羅固源，羅寧，吉芳英，許曉毅?
(重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶 400045)

　　摘　要：在對生物脫氮與除磷機理進行深入研究后發現，生物脫氮與除磷是兩個相對獨立而又相互交叉的生理過程，其交叉點是部分聚磷菌在缺氧狀態下的反硝化吸磷脫氮。在此基礎上提出的新型雙泥生物反硝化除磷脫氮工藝(由兩個不同功能的SBR反應器組成)成功地解決了硝化菌與聚磷菌的泥齡之爭、反硝化與聚磷菌厭氧釋磷的矛盾等難題。該工藝運行穩定且處理效果良好，特別適合于處理BOD₅/TP值低的污水。
　　關鍵詞：除磷脫氮；雙泥；聚磷菌
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　單泥生物脫氮除磷工藝中聚磷菌、反硝化菌、硝化菌等共存于同一活性污泥系統，必然存在硝化菌與聚磷菌的不同泥齡之爭，使除磷和硝化相互干擾；同時因為硝化菌是自養型專性好氧微生物，反硝化菌和聚磷菌是異養型兼性菌，系統的厭氧/缺氧/好氧交替的運行工況雖有利于反硝化和除磷，但是對硝化菌而言卻不是理想的環境。
　　新型雙泥生物反硝化除磷工藝由兩個反應器組成：A²/O-SBR反應器的主要功能是去除COD和反硝化除磷脫氮，N-SBR反應器主要起硝化作用。這兩個反應器的活性污泥是完全分開的，只將各自沉淀后的上清液相互交換。整個工藝流程如圖1所示。

1 試驗方法與水質

　　A²/O-SBR反應器的操作步驟：
　　①加入污水厭氧攪拌1～1.5h；②靜置沉淀，將上清液排入N-SBR反應器；③加入來自N-SBR反應器經靜置沉淀后的上清液，缺氧攪拌1～2h；④好氧曝氣3～5h；⑤靜置沉淀后先排水，再排剩余污泥。
　　N-SBR反應器的操作步驟：
　　①加入A²/O-SBR反應器經靜置沉淀后的上清液，好氧曝氣6～8h；②靜置沉淀后將上清液排入A²/O-SBR反應器。
1.1 污水水質
　　 人工合成污水的配方和水質分別見表1、2。 表1 人工合成污水配方 組成 淀粉 葡萄糖 奶粉 尿素 磷酸二氫鉀 氯化銨 Na₂CO₃ 含量(mg/L) 70 170 160 50 30 110 少許

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

1.2 分析項目及方法
　　分析項目及方法見表3。
　　試驗中兩個反應器的有效容積均為30L，取城市污水處理廠的活性污泥投入兩個反應器內，用人工合成的污水進行連續馴化50 d左右，待脫氮除磷效果穩定后開始試驗。 表3 分析項目及方法 項 目 測定方法 DO? 溶解氧測定儀 COD? 重鉻酸鉀標準法 PO₄^3- 磷鉬酸銨比色法 NO₃-N 戴氏合金還原—納氏比色法 NO₂-N N-1-萘基乙二胺比色法 NH₃-N 納氏試劑比色法 MLSS 稱重法

2 結果與分析

　　將A²/O-SBR反應器的泥齡控制在15d(N-SBR反應器不排泥)。
2.1 A²/O-SBR 反應器
　　A²/O-SBR反應器在運行周期內的水質變化如圖2、3所示。

