目前，國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，因此為保護(hù)水資源，點(diǎn)源污水中的營(yíng)養(yǎng)元素氮和磷必須去除[1]. 然而，污水生物脫氮除磷過(guò)程較復(fù)雜，其中涉及BOD降解、 硝化、 反硝化、 釋磷以及吸磷等多個(gè)生化反應(yīng)，且各個(gè)反應(yīng)過(guò)程對(duì)微生物組成及含量、 底物類(lèi)型及環(huán)境條件的要求均不相同[2]. 因此在連續(xù)流單污泥污水生物處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步脫氮和除磷，將不可避免地產(chǎn)生多種矛盾關(guān)系，其中以聚磷菌(phosphate-accumulating organisms，PAOs)和反硝化菌碳源競(jìng)爭(zhēng)的矛盾最為突出[3]. 大量的研究和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵是缺氧段的反硝化過(guò)程，且對(duì)于處理低碳氮比污水的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，該段的吸磷過(guò)程同樣重要[4-11]. 因此，對(duì)于以連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)為處理工藝主體的污水廠來(lái)說(shuō)，為保證其運(yùn)行效果，需具備以下3個(gè)條件：①可充分利用缺氧段反硝化潛力; ②可最大程度地刺激反硝化菌以聚β羥基丁酸為碳源進(jìn)行硝酸鹽呼吸; ③提高出水穩(wěn)定性. 城市污水處理廠的運(yùn)行實(shí)踐表明，建立過(guò)程控制系統(tǒng)可保證出水的穩(wěn)定性[12-15]. 因此，為滿足上述3個(gè)條件，構(gòu)建反硝化吸磷過(guò)程控制系統(tǒng)至關(guān)重要，這則要求開(kāi)發(fā)可測(cè)、 可控的參數(shù).

　　根據(jù)活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型2d：

　　是缺氧段反硝化速率和吸磷速率方程式的開(kāi)關(guān)函數(shù)，式中，SO2為主缺氧段溶解氧(dissolved oxygen，DO)濃度，SNO3為主缺氧段硝酸鹽氮濃度，KO2為DO半飽和常數(shù)(IWA專(zhuān)家組推薦該值取0.2 mg ·L-1)，KNO3為硝酸鹽氮半飽和常數(shù)(IWA專(zhuān)家組推薦該值取0.5 mg ·L-1)[16]. 由此開(kāi)關(guān)函數(shù)可知，主缺氧段的反硝化速率受該段DO和硝酸鹽氮濃度的影響.

