新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺

罗固源，罗宁，吉芳英，许晓毅?
(重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045)

　　摘　要：在对生物脱氮与除磷机理进行深入研究后发现，生物脱氮与除磷是两个相对独立而又相互交叉的生理过程，其交叉点是部分聚磷菌在缺氧状态下的反硝化吸磷脱氮。在此基础上提出的新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺(由两个不同功能的SBR反应器组成)成功地解决了硝化菌与聚磷菌的泥龄之争、反硝化与聚磷菌厌氧释磷的矛盾等难题。该工艺运行稳定且处理效果良好，特别适合于处理BOD₅/TP值低的污水。
　　关键词：除磷脱氮；双泥；聚磷菌
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：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

　　单泥生物脱氮除磷工艺中聚磷菌、反硝化菌、硝化菌等共存于同一活性污泥系统，必然存在硝化菌与聚磷菌的不同泥龄之争，使除磷和硝化相互干扰；同时因为硝化菌是自养型专性好氧微生物，反硝化菌和聚磷菌是异养型兼性菌，系统的厌氧/缺氧/好氧交替的运行工况虽有利于反硝化和除磷，但是对硝化菌而言却不是理想的环境。
　　新型双泥生物反硝化除磷工艺由两个反应器组成：A²/O-SBR反应器的主要功能是去除COD和反硝化除磷脱氮，N-SBR反应器主要起硝化作用。这两个反应器的活性污泥是完全分开的，只将各自沉淀后的上清液相互交换。整个工艺流程如图1所示。

1 试验方法与水质

　　A²/O-SBR反应器的操作步骤：
　　①加入污水厌氧搅拌1～1.5h；②静置沉淀，将上清液排入N-SBR反应器；③加入来自N-SBR反应器经静置沉淀后的上清液，缺氧搅拌1～2h；④好氧曝气3～5h；⑤静置沉淀后先排水，再排剩余污泥。
　　N-SBR反应器的操作步骤：
　　①加入A²/O-SBR反应器经静置沉淀后的上清液，好氧曝气6～8h；②静置沉淀后将上清液排入A²/O-SBR反应器。
1.1 污水水质
　　 人工合成污水的配方和水质分别见表1、2。 表1 人工合成污水配方 组成 淀粉 葡萄糖 奶粉 尿素 磷酸二氢钾 氯化铵 Na₂CO₃ 含量(mg/L) 70 170 160 50 30 110 少许

表2 人工合成污水的水质 水质指标 BOD₅(mg/L) COD(mg/L) NH₃-N(mg/L) TN(mg/L) TP(mg/L) pH 数值 190～280 340～420 29～35 40～50 5.0～8.0 6.5

1.2 分析项目及方法
　　分析项目及方法见表3。
　　试验中两个反应器的有效容积均为30L，取城市污水处理厂的活性污泥投入两个反应器内，用人工合成的污水进行连续驯化50 d左右，待脱氮除磷效果稳定后开始试验。 表3 分析项目及方法 项 目 测定方法 DO? 溶解氧测定仪 COD? 重铬酸钾标准法 PO₄^3- 磷钼酸铵比色法 NO₃-N 戴氏合金还原—纳氏比色法 NO₂-N N-1-萘基乙二胺比色法 NH₃-N 纳氏试剂比色法 MLSS 称重法

2 结果与分析

　　将A²/O-SBR反应器的泥龄控制在15d(N-SBR反应器不排泥)。
2.1 A²/O-SBR 反应器
　　A²/O-SBR反应器在运行周期内的水质变化如图2、3所示。