　　從圖2、3可以看出：
　　① 厭氧段
　　在厭氧段開始時加入了19.5L人工合成污水，整個厭氧段水中的NH₄⁺濃度幾乎保持不變。上個周期好氧段結束后殘留于活性污泥中的少量NO₃-在厭氧段初期很快被反硝化完畢，由于進水中無NO₃-故不存在降解NO₃-的問題。伴隨著水中COD的去除，反應器中出現厭氧釋磷現象，釋磷速率與水中COD去除率相對應。
　　厭氧段快速吸收有機物有三大特點：
　　a.由于進水中的有機物大部分在厭氧條件下被去除，這為聚磷菌提供了呈梯度的高濃度有機物(F/M值)，使有機物最大可能地被用于厭氧釋磷和后續缺氧段的反硝化吸磷脫氮，提高了有機物在生物脫氮吸磷中的利用率，避免了在好氧段被其他非脫氮除磷好氧菌利用。
　　b.由于部分COD直接以厭氧產物或經缺氧呼吸的形式被去除，降低了后續好氧段需氧化的有機物量，使得該工藝比傳統活性污泥法大大節省了供氧量。
　　c.由于進水中的有機物大部分在厭氧條件下被去除且無NH₄⁺的消耗，為平行運行的N-SBR反應器提供了富含磷且低COD/TKN值的進水，為保證N-SBR高效的硝化反應奠定了基礎。
　　② 靜置內換水段
　　除了厭氧初期少量的反硝化，厭氧段的主流是快速去除有機物和厭氧釋磷，因此活性污泥的SVI為80～90L/g，沉降性能好(上清液略顯渾濁)。由于活性污泥厭氧吸附和降解了進水中85%以上的COD，故沉淀上清液中的COD濃度較低(50～70mg/L)且多為溶解性難降解有機物和懸浮的細小微生物絮體。如果將上清液靜置沉淀1h以上并去除水中懸浮的細小微生物絮體后，其COD＜40 mg/L。由于厭氧段不消耗進水中的TKN，水中的COD/TKN值由進水的8.2～8.5變為上清液的0.8～1。
　　將此富含磷且COD/TKN值低的上清液全部轉到N-SBR反應器中進行硝化。
　　③ 缺氧段?
　　在缺氧段初期的3～5min內，污水中的NO₃-急劇下降60%，隨后進入緩慢的下降過程。伴隨著NO₃-的下降，反應器中出現缺氧吸磷現象，但與NO₃-的去除速率相比，呈現出快速反硝化而相對慢速吸磷的現象。在缺氧段結束時，水中的TP由缺氧段開始時的25mg/L左右降到8mg/L。
　　污水中殘留的NH₄⁺以及低濃度的COD幾乎沒有變化，這表明：缺氧狀況下無NH₄⁺消耗；污水中的COD只是殘留的溶解性難生物降解有機物，在缺氧狀態下很難被細菌降解。
　　圖2、3表明缺氧段的反硝化過程含兩個階段：
　　a.初期(快速反硝化吸磷脫氮)
　　反硝化聚磷菌經過厭氧段充分有效地釋磷并吸收快速降解有機物合成大量的PHB后進入缺氧段，由于初期反硝化速率很快，可見大量的氣泡迅速逸出。SV值的變化曲線也相應表明，在缺氧初期快速反硝化導致SV值有輕微波動。?
　　b.中、后期(慢速反硝化脫氮)
　　反硝化菌利用吸附在菌膠團上的有機物作碳源慢速反硝化殘留的NO₃-。試驗中發現，在缺氧段后期(45或50min后)可見許多細小的氣泡產生并附在菌膠團內，導致活性污泥上浮(SV=100%)。
　　④ 好氧段
　　進入好氧段后反應器出現好氧吸磷現象(1.5h后水中的TP＜0.5mg/L)。COD值在4h的好氧期間緩慢地小幅度降解，表明此時水中的COD基本為少量的溶解性難生物降解有機物。
　　水中殘留的NH₄⁺在1h內迅速被硝化，與之相應的中間產物NO₂-濃度迅速升高到2mg/L左右，并在1h后達到最高點，隨即迅速下降，1.5h后達穩定狀態。
　　好氧段結束時水中COD為14mg/L,TP＜0.5mg/L,NH₃-N為零，NO₃-N＜10mg/L，出水指標達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)的一級標準。
2.2 N-SBR 反應器
　　其運行周期內的水質變化如圖4、5所示。
　　在N-SBR中進行好氧硝化，試驗期間基本不排泥。水中低濃度COD經7h的好氧硝化去除不多，表明從A²/O-SBR的厭氧段轉入的　上清液中所含COD主要是難降解的溶解性有機物。
　　水中的NH₄⁺迅速被硝化，與之相應的NO₂-濃度迅速升高，1h后達到最高點(1.4mg/L左右)，隨即迅速下降，1.5h后達穩定狀態。
　　由于N-SBR反應器一直處于好氧硝化狀態，水中COD濃度很低又不排泥，這都不利于聚磷菌的生長。雖然水中的TP濃度較高(26mg/L)，但在整個硝化段TP基本保持不變，不存在吸磷現象。
　　從圖4可以看到N-SBR是很好的生物硝化系統，其良好的性能得益于4方面：①完全好氧，無厭氧或缺氧段；②進水COD/?TKN值特別低(0.8～1)；③超長泥齡(不排泥)；④超低的污泥負荷［F/M=0.041kgBOD₅/(kgMLVSS·d)］。

