除有機物除磷系統中好氧反應時間參數優化

徐竹兵，周亞旭，王淑瑩，唐曉雪，楊雄，彭永臻

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除有機物除磷系統中好氧反應時間參數優化

徐竹兵1，周亞旭2，王淑瑩1，唐曉雪1，楊雄1，彭永臻1

(1. 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，北京市污水脫氮除磷處理與過程控制工程技術研究中心, 北京，100124；2. 西安市污水處理有限公司, 陜西 西安，710024)

在序批式反應器中考察不同好氧反應時間(AHR)條件下兩段式厭氧氨氧化工藝中除有機物除磷系統活性污泥吸附有機物和磷的能力，以及相應條件下系統的穩定性。研究結果表明：當好氧反應時間為40~60 min時，系統對污水中有機物及磷的去除能力較強，污泥沉降性能良好，但胞內貯存物聚-β-羥基烷酸(PHA)與污泥碳含量隨好氧反應時間的遞增而縮短；當好氧反應時間為30 min時，系統對污水中有機物及磷去除效果較差，且系統發生嚴重的污泥黏性膨脹，不適合長期運行。綜合考慮除有機物除磷系統在不同好氧反應時間下對有機物與磷的吸附效果、資源與能源回收的潛力及系統長期運行的穩定性，推薦AHR=40 min為“兩段式厭氧氨氧化工藝”中除有機物除磷系統的最優好氧反應時間控制參數。

好氧反應時間；吸附；有機物；磷；城市污水

厭氧氨氧化工藝作為一種新型的生物脫氮工藝，近年來得到了污水處理界的廣泛關注[1?3]。與傳統的“硝化?反硝化”生物脫氮途徑相比，厭氧氨氧化菌可利用二氧化碳作為碳源、亞硝酸鹽作為電子受體，直接將氨氮還原為氮氣實現氮的去除，不僅節省了近60%的曝氣能耗，而且不再需要有機碳源進行反硝化脫氮[4?5]，因此，厭氧氨氧化工藝的提出為污水處理廠回收利用有機碳源提供了契機。由于厭氧氨氧化工藝無法實現同步除磷，而污水處理廠要達標排放，必須對污水中的磷加以去除，因此，亦可考慮以資源回用的方式回收污水中的磷源。此前的研究提出了“兩段式厭氧氨氧化處理城市低碳氮比污水”的理念[6]，其中“碳磷吸附系統”(第一段)的原理即利用活性污泥在厭氧條件下快速釋磷并吸附污水中的有機物，然后在短時好氧的條件下快速過量攝取磷，以達到同步去除污水中有機物和磷的目的。后期通過對除有機物除磷系統的剩余污泥進行厭氧發酵產甲烷[4, 7]以及對發酵液進行投加化學試劑沉淀的方法[8?9]即能實現有機物和磷的回收。研究證明在傳統的活性污泥法工藝中，進入系統的有機物在短時厭氧條件下即能被活性污泥大量吸附或貯存[10?11]；而被吸附和貯存的有機物在隨后的好氧條件下會逐步被微生物降解利用，用于合成細胞物質、貯存為胞內聚合物及轉化成胞外聚合物(EPS)[10]。因此，要達到高的碳回收率，需要盡量縮短好氧反應時間(AHR)，使得被微生物消耗的有機物少，污泥的碳含量高；而要實現磷的去除和回收，則需要盡量長的好氧反應時間讓活性污泥過量攝取磷。這兩者對于好氧反應時間的需求產生了矛盾。此外，由于活性污泥中絕大多數菌是好氧菌，好氧反應時間必然會影響到活性污泥的性能，如沉降性能、表面特性等，從而影響到整個系統的穩定長期運行。盡管“兩段式”理念的提出能實現能源和資源的回收利用，但是對于除有機物除磷系統如何穩定運行及如何保障高效回收有機物和磷的問題，之前未進行針對性研究。基于以上原因，本文作者通過同時考察除有機物除磷系統在不同好氧反應時間條件下的有機物和磷去除效果、污泥沉降性能、微生物貯存能力及污泥絮體表面特性，對除有機物除磷系統的好氧反應時間進行了優化。該研究不僅能為“兩段式厭氧氨氧化工藝”的穩定運行及高效回收有機物能源、磷資源提供理論依據，也能為該工藝被應用于工程實際中的參數選擇問題提供 指導。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行方式