　　从图2、3可以看出：
　　① 厌氧段
　　在厌氧段开始时加入了19.5L人工合成污水，整个厌氧段水中的NH₄⁺浓度几乎保持不变。上个周期好氧段结束后残留于活性污泥中的少量NO₃-在厌氧段初期很快被反硝化完毕，由于进水中无NO₃-故不存在降解NO₃-的问题。伴随着水中COD的去除，反应器中出现厌氧释磷现象，释磷速率与水中COD去除率相对应。
　　厌氧段快速吸收有机物有三大特点：
　　a.由于进水中的有机物大部分在厌氧条件下被去除，这为聚磷菌提供了呈梯度的高浓度有机物(F/M值)，使有机物最大可能地被用于厌氧释磷和后续缺氧段的反硝化吸磷脱氮，提高了有机物在生物脱氮吸磷中的利用率，避免了在好氧段被其他非脱氮除磷好氧菌利用。
　　b.由于部分COD直接以厌氧产物或经缺氧呼吸的形式被去除，降低了后续好氧段需氧化的有机物量，使得该工艺比传统活性污泥法大大节省了供氧量。
　　c.由于进水中的有机物大部分在厌氧条件下被去除且无NH₄⁺的消耗，为平行运行的N-SBR反应器提供了富含磷且低COD/TKN值的进水，为保证N-SBR高效的硝化反应奠定了基础。
　　② 静置内换水段
　　除了厌氧初期少量的反硝化，厌氧段的主流是快速去除有机物和厌氧释磷，因此活性污泥的SVI为80～90L/g，沉降性能好(上清液略显浑浊)。由于活性污泥厌氧吸附和降解了进水中85%以上的COD，故沉淀上清液中的COD浓度较低(50～70mg/L)且多为溶解性难降解有机物和悬浮的细小微生物絮体。如果将上清液静置沉淀1h以上并去除水中悬浮的细小微生物絮体后，其COD＜40 mg/L。由于厌氧段不消耗进水中的TKN，水中的COD/TKN值由进水的8.2～8.5变为上清液的0.8～1。
　　将此富含磷且COD/TKN值低的上清液全部转到N-SBR反应器中进行硝化。
　　③ 缺氧段?
　　在缺氧段初期的3～5min内，污水中的NO₃-急剧下降60%，随后进入缓慢的下降过程。伴随着NO₃-的下降，反应器中出现缺氧吸磷现象，但与NO₃-的去除速率相比，呈现出快速反硝化而相对慢速吸磷的现象。在缺氧段结束时，水中的TP由缺氧段开始时的25mg/L左右降到8mg/L。
　　污水中残留的NH₄⁺以及低浓度的COD几乎没有变化，这表明：缺氧状况下无NH₄⁺消耗；污水中的COD只是残留的溶解性难生物降解有机物，在缺氧状态下很难被细菌降解。
　　图2、3表明缺氧段的反硝化过程含两个阶段：
　　a.初期(快速反硝化吸磷脱氮)
　　反硝化聚磷菌经过厌氧段充分有效地释磷并吸收快速降解有机物合成大量的PHB后进入缺氧段，由于初期反硝化速率很快，可见大量的气泡迅速逸出。SV值的变化曲线也相应表明，在缺氧初期快速反硝化导致SV值有轻微波动。?
　　b.中、后期(慢速反硝化脱氮)
　　反硝化菌利用吸附在菌胶团上的有机物作碳源慢速反硝化残留的NO₃-。试验中发现，在缺氧段后期(45或50min后)可见许多细小的气泡产生并附在菌胶团内，导致活性污泥上浮(SV=100%)。
　　④ 好氧段
　　进入好氧段后反应器出现好氧吸磷现象(1.5h后水中的TP＜0.5mg/L)。COD值在4h的好氧期间缓慢地小幅度降解，表明此时水中的COD基本为少量的溶解性难生物降解有机物。
　　水中残留的NH₄⁺在1h内迅速被硝化，与之相应的中间产物NO₂-浓度迅速升高到2mg/L左右，并在1h后达到最高点，随即迅速下降，1.5h后达稳定状态。
　　好氧段结束时水中COD为14mg/L,TP＜0.5mg/L,NH₃-N为零，NO₃-N＜10mg/L，出水指标达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)的一级标准。
2.2 N-SBR 反应器
　　其运行周期内的水质变化如图4、5所示。
　　在N-SBR中进行好氧硝化，试验期间基本不排泥。水中低浓度COD经7h的好氧硝化去除不多，表明从A²/O-SBR的厌氧段转入的　上清液中所含COD主要是难降解的溶解性有机物。
　　水中的NH₄⁺迅速被硝化，与之相应的NO₂-浓度迅速升高，1h后达到最高点(1.4mg/L左右)，随即迅速下降，1.5h后达稳定状态。
　　由于N-SBR反应器一直处于好氧硝化状态，水中COD浓度很低又不排泥，这都不利于聚磷菌的生长。虽然水中的TP浓度较高(26mg/L)，但在整个硝化段TP基本保持不变，不存在吸磷现象。
　　从图4可以看到N-SBR是很好的生物硝化系统，其良好的性能得益于4方面：①完全好氧，无厌氧或缺氧段；②进水COD/?TKN值特别低(0.8～1)；③超长泥龄(不排泥)；④超低的污泥负荷［F/M=0.041kgBOD₅/(kgMLVSS·d)］。

