呂冬梅，彭永臻，趙偉華，王淑瑩，曾 薇 （北京工業(yè)大學(xué)北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京 100124）

A2O-BAF工藝反硝化聚磷效果的影響因素

呂冬梅，彭永臻*，趙偉華，王淑瑩，曾 薇 （北京工業(yè)大學(xué)北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術(shù)研究中心，北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點實驗室，北京 100124）

為了提高系統(tǒng)的反硝化除磷脫氮效率，采用靜態(tài)試驗考察了厭氧反應(yīng)時間和厭氧段COD對A2O-BAF工藝反硝化聚磷效果的影響，同時對缺氧階段反硝化聚磷量與脫氮量之間的關(guān)系進(jìn)行了探討.試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在試驗范圍內(nèi)，隨著厭氧反應(yīng)時間和厭氧段 COD的增加，厭氧釋磷量均增加，反硝化聚磷量，凈聚磷量和硝氮去除量亦都隨之增加，但是反硝化聚磷量與釋磷量的比值基本維持不變.在2組8個不同的試驗條件下，缺氧段反硝化聚磷量和脫氮量之間均呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，系數(shù)為1.007～1.053，R2為0.992～0.997，反映了A2O-BAF系統(tǒng)中污泥的固有特性.

厭氧反應(yīng)時間；COD；反硝化聚磷；線性關(guān)系

傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝存在聚磷菌，硝化菌的泥齡矛盾以及反硝化菌，聚磷菌在碳源需求上的競爭，對于我國低C/N比城市污水來說，很難達(dá)到氮，磷的同步深度去除［1-6］.雙污泥反硝化除磷工藝，耦合雙污泥理論及反硝化除磷技術(shù)，創(chuàng)造聚磷菌和硝化菌各自最佳的生長環(huán)境，利用聚磷菌厭氧段儲存體內(nèi)的內(nèi)碳源聚-β-羥丁酸（PHB），以硝態(tài)氮為電子受體，在缺氧環(huán)境下過量吸收水中的磷酸鹽，同時反硝化，達(dá)到氮，磷污染物的同步去除，實現(xiàn)“一碳兩用”［7-8］.它不僅解決了傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝存在的矛盾和問題，而且節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用及提高了脫氮除磷效率，與傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝相比，反硝化除磷不僅可以減少約50%碳源消耗量，30%氧氣消耗量，剩余污泥量也可降低約 50%［9-11］，是一種比較適合處理我國低C/N比城市污水的高效節(jié)能工藝，具有很大的潛在工程應(yīng)用價值和發(fā)展前景.

A2O-BAF工藝作為最新研發(fā)出來的雙污泥反硝化除磷工藝，將聚磷菌和硝化細(xì)菌完全獨(dú)立開，聚磷菌在A2O內(nèi)完成厭氧釋磷，缺氧吸磷和好氧吸磷，硝化細(xì)菌在BAF中以生物膜的形態(tài)附著于活性生物填料上，完成硝化作用，給A2O中缺氧吸磷提供電子受體硝態(tài)氮，A2O通過維持較短污泥齡將硝化菌從中淘洗出去有利于促進(jìn)除磷和反硝化.相比傳統(tǒng)的雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)，A2O-BAF工藝具有以下優(yōu)勢：（1）BAF中填料處于流化狀態(tài)，生物膜不易發(fā)生堵塞，且無需反沖洗；（2）A2O中污泥厭氧釋磷后，直接進(jìn)入缺氧區(qū)，以回流的硝態(tài)氮為電子受體進(jìn)行缺氧吸磷，不存在超越污泥，氨氮去除率高；（3）A2O中好氧區(qū)不發(fā)生硝化作用從而二沉池回流污泥中不含有硝態(tài)氮，保證了厭氧區(qū)絕對的厭氧環(huán)境，有利于聚磷菌充分釋磷和合成 PHA；（4）系統(tǒng)是活性污泥和生物膜的組合工藝，管理方便，運(yùn)行穩(wěn)定，TN去除率高.所以，合理控制工藝參數(shù)，研究脫氮除磷的相互關(guān)系，在節(jié)能降耗的基礎(chǔ)上，對提高系統(tǒng)的脫氮除磷效率，最大限度的發(fā)揮 A2O-BAF工藝自身的優(yōu)勢具有重大現(xiàn)實意義.

