1 引言
在傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝中，氮的去除主要是通過好氧硝化和缺氧反硝化兩個(gè)獨(dú)立的過程來實(shí)現(xiàn)，磷則是通過厭氧釋磷和好氧吸磷兩步完成.因此，同步脫氮除磷需要硝化菌、反硝化菌和聚磷菌(PAOs)同時(shí)參與.由于反硝化過程和釋磷過程都需要有機(jī)物提供碳源，反硝化細(xì)菌和PAOs之間存在競爭，所以當(dāng)污水中碳源不足時(shí)，系統(tǒng)對氮、磷的去除效果將受到影響.
反硝化除磷菌(DNPAOs)可以利用同一碳源處理硝酸鹽/亞硝酸鹽和磷，從而避免了對有機(jī)碳源的競爭.DNPAOs能在厭氧條件下將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為PHA存儲在細(xì)胞內(nèi)，而且能利用硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行好氧吸磷.DNPAOs產(chǎn)能效率較低，污泥產(chǎn)量可以降低20%~30%.因此，DNPAOs在同步生物脫氮除磷中具有較大優(yōu)勢.顆粒污泥具有結(jié)構(gòu)致密、沉降性能好、生物密度大、微生物種類多、污泥活性高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).研究表明，顆粒污泥內(nèi)部由于氧氣滲透深度有限可以同時(shí)存在好氧/缺氧/厭氧環(huán)境，有利于同步脫氮除磷.在SBR反應(yīng)器中，通過攪拌、曝氣等選擇壓能夠得到反硝化除磷顆粒污泥，這種顆粒污泥兼具反硝化除磷技術(shù)和顆粒污泥的優(yōu)勢.
反硝化除磷顆粒污泥技術(shù)作為一種新型的污水處理技術(shù)，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，尚未得到廣泛應(yīng)用，關(guān)于顆粒化過程的報(bào)道及顆粒污泥特性等的文章也不多見.為此我們進(jìn)行本試驗(yàn)的探究，擬為反硝化除磷顆粒污泥的顆�；^程及其特性提供一定的實(shí)踐參考和理論依據(jù).試驗(yàn)采用三套完全相同的SBR反應(yīng)器R1、R2和R3，以A/O/A運(yùn)行模式，接種普通絮狀污泥，分別以普通人工配水、加Ca2+人工配水和實(shí)際生活污水為進(jìn)水水源，進(jìn)行反硝化除磷顆粒污泥的培養(yǎng)，并研究反硝化除磷顆粒污泥的相關(guān)特性及其除污性能.
2 材料與方法
2.1 試驗(yàn)裝置
本試驗(yàn)采用的3套SBR反應(yīng)器R1、R2、R3形態(tài)結(jié)構(gòu)完全相同，試驗(yàn)裝置如圖 1所示.反應(yīng)器由有機(jī)玻璃加工制成，內(nèi)徑120 mm，外徑220 mm，高800 mm，高徑比H/D為6.7，有效容積7 L.SBR反應(yīng)器的運(yùn)行采用時(shí)間程序控制器進(jìn)行自動(dòng)控制，反應(yīng)器全程不控溫，均在室溫(23~28 ℃)條件下運(yùn)行.人工配水和實(shí)際生活污水由計(jì)量泵從反應(yīng)器上部引入，厭氧和缺氧過程由攪拌儀實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速為300 r · min-1，好氧過程利用氣泵從底部曝氣實(shí)現(xiàn).試驗(yàn)所用污泥取自武漢市沙湖污水處理廠二沉池，經(jīng)初步處理后投加到反應(yīng)器中，初始污泥濃度約為5000 mg · L-1.
圖1 SBR反應(yīng)器示意圖
2.2 系統(tǒng)運(yùn)行模式
3套反應(yīng)器均采用A/O/A模式，反應(yīng)周期為8 h，每日運(yùn)行3個(gè)周期，每周期排水比為50%.好氧段DO值控制在5.0 mg · L-1左右，缺氧段低于0.50 mg · L-1，厭氧段低于0.25 mg · L-1.具體運(yùn)行模式如表 1所示.
表1 A/O/A模式不同階段運(yùn)行時(shí)間
2.3 試驗(yàn)用水與水質(zhì)
本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行人工配水和實(shí)際生活污水的對比分析，其中，R1采用人工配水，R2采用加10 mg · L-1 Ca2+人工配水(Ca2+由CaCl2提供)，R3采用取自武漢大學(xué)茶港小區(qū)的實(shí)際生活污水.污水水質(zhì)如表 2所示.同時(shí)人工配水中加入微生物生命活動(dòng)所需的各種微量元素，微量元素組成如表 3所示.