　　在構(gòu)建污水生物處理過(guò)程控制系統(tǒng)時(shí)，控制參數(shù)的可實(shí)時(shí)、 穩(wěn)定、 準(zhǔn)確地檢測(cè)是至關(guān)重要的. 雖然主缺氧段硝酸鹽氮濃度可作為連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)[17,18]，但硝酸鹽在線測(cè)定儀維護(hù)較困難，且檢測(cè)精度有待提高. 而DO濃度是否可作為缺氧段反應(yīng)過(guò)程的控制參數(shù)至今沒(méi)有研究報(bào)道，且DO在線測(cè)定儀在低氧濃度條件下的靈敏度和準(zhǔn)確度較差. 因此，硝酸鹽在線測(cè)定儀和DO在線測(cè)定儀均不適合用作缺氧段反應(yīng)過(guò)程控制系統(tǒng)的檢測(cè)儀器. 而有研究結(jié)果表明，主缺氧段DO濃度和硝酸鹽氮濃度可用氧化還原電位(oxidation reduction potential，ORP)間接表征，該值與硝酸鹽濃度、 DO濃度之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系[19]. ORP在線檢測(cè)器具有在線檢測(cè)、 響應(yīng)快、 控制精度高、 便于接入計(jì)算機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，并已大量應(yīng)用，尤其在間歇式活性污泥工藝中獲得了最為廣泛地應(yīng)用[20-23]. 此外，從微生物生理生態(tài)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，ORP是表征污水生物處理過(guò)程氧化還原能力的變量，調(diào)節(jié)該值可控制細(xì)胞內(nèi)氧化還原物質(zhì)的含量進(jìn)而改變物質(zhì)的代謝途徑[24-27]，且作為生態(tài)因子，每種微生物均具有適宜的ORP范圍. 本研究考察了連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)在不同的主缺氧段ORP(ORPm)條件下運(yùn)行時(shí)的脫氮除磷性能，并基于物料平衡分析，揭示ORPm與氮磷轉(zhuǎn)化的關(guān)系，通過(guò)評(píng)價(jià)用該參數(shù)調(diào)控脫氮除磷系統(tǒng)性能的可行性，以期為優(yōu)化連續(xù)流單污泥污水脫氮除磷系統(tǒng)的運(yùn)行提供理論基礎(chǔ). 1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)系統(tǒng)安裝于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工藝流程及裝置見(jiàn)圖 1. 該系統(tǒng)由污水箱(L×B×H=70 cm×80 cm×50 cm)、 連續(xù)流單污泥脫氮除磷反應(yīng)器(L×B×H=75 cm×30 cm×45 cm)、 沉淀池(其中沉淀區(qū)：直徑Φ=40 cm，深度H=25 cm)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)4部分組成. 污水箱內(nèi)裝有攪拌器以保證污水水質(zhì)均勻，并裝有自動(dòng)調(diào)溫器以保持水溫恒定. 連續(xù)流單污泥脫氮除磷反應(yīng)器為雙廊道矩形反應(yīng)器，分為4個(gè)反應(yīng)段，分別為厭氧段(L×B×H=30 cm×15 cm×45 cm，anaerobic stage，ANS)、 預(yù)缺氧段(L×B×H=15 cm×15 cm×45 cm，pre-anoxic stage，PAnS)、 主要缺氧段(L×B×H=30 cm×15 cm×45 cm，main anoxic stage，MAnS)、 好氧段(L×B×H=75 cm×15 cm×45 cm，aerobic stage，AS). 厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段中均設(shè)有攪拌器，以保證污泥和污水充分接觸. 空氣由鼓風(fēng)機(jī)壓縮至安裝于好氧段的擴(kuò)散器，供氧的同時(shí)攪拌混合液使活性污泥處于懸浮狀態(tài). 沉淀池中設(shè)有低速旋轉(zhuǎn)的刮泥機(jī).

　　為了控制ORPm、 好氧段DO及pH值，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)有過(guò)程控制系統(tǒng). 該過(guò)程控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、 可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、 在線測(cè)定儀以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成，采用反饋控制結(jié)構(gòu)對(duì)運(yùn)行過(guò)程和環(huán)境進(jìn)行控制. 其中檢測(cè)器ORP在線測(cè)定儀安裝于主缺氧段，DO在線測(cè)定儀和pH在線測(cè)定儀安裝于好氧段.

　　1.模擬城市污水; 2.污水箱; 3.厭氧段; 4.預(yù)缺氧段; 5.主缺氧段; 6.好氧段; 7.沉淀池; 8.出水; 9.剩余污泥排放; 10.NaHCO3溶液貯池; 11.溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置; 12.蠕動(dòng)泵; 13.空氣擴(kuò)散器; 14. 電動(dòng)磁力攪拌器; 15.ORP在線測(cè)定儀; 16.電動(dòng)調(diào)節(jié)閥; 17.空氣壓縮機(jī); 18.DO在線測(cè)定儀; 19.pH在線測(cè)定儀; 20.計(jì)算機(jī); 21.可編程邏輯控制器; 22.混合液內(nèi)循環(huán); 23.硝化液內(nèi)循環(huán); 24.污泥回流圖

 1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程示意

　　1.2 試驗(yàn)污水與污泥

　　試驗(yàn)以模擬城市污水為考察對(duì)象，污染物質(zhì)成分與濃度參照長(zhǎng)春市政污水處理系統(tǒng)生化池進(jìn)水確定. 污水以全脂奶粉和啤酒廢水為有機(jī)碳源. 全脂奶粉和啤酒廢水是常見(jiàn)的人工配置污水的碳源[28-34]，二者混合后，所含有機(jī)物成分、 有機(jī)氮含量及其可生化性更接近于污水處理廠生化池進(jìn)水(經(jīng)水解酸化池預(yù)處理). 以氯化銨為氮源，以磷酸二氫鉀為磷源; 為中和硝化反應(yīng)釋放的酸度而投加碳酸氫鈉，其投加量由PLC控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控; 為滿足聚磷菌吸磷代謝過(guò)程中對(duì)鎂離子和鈣離子的需求而投加硫酸鎂和氯化鈣; 為滿足活性污泥微生物生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)需要，投加微量營(yíng)養(yǎng)元素液. 各藥劑投加濃度及污水水質(zhì)特性見(jiàn)表 1.

