污水生物除磷的糖控制（CHC）工艺

冯生华 刘延华
(天津市市政工程设计研究院)

　　活性污泥糖类物质(Carbohydrate)的代谢已被证明是除磷脱氮工艺中活性污泥的一个普遍的主导性代谢活动，对其研究也成为污水除磷领域的焦点。
　　实际运行证明，进水特征对生物除磷效率影响很大，在厌氧段，污泥每释放1 mg磷需吸收7.5mg挥发性有机酸(VFA)。通常，城市污水远不能满足此项要求。国外为改善除磷效果，常投加工业生产的醋酸或将初沉污泥发酵后产生的上清液投入厌氧池，以提高除磷效率。
　　虽然VFA的投加在一定程度上改善了生物除磷的效果，但不少运行证明，它不能保证可靠的除磷效率。日本Y.Matsuo教授的研究结果充分说明了这一点^[1]。该试验进水中有充足的VFA，但除磷效果在不同运行模式下有巨大的差别。生物除磷的这种不稳定性在国内外所有污水处理厂中普遍存在，其原因是在现行的运行工艺中，没有对活性污泥糖类物质(CH)含量进行控制。实际上，以进水所含醋酸为代表的VFA使污泥CH含量在厌氧段降低到较低的水平，从而实现较高的除磷效果。
　　Liu^[2]的两个实验充分展示了在分别以葡萄糖和醋酸为主要进水有机物条件下，污泥CH含量的变化对除磷能力的影响。实验表明，两种情况下活性污泥CH含量都在厌氧反应中下降，在好氧反应中上升。在厌氧反应中，进水中的COD与污泥中的CH被转化为厌氧反应产物，而部分COD或厌氧反应产物在好氧条件下又被氧化为CH，污泥CH含量的上升或下降正是这两个反应过程的总结果。

1 污泥CH含量对除磷的影响

　　Liu^[2]的实验说明在厌氧条件下，活性污泥降解细胞内CH，同时释放磷，这两个过程所产生的能量被用于吸收进水中的有机物，以及将它转化为可贮存的聚合物(PHAs)。当以葡萄糖为进水有机物时，约有一半被吸收的葡萄糖以污泥CH的形式贮存于细胞内，另一半则被转化为厌氧反应产物；当以醋酸盐为进水有机物时，厌氧反应中污泥CH含量不但没有上升，而且随着醋酸盐的吸收而迅速下降。因此，在厌氧反应时间相同的条件下，加入醋酸盐更易将污泥CH含量降到一个低水平。所以，在可比的运行条件下，作为主要进水有机物，葡萄糖比醋酸盐更易于导致污泥CH含量的上升。而当活性污泥以CH做厌氧代谢能源时，活性污泥能够利用所含CH作能源在厌氧状态下吸收醋酸而不释放磷。它在好氧段不再吸收磷而只进行CH的合成。因此，要达到可靠的除磷效果必须避免活性污泥使用CH作为厌氧代谢的能源。也就是说，必须对厌氧段活性污泥进行CH的控制(Carbohydrate Control简称CHC)，才能有效地提高生物除磷的能力。

2 生物除磷的两种极端状态

　　Mino^[3]1987年在实验中发现，活性污泥所含CH在厌氧下降解又在好氧下再生。他指出污泥中CH的厌氧降解是为利用所吸收的醋酸合成PHB提供还原能力，并提出除磷菌在厌氧段降解CH的模式：

　　CH₂O + 1/12 C₆H₁₀O₅(CH) + 0.44HPO₃ + 0.023 H₂O → 1.33CH_1.5O_0.5(PHB) + 0.17CO₂ + 0.44H₃PO₄　　　　

　　1994年，Satoh^[4]发现活性污泥能够利用所含CH作能源在厌氧状态下吸收醋酸而不释放磷，并提出了污泥厌氧代谢模式：

　　CH₂O + 0.208 C₆H₁₀O₅(CH) → 2CH_1.5O_0.5(PHB) + 0.25CO₂ + 0.54H₂O

　　以上两个代谢模式分别代表了活性污泥利用聚磷或以CH作厌氧代谢能源的情形，两个模式都在吸收有机物时降解污泥中的CH，高磷低CH污泥降解CH较少，释放磷较多；低磷高CH污泥降解CH多，释放磷较少。资料表明，当污泥CH含量高于25%时，污泥吸收有机物同时降解CH而不释放磷，污泥CH是它在厌氧条件下吸收有机物的独立能源。
　　式(1)、(2)分别代表了除磷工艺运行的两极状态，即达到理想的高效除磷和不除磷。介于二者之间的中间状态则是两种模式代谢过程的综合效果，或在特定生长状态下微生物选择的不同代谢模式。

