更强的除磷能力.这是因为:一方面进水中磷浓度升高，可以使反硝化聚磷污泥将更多的磷以聚磷酸盐的形式贮存在胞内［10］，这就表现为低m(C)/m(P)下释磷量的升高；另一方面低m(C)/m(P)更适于聚磷菌的生长［11-13］，高m(C)/m(P)下有利于聚糖菌(glycogen-accumulating organisms，GAOs)生长，GAOs的代谢过程与聚磷菌相似，但并不发生磷的释放和吸收.因此，分析认为聚磷菌数量的提高，使得表观的释磷量和缺氧聚磷量增加.

表3 不同m(C)/m(P)下TP沿程变化 mg/L

图7 不同m(C)/m(P)下释磷量和聚磷量

试验结果显示，随着m(C)/m(P)的下降，缺氧聚磷量、好氧聚磷量和总聚磷量均上升.根据反硝化除磷的基本原理，反硝化聚磷污泥可利用溶解氧或NO－3-N氧化体内聚-β-羟基丁酸酯(poly-βhydroxybutyrate，PHB)同时聚磷，因此分析认为:聚磷量的上升表明可被利用于聚磷的PHB或PHB是上升的.而文献表明:随着m(C)/m(P)的降低，厌氧阶段PHB生成量降低［14］或消耗单位COD所生成的PHB量降低［15］，这说明低m(C)/m(P)条件下，虽然厌氧阶段产生的PHB较少，但是较高比例的PHB被用于聚磷，较少部分的PHB消耗过程中并不伴随发生磷的吸收.这与前面的分析结论一致.

表4中总结了不同m(C)/m(P)条件下聚磷量与释磷量之比.随着m(C)/m(P)的减少，总聚磷量与释磷量比值增加，说明在进水高磷浓度下，DPB倾向于将更多的磷以聚磷颗粒的形式贮存在胞内；各m(C)/m(P)下，后置曝气池均出现了明显的聚磷现象，这说明缺氧条件下作为电子受体的NO－3-N不足，仍有 PHB可供进一步利用.随着m(C)/m(P)的降低，好氧聚磷量占总聚磷量的百分比上升，但总体上仍以缺氧反硝化聚磷为主，缺氧聚磷量占总聚磷量的80%以上.如前所述，由于各m(C)/m(P)下缺氧条件均缺乏NO－3-N，因此m(C)/m(P)对NO－3-N去除率的影响并不显著，这与试验结果一致.各条件下缺氧聚磷量/释磷量均在1.0左右，因此后置曝气池的设置对超量聚磷显得尤为重要.

表4 不同m(C)/m(P)下聚磷量与释磷量之比

在本试验中，随着进水磷浓度的升高，聚磷能力增强，但净除磷量仍不足以弥补较高的进水磷浓度，因此去除效率下降.也就是说，m(C)/m(P)减小有利于提高生物除磷系统的稳定性，但是除磷效果变差，对此分析认为可以通过适当延长后置曝气池停留时间的方法，降低出水磷浓度.

3 结论

1) 在m(C)/m(P)为64.1，42.0，33.0和17.8的情况下，对COD和氮的去除没有显著的影响.

2) 在m(C)/m(P)为64.1，42.0，33.0和17.8的情况下，TP去除率分别为93.2%，92.0%，78.3%和65.8%，除磷效率明显降低.在m(C)/m(P)＞42.0的情况下，出水TP浓度低于0.5 mg/L.

3)随着m(C)/m(P)的降低，反硝化聚磷污泥除磷能力增强，释磷量、缺氧聚磷量和净聚磷量增加，m(C)/m(P)减小有利于提高生物除磷系统的稳定性，但出水磷浓度会有所增加，可通过适当延长后置曝气池时间的方法降低出水磷浓度.

