低溫對EBPR系統生物除磷特性的影響

(北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京，100124)

溫度對EBPR生物除磷系統的影響可以從2個方面來闡述。一方面，溫度降低，使得聚磷菌的代謝速率降低[1?3]，其吸放磷速率會受到一定的影響，在特定的周期時間內，EBPR系統的除磷效率會有所下降[3]；另一方面，從PAO(聚磷菌)-GAO(聚糖菌)的競爭角度來說，低溫條件易于EBPR系統的穩定運行。這是由于PAO是一種嗜冷性細菌[4?6]，其在低溫條件下對揮發性脂肪酸(VFAs)依然具有較強的利用能力，而GAO對低溫的適應能力較弱，因此，在低溫條件下，聚磷菌在PAO-GAO競爭中占優勢，可有效抑制聚糖菌對EBPR系統的不利影響[7?9]。從已報道的研究結果來看：EBPR系統在低溫條件下運行時不但不會發生惡化，其運行效果反而被增強[10?12]。但是，在以往的研究中，多采用配水展開實驗，配水水質與實際污水的水質狀況存在較大差距，得到的結論也與實際污水廠的運行情況存在較大的差異[12]。在此，本文作者以實際生活污水為研究對象，考察低溫對EBPR系統除磷性能的影響以及對PAO-GAO競爭的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗水質

本實驗采用試驗采用北京工業大學家屬區排放的實際生活污水，試驗期間其主要水質指標如表1所示。

表1 實際生活污水水質指標Table 1 Real domestic wastewater characteristics

1.2 實驗裝置及運行階段

本試驗為實驗室小試研究。采用SBR有機玻璃反應器，如圖1所示。反應器直徑為20 cm，高為40 cm，總容積為12 L，有效容積為10 L。

圖1 SBR反應器示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBR reactor

反應器每天運行2個周期，采用瞬間進水方式，1個周期包括進水、厭氧2 h、好氧2 h、沉淀0.5 h和排水15 min共5個階段。維持污泥質量濃度3 g/L，控制污泥齡為10 d，排水比為80%。反應器配有溶解氧(DO)在線監測儀。

試驗共分4個階段進行，不同階段控制不同的實驗溫度(20，15，10和5 ℃)，考察不同溫度下聚磷菌的放吸磷特性，運行工況如表2所示。在好氧階段初期投加烯丙基硫脲(Allylthiourea，簡稱 ATU)消除硝化反應對EBPR系統的影響[5]。各工況下的曝氣量為160 L/h。

表2 實驗運行階段Table 2 Running phase of experiment

1.3 試驗水質分析方法

COD采用COD快速測定儀測定；PO43?-P采用抗壞血酸?鉬酸銨法測定；VFAs采用氣相色譜法測定；采用WTW測定儀及相應探頭在線監測液相內DO和溫度。

2 實驗結果與討論

2.1 中溫條件(20 )℃下EBPR系統馴化

試驗污泥在20 ℃(中溫)條件下，在SBR反應器中進行馴化，馴化持續 30周期。20周期后，出水PO43?-P質量濃度可穩定維持在0.5 mg/L以下，除磷率穩定維持在90%以上，如圖2所示。

20 ℃下，典型周期(第27周期)中COD，VFA和P的變化規律如圖3所示。從圖3可見：進水PO43?-P質量濃度為 7.85 mg/L，厭氧末 PO43?-P質量濃度為28.15 mg/L，厭氧釋磷率為358.5%，厭氧階段前30 min的釋磷速率為5.37 mg/(g·h)；進水中VFA質量濃度為23.21 mg/L，在厭氧階段60 min時幾乎利用完全(1.34 mg/L)，釋磷速率收到底物VFAs濃度的限制，逐漸減小；吸磷過程在好氧階段90 min時完成，出水PO43?-P質量濃度為0.34 mg/L，好氧吸磷率為98.7%，除磷率95.6%；好氧階段前 30 min的平均吸磷速率為11.67 mg/(g·h)。

圖2 EBPR系統馴化過程中除磷率的變化曲線Fig.2 Variety of PO43?-P during adjusting range of EBRP system

圖3 20 ℃典型周期中COD，VFA和P的質量濃度變化規律Fig.3 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 20 ℃

2.2 低溫條件下EBPR系統的除磷性能

從第31個周期開始，EBPR系統先后在 15，10和5 ℃下運行，每個階段持續10個周期，以考察低溫對EBPR系統的短期影響。3個階段的PO43?-P，COD和VFA質量濃度的典型變化曲線分別如圖4～6所示，圖7所示為3個階段的DO質量濃度的比較結果。

從圖4～6可以看出：低溫(≤15 ℃)條件下，聚磷菌的吸放磷速率均較中溫條件下的有所下降。15，10和5 ℃ 3個階段典型周期的進水PO43?-P質量濃度分別為6.06，7.74和6.17 mg/L，厭氧末PO43?-P質量濃度分別為23.67，19.18和12.90 mg/L；厭氧釋磷率分別為358.5%，247.8%和209.1%，較20 ℃時分別下降了0，30.8%和41.6%；厭氧階段前30 min的釋磷速率分別為 3.84，2.35和 1.37 mg/(g·h)，較 20 ℃時分別下降了26.0%，56.2%和74.5%；厭氧階段VFAs的利用率分別為88.9%，58.4%和33.8%。