　　接種污泥取自長(zhǎng)春市北郊污水處理廠，該廠以改良厭氧/缺氧/好氧(anaerobic/anoxic/aerobic，A2/O)工藝為主體，于2006年建成投產(chǎn). 將接種污泥投加到連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)中，啟動(dòng)運(yùn)行. 20 d后，系統(tǒng)內(nèi)混合液懸浮固體濃度(mixed liquor suspended solids，MLSS)基本保持不變，系統(tǒng)脫氮除磷效果較好且穩(wěn)定，這說(shuō)明活性污泥已培馴成熟，可開(kāi)始取樣跟蹤測(cè)定，進(jìn)行試驗(yàn)研究.

　　表 1 試驗(yàn)?zāi)�擬城市污水試劑及水質(zhì)特性

　　1.3 試驗(yàn)方案

　　為了評(píng)價(jià)ORPm作為連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)的可行性，分別在不同的ORPm設(shè)定值條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究. 根據(jù)研究報(bào)道，缺氧段ORP與該段DO和硝酸鹽氮濃度密切相關(guān)，而DO和硝酸鹽均通過(guò)硝化液內(nèi)循環(huán)由好氧段回流至主缺氧段(硝化液內(nèi)循環(huán))，所以調(diào)節(jié)硝化液內(nèi)循環(huán)流量可控制ORPm. 試驗(yàn)期間，ORPm采用自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)控. 該控制系統(tǒng)采用反饋控制結(jié)構(gòu)，以硝化液內(nèi)循環(huán)流量作為被控變量，以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)為執(zhí)行器，控制過(guò)程如下：安裝于主缺氧段的ORP在線測(cè)定儀檢測(cè)ORPm值并將其傳輸至計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入PLC內(nèi); 在PLC內(nèi)將該值與ORPm設(shè)定值進(jìn)行比例、 積分、 微分計(jì)算控制，然后給出輸出值調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以改變硝化液內(nèi)循環(huán)流量，進(jìn)而控制ORPm. 根據(jù)自動(dòng)控制系統(tǒng)ORPm設(shè)定值的不同，試驗(yàn)共分為6個(gè)階段，每階段該值分別為-143、 -123、 -105、 -95、 -72和-57 mV. 試驗(yàn)每階段運(yùn)行2~3個(gè)污泥齡(solid retention time，SRT)，共進(jìn)行200 d. 試驗(yàn)期間，除改變ORPm設(shè)定值及硝化液內(nèi)循環(huán)流量以外，其他運(yùn)行參數(shù)保持不變. 進(jìn)水流量為10 L ·h-1，水力停留時(shí)間(hydraulic retention time，HRT)為9h; 混合液內(nèi)循環(huán)流量(混合液由預(yù)缺氧段回流至厭氧段)為10 L ·h-1，污泥回流量為5 L ·h-1; MLSS、 COD (chemical oxygen demand)污泥負(fù)荷、 總氮(total nitrogen，TN) 污泥負(fù)荷以及總磷(total phosphorus，TP)污泥負(fù)荷分別維持為1.76g ·L-1(厭氧段)、 0.253 kg ·(kg ·d)-1、 0.049 kg ·(kg ·d)-1和0.006 kg ·(kg ·d)-1. 采用水力學(xué)方法控制污泥齡為12 d. 當(dāng)氣溫較高時(shí)(夏秋季節(jié))，試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，水溫約為20~25℃; 當(dāng)氣溫較低時(shí)(冬春季節(jié))，則利用安裝于污水箱內(nèi)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置將其升高至(20±1)℃. 1.4 分析方法

　　試驗(yàn)期間每天檢測(cè)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo). 水樣從連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的不同反應(yīng)段收集，由離心機(jī)離心后取上清液測(cè)定. 檢測(cè)指標(biāo)包括：TN、 NH4+-N、 NO3--N、 TP、 COD、 五日生物化學(xué)需氧量(biochemical oxygen demand，BOD5)、 MLSS等. 上述指標(biāo)均采用國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè). 采用WTW-pH/OXi340便攜式在線測(cè)定儀檢測(cè)厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段DO濃度.