3 生物除磷工艺的糖控制(CHC)

　　实验结果表明活性污泥CH含量对其厌氧代谢模式和除磷能力的影响，活性污泥CH厌氧降解和好氧合成的总结果是污泥CH含量的下降或上升。在厌氧状态下，活性污泥吸收进水中的有机物同时降解所含CH释放磷；在好氧状态下，实现污泥CH和聚磷酸盐的再生。总之，许多研究都证明污泥CH代谢在生物除磷工艺中起着主导作用，总结CH对活性污泥除磷能力的影响及其控制将对新除磷工艺的设计有很好的指导作用。
　　根据研究结果，提出如下控制条件：?
　　① 在进水水质一定的条件下，延时厌氧反应能使污泥CH降到较低的水平。实验表明，将污泥CH含量在厌氧段结束时降到9%左右是实现高效生物除磷的重要前提。?
　　② 由于反硝化可消耗掉一部分COD(或PHAs)，减少了可被用于CH合成的碳源，因此也有利于污泥CH含量的控制。
　　③ 游离氧是污泥CH再生的必要元素，在缺氧状态下污泥CH合成十分不明显，因此将好氧反应的溶解氧浓度控制在较低水平或者控制适当的好氧反应时间都有利于控制污泥CH的好氧合成。
　　④ 污泥厌氧吸收COD的程度越高越有利于控制污泥CH的合成。

4 糖控制工艺节省供氧量

　　糖控制(CHC)工艺的厌氧段，活性污泥能去除大部分进水中的COD，与传统活性污泥法相比，COD的去除方式发生了根本性变化，进水中的有机物大部分可以在厌氧条件下被去除，而好氧反应的作用在于实现聚磷酸盐和CH的再生。由于有一部分进水COD未经氧化直接以厌氧反应产物的形式被去除，所以，生物除磷的糖控制(CHC)工艺比传统活性污泥法大大节省了供氧量。
　　在可比的泥龄和好氧反应时间的运行条件下，糖控制(CHC)工艺与传统活性污泥中的活性污泥用于细胞物质合成和细胞活性维持所耗氧量是基本相同的。如果不考虑厌氧反应对硝化菌活动的不利影响，硝化作用所耗氧量也应该是相同的。因此，活性污泥所含聚磷的代谢和糖类物质的代谢以及在厌氧段可能发生的反硝化反应是造成这两个工艺耗氧量差别的主要因素。
　　厌氧、好氧两种代谢过程使一部分进水COD不经充分氧化而形成了活性污泥的聚合物成分(包括PHAs和CH)，这是糖控制(CHC)工艺节省需氧量的一个主要原因。而且活性污泥中的除磷菌越多，工艺所消耗的氧就越少。当然，耗氧量的多少还受厌氧时间的影响，因为厌氧时间直接影响厌氧段聚磷酸盐(PP)的水解程度。?
　　除此之外，使糖控制(CHC)工艺耗氧量节省的另一个因素是在厌氧段发生的反硝化反应，来自回流污泥的NO?x氧化去除了一部分进水中的COD。

参考文献

　　1 Matsuo Y. Effect of the anaerobic SRT on enhanced biological phosphorus removal. Water Sci Technol. 1994;30(6):193～202?
　　2 Liu Y H.Low sludge carbohydrate content:a prerequisite for enhanced biological phosphorus removal. Water Environment Research,1997;69(7):1～7
　　3 Mino T et al. Effect of phosphorus accumulation on acetate metabolism in the biological phosphorus removal process. In:Ramadori R，ed? Advances In Water Pollution Control: Biological phosphorus Removal from Wastewater. Rome Oxford Pergamon Press,1987.27～28
　　4 Satoh H et al. Deterioration of enhanced biological phosphate removal by the domination of microorganisms without poly-paeeumulation. Water Sci Technol.1994;30(6):203～211

　　作者通迅处：300051 天津市和平区营口道239号?
　　(收稿日期 1999-01-08)