表2 人工配水和實(shí)際生活污水水質(zhì)
表3 微量元素液成分
2.4 分析方法
采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN和TP，采用pHS-25型酸度計(jì)測量pH值，采用YSI5000型溶解氧測定儀測定DO.顆粒污泥外觀形態(tài)及生物相采用電子顯微鏡進(jìn)行觀察，含水率和比重的測定采用重量法，比耗氧速率的測定采用污泥呼吸測量法.
3 結(jié)果與分析
3.1 顆粒污泥培養(yǎng)及特征
接種污泥為淺黃褐色絮狀，無明顯絲狀菌，活性較低.在SBR中不同進(jìn)水培養(yǎng)過程中，絮狀污泥由細(xì)小的不規(guī)則顆粒變成個(gè)體較大較飽滿的顆粒，最終長成形狀呈球形或橢球形，顏色為黃褐色或黑褐色，結(jié)構(gòu)致密，邊緣較清晰的顆粒污泥.研究發(fā)現(xiàn)，反硝化除磷顆粒污泥顏色較深，原因是缺氧段顆粒污泥內(nèi)部pH較低，使部分金屬鹽沉積.
R1~R3中顆粒污泥特性如表 4所示.從表 4可知，R1~R3間相比，R1、R2較R3中顆粒污泥平均粒徑和比重偏高，含水率和比耗氧速率偏低.說明R1和R2中顆粒污泥孔隙率較小，生物密度較大，但微生物活性較R3低.造成這些區(qū)別的主要原因有二：一是R1和R2中污水負(fù)荷較R3中偏高，二是R3中生活污水成分較R1和R2中配水更為復(fù)雜.與活性污泥相比，R1~R3中顆粒污泥粒徑和比重明顯增加，含水率明顯降低，比耗氧速率也有很大提高;與已有的關(guān)于反硝化除磷顆粒污泥報(bào)道相比，粒徑、含水率和比重處于中等水平區(qū)間，但比耗氧速率偏小，分析主要是COD負(fù)荷過低所致.
表4 顆粒污泥特性對比
3.2 啟動(dòng)期除污性能
3.2.1 COD去除
啟動(dòng)期R1~R3中COD去除情況如圖 2所示.由圖 2可以看出，R1、R2中COD去除率均較高，但R2平均出水COD較R1低，原因可能是Ca2+有助于顆粒污泥的形成，R2中反硝化除磷顆粒污泥成長速度較快.R3初期對COD有一定的去除能力，但當(dāng)進(jìn)水濃度變化時(shí)，這種能力不穩(wěn)定，說明抗沖擊負(fù)荷能力不強(qiáng);后期，R3系統(tǒng)的處理能力逐漸增強(qiáng)并穩(wěn)定，不隨進(jìn)水濃度的變化出現(xiàn)大的波動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥已經(jīng)逐漸成熟起來，具有較強(qiáng)的去污能力和抗沖擊負(fù)荷能力.R3平均去除率低于R1、R2，主要是因?yàn)镽3初期進(jìn)水COD變化太大，抗沖擊負(fù)荷能力弱，同時(shí)水中含有較多的惰性有機(jī)質(zhì)難被微生物利用;后期去除率穩(wěn)定在90%左右，說明R3具備了穩(wěn)定高效的處理能力，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力.
圖2 R1~R3中COD去除情況
由此可見，反硝化除磷顆粒污泥啟動(dòng)階段對COD的去除是很高效的，這主要是因?yàn)樯锍走^程是一個(gè)需能反應(yīng)過程，必須供給足夠的能量才能合成PHAs供微生物使用.本文結(jié)果與以往試驗(yàn)結(jié)果一致.
3.2.2 氮的去除
圖 3為R1、R2和R3對NH4+-N的去除情況.從圖 3中可以看出，R1和R2對NH4+-N的去除情況呈現(xiàn)與COD類似的規(guī)律，即R2的處理能力和處理效果較R1強(qiáng)且穩(wěn)定.后期系統(tǒng)對NH4+-N的去除率都穩(wěn)定在95%以上.R3前期對NH4+-N的處理能力比較強(qiáng)，這是因?yàn)橄到y(tǒng)中本來就存在一定數(shù)量的硝化細(xì)菌.當(dāng)進(jìn)水NH4+-N濃度從18.44 mg · L-1驟升到111.98 mg · L-1時(shí)，系統(tǒng)出水NH4+-N濃度也隨之升高，去除率下降，這主要是由于系統(tǒng)硝化菌數(shù)量有限，未完全進(jìn)行硝化反應(yīng);但系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力很強(qiáng)，迅速恢復(fù)了高效去除NH4+-N能力，去除率上升并穩(wěn)定在90%以上.