　　為了評(píng)價(jià)氮磷物質(zhì)去除性能，并揭示不同ORPm設(shè)定值條件下氮、 磷的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，分別以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用物料平衡原理，基于各段氮磷物質(zhì)濃度的測(cè)定值計(jì)算各段物質(zhì)轉(zhuǎn)化量. 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各反應(yīng)段內(nèi)物質(zhì)的積累量為0，因此各段的物質(zhì)反應(yīng)量可按如下公式計(jì)算.

　　厭氧段：

　　預(yù)缺氧段：

　　主缺氧段：

　　好氧段：

　　式中，MARe,ANS、 MARe,PAnS、 MARe,MAnS、 MARe,AS分別表示厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段物質(zhì)轉(zhuǎn)化量，mg ·h-1; Q表示反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)水流量，L ·h-1; r表示從預(yù)缺氧段向厭氧段回流的混合液循環(huán)比; s表示污泥回流比; a表示從好氧段向主缺氧段回流的硝化液循環(huán)比; MAin、 MAANS、 MAPAnS、 MAMAnS、 MAAS、 MAEFF分別表示進(jìn)水、 厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段、 好氧段以及出水物質(zhì)的濃度，mg ·L-1. 因水樣經(jīng)離心機(jī)離心后測(cè)定，好氧段出水水質(zhì)與沉淀池基本相同，所以將好氧段出水各水質(zhì)指標(biāo)濃度作為系統(tǒng)出水濃度，即MAEFF=MAAS. 2 結(jié)果與分析

　　試驗(yàn)期間，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)對(duì)COD和BOD5的去除率超過(guò)90%，且保持穩(wěn)定，與ORPm設(shè)定值的變化無(wú)關(guān)，即調(diào)控ORPm對(duì)有機(jī)污染物質(zhì)的降解過(guò)程影響較小，因此不進(jìn)行討論. 2.1 ORPm設(shè)定值與連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的脫氮性能

　　試驗(yàn)期間，不同ORPm設(shè)定值條件下，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)各段氨氮、 TN、 硝酸鹽氮的變化規(guī)律見(jiàn)圖 2~4. 從圖 2中可以看出，在不同ORPm設(shè)定值條件下，出水氨氮濃度穩(wěn)定在2.15 mg ·L-1左右，即ORPm對(duì)氨氮去除效果無(wú)影響. 從圖 3和4中可以看出，ORPm設(shè)定值對(duì)出水硝酸鹽氮和總氮濃度產(chǎn)生了明顯的影響. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時(shí)，出水硝酸鹽濃度分別為18.44、 17.07、 12.51、 11.17、 11.77和12.39 mg ·L-1，出水TN濃度分別為20.90、 19.54、 15.97、 13.70、 14.21和16.39 mg ·L-1，也就是說(shuō)，對(duì)反硝化性能和脫氮性能來(lái)說(shuō)，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)存在最佳的ORPm設(shè)定值.

　　誤差棒長(zhǎng)度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 2 試驗(yàn)期間NH4+-N變化規(guī)律

　　誤差棒長(zhǎng)度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 3 試驗(yàn)期間NO3--N變化規(guī)律

　　誤差棒長(zhǎng)度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 4 試驗(yàn)期間TN變化規(guī)律

　　2.2 ORPm設(shè)定值與連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的除磷性能

　　圖 5給出了試驗(yàn)期間各段TP濃度的變化規(guī)律. 從中可以看出，厭氧段TP濃度最高，從預(yù)缺氧段開(kāi)始下降，直至好氧段降至最低. 從中還可以看出，出水TP濃度隨ORPm設(shè)定值增加而改變. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時(shí)，出水TP濃度分別為3.14、 2.30、 0.64、 0.50、 0.65以及0.86 mg ·L-1，也就是說(shuō)，對(duì)除磷性能來(lái)說(shuō)，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)存在最佳的ORPm設(shè)定值.

