SBR法处理低碳城市污水高效除磷的规律研究

方茜，张可方，张朝升，周莉萍，伍小军

（广州大学土木工程学院，广东广州 510405）

　　摘  要：碳、氮、磷比例失调（碳源偏低）的城市污水脱氮除磷一直是一个难题。本试验采用SBR法处理碳源偏低的广州地区城市污水，研究其生物除磷的效果和控制影响因素。结果表明，在无需额外添加碳源的条件下，磷的出水指标可达到0.5 mg/L以下。并指出磷的厌氧释放、反硝化除磷、污泥龄及DO控制等是高效除磷的关键。

　　关键词：SBR法；生物除磷；反硝化除磷；低碳城市污水

　　通常，连续流的生物脱氮除磷系统（如A²/O、UCT、A/O、AB、MUCT和氧化沟等）需要一系列反应器及污泥与污水的循环来实现有机物（BOD）、氮、磷去除的不同微生物反应过程，而序批式活性污泥系统（SBR）则能使有机物、氮、磷的去除在一个反应器中完成，具有工艺流程简单、不需要污泥回流、并能实现高效脱氮除磷的特点。目前，SBR法已得到了广泛的研究和关注。但如何处理好不同微生物共存于一个反应装置中的竞争关系，如：聚磷菌与硝化菌对DO、泥龄的竞争、厌氧（缺氧）时段聚磷菌与反硝化菌对碳源的竞争等，是SBR法处理城市污水尤其是碳、氮、磷比例失调（偏低）的城市污水高效脱氮除磷的关键和难点。

　　本试验采用厌氧/好氧交替运行的SBR法处理低碳源的广州地区城市污水，结果表明：当总停留时间控制在4.5～5.5 h、污泥负荷为0.14～0.26 kgBOD₅/(kgMLSS·d)、进水BOD₅为44.7～85.3 mg/L、NH₄⁺-N为17.8～25.0mg/L、TP为1.6～6.1 mg/L时，出水BOD₅在5.12～13.62 mg/L、NH₄⁺-N在2.8～9.8 mg/L、TP在0.1～0.45mg/L。在碳源偏低的情况下，无需额外添加碳源，能在去除有机物的同时，使总磷的出水指标达到0.5 mg/L以下，目前在国内外未见研究报道。本文重点分析研究了达到这种高效除磷效果的控制影响因素和实现条件，为解决低碳城市污水高效除磷提供新的思路。

　　1 试验装置及流程

　　SBR反应器由有机玻璃制成，总容积47.4 L，有效容积42.8 L，采用空压机曝气，穿孔管布气，其流程见图1。试验水质见表1，试验运行方式见表2，试验运行参数见表3。

表1  试验污水水质统计表        单位：mg/L            

表2  试验运行方式

　　注：表2中的停留时间为最佳工况时的参数

表3  试验运行参数

　　2 结果及分析

　　2.1  污染物的总去除效果

　　SBR工艺对各种污染物的总去除效果见表4。

表4  污染物处理总效果

　　注：表4中的实验数据是最佳工况运行期间进出水浓度范围。

　　2.2 总磷的去除效果

　　本试验中，SBR反应器对TP的去除效果如图2所示。在试验中，磷的进水浓度在1.6～7.1 mg/L之间，出水浓度在0.1～0.45 mg/L之间，去除率在85%～99%之间，出水不仅都达到了排放标准，而且TP浓度都在0.5 mg/L以下。