　　活性污泥中硝化細菌所占的比例與BOD₅/TKN值有關，而在N-SBR的活性污泥中硝化菌的比例為0.21～0.35，大大高于常規活性污泥系統中的比例(5%，其進水COD/TKN=10～15)。?
　　由于BOD₅/TKN值低和泥齡超長(不排泥)導致N-SBR的污泥濃度(2800mg/L)和污泥負荷很低。水中的含碳有機物少且主要是難生物降解的溶解性有機物，有機物的氧化速率和耗氧速率較低，同時肉眼可見活性污泥絮體呈針狀且細小。在這種情況下，即使水中DO濃度較低(1mg/L)也可保證DO對生物絮體的穿透能力，使整個生物絮體保持好氧狀態，從而維持較高的硝化反應速率。DO利用率的提高減少了曝氣量，避免了DO和COD的無謂浪費。

3 結論

　　新型雙泥生物反硝化除磷脫氮工藝與常規單泥生物脫氮除磷工藝相比，其硝化段、反硝化脫 氮吸磷段和好氧吸磷段都處于較理想的反應條件下，顯示出非常穩定的硝化和脫氮除磷效果。其主要優點為：
　　① 采用雙泥系統(聚磷菌、反硝化菌共存于一個活性污泥系統中，硝化菌為另一個污泥系統)可分別控制硝化菌和異養菌(聚磷菌和反硝化菌)的泥齡，解決了異養菌與硝化菌的不同泥齡之爭，有利于反硝化脫氮除磷與硝化的各自優化；
　　② 異養型兼性菌在理想的厭氧、缺氧、好氧交替的環境下進行反硝化和除磷，同時自養型專性好氧硝化菌可始終在曝氣環境中進行好氧硝化；
　　③ 兩個反應器的沉淀上清液相互交換，保證了原水中85%～90%的COD在A²/O-SBR的厭氧段被活性污泥快速吸附或降解并用于該段厭氧釋磷和缺氧反硝化，提高了有機物的被利用率；同時提高了缺氧段初期NO₃-的濃度，有利于反硝化。
　　④ 兩個反應器的沉淀上清液相互交換，使進入N-SBR的COD濃度較低且多為溶解性難降解有機物，其BOD₅/TKN值約為0.8～1。此上清液不利于N-SBR中異養型微生物的生長，但有利于提高硝化菌的比例，強化硝化作用，提高DO的利用率。
　　⑤ 在缺氧狀況下，聚磷菌可在快速反硝化脫氮的同時吸磷，提高了易降解有機物的利用率，改善了脫氮除磷效果。

參考文獻：

　　 ［1］鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998.
　　 ［2］周岳溪，錢易，顧夏聲.廢水生物除磷機理研究［J］.環境科學學報，1993，13(2)：193-198.
　　 ［3］姜安璽.厭氧—好氧活性污泥法除磷機理及動力學探討［J］.哈爾濱建筑大學學報，1997，30(3)：64-70.
　　 ［4］劉瑾.生物除磷機理的研究［J］.同濟大學學報，1995，23(4)：387-392.

　　作者簡介：羅固源(1944-)，男，重慶人，重慶大學博士生導師、教授，主要研究方向為污水生物處理。
　　電話：(023)68706036(H) 65120769(O)
　　E-mail: Ling1835@sina.com
　　收稿日期：2002-03-08