本試驗在一個序批式反應器(SBR)中進行，SBR反應器由有機玻璃制成，總有效容積為8 L，如圖1所示。沿反應器壁垂直方向上設有一排取樣口，用以取樣和排水；SBR底部設有排泥管，用于排放剩余污泥；以黏砂塊作為微孔曝氣器，采用鼓風曝氣，以轉子流量計調節曝氣量；用加熱棒控制反應器內溫度，用溫度傳感器在線監測反應器內水溫的變化；采用WTW Multi 340i型便攜式多功能pH/DO測定儀在線測定反應過程中的pH和溶解氧(DO)變化情況。

圖1 試驗裝置圖

試驗過程中控制溫度恒定為(25±1) ℃，污泥齡為2 d，曝氣量200 L/h，SBR反應器每周期進水4 L，排水4 L，每周期時間長為75~90 min，包括進水10 min、厭氧攪拌10 min、好氧反應、沉淀30 min、排水10 min。好氧反應時間分別為30 min(0~28 d)、25 min(29~59 d)、20 min(60~100 d)和15 min(101~139 d)，每階段待污泥性質和出水水質穩定后調整好氧反應時間依次進行下一階段試驗。

1.2 試驗水質及接種污泥

試驗采用實際生活污水，每天從某學校生活小區化糞池抽取生活污水到貯水箱，進水水質指標如表1所示。試驗接種污泥取自高碑店污水廠A2/O二沉池污泥，經過長期馴化，實現了有機物去除和硝化過程的分離，在有機物的吸附階段并不發生硝化作用[12]。

表1 生活污水水質(質量濃度)

Table 1 Characteristics of domestic wastewater mg/L

CODNH4+-NNO2?-NNO3?-NP 230~30045~900~0.30~0.45.0~7.0

1.3 分析項目及方法

NH4+-N，NO2?-N，NO3?-N和PO43?-P采用LACHAT?8500型流動注射儀測定；COD采用5B?3(A)型COD快速測定儀測定； pH，DO濃度與溫度采用德國WTW-Multi340i儀器在線測定；TC采用 Elementar總有機碳分析儀(Vario TOC)；MLSS采用標準方法測試。聚-β-羥基烷酸(PHA)采用氣象色譜測 定[13]，胞外聚合物(EPS)及其組分采用鈉型陽離子樹脂提取[14]，其組分：蛋白采用folin-酚法測定，多糖采用蒽酮法測定[15]。所有水樣經過0.45 μm濾紙過濾后測定。

2 結果與討論

2.1 不同好氧反應時間下活性污泥對污水中有機物和磷的去除效果

活性污泥對污水中有機物的去除分為吸附和降解2個階段，吸附階段活性污泥可迅速將水體中溶解性與非溶解性的有機物進行吸附，當外界有機底物濃度開始受限時，即進入降解階段，此階段主要表現為微生物對所吸附的有機物進行氧化分解并合成新的細胞物質[11, 16]。合理地控制好氧反應時間就可以使有機物的去除停留在吸附階段，減少微生物對有機物的降解消耗。圖2(a)所示為有機物質量濃度的變化曲線。從圖2(a)可以看出：進水COD質量濃度在230~270 mg/L之間，當好氧反應時間分別為60，50，40和30 min時，穩定后系統出水COD質量濃度分別為(89±3)，(96±4)，(101±3)和(120±2) mg/L，對應COD去除率分別為66%，64%，62%和53%。當好氧反應時間從60 min縮短至40 min時，出水COD質量濃度僅提高了10%，COD去除率僅降低了4%。而當好氧反應時間從40 min縮短至30 min后，出水COD質量濃度提高了20%，對應COD去除率降低了近10%。因此可以認為，當好氧反應時間為40~60 min時，活性污泥對污水中有機物的去除能力不存在顯著差異，而當好氧反應時間降低到30 min時，活性污泥對污水中有機物的去除能力會明顯下降。