　　誤差棒長(zhǎng)度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 5 試驗(yàn)期間TP變化規(guī)律

　　3 討論

　　3.1 ORPm設(shè)定值與硝化性能

　　從圖 2中還可看出，氨氮濃度降低主要發(fā)生在主缺氧段和好氧段. 由于硝化液內(nèi)循環(huán)對(duì)氨氮產(chǎn)生了明顯的稀釋、 混合作用，導(dǎo)致主缺氧段氨氮濃度大幅降低. 而氨氮的轉(zhuǎn)化則在好氧段內(nèi)通過(guò)自養(yǎng)菌的硝化反應(yīng)完成. 出水較低的氨氮濃度說(shuō)明在好氧段發(fā)生了明顯的硝化反應(yīng)，這說(shuō)明，在本試驗(yàn)條件下，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)具備了硝化細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖的生態(tài)條件：①進(jìn)水中的COD一部分被聚磷菌的釋磷反應(yīng)利用，另一部分被預(yù)缺氧段和主缺氧段的反硝化反應(yīng)利用，所以進(jìn)入好氧段的COD濃度較低. ②好氧段pH值由自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)控為7.0±0.5，硝化反應(yīng)所需堿度充足. 好氧段pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)與ORPm自動(dòng)控制系統(tǒng)相同，也采用反饋控制結(jié)構(gòu)，pH設(shè)定值為7.0，被控變量為NaHCO3投加量. ③好氧段DO濃度由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制為(2.0±0.5)mg ·L-1，硝化反應(yīng)所需電子受體充足. 好氧段DO自動(dòng)控制系統(tǒng)與OPRm、 pH值自動(dòng)控制系統(tǒng)相同，采用反饋控制結(jié)構(gòu)，DO設(shè)定值為2.0mg ·L-1，被控變量為空氣壓縮機(jī)的供氣量. 試驗(yàn)結(jié)果表明，ORPm設(shè)定值對(duì)好氧段的硝化性能基本無(wú)影響. 3.2 ORPm設(shè)定值與反硝化性能

　　為揭示系統(tǒng)中氮的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，對(duì)出水各形態(tài)氮的百分含量進(jìn)行了計(jì)算，并以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用公式(1)~(4)，

　　對(duì)TN進(jìn)行物料平衡計(jì)算，結(jié)果分別見(jiàn)圖 6和圖 7. 從圖 6中可以看出，出水中的氮主要以硝酸鹽氮為主，TN濃度變化由硝酸鹽氮引起. 從圖 7中可以看出，試驗(yàn)期間，TN在主缺氧段的去除量最大，且不同ORPm設(shè)定值條件下，該段TN去除量差別明顯，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時(shí)，達(dá)到最大值.

　　圖 6 出水中各種形態(tài)氮所占比例

　　圖 7 各反應(yīng)段 TN轉(zhuǎn)化量

　　根據(jù)生物脫氮基本原理，污水中氮的去除由3個(gè)反應(yīng)過(guò)程共同完成：氨化作用、 硝化作用、 反硝化作用，其中氨化作用和硝化作用改變了氮的存在形態(tài)，而反硝化作用則將氮從污水中去除，也就是說(shuō)，氮的去除主要在主缺氧段實(shí)現(xiàn)，因此主缺氧段硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化量將決定TN的去除量. 為進(jìn)一步闡明TN去除量與硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化的關(guān)系，分別以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用公式(1)~(4)，對(duì)硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表 2. 從中可以看出，主缺氧段硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化量隨著ORPm設(shè)定值的升高而變化. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時(shí)，該反應(yīng)量分別為214.40、 235.16、 241.16、 244.02、 240.90以及233.65 mg ·h-1，即當(dāng)ORPm設(shè)定值較低時(shí)，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化量隨著該值的升高而升高，當(dāng)ORPm設(shè)定值增加至一定值時(shí)(-95 mV)時(shí)，硝酸鹽氮反應(yīng)量達(dá)到峰值，其后，即使ORPm設(shè)定值再升高，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化量也保持穩(wěn)定，甚至稍有降低，這與TN的變化規(guī)律相似. 試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，對(duì)連 續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的反硝化性能來(lái)說(shuō)，主缺氧段存在最佳的ORPm設(shè)定值.