反硝化聚磷菌通過厭氧釋磷將 PHB儲存體內(nèi)，在缺氧段才能實現(xiàn)過量吸磷及反硝化，已有研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，厭氧釋磷量越充分，反硝化聚磷效果越好［12-13］.厭氧反應(yīng)時間和厭氧段COD是影響厭氧釋磷量的2個關(guān)鍵因素，同時影響污水處理廠的基建與運(yùn)行費(fèi)用.本試驗以 A2O-BAF系統(tǒng)的反硝化聚磷污泥為研究對象，通過控制不同厭氧反應(yīng)時間和厭氧段COD，考察厭氧段反應(yīng)時間和COD的變化對厭氧釋磷量及反硝化除磷脫氮效果的影響，以期為 A2O-BAF雙污泥反硝化除磷工藝在污水處理廠處理低C/N比城市污水的推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考.

1　材料與方法

1.1反硝化聚磷污泥

試驗用反硝化聚磷污泥取自實驗室連續(xù)運(yùn)行的 A2O-BAF反硝化除磷脫氮工藝，該工藝采用活性污泥法和生物膜法相結(jié)合的雙污泥運(yùn)行模式（圖1）.系統(tǒng)以實際生活污水為處理對象連續(xù)運(yùn)行12個月以上，穩(wěn)定運(yùn)行期間控制厭氧/缺氧/好氧容積比為2：6：1，硝化液回流比為300%，污泥回流比為 100%，反硝化聚磷效果很穩(wěn)定.A2OBAF系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行期間，所進(jìn)生活污水水質(zhì)如表1所示.

圖1　A2O-BAF工藝流程Fig.1 Schematic diagram of A2O-BAF process

表1　實際生活污水水質(zhì)Table 1 Characteristics of actual domestic wastewater

1.2試驗方法

根據(jù)不同的試驗研究目的，從連續(xù)流系統(tǒng)的二沉池中取出少量活性污泥后，曝氣 20min，用超純水反復(fù)清洗5遍后，平均置于多個有效容積為1L的小試裝置中（圖 2），再分別加入等體積的生活污水，分別控制不同的厭氧反應(yīng)時間及厭氧段COD（表 2，表 3）在磁力攪拌器上開始厭氧攪拌，厭氧結(jié)束后，取水樣檢測其中的濃度，此過程采用WTW在線監(jiān)測儀在線監(jiān)測pH值，恒溫培養(yǎng)箱來維持溫度適宜且穩(wěn)定.

圖2　小試裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

1.2.1厭氧反應(yīng)時間影響 通過投加乙酸鈉，控制各反應(yīng)器的初始厭氧段COD為200mg/L左右，控制不同的厭氧反應(yīng)時間，厭氧反應(yīng)結(jié)束后，撇去上清液，分別再用超純水反復(fù)清洗5遍污泥，排除外碳源等對反硝化聚磷的影響.然后分別加入等體積的只含少量硝態(tài)氮的圖 1工藝流程的出水，模擬A2O -BAF系統(tǒng)的回流硝化液，同時一次性投加硝酸鉀及磷酸二氫鉀，進(jìn)行缺氧反硝化聚磷試驗.缺氧反應(yīng)3h過程中每間隔一段時間取水樣進(jìn)行檢測，考察水樣中和的去除規(guī)律.試驗期間各反應(yīng)器控制參數(shù)見表2.