　　2.3 结果分析

　　2.3.1 生物除磷机理

　　图3给出了生物除磷生化代谢的模型（Wentzel等人，1986～1988；Arun等人，1987；Smolders等人，1994；Pereira等人，1996；Maurer、Mino等人，1997）。从此模型中，可清楚看到除磷的两种途径：① 传统生物除磷。污水中的基质（COD）首先在厌氧条件下形成挥发性脂肪酸（图中HAC），后被转化为细菌细胞内的聚合物质－PHA（即PHB+PHV，以PHB为主要成份），这个过程籍细胞内多聚磷酸盐来提供所需能量。结果，磷酸盐被释放到细胞之外。当环境改变为好氧条件后，由于环境中缺乏COD而使得在厌氧条件下贮存的PHB被用来充当基质，籍基质所提供的能量，细菌在此条件下过量摄取环境中的磷酸盐而在细胞内形成多聚磷酸盐，细胞同时得到增殖。此外，在好氧条件下糖原也得到补充。在好氧条件后分离增殖的细菌，磷便能随细菌细胞而被排除，即厌氧释磷－好氧吸磷过程；②反硝化除磷。指DPB（反硝化聚磷菌）在厌氧条件（无硝酸氮存在）下经历和传统生物除磷一样的释磷过程（见图3中厌氧阶段），在缺氧（无氧但存在硝酸氮）条件下，能够象在好氧条件下一样，利用硝酸盐充当电子受体，以厌氧条件下贮存的PHB当基质，籍其提供的能量过量摄取环境中的磷酸盐而形成细胞内的多聚磷酸盐，使细胞得到增殖，在生物摄磷的同时，硝酸氮被还原为氮气（反硝化）。显然被DPB合并后的反硝化除磷途径能够节省相当的碳源（COD）和曝气量，与传统途径相比，此途径能分别节省约50%和30%的碳源与氧的消耗量。

　　从除磷机理来看，反硝化除磷途径对碳源偏低的城市污水除磷有着重要的意义。本试验中，由于有机物、氮、磷的去除在同一个反应装置中，且SBR特有的厌氧/缺氧/好氧交替运行的方式使DPB易于积累，出现了在传统除磷过程中的反硝化除磷途径，减免了碳源偏低的影响，这是本试验高效除磷的一个非常重要的因素。

　　2.3.2 磷的厌氧释放

　　①磷的厌氧释放和进、出水的关系

　　通过试验我们观察到在SBR反应器中，经过厌氧状态释放正磷酸盐的活性污泥，在好氧状况下具有很强的磷吸收能力，也就是说磷的厌氧释放是磷好氧吸收和除磷的前提条件。从图4可看出，磷的释放量越大，出水磷的浓度就越低，磷的处理效果也就越好。当TP进水浓度在2 mg/L以下，TP的释放量达不到7 mg/L以上，出水TP浓度也就很难达到0.5 mg/L以下；当TP进水浓度在2～7 mg/L之间时，TP的释放量能在10～20 mg/L之间，出水TP的浓度基本都在0.3 mg/L以下。

　　②磷的厌氧释放和有机物的变化

　　如图5所示，在一个反应周期内，当厌氧段有机物浓度降低时，正磷酸盐的浓度增加。稳定运行时，在厌氧一个小时内，COD的浓度一般降解30～45 mg/L左右，去除率基本在30%左右，磷的释放浓度能达到7.0～20 mg/L之间。

　　③磷的厌氧释放、好氧吸收与所需时间的关系

　　如图6所示，正是通过厌氧/缺氧/好氧交替运行的方式才实现了SBR处理系统中的生物除磷。在一个运行周期内，进水后，在经过厌氧40分钟左右的时间，磷的释放浓度即达到释放的最高点。在40分钟至60分钟之间，磷的释放浓度基本上没有太大的变化。磷的吸收是从曝气开始，磷的快速吸收发生在曝气开始的30分钟之内，到90分钟后，磷的出水浓度已达到0.5 mg/L以下（需保持一定的DO浓度）。

　　2.3.3 控制影响因素

　　①污泥龄（生物固体停留时间）

　　污泥龄（SRT）对于脱氮除磷过程在同一装置中进行的系统来说是一个非常关键的参数。较长的泥龄可增加生物硝化的能力，并可减轻有毒物质的抑制作用，而对于生物除磷系统而言，泥龄越长污泥含磷量越低，去除单位重量的磷需消耗的BOD就越多，此外，还会由于有机物的不足而使污泥发“自溶”现象，致使磷的溶解及排泥量的减少而导致除磷效果的降低；泥龄越短，污泥含磷量越高，通过剩余污泥的排放而去除的磷量也就越多，但是对于世代时间长的硝化菌来说，短泥龄会抑制硝化菌的生长。可见，污泥龄越长，单位BOD去除的磷量就会越少，污泥龄越短，除磷效率就越高，但硝化需要较长的污泥龄。因此在SBR处理系统中，就要有一个既符合除磷又适应脱氮的污泥龄。本试验通过在不同泥龄下的最优化选择将污泥龄控制在17～21 d的范围内，就可达到上述的除磷效果。具体通过下述污泥龄的计算方法来控制：