　　表 2 各反應(yīng)段硝酸鹽氮和總磷的反應(yīng)量

　　ORP 是表征污水處理系統(tǒng)環(huán)境條件的參數(shù). 從微觀角度來(lái)說(shuō)，活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)、 優(yōu)勢(shì)菌群的動(dòng)態(tài)變化與其生存環(huán)境的ORP密切相關(guān)，即活性污泥中特定的優(yōu)勢(shì)微生物有其適宜ORP 范圍[27]. 另有研究表明，調(diào)控ORP值可使微生物新陳代謝過(guò)程中的NADH/NAD+和NADPH/NADP+的含量發(fā)生改變，并激活某些關(guān)鍵酶，進(jìn)而改變物質(zhì)的代謝網(wǎng)絡(luò)，促使微生物沿著目標(biāo)代謝途徑完成同化反應(yīng)和異化反應(yīng)[27]. 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時(shí)，主缺氧段硝酸鹽氮和TN轉(zhuǎn)化量均達(dá)到峰值，說(shuō)明該ORPm設(shè)定值在反硝化細(xì)菌適宜ORP范圍內(nèi)，在此氧化還原條件下，硝酸鹽還原酶活性可得到最大程度地激活. 該值與Peng等的研究成果基本一致[19].

　　從宏觀角度來(lái)說(shuō)，主缺氧段ORPm設(shè)定值與該段DO濃度、 硝酸鹽濃度密切相關(guān)[19]. 試驗(yàn)期間主缺氧段DO濃度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖 8. 從中可以看出，主缺氧段DO濃度在0.08~0.09 mg ·L-1范圍內(nèi)，變化較小. 因此，ORPm設(shè)定值在一定程度上反映了硝酸鹽氮的水平，即硝酸鹽氮濃度越高，則ORPm也越高，這從圖 3中也可以看出. 王曉玲等[17]和Musvoto等[18]的研究表明，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)主缺氧段的反硝化作用受硝酸鹽氮濃度的影響. 為最大程度地利用主缺氧段的反硝化潛力，需保證該段含有充足的硝酸鹽氮，但硝酸鹽氮濃度不宜過(guò)低或?yàn)榱阋膊灰诉^(guò)高，即存在最佳的硝酸鹽氮濃度值，相應(yīng)地ORPm也將存在最佳值. 若該段硝酸鹽氮濃度控制在大于零的較低值范圍內(nèi)變化，即ORPm設(shè)定值在-140~-95 mV之間時(shí)，隨著ORPm設(shè)定值的升高，主缺氧段反硝化過(guò)程越來(lái)越充分，脫氮性能逐漸增強(qiáng); 但當(dāng)硝酸鹽氮濃度較高，即ORPm設(shè)定值大于-95 mV時(shí)，為達(dá)到該值所需的硝化液內(nèi)循環(huán)流量增大，則使：①進(jìn)入主缺氧段的DO量升高消耗更多的碳源(即使缺氧段DO濃度未發(fā)生變化); ②混合液在主缺氧段的實(shí)際水力停留時(shí)間縮短. 這終將導(dǎo)致反硝化作用不能充分實(shí)現(xiàn).

　　誤差棒長(zhǎng)度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 8 試驗(yàn)期間DO濃度變化規(guī)律

　　綜上分析可知，在連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)中，必將存在適宜的ORPm使系統(tǒng)具有最佳的脫氮性能. 在本試驗(yàn)條件下，該設(shè)定值為-95 mV. 3.3 ORPm設(shè)定值與釋磷過(guò)程

　　有研究結(jié)果表明，厭氧釋磷反應(yīng)是生物除磷的關(guān)鍵過(guò)程，除磷效果由其決定. 根據(jù)研究報(bào)道，硝酸鹽氮若進(jìn)入?yún)捬醵�，反硝化菌和聚磷菌則將競(jìng)爭(zhēng)污水中的有機(jī)碳源，且聚磷菌在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)[35]，這將直接導(dǎo)致被聚磷菌吸收、 貯存的有機(jī)碳源減少，使系統(tǒng)的除磷容量大大降低. 為了分析和評(píng)價(jià)不同ORPm設(shè)定值條件下連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的除磷性能，基于物料平衡原理，分別以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段、 以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用公式(1)~(4)，對(duì)TP的轉(zhuǎn)化量進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表 2. 活性污泥中的磷以兩種狀態(tài)存在：一種為細(xì)胞物質(zhì)組成成分，另一種為聚磷菌體內(nèi)貯存的聚磷. 根據(jù)活性污泥微生物細(xì)胞物質(zhì)經(jīng)驗(yàn)分子式，在細(xì)胞物質(zhì)中，磷(不包括聚磷)的含量約為1.5%~2.0%[36]，因此在物料平衡分析過(guò)程中忽略用于合成細(xì)胞物質(zhì)的磷量.