(a) 有機物質量濃度變化曲線；(b) 磷的質量濃度變化曲線

1—進水COD；2—出水COD；3—COD去除率；4—進水P；5—出水P；6—P去除率

圖2 不同好氧反應時間下活性污泥對污水中有機物與磷的去除情況

Fig. 2 Removal performance of organic matter and phosphate for different aerobic hydraulic retention time

生活污水中的磷以溶解性的正磷酸鹽為主，溶解性的磷主要通過聚磷菌的吸磷作用去除，不溶性的磷通過活性污泥的絮凝和網捕作用去除[17]。厭氧階段聚磷菌通過分解釋放體內的聚合態磷產生能量，將污水中的有機物合成胞內聚合物PHA貯存于細胞內部；在隨后的好氧過程中，聚磷菌則分解利用胞內貯存的PHA并超量吸收污水中的磷酸鹽，以聚合磷的形式貯存于細胞內部，從而實現出水中磷的去除，如圖2(b)所示。好氧反應時間對磷的去除效果有著顯著的影響，在好氧反應時間較長時活性污泥能夠充分去除污水中的磷，而在好氧反應時間較短時活性污泥對污水中磷的去除效果較差。當好氧反應時間為50 min和60 min時活性污泥對污水中磷的去除效果較好，出水磷質量濃度分別為(0.28±0.1) mg/L和(0.39±0.1) mg/L，平均磷96%和94%；好氧反應時間為40 min時，出水磷質量濃度增長至(0.58±0.2) mg/L，平均磷去除率為90%，出水磷濃度基本達到污水廠排放標準；而當好氧反應時間降至30 min時，出水磷質量濃度已升高至(1.6±0.4) mg/L，僅有70%的進水磷得到去除。可見：好氧反應時間在40~60 min時，活性污泥對污水中磷的去除效果較為理想。

2.2 不同好氧反應時間下典型周期內物質變化情況

不同好氧反應時間下典型周期內COD、氨氮及無機磷變化如圖3所示。從圖3可以看出：進水中的COD基本都是在厭氧條件下得到吸附去除，而在后續的好氧階段去除量較少。當好氧反應時間分別為40，50和60 min時，在進水和厭氧攪拌過程中COD吸附量均占總COD去除量的88%以上(圖3(a)~(c))；但是在好氧反應時間為30 min時，進水和厭氧攪拌過程中的COD吸附比例有所降低，只有75%(圖3(d))。這表明當好氧反應時間為40~60 min時活性污泥對有機物吸附效果差異不大，而好氧反應時間為30 min時活性污泥對有機物吸附效果明顯降低。究其原因，可能是由于好氧時間過短，污泥活性不高造成的，活性污泥中絕大部分的細菌都是好氧菌，需要在有氧的條件下維持生長和活性，當好氧反應時間降低至30 min時，活性污泥微生物的活性受到了一定程度的抑制，從而使得活性污泥對有機物吸附量降低。此外，好氧反應時間為30 min時，其污泥沉降性能差也是導致有機物吸附效果不佳的一個原因。污泥沉降性能惡化以后，部分微生物隨出水流失，導致系統內總的生物量較好氧反應時間為40，50，60 min條件下的總生物量低，從而致使好氧反應時間為30 min時活性污泥對有機物的吸附效果惡化。

好氧反應時間/min：(a) 60；(b) 50；(c) 40；(d) 30

1—COD; 2—NH4+-N; 3—P

圖3 不同好氧反應時間下典型周期內COD，P和NH4+-N質量濃度變化曲線

Fig. 3 Variation concentrations of COD, P and NH4+-N in typical cycle for different aerobic hydraulic retention time

典型周期內系統中磷的變化情況有明顯差異，從圖3可以看出：好氧反應時間為30，40，50和60 min時，其最大釋磷量均能達到20 mg/L以上，但是系統好氧吸磷過程存在較大差異。當好氧反應時間為60，50，40和30 min時，系統好氧吸磷速率(以PO43?-P計)分別達到13，12，11和8 mg/(L·h)。可見：好氧反應時間在40~60 min時，好氧吸磷速率較快，聚磷菌在好氧曝氣20 min內能夠充分吸磷，出水磷質量濃度在0.6 mg/L以下，活性污泥對磷的吸收效果良好。而當好氧反應時間縮短至30 min后系統好氧吸磷速率下降了30%，導致聚細菌不能充分利用胞內貯存物吸收水中的磷，出水磷質量濃度增大，達到1.3 mg/L，出水磷質量濃度不能達到城市污水排放標準。