　　Q=1/u

　　式中：Q—污泥龄，d；

　　　　　u—比污泥增长速率。

　　 　　　u=△x/t

　　式中：△x—污泥增长量（周期排泥量/污泥总量）；

　　 　　t —周期曝气时间，d。

　　根据污泥增长速率计算出污泥龄和排泥量后，通过准确的排泥量来控制污泥龄，以达到最好的除磷效果。

　　② DO浓度

　　关于DO浓度对生物除磷的影响没有专门的报道，从生物除磷机理可知，DO浓度可能会影响好氧区的磷吸收速率，但只要有足够的好氧时间就不会影响磷的去除量。

　　图7～9是3个不同周期内不同DO浓度和磷的吸收关系图。从这三张图中可以看出，三个运行周期中，在不同的溶解氧浓度下，磷的降解速率有所不同，但只要有足够的好氧时间，磷的去除总量不变。

　　从图中看，三个运行周期中，尽管溶解氧浓度不同，但在曝气30分钟时都出现了不同程度的快速吸收。图7由于曝气30分钟后DO浓度就达到了3.9 mg/L，所以磷的吸收速率很快，而图9由于一直保持较低的DO浓度，所以磷的吸收速率较慢。这三种情况下，DO浓度在90分钟前尽管有所不同，但除磷效果基本一致，即曝气2小时，磷的出水浓度都可以达到0.5 mg/L以下，如果从除磷效果及经济合理两方面考虑，图8的DO浓度较为经济适用。但在本试验中，既要脱氮，又要除磷，所以DO浓度的选择要以双方都适宜为准。

　　③硝酸盐及碳源的影响

　　关于硝酸盐和碳源对除磷的影响，有过很多报道。主要认为：厌氧区硝酸盐还原过程消耗了可供聚磷菌吸收之用的基质，因此，硝酸盐会降低进水的有效BOD/P比值。一般认为BOD/P应大于20，硝态氮才不会影响磷的厌氧释放及磷的去除效果。在本试验进水中，BOD/P的比值，大部分在15～17左右。但是尽管BOD/P的比值较低，并没有影响磷的厌氧释放及除磷的效果。主要原因可能如下：①反硝化除磷现象的存在：由于DPB这种兼性反硝化除磷菌具有生物摄/放磷的功能，在厌氧（缺氧）条件下，能以硝态氮为电子受体进行除磷并将其反硝化为氮气，将反硝化和除磷合二为一，节省了碳源，即使有硝态氮存在、碳源不足，除磷效果也不会受影响；②水中的溶解性有机物基本可以满足反硝化的要求；③由于在SBR处理系统中，微生物不断地进行厌氧和好氧（氧化还原电位小于150 mV）交替运行，水中残余的硝酸盐对生物除磷影响极微。

　　④出水SS

　　由于SBR处理系统是一体化的反应池，即去除有机物、脱氮、除磷都在一个装置中进行，所以MLSS的含磷量较高，应当严格控制出水的SS。本试验中当出水SS低于20 mg/L时，对磷的出水浓度影响不大。

　　3 结论

　　①用SBR法处理碳源偏低的广州地区城市污水，在出水有机物和氨氮达标的同时，磷的出水指标可以达到0.1～0.45 mg/L。磷的释放量越大，出水磷的浓度就越低，磷厌氧释放是磷好氧吸收的前提。

　　②磷的厌氧释放最佳反应时间为1 h，好氧吸收最佳反应时间为2 h。

　　③溶解氧浓度影响磷的去除速率，但并不影响磷的去除总量。

　　④泥龄是影响SBR工艺脱氮除磷的关键，本实验最佳泥龄为17～21 d。

　　⑤ SBR法特有的厌氧/缺氧/好氧交替运行方式，易于DPB的积累。反硝化除磷途径可节省碳源，减免碳源及硝酸盐对除磷的影响，是低碳城市污水高效除磷的重要且有效的途径。

　　参考文献

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