表2　厭氧反應(yīng)時間試驗控制參數(shù)Table 2 The controlling parameters of anaerobic reaction time experiment

1.2.2厭氧段 COD的影響 通過投加不等量的乙酸鈉，控制不同的初始厭氧段COD，厭氧反應(yīng) 2h結(jié)束后，撇去上清液，分別再用超純水反復(fù)清洗5遍污泥，排除外碳源等對反硝化聚磷的影響，然后分別加入等體積的只含少量硝態(tài)氮的圖1工藝流程的出水，模擬A2O-BAF系統(tǒng)的回流硝化液，同時一次性投加硝酸鉀及磷酸二氫鉀，進(jìn)行缺氧反硝化聚磷試驗，缺氧反應(yīng)3h過程中每間隔一段時間取水樣進(jìn)行檢測，考察水樣中和的去除規(guī)律，并與厭氧反應(yīng)時間影響試驗的結(jié)果進(jìn)行對比分析.試驗期間具體設(shè)計參數(shù)見表3.

表3　厭氧段COD試驗控制參數(shù)Table 3 The controlling parameters of anaerobic COD concentration experiment

1.3檢測方法

2　結(jié)果與討論

2.1厭氧反應(yīng)時間對反硝化聚磷效果的影響

同時，對缺氧吸磷過程作出幾點合理假設(shè)：（1）缺氧吸磷過程不受氨氮，堿度和硝態(tài)氮的限制，且反應(yīng)器中的磷濃度遠(yuǎn)高于飽和濃度（ASM2d中 KP=0.2mg/L）；（2）缺氧吸磷過程不受胞內(nèi)聚磷濃度限制；（3）缺氧吸磷過程受污泥中 PHA含量限制.實際上，在試驗過程中，反應(yīng)器內(nèi)的氨氮，硝態(tài)氮和磷濃度都比較高，取自同一系統(tǒng)污泥，胞內(nèi)聚磷聚磷濃度相同，且缺氧條件下檢測到反應(yīng)器中DO幾乎為零，這些因素并不會成為缺氧吸磷的制約因素.所以，以上3點假設(shè)均能成立，可將公式（1）簡化為：

圖3　厭氧反應(yīng)時間對脫氮與聚磷的影響Fig.3 Effect of anaerobic reaction time on nitrate nitrogen removal and phosphorus uptake

根據(jù)Wachtmeisster等［15］和 Meinhold等［16］的方法估算缺氧活性降低的修正因子，認(rèn)為可將從微生物組成角度理解為具有反硝化能力的聚磷菌占所有聚磷菌的比值，因為試驗所用污泥均取自同一時期同一系統(tǒng)的污泥，可判定基本維持不變.由厭氧結(jié)束所得出的釋磷量以及PHA貯存量，可得出qpp/KPHA隨著厭氧反應(yīng)時間的增加，呈現(xiàn)上升趨勢，由此結(jié)合公式（2）可以得出，缺氧吸磷速率與PHA含量呈正相關(guān)性，即隨著厭氧反應(yīng)時間的增加，缺氧吸磷速率增加，與試驗所得結(jié)論相符.

表4　不同厭氧反應(yīng)時間下厭氧釋磷及反硝化聚磷脫氮效果Table 4 The efficiency of anaerobic phosphorus release and denitrifying phosphorus and nitrate nitrogen removal under different anaerobic reaction time conditions

