兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝的優點

摘 要：從理論和實驗兩方面系統地總結了兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝的優點。

關鍵詞：兩級序批式活性污泥法工藝；除磷脫氮；自動控制；pH值；氧化還原電位；溶解氧

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3198（2007）09-0289-02

1 兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝理論上的優點

氮、磷的脫除不外乎有等四類生物反應過程。

大量研究表明，單級活性污泥除磷脫氮系統（如A2/O和SBR等系統）中氮和磷的去除為一對矛盾的關系，除磷效果好時脫氮效果不好，而脫氮效果好時除磷效果卻不好。這是因為釋磷、吸磷、硝化和反硝化這四類生化反應過程對微生物的組成、基質類型及環境條件的要求各不一樣，使得單級活性污泥除磷脫氮系統不可避免地存在著固有的矛盾和不足。而兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝能避免這些矛盾和不足，其主要優點在于：

①解決了聚磷菌與硝化菌和反硝化菌混合生長的矛盾

在單級除磷脫氮系統中，除磷的主要微生物——聚磷菌和在脫氮過程中起重要作用的硝化菌是混合生長的。硝化菌通常屬于自養專性好氧菌，其特點是繁殖速度緩慢，世代時間長，為獲得良好的硝化效果，必須保證系統有較長的泥齡。而聚磷菌世代時間卻較短，且磷的去除是通過排除剩余活性污泥實現的，若泥齡較長不僅導致生物處理系統產泥量減少，而且在硝化過程中，由于較長的好氧時間使污泥的活性降低，從而影響聚磷菌對磷的吸收率，造成活性污泥含磷量降低。所以為了保證良好的除磷效果，系統必須短泥齡運行，這就是一對矛盾。

在兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝中聚磷菌主要生長在除磷級，硝化菌和反硝化菌主要生長在脫氮級，這樣巧妙地把聚磷菌與硝化菌和反硝化菌這兩大功能微生物分別控制在兩個反應器內生長，從而解決了功能微生物混合生長的矛盾。

②避免了釋磷與反硝化過程中對碳源的競爭性矛盾。

生物除磷脫氮中的釋磷與反硝化過程都需要消耗大量碳源。一般來說，城市污水中所含易降解有機物的含量有限，所以在單級除磷脫氮系統中的釋磷與反硝化之間，必然存在著因碳源不足而引發的競爭性矛盾。

在兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝中釋磷和反硝化分別控制在兩個反應器內進行。除磷級的釋磷過程所需碳源由原水供給，而脫氮級的反硝化過程所需碳源由外加乙醇或補充原水供給。

③解決了厭氧區的硝酸鹽問題。

厭氧區硝酸鹽含量的控制問題，是單級除磷脫氮系統需要解決的一個難題。在這種系統的厭氧段不可避免地存在有硝酸鹽成分，特別是當污水中碳氮比（COD/N）較低時，這一問題更為突出。根據生物除磷原理，污水中溶解性BOD含量及發酵產酸菌（主要是氣單胞菌）的發酵產酸作用是決定其他聚磷菌能否正常發揮其功能的重要因素。如果厭氧區存在硝酸鹽成分，一方面會被在除磷過程中擔負發酵產酸作用的氣單胞菌利用作為電子受體進行反硝化，抑制其對溶解性有機物的發酵產酸作用；另一方面，反硝化菌會與聚磷菌競爭污水中有限的溶解性有機物（特別是VFAs）并優先于聚磷菌以這些有機物為電子供體進行反硝化。結果使聚磷菌無法得到足夠VFAs，從而抑制了聚磷菌的釋磷及厭氧產物PHB(聚-羥基丁酸鹽)的合成能力，使得聚磷菌在后續的好氧條件下缺乏過量攝磷和自身增殖所需要的碳源和能量，使系統除磷效果下降，甚至遭到破壞。有資料認為，為保證厭氧區的高效釋磷，一般應將NO3-N濃度控制在0.2mg/L以下。

在兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝中，除磷級在前，而此時進水中氮以氨氮形式存在，除磷級主要是泥齡短的聚磷菌，泥齡長的硝化菌很難存活，這樣聚磷菌就能夠充分發揮其厭氧釋磷和好氧吸磷功能，從而解決了單級除磷脫氮系統厭氧區硝酸鹽問題。

④解決了有機物濃度與硝化作用的矛盾。

污水中可生物降解含碳有機物與氮之比（BOD5/TKN）是影響生物硝化速率的主要因素。硝化菌是自養專性好氧菌，在好氧條件下，其增長速率與異養菌相比較要低得多。在硝化階段，若含碳有機物的濃度過高，會使生長速率較高的異養菌迅速繁衍，從而使生長緩慢的硝化菌得不到優勢生長，結果降低了硝化速率。另外，有機物對硝化菌的毒害和抑制作用，使得本來生產率就很低的硝化菌處于不利的生存環境。所以在硝化階段，含碳有機物的濃度不能過高。一般資料認為，BOD5應控制在20mg/L以下，且BOD負荷應控制在0.06~0.1kgBOD5/kgMLSS·d的水平。

在兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝中，在前的除磷級的運行過程是先厭氧釋磷后好氧吸磷，而此時進水中大量有機物正好做為釋磷所需的碳源，等除磷級出水進入到脫氮級時系統中有機物濃度就很低了，這恰好是硝化菌所需的良好環境。

⑤降低了除磷和脫氮過程中的能量消耗。

在單級除磷脫氮系統中，當進水的COD/N值較高時，為使含碳有機物氧化分解至較低的濃度而保證硝化作用的進行，必須保證處理系統有較長的曝氣時間和泥齡，這不僅對除磷不利，且運行費用也相對較高，不經濟。

在兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝中，不存在硝化階段COD/N值較高問題，故該工藝可以降低能耗。

以上分析了單級除磷脫氮系統的一系列矛盾關系，闡明了兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝優點。基于此提出了兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝，并進行了實驗研究。

2 實驗裝置及流程簡介

2.1 實驗裝置及控制

反應器大小為直徑200mm，高600mm，有效容積12L有機玻璃柱。實驗裝置是由兩套大小完全相同的反應器組成，分別用做除磷序批式活性污泥法級（簡稱除磷級）、脫氮序批式活性污泥法級（簡稱脫氮級）。以上每套裝置見示意圖1。除磷級和脫氮級串聯使用，即原污水→除磷級→脫氮級，詳見實驗流程示意圖2。另外還有單泥除磷脫氮序批式活性污泥法級，它單獨運行，作為上述兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝對比工藝。

裝置均采用鼓風曝氣，用轉子流量計控制曝氣量。系統采用電熱絲加熱，并利用溫控儀系統進行恒溫控制。ORP、pH和DO均在線控制，根據ORP、pH和DO的變化控制各反應器的反應時間和采樣。根據SBR工藝特點，每一種實驗條件必須運行若干周期以上才進行采樣測試。

2．2 實驗流程

①兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝流程是由除磷級和脫氮級組成，它們串聯使用，除磷級在前，脫氮級在后，除磷級的除磷的出水將進入和脫氮級進行脫氮處理，其流程見示意圖2。除磷級和脫氮級周期運行時間均為8小時。

②單泥除磷脫氮序批式反應器單獨運行，用作“兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝”對比工藝，周期運行時間均為16小時。

2．3 原水配制

3 在實驗過程中，兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝體現出下列優勢

①工藝對磷和氮的脫除是可行的和可靠的。

實驗表明，兩級序批式活性污泥法除磷脫氮工藝系統對磷和氮的去除是可行的，也是可靠的。該系統具有很高的處理效率：COD去除率為90.9～96.2%，出水COD均小于25mg/L；除磷率為97～99.2%，出水總磷濃度為0.1mg/L左右；脫氮率為98.5～99.9%，出水總氮濃度為0.4mg/L左右。

除磷脫氮效果好的根本原因在于把聚磷菌與硝化菌和反硝化菌這兩大功能微生物分別控制在兩個反應器內優勢生長，各自發揮最佳功能所至。

同時進行的單泥除磷脫氮反應器處理結果為：除磷效果好，達90%以上；而經8h曝氣，總氮去除率僅為62%左右，出水中仍然有30mg/L左右的氨氮沒有被硝化。

②兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝除磷脫氮的歷時短。

該工藝每周期除磷歷時和脫氮歷時均為8小時，這均比一般的同時除磷脫氮SBR系統要快［10］。

同時進行的單泥除磷脫氮序批式反應器除磷和脫氮歷時為16小時。

③兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮工藝系統運行穩定，抗沖擊能力強。

除磷級和脫級氮各自級功能微生物分別在各自反應器中優勢生長，互不干擾，系統穩定，能避免沖擊負荷，尤其是有機物對硝化菌的沖擊。

④兩級序批式活性污泥法生物除磷脫氮系統的除磷級和脫氮級均可通過ORP、pH和DO的階段性變化規律，實現自動控制。

通過檢測ORP、pH和DO的階段性變化規律，利用現代自動控制技術，可以分別對除磷級和脫氮級反應進行實時控制。尤其是脫氮級，該級又應以pH為優先控制信號，以DO和ORP作為輔助控制信號。

⑤兩級序批式活性污泥法除磷脫氮工藝的除磷級對磷的去除不必達到一級排放標準，從而可縮短除磷歷時。

除磷級出水磷濃度不必達到一級排放標準，而只須達到小于1.5mg/L即可。這樣，一方面可以大大減少除磷級的反應時間；另一方面除磷級的出水進入脫氮級后，磷素將會被稀釋作用和生物同化作用等過程而降低其濃度，從而達到排放標準。

參考文獻

［1］李軍，趙琦，王寶貞．序批式生物膜法同步除磷脫氮特性研究［J］．城市環境與城市生態，2002，15，（1）：1．

［2］張統．間歇式活性污泥法污水處理技術及工程實例［M］ ．北京：化學工業出版社， 2002．

［3］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．

［4］邱慎初， 丁堂堂．探討城市污水生物處理出水的總磷達標問題［J］．中國給水排水，2002， 18，(9) ：23-25．

［5］龍北生，聶熹等．分級式除磷脫氮工藝探討［J］．吉林大學學報（地球科學版），2004，34，（2）：260．

［6］李勇， 呂炳南， 黃勇．改進A2/O法的設想．中國給水排水，2001， 17，(8)：31-33．

［7］許保玖， 龍騰銳．當代給水與廢水處理原理 (第二版) ［M］ ．北京：高等教育出版社， 2000．

［8］沈耀良，王寶貞．廢水生物處理新技術理論與應用［M］．北京：中國環境科學出版社，1999．

［9］袁林江，彭黨聰，王志盈.短程硝化-反硝化生物脫氮［J］．中國給水排水，2000，16，（2）：29．

［10］聶熹，田曦．兩級SBR生物除磷脫氮工藝效果實驗研究［J］．長春工程學院學報（自然科學版），2006，7，（1）：39-41．

［11］聶熹．兩級SBR工藝除磷脫氮自動控制實驗研究［J］．吉林大學學報（地球科學版），2007，37，（3）：611．