圖3 R1~R3中NH4+去除情況
根據(jù)Kishida等的研究發(fā)現(xiàn)，反硝化除磷顆粒污泥啟動(dòng)過程中硝氮的去除率一般較高，基本可達(dá)95%以上，而普通SBR工藝去除率一般為90%左右.這說明反硝化除磷顆粒污泥工藝具有良好的同步脫氮除磷效果，主要原因是在顆粒污泥內(nèi)部存在一個(gè)“缺氧區(qū)”，在此區(qū)域內(nèi)能進(jìn)行好氧條件下的反硝化作用，增加了氨氮的去除效果.
圖 4為R1、R2、R3對TN的去除情況.從圖 4可以看出，R1和R2中前期TN去除效果波動(dòng)較大，后期趨于平穩(wěn)，主要是因?yàn)殡S著系統(tǒng)內(nèi)絮狀污泥逐漸轉(zhuǎn)化為顆粒污泥，DNPAOs得到有效富集，提高了反硝化能力，使硝酸氮和亞硝酸氮徹底反硝化去除.與R1和R2相比，R3對TN的去除效果波動(dòng)較大，并呈現(xiàn)出與NH4+-N去除效果類似的趨勢.從圖 4中還可以看出，在運(yùn)行第30 d時(shí)，進(jìn)水TN濃度驟升至114.16 mg · L-1，TN去除效果下降，但經(jīng)過4 d的短時(shí)運(yùn)行后，系統(tǒng)對TN的去處效果又恢復(fù)了穩(wěn)定，說明R3系統(tǒng)已經(jīng)具備了很強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力.
圖4 系統(tǒng)對TN的去除情況
綜合來看，R3系統(tǒng)對氨氮的去除效果與對總氮的去除效果并不同步，在對氨氮去除效果良好的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)只有具有良好的反硝化能力，才可以實(shí)現(xiàn)高效生物脫氮.
3.2.3 磷的去除
R1、R2和R3系統(tǒng)對TP的去除情況如圖 5所示.從圖 5中可見，R1、R2系統(tǒng)前期的除磷能力較差，出水濃度較高;中后期R1和R2系統(tǒng)除磷能力逐漸提高并保持穩(wěn)定，最終TP去除率均可保持在90%左右;并且運(yùn)行前期R1對TP去除能力較R2稍強(qiáng)，后期卻稍弱于R2.分析原因可能是運(yùn)行前期兩系統(tǒng)中投泥量稍有差異，R1污泥濃度稍高于R2;運(yùn)行后期R2中反硝化除磷顆粒污泥生長速度快于R1，致使R2中DNPAOs逐漸呈現(xiàn)優(yōu)勢.R3前期除磷效果較差，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)中DNPAOs濃度較低，進(jìn)水COD負(fù)荷不足;后期系統(tǒng)除磷效果逐步提高并趨于穩(wěn)定，最終TP出水濃度穩(wěn)定在1 mg · L-1以下，去除率高于90%.與R1、R2相比，R3出水平均TP濃度更低，因?yàn)镽3進(jìn)水平均TP濃度遠(yuǎn)低于R1、R2;R3平均去除率低于R1、R2系統(tǒng)，這是由于R3采用的生活污水中有機(jī)物濃度較低，可供DNPAOs吸收利用的短鏈脂肪酸較少，不利于DNPAOs的增長繁殖，系統(tǒng)除磷效率的提高較人工配水系統(tǒng)緩慢.
圖5 系統(tǒng)對TP的去除情況
總體來看，與普通SBR工藝及顆粒污泥工藝相比，反硝化除磷顆粒污泥工藝對TP的去除是很高效的.這主要是由于氧氣滲透深度的限制在顆粒污泥內(nèi)部形成了好氧狀態(tài)下的“好氧-缺氧-厭氧”分區(qū)，促進(jìn)了同步反硝化除磷效能.
在系統(tǒng)運(yùn)行的第22 d，供電系統(tǒng)斷電故障，導(dǎo)致R1~R3中去除情況波動(dòng).當(dāng)系統(tǒng)供電恢復(fù)后，R1~R3也得以恢復(fù)正常.綜合看來，R1、R2和R3系統(tǒng)出水COD、NH4+-N、TN均達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水TP達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)，出水TP多維持在0.02~0.70 mg · L-1范圍內(nèi).
3.3 典型周期除污性能
反硝化除磷顆粒污泥系統(tǒng)穩(wěn)定后對COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果較培養(yǎng)階段有所提高，圖 6為一典型周期內(nèi)R1、R2和R3中污染物濃度變化情況.從圖 6中可見，三系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TN和TP的去除率都在90%左右，系統(tǒng)對污染物的去除穩(wěn)定且高效.從圖 6可以看出，一個(gè)周期內(nèi)R1~R3中NH4+-N分別減少了143.66、160.91、41.87 g，對應(yīng)的NO3--N增加量則僅為75.85、84.04、15.01 g.因此，根據(jù)的化學(xué)計(jì)量方程計(jì)算出通過好氧反硝化去除的NO3--N量分別為64.85、73.56、26.00 g.