上述結(jié)論可知，厭氧釋磷量隨著厭氧反應(yīng)時間的增加而增加，有研究發(fā)現(xiàn)，厭氧釋磷量和微生物體內(nèi)儲存 PHB量之間具有良好的線性關(guān)系［20-21］，在有效釋磷的前提下，厭氧釋磷量的多少一定程度上可以反映胞內(nèi) PHB儲存量的多少［22-26］.缺氧階段，反硝化聚磷菌氧化分解體內(nèi)儲存的PHB用于過量吸收水中的磷酸鹽，如果只考慮 PHB，那么厭氧釋磷量和缺氧反硝化聚磷量通過PHB可以建立一定關(guān)系.由圖5知，4種情況下反硝化聚磷量與釋磷量的比值（P聚/P釋）變化規(guī)律基本一致，并不隨厭氧反應(yīng)時間的改變而變化.分析原因認(rèn)為，厭氧反應(yīng)時間越長，釋磷量越多，那么反硝化聚磷量也越多， P聚/P釋大體上反映了反硝化聚磷菌（DPAOS）在厭氧段釋磷儲存的PHB用于缺氧段反硝化聚磷的效率.由于 P聚/P 釋-1=P凈/P釋，如果P聚/P釋與1差距越小，那么單位釋磷量的凈聚磷量也越小，本試驗中 P聚/P釋約為 1.05，說明系統(tǒng)反硝化聚磷能力不高.可以采用以下方法來加大P聚/P釋的比值，增加系統(tǒng)反硝化聚磷能力：（1）延長厭氧反應(yīng)時間.從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，厭氧反應(yīng)時間同時影響反硝化聚磷和脫氮效果，保證雙污泥系統(tǒng)中足夠的厭氧反應(yīng)時間，使厭氧階段充分釋磷，對缺氧段氮，磷去除效果的提高有非常大的作用.但厭氧反應(yīng)時間也不宜過長，避免無效釋磷現(xiàn)象的發(fā)生，同時水力停留時間如果過長，會增加污水處理廠的基建費(fèi)用；（2）適當(dāng)改變?nèi)毖醵蔚腍RT和逐步增加硝化液回流比，來進(jìn)一步馴化和富集反硝化聚磷菌，提高DPAOS本身的反硝化聚磷能力［27-28］；（3）在孫培德［29］的全耦合活性污泥模型中，充分考慮了各類微生物種群之間的相互作用關(guān)系，將聚磷菌劃分為反硝化聚磷菌和非反硝化聚磷菌，非反硝化聚磷菌在缺氧段會發(fā)生再度釋磷現(xiàn)象，影響磷的去除率，因此，可以通過富集反硝化聚磷菌，使其成為優(yōu)勢菌，再根據(jù)Mino厭氧生化模型［30］，強(qiáng)化在厭氧段PHB的儲存，增加系統(tǒng)反硝化聚磷能力.

圖4　脫氮量與聚磷量的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship of nitrate nitrogen removal amount and phosphorus uptake amount

圖5　不同厭氧反應(yīng)時間下聚磷量與釋磷量比Fig.5 Ratio of phosphorus uptake amount and release amount under different anaerobic reaction time conditions

2.2厭氧段COD對反硝化聚磷效果的影響

圖6　厭氧段COD對脫氮與聚磷的影響Fig.6 Effect of anaerobic COD concentration on nitrate nitrogen removal and phosphorus uptake

由圖 6a，表5知，在厭氧段COD分別為50（1#），100（2#），150（3#），200（4#）mg/L的條件下，隨著厭氧段COD的增加的去除量增加，分別為9.12，14.89，22.40，25.43mg/L.的去除率隨著厭氧段 COD的增加而升高，通過計算分別為20.72%，33.84%，50.97%，57.81%.在Monod［31］采用純菌所做的微生物試驗中，發(fā)現(xiàn)微生物增長速率與底物降解之間的關(guān)系，并提出方程式，下式即為Monod方程式：

式中：μ為微生物比增長速率（時間-1）；μMax為微生物最大比增長速率（時間-1）；KS為飽和常數(shù)，也稱半速度常數(shù)（質(zhì)量/容積）；S為底物濃度（質(zhì)量/容積）.從公式（3）中可以發(fā)現(xiàn)，微生物的增長速率與底物濃度具有密切關(guān)系，由此可以推論，在一定底物濃度范圍內(nèi)，微生物的增長速率和底物濃度具有正比例關(guān)系，即反應(yīng)速率和底物濃度呈現(xiàn)正比例關(guān)系，這與試驗結(jié)論相符，在一定COD范圍內(nèi)，隨著COD的增加，污染物去除速率增加.從圖6b，表5可知，隨著厭氧段COD的增加，厭氧釋磷量增加，分別為 8.67，14.65，21.71，24.37mg/L，反硝化聚磷量和凈聚磷量（凈聚磷量=聚磷量-釋磷量）隨之增加，反硝化聚磷量與釋磷量的比值（P聚/P釋）卻基本保持不變，約為 1.05.厭氧反應(yīng)時間和厭氧段 COD的改變對系統(tǒng)氮，磷去除規(guī)律的影響大致相同，分析認(rèn)為，兩者都是通過影響厭氧段磷釋放量的多少，決定體內(nèi)儲存 PHB的多少，從而影響缺氧段反硝化聚磷脫氮效果.兩者都是影響厭氧釋磷量的關(guān)鍵因素，且影響作用相同，合理控制厭氧反應(yīng)時間和厭氧段COD對提高系統(tǒng)的脫氮除磷效率有較大的意義.在厭氧段 COD的影響試驗中，對比圖 6a，6b發(fā)現(xiàn)，4種不同厭氧段COD條件下，缺氧段NO3--N的消耗量與PO43--P的去除量之間也呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系：y=（1.014±0.014）x，R2＞0.99.