　　活性污泥中硝化细菌所占的比例与BOD₅/TKN值有关，而在N-SBR的活性污泥中硝化菌的比例为0.21～0.35，大大高于常规活性污泥系统中的比例(5%，其进水COD/TKN=10～15)。?
　　由于BOD₅/TKN值低和泥龄超长(不排泥)导致N-SBR的污泥浓度(2800mg/L)和污泥负荷很低。水中的含碳有机物少且主要是难生物降解的溶解性有机物，有机物的氧化速率和耗氧速率较低，同时肉眼可见活性污泥絮体呈针状且细小。在这种情况下，即使水中DO浓度较低(1mg/L)也可保证DO对生物絮体的穿透能力，使整个生物絮体保持好氧状态，从而维持较高的硝化反应速率。DO利用率的提高减少了曝气量，避免了DO和COD的无谓浪费。

3 结论

　　新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺与常规单泥生物脱氮除磷工艺相比，其硝化段、反硝化脱 氮吸磷段和好氧吸磷段都处于较理想的反应条件下，显示出非常稳定的硝化和脱氮除磷效果。其主要优点为：
　　① 采用双泥系统(聚磷菌、反硝化菌共存于一个活性污泥系统中，硝化菌为另一个污泥系统)可分别控制硝化菌和异养菌(聚磷菌和反硝化菌)的泥龄，解决了异养菌与硝化菌的不同泥龄之争，有利于反硝化脱氮除磷与硝化的各自优化；
　　② 异养型兼性菌在理想的厌氧、缺氧、好氧交替的环境下进行反硝化和除磷，同时自养型专性好氧硝化菌可始终在曝气环境中进行好氧硝化；
　　③ 两个反应器的沉淀上清液相互交换，保证了原水中85%～90%的COD在A²/O-SBR的厌氧段被活性污泥快速吸附或降解并用于该段厌氧释磷和缺氧反硝化，提高了有机物的被利用率；同时提高了缺氧段初期NO₃-的浓度，有利于反硝化。
　　④ 两个反应器的沉淀上清液相互交换，使进入N-SBR的COD浓度较低且多为溶解性难降解有机物，其BOD₅/TKN值约为0.8～1。此上清液不利于N-SBR中异养型微生物的生长，但有利于提高硝化菌的比例，强化硝化作用，提高DO的利用率。
　　⑤ 在缺氧状况下，聚磷菌可在快速反硝化脱氮的同时吸磷，提高了易降解有机物的利用率，改善了脱氮除磷效果。

参考文献：

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　　 ［3］姜安玺.厌氧—好氧活性污泥法除磷机理及动力学探讨［J］.哈尔滨建筑大学学报，1997，30(3)：64-70.
　　 ［4］刘瑾.生物除磷机理的研究［J］.同济大学学报，1995，23(4)：387-392.

　　作者简介：罗固源(1944-)，男，重庆人，重庆大学博士生导师、教授，主要研究方向为污水生物处理。
　　电话：(023)68706036(H) 65120769(O)
　　E-mail: Ling1835@sina.com
　　收稿日期：2002-03-08