圖6 典型周期營養(yǎng)物變化情況
根據(jù)和)的報(bào)道，DNPAOs的反硝化吸磷率分別為2.10、1.97 g · g-1(以每克NO3--N吸收的P量(g)計(jì))，本實(shí)驗(yàn)中均值為2.0 g · g-1.反硝化除磷分析及對比如表 5所示.由表 5可知，R1、R2中經(jīng)DNPAOs去除的磷含量比例分別為42.01%、60.95%，與報(bào)道的50%較接近;與活性污泥和已有的反硝化除磷顆粒污泥報(bào)道數(shù)據(jù)相比，本實(shí)驗(yàn)中R1~R3的最大比釋磷速率(SPRR)偏小，而最大比吸磷速率(SPUR)則偏大，主要是由于顆粒污泥內(nèi)部存在擴(kuò)散阻力，同時(shí)在好氧段中顆粒污泥內(nèi)部PAOs由于氧氣不足無法正常發(fā)揮作用吸磷，而DNPAOs厭氧比吸磷速率較好氧時(shí).
需要特別提出的是，已有報(bào)道中提出的DNPAOs去除的磷含量比例(1.97、2.10 g · g-1)均不適用于R3系統(tǒng)，已有數(shù)值偏大，具體系數(shù)有待進(jìn)一步研究.分析原因是因?yàn)樯鲜鱿禂?shù)都是在人工配水條件下得到的，而生活污水系統(tǒng)組分復(fù)雜，影響因素更多.
表5 反硝化除磷分析及對比
4 顆�；瘷C(jī)制探析
在好氧顆粒污泥的形成過程中，選擇壓假說是最受認(rèn)可的，選擇壓可以分為水力選擇壓和生物選擇壓.通過控制反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特性(主要是H/D)和水力條件等將性能差的污泥淘汰，同時(shí)通過改變混合液中有機(jī)負(fù)荷選擇適宜的微生物種類和數(shù)量.本試驗(yàn)通過逐步降低沉降時(shí)間、曝氣提供水力剪切力、A/O/A交替運(yùn)行等水力選擇壓來促進(jìn)反硝化除磷顆粒污泥的形成;通過逐步縮短好氧段運(yùn)行時(shí)間，延長缺氧段運(yùn)行時(shí)間來強(qiáng)化反硝化除磷能力.具體表現(xiàn)為：①逐步縮短反應(yīng)器沉降時(shí)間(由起始的20 min逐步降低至2 min)，在此過程中排出沉降性能差的污泥，富集沉降性能優(yōu)良的菌膠團(tuán).②通過曝氣為反應(yīng)器提供連續(xù)、均勻水力剪切力，同時(shí)提供充分混合的好氧條件(好氧段DO值約5 mg · L-1)，以促進(jìn)細(xì)胞之間的自凝聚.③A/O/A交替運(yùn)行模式為具有反硝化除磷功能的細(xì)菌提供理想的生長環(huán)境，使其在同絲狀細(xì)菌的競爭中處于優(yōu)勢地位，提供較大的傳質(zhì)動(dòng)力.
同時(shí)，一些學(xué)者提出了好氧顆粒污泥形成的晶核假說，無機(jī)晶核在反應(yīng)前期提供細(xì)胞凝聚的晶核，促進(jìn)顆粒污泥的快速形成.本試驗(yàn)R2系統(tǒng)中加入10 mg · L-1 Ca2+使反應(yīng)器顆粒污泥形成速度較快，也可以佐證這種觀點(diǎn).具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
5 結(jié)論
1)以污水廠二沉池污泥作為接種污泥，采用A/O/A運(yùn)行模式，分別以普通人工配水、加Ca2+人工配水和實(shí)際生活污水為進(jìn)水水源，于30 d內(nèi)培養(yǎng)得到平均粒徑大于600 μm的反硝化除磷顆粒污泥.顆粒污泥粒徑較大、含水率較低、比重較大、比耗氧速率較高.試驗(yàn)結(jié)果表明，一定濃度的Ca2+對顆�；^程有促進(jìn)作用.
2)R1、R2和R3系統(tǒng)培養(yǎng)期間除污性能逐步提高，抗沖擊負(fù)荷能力逐漸加強(qiáng).三系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除率可達(dá)90%，R1~R3中最大 比釋磷速率分別達(dá)14.34、8.32和2.32 mg · g-1 · h-1，R1和R2中最大比吸磷速率分別達(dá)14.13和2.34 mg · g-1 · h-1.
3)反硝化除磷顆粒污泥穩(wěn)定運(yùn)行后，典型周期的試驗(yàn)結(jié)果顯示，R1、R2和R3系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TN和TP的去除率均為90%左右，表明反硝化除磷顆粒污泥系統(tǒng)具有良好的污染物去除效果.