表5　不同厭氧段COD下厭氧釋磷及反硝化聚磷脫氮效果Table 5 The efficiency of anaerobic phosphorus release and denitrifying phosphorus and nitrate nitrogen removal under different COD concentrations in anaerobic conditions

通過控制不同厭氧反應(yīng)時間和厭氧段 COD都得出了良好的線性關(guān)系式，且線性系數(shù)變化不大，分析原因認(rèn)為， （1） 2組試驗所用反硝化聚磷污泥取自同一系統(tǒng)，反硝化聚磷菌的馴化和富集方法相同，導(dǎo)致了污泥本身對氮，磷的去除能力相同；（2）試驗期間，控制的溫度，pH值等外界條件基本一致，且都在厭氧結(jié)束后通過洗泥來排除外碳源的存在對缺氧段反硝化聚磷脫氮產(chǎn)生抑制作用；（3）都是通過影響厭氧釋磷量的多少，決定體內(nèi) PHB的儲存量，因為所用污泥相同，認(rèn)為反硝化聚磷菌在缺氧段用于自身的新陳代謝和各個生化反應(yīng)所消耗的 PHB量基本相同，所以，的消耗量和的吸收量之間線性關(guān)系式的線性系數(shù)變化不大，這與試驗所得出的結(jié)論相符，2組試驗得出的相似結(jié)論，更有力地說明了 A2O-BAF系統(tǒng)中污泥的特性，通過研究聚磷量與脫氮量兩者之間的關(guān)系，改善污泥特性，提高系統(tǒng)的脫氮除磷效率.

在考察厭氧段COD對反硝化聚磷效果的影響試驗中，通過對反硝化聚磷量與釋磷量比值的分析，也發(fā)現(xiàn)反硝化聚磷量與釋磷量比值基本不隨厭氧段COD的變化而變化，如圖7所示，在缺氧反應(yīng)結(jié)束后， P聚/P釋的比值也約為1.05.分析原因如下，厭氧段COD越高，釋磷量越多，那么儲存體內(nèi)的PHB越多，則缺氧階段可利用的PHB也就越多，反硝化聚磷量與脫氮量則會隨之增加.由上述試驗結(jié)果可知，2組試驗的影響機(jī)制相同，且采用同一時期，同一系統(tǒng)的反硝化聚磷污泥，那么反硝化聚磷量與釋磷量的比值理論上是基本不變的，反映了污泥本身的反硝化聚磷能力，這與試驗所得結(jié)論一致.可以考慮以下方法來增加 P 聚/P釋的比值，提高系統(tǒng)反硝化聚磷能力：（1）增加厭氧段COD.從試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，厭氧段COD同時影響反硝化聚磷和脫氮效果，保證雙污泥系統(tǒng)中充足的厭氧段 COD，使厭氧階段充分釋磷，對缺氧段氮，磷去除效果的提高有非常重要的作用.但厭氧段 COD也不宜過大，進(jìn)入缺氧段會抑制反硝化聚磷菌的優(yōu)勢作用，給反硝化菌提供生長機(jī)會，同時過多加入外碳源，會增加污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用；（2）提供反硝化聚磷菌最優(yōu)的生長環(huán)境，進(jìn)一步馴化和富集反硝化聚磷菌，增加系統(tǒng)的反硝化聚磷能力［32-34］；（3）Kerrn-Jespersen［35］的試驗中發(fā)現(xiàn)，缺氧階段反硝化聚磷菌的吸磷速率是厭氧段聚磷菌儲存PHA的一階方程，因此，通過控制聚磷菌的代謝過程，影響厭氧段PHA的生物合成途徑，可以強(qiáng)化缺氧段反硝化除磷過程，提高系統(tǒng)的反硝化除磷能力.