　　從表 2中可以看出，當(dāng)ORPm設(shè)定值分別為-143 mV和-123 mV時(shí)，因系統(tǒng)出水硝酸鹽氮濃度較高，所以隨污泥回流至預(yù)缺氧段的硝酸鹽氮較多，以致超過(guò)了該段的反硝化潛力，使得該段出水中含有硝酸鹽氮，并隨混合液回流至厭氧段，最終對(duì)該段的釋磷量(該量分別為214.12 mg ·h-1和228.64 mg ·h-1)產(chǎn)生明顯影響. 當(dāng)ORPm設(shè)定值分別為-105、 -95、 -72和-57 mV時(shí)，出水硝酸鹽氮濃度較低，進(jìn)入預(yù)缺氧段的硝酸鹽氮量低于該段的反硝化潛力，所以該段出水硝酸鹽氮濃度為0，對(duì)厭氧段的釋磷過(guò)程不產(chǎn)生影響，釋磷量有所提高，分別為-259.26、 -264.54、 -256.92和-252.84 mg ·h-1. 試驗(yàn)和物料平衡計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，ORPm設(shè)定值對(duì)厭氧釋磷過(guò)程也產(chǎn)生了一定的影響，但該影響是間接產(chǎn)生的. 3.4 ORPm設(shè)定值與缺氧吸磷性能

　　從表 2中還可以看出，總吸磷量的變化規(guī)律與釋磷量相同. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時(shí)，總吸磷量分別為252.15、 275.85、 332.25、 338.10、 336.15以及324.30 mg ·h-1. 試驗(yàn)結(jié)果和物料平衡分析表明，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時(shí)，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)可獲得最佳的除磷性能.

　　不同ORPm設(shè)定值條件下好氧吸磷量、 缺氧吸磷量的物料平衡計(jì)算結(jié)果也在表 2中表示. 從中可以看出，缺氧吸磷量隨著ORPm設(shè)定值的變化而改變. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時(shí)，缺氧吸磷量分別為30.27、 62.14、 124.58、 154.41、 150.41以及138.30 mg ·h-1. 分析試驗(yàn)結(jié)果可知，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)中，大部分COD在厭氧段被聚磷菌轉(zhuǎn)化成聚β羥基丁酸貯存[37]，再加上預(yù)缺氧段活性污泥中的反硝化菌也利用COD進(jìn)行硝酸鹽呼吸，所以進(jìn)入主缺氧段的COD量較低，因此該段反硝化過(guò)程的主要供氫體是聚β羥基丁酸，即反硝化聚磷菌的反硝化作用占有優(yōu)勢(shì)，在還原硝酸鹽氮的同時(shí)，大量的磷也被吸收. 從表 2中可以看出，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時(shí)，硝酸鹽反應(yīng)量達(dá)到最高值244.02 mg ·h-1，該段的吸磷量也達(dá)到最大值154.41 mg ·h-1，系統(tǒng)的反硝化吸磷性能達(dá)到最佳.

　　綜上，在ORPm設(shè)定值為-95 mV的缺氧環(huán)境條件下，反硝化菌以聚β羥基丁酸為碳源進(jìn)行硝酸鹽呼吸的活性最高.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結(jié)論

　　(1) ORPm對(duì)氨氮去除沒(méi)有影響，而對(duì)出水硝酸鹽和TN濃度的影響較大，在ORPm設(shè)定值為-95 mV時(shí)，氨氮、 TN、 TP的去除效果均最佳.

　　(2)主缺氧段ORPm設(shè)定值對(duì)該段TN去除量和硝酸鹽反應(yīng)量影響較大，在ORPm設(shè)定值為-95 mV時(shí)，兩者均達(dá)到最大值.

　　(3)在ORPm設(shè)定值控制為-95 mV的缺氧環(huán)境狀態(tài)下，反硝化菌具有最佳的吸磷性能，該菌以聚β羥基丁酸為碳源進(jìn)行新陳代謝反應(yīng).

　　(4) ORPm設(shè)定值可作為連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的控制參數(shù)，并可以其為控制變量建立缺氧段反應(yīng)過(guò)程控制系統(tǒng).(來(lái)源及作者：吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王曉玲、宋鐵紅、吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 殷寶勇、李靜文、李紫棋 、余勇)