References)

［1］刘洪波，李卓，缪强强，等.传统生物除磷脱氮工艺和反硝化除磷工艺对比［J］.工业用水与废水，2006，37(6):4-7.Liu Hongbo，Li Zhuo，Miao Qiangqiang，et al.Comparison between traditional biological nutrient removal process and denitrifying dephosphatation process［J］.Industrial Water＆Wastewater，2006，37(6):4-7.(in Chinese)

［2］张杰，臧景红，杨宏，等.A2/O工艺的固有欠缺和对策研究［J］.给水排水，2003，29(3):22-25.Zhang Jie，Zang Jinghong，Yang Hong，et al.A study on the inherent shortcomings and countermeasures of the A2/O process［J］.Water ＆ Wastewater Engineering，2003，29(3):22-25.(in Chinese)

［3］王晓莲，王淑莹，彭永臻.进水C/P对A2/O工艺性能的影响［J］.化工学报，2005，56(9):1765-1770.WangXiaolian， Wang Shuying， Peng Yongzhen.Effect of feed water C/P ratio on performance of anaerobic-anoxic-oxic process［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2005，56(9):1765-1770.(in Chinese)

［4］Liu Yu，Lin Yuemei，Joo-Hwa Tay.The elemental compositions of P-accumulating microbial granules developed in sequencing batch reactors［J］.Process Biochemistry，2005，40(10):3258-3262.

［5］Gilda Carvalho，Paulo C Lemos，Adrian Oehmen，et al.Denitrifying phosphorus removal:linking the process performance with the microbial community structure［J］.Water Research，2007，41(19):4383-4396.

［6］Adrian Oehmen，Paulo C Lemos，Gilda Carvalho，et al.Advances in enhanced biological phosphorus removal:from mirco to macro scale［J］.Water Research，2007，41(19):2271-2300.

［7］王亚宜，彭永臻，殷芳芳，等.双污泥SBR工艺反硝化除磷脱氮特性及影响因素［J］.环境科学，2008，29(6):1526-1532.Wang Yayi，Peng Yongzhen，Yin Fangfang，et al.Characteristics and affecting factors of denitrifying phosphorus removal in two-sludge sequencing batch reactor［J］.Environmental Science，2008，29(6):1526-1532.(in Chinese)

［8］Mino T，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphate removal process［J］.Water Research，1998，32(11):3193-3207.

［9］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.

［10］Sudiana I M，Mino T，Satoh H，et al.Metabolism of enhanced biological phosphorus removal and non-enhanced biological phosphorus removal sludge with acetate and glucose as carbon source［J］.Water Science and Technology，1999，39(6):29-35.

［11］Satoh H，Mino T，Matsuo T.Deterioration of enhanced biological phosphorus removal by the domination of microorganisms without polyphosphate accumulation［J］.Water Science and Technology，1994，30(6):203-211.

［12］郝王娟，薛涛，黄霞.进水磷碳比对聚磷菌与聚糖菌竞争生长的影响［J］.中国给水排水，2007，23(17):95-98.Hao Wangjuan，Xue Tao，Huang Xia.Effect of influent P/C ratio on competition between phosphate and glycogen-accumulating organisms［J］.China Water＆Wastewater，2007，23(17):95-98.(in Chinese)

［13］Schuler A J，Jenkins D.Enhanced biological phosphorus removal from wastewater by biomass with different phosphorus contents，part I:experimental results and comparison with metabolic models［J］.Water Environment Research，2003，75(6):485-498.

［14］Warangkana Punrattanasin.Investigation of the effects of COD/TP ratio on the performance of a biological nutrient removal system［D］.Virginia:Virginia Polytechnic Institute and State University，1997.

［15］Liu Wen-Tso，Nakamura Kazunori，Matsuo Tomonori，et al.Internal energy-based competition between polyphosphate-and glycogen-accumulating bacteria in biological phosphorus removal reactors-effect of P/C feeding ratio ［J］.Water Research，1997，31(6):1430-1438.