圖7　不同厭氧段COD下聚磷量與釋磷量比Fig.7 Ratio of phosphorus uptake amount and release amount under different COD concentrations in anaerobic conditions

3　結(jié)論

3.1厭氧反應(yīng)時間和厭氧段 COD都直接影響厭氧釋磷量的多少，延長厭氧反應(yīng)時間和增加厭氧段 COD，都增加了厭氧釋磷量，從而反硝化聚磷量，凈聚磷量及脫氮量都隨之增加，兩者缺氧段氮，磷的去除規(guī)律亦大致相同，說明厭氧反應(yīng)時間和厭氧段COD對提高系統(tǒng)脫氮除磷效果有著同等重要的作用，且差別不大.因此，在避免無效釋磷及節(jié)約基建與運(yùn)行費(fèi)用的基礎(chǔ)上，延長厭氧反應(yīng)時間和增加厭氧段COD都可作為提高系統(tǒng)反硝化聚磷效果的有效措施.

3.22種不同的試驗條件下，取自同一系統(tǒng)的反硝化聚磷污泥，消耗量與去除量之間都具有良好的線性關(guān)系，線性系數(shù)為 1.007～1.053，R2為 0.992～0.997，反映了系統(tǒng)中污泥的固有特性.

3.3在排除外碳源干擾和以 PHB為制約因素的前提下，不論是改變厭氧反應(yīng)時間還是厭氧段COD濃度，反硝化聚磷量與釋磷量的比值都基本維持不變，體現(xiàn)了系統(tǒng)本身反硝化聚磷能力的強(qiáng)弱，可以采取適當(dāng)措施，來提高反硝化聚磷量與釋磷量的比值，增加系統(tǒng)的反硝化聚磷能力.

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Factors influencing the denitrifying phosphorus removal efficiency of A2O-BAF process.

Lü Dong-mei， PENG Yong-zhen*， ZHAO Wei-hua， WANG Shu-ying， ZENG Wei （Engineering Research Center of Beijing， Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering， Beijing University of Technology，Beijing 100124， China）.

China Environmental Science， 2015，35（11）：3266～3274

The effects of anaerobic reaction time and COD concentration on denitrifying phosphorus removal efficiency of A2O-BAF process were studied in parallel batch experiments， at the same time the relationship between denitrifying phosphorus uptake amount and nitrate consumption was investigated in anoxic condition. The results found that as anaerobic reaction time from 30min to 120min and COD concentration from 50mg/L to 200mg/L increased， phosphorus release amount， denitrifying phosphorus uptake amount， net phosphorus uptake amount and nitrate removal amount increased， but the ratio of denitrifying phosphorus uptake amount and release amount remained almost unchanged. In the all tests， a good linear relationship between denitrifying phosphorus uptake amount and nitrate consumption was presented in anoxic condition， with the linear coefficient and correlation coefficient ranging from 1.007 to 1.053 and 0.992 to 0.997 respectively， which showed the sludge intrinsic characteristics in the anaerobic/anoxic/aerobic process with biological aerated filter （A2O-BAF） denitrifying phosphorus removal system.

anaerobic reaction time；COD concentration；denitrifying phosphorus removal；linear relationship

X703.1

A

1000-6923（2015）11-3266-09

2015-03-27

國家“863”項目（2012AA063406）；北京市教委資助項目

* 責(zé)任作者， 教授， pyz@bjut.edu.cn

呂冬梅（1989—），女，河北省廊坊人，北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事污水生物處理理論與應(yīng)用研究.