聚磷菌在15，10和5 ℃ 3個階段的好氧吸磷率分別為97.1%，76.0%和46.1%，較20 ℃時分別下降了1.0%，22.9%和57.8%；好氧階段前30 min的吸磷速率分別為 6.43，2.24和1.34 mg/(g·h)，較 20 ℃時分別下降了 44.9%，80.8%和 88.5%。出水 PO43?P質量濃度分別為 0.67，4.60和 6.95 mg/L，除磷率分別為88.9%，24.0%和?12.6%，較20 ℃時分別下降了7.0%，74.9%和112.6%。

圖4 15 ℃典型周期中COD，VFA和P質量濃度的變化規律Fig.4 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 15 ℃

圖5 10 ℃典型周期中COD，VFA和P的質量濃度變化規律Fig.5 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in typical operational cycle at 10 ℃

圖6 5 ℃典型周期中COD，VFA和P質量濃度的變化規律Fig.6 Profiles of mass concentration of COD, VFA and P in a typical operational cycle at 5 ℃

圖7所示為4種溫度下典型周期的DO質量濃度變化曲線。由圖 7可以看到：隨著溫度的降低，DO質量濃度曲線的上升速率逐漸加快，且DO質量濃度逐漸增大。本試驗各個階段維持恒定曝氣量160 L/h，DO質量濃度為充氧量質量濃度與耗氧量質量濃度之差，表明溫度越低，微生物的耗氧速率越低。從側面反映了聚磷菌在低溫條件下的活性受到了抑制。

圖7 不同工況的典型周期下DO質量濃度變化趨勢Fig.7 Profiles of mass concentration of DO in typical circles of different stages

通過比較可以看出：15 ℃時，EBPR系統仍有較好的除磷性能，盡管在聚磷菌的最大吸放磷速率受到了較大影響。但是，在本試驗的周期時間下，其釋磷率和吸磷率仍然可以保證，能夠取得較好的出水效果。當溫度降至10 ℃及以下時，聚磷菌的吸放磷速率受到較為嚴重的抑制，出水效果嚴重惡化。

2.3 低溫對PAO-GAO競爭的影響

在EBPR系統中，聚糖菌(GAO)是造成其運行不穩定的主要原因。GAO與PAO在厭氧條件下競爭有機底物VFAs，從而影響PAO的釋磷量及PHA的合成，使得 EBPR系統的除磷效率下降。本實驗通過分析VFAs和PO43?-P質量濃度在不同溫度下的變化情況，來推測PAO?GAO競爭情況的改變。

圖 8所示為不同工況下磷在厭氧段的變化趨勢圖。由圖8可見：低溫(15，10和5 ℃)下的釋磷曲線與20 ℃下的不同，在厭氧階段，釋磷量與時間幾乎呈線性關系。這主要是因為低溫條件下的VFAs在厭氧段沒有降解完，聚磷菌的釋磷速率沒有收到底物的限制，釋磷量隨時間線性增長。

圖8 不同工況下磷質量濃度在厭氧段的變化趨勢Fig.8 Profiles of mass concentration of P in typical circles of different stages in aerobic phase

圖9所示為不同工況下VFAs在厭氧段的變化趨勢圖。從圖9可以看出：在10 ℃和5 ℃時，VFAs的質量濃度也與時間呈較好的線性關系，但是，在15 ℃時，VFA的質量濃度變化曲線與時間不再呈線性關系，其變化曲線與 20 ℃時的更為相近；在厭氧前30 min內，于溫度5，10，15和20 ℃時釋磷量的比為1:1.7:2.6:3.01，但VFAs利用量的比為1:1.7:4.5:9.09，表明在15～20 ℃時，厭氧階段初期的一部分VFAs被聚糖菌利用，聚磷菌和聚糖菌存在一定的競爭；而在5～10 ℃時，聚糖菌的活性受到了一定的抑制，且由于釋磷量的比與VFAs利用量的比相同，表明聚糖菌的活性在10 ℃與5 ℃時沒有明顯的變化。

圖9 不同工況下VFAs質量濃度在厭氧段的變化趨勢Fig.9 Profiles of mass concentration of VFAs in typical circles of different stages in aerobic phase

3 結論

(1) EBPR系統的釋磷和吸磷速率隨著溫度的降低而下降。但是，在周期時間為4 h(厭氧段和好氧段各2 h)時，15 ℃下的EBPR系統仍能表現出較好的除磷特性，而10 ℃及5 ℃的EBPR系統的吸放磷量受到嚴重影響，EBPR系統無法正常運行。

(2) 低溫可有效抑制聚糖菌(GAO)的活性。在5～10 ℃時，GAO的活性受到較明顯的抑制，且GAO在10 ℃和5 ℃時的活性沒有明顯的變化。

(3) 當厭氧階段VFAs不作為限制因素時，釋磷量與時間呈線性增長關系。

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