由于系統內接種種泥經過培養馴化已淘洗出大部分的硝化細菌，因此反應過程中無明顯的硝化作用發生，曝氣過程中并未產生大量的NO2?-N和NO3?-N積累(反應過程中NO2?-N和NO3?-N質量濃度均在0.5 mg/L以下)。系統中NH4+-N質量濃度的降低主要是由于異養菌的同化作用導致。當好氧反應時間分別為60，50，40和30 min時，NH4+-N質量濃度降低量分別為5.1，5.0，4.5和4.0 mg/L，隨著好氧反應時間的縮短，微生物增殖降解利用的NH4+-N量也逐漸減少。由此也進一步驗證，污泥的活性也是隨著好氧反應時間的縮短而降低的。從4個典型周期的數據可以得知：活性污泥吸附水中的有機物與磷后，原水中的NH4+-N得到了保留，實現了污水中有機物、磷與氮源的分離，這正是該除有機物除磷系統需要達到的。去除了大部分有機物和絕大部分磷的污水進入“兩段式厭氧氨氧化工藝”的硝化與厭氧氨氧化單元(第二段)中繼續進行反應，這為硝化與厭氧氨氧化單元提供穩定的進水，并且有利于增加硝化菌的富集程度，提高系統的硝化效果。

2.3 好氧反應時間對系統污泥沉降性能的影響

好氧反應時間對污泥沉降性能有著顯著的影響，好氧反應時間較長時污泥沉降性能良好，好氧反應時間較短時污泥易發生膨脹，不同好氧反應時間下污泥的沉降性能變化如圖4(a)所示。當好氧反應時間為40，50和60 min時，污泥體積指數(SVI)維持在50 mL/g左右，污泥沉降性能良好，系統污泥濃度(MLSS)穩定在2 200~2 500 mg/L。而當好氧反應時間降至30 min時，SVI在20 d內即上漲至400 mL/g以上，系統發生了嚴重的污泥膨脹，出水懸浮物質增多，MLSS迅速降低到了1 300 mg/L以下。鏡檢表明此時系統內并不存在大量的絲狀菌，但是絮體周圍存在大量的結合水，因此系統內所發生的膨脹為污泥黏性膨脹。污泥黏性膨脹主要是由于絮體污泥分泌的胞外聚合物過多，束縛了過多的結合水所致的[18]。從圖4(b)可見：隨著好氧反應時間的縮短，污泥所分泌的EPS量逐漸增多，當好氧反應時間縮短至30 min時，其EPS分泌量(以VSS計)達到了28.4 mg/g，是好氧反應時間為60 min時的3.5倍。此外，EPS組分的變化也是導致污泥沉降性能發生改變的主要原因。Sponza[19]指出EPS組分中的蛋白質含量對污泥沉降性能有決定性作用，蛋白質含量越低，則污泥沉降性能越差。從圖4(b)可以看出：隨著好氧反應時間從60 min縮短至30 min，其EPS中蛋白質組分比例也由76%降低到了35%，因此，當好氧反應時間縮短至30 min時，污泥沉降呈現出了嚴重惡化的現象。

(a) SVI；(b) EPS

圖4 不同好氧反應時間下系統MLSS，SVI和EPS的質量濃度變化

Fig. 4 Variation of mass concentration of MLSS, SVI and EPS for different aerobic hydraulic retention time in system

微生物所吸附的有機物不僅用于生長增殖及胞內貯存，多余的部分則轉化成了細胞外物質依附在細胞表面成為EPS[19]。好氧反應時間的縮短之所以會導致污泥活性污泥EPS分泌量的增加尤其是EPS中多糖組分的增加，主要是由于有機負荷的過高造成的。好氧反應時間從60 min縮短至30 min時，每千克MLSS的污泥有機負荷(以COD計)從開始的0.6 kg/d提高到1.7 kg/d。由于好氧反應時間較短時曝氣時間不足，導致微生物利用有機物的時間較短，過高的有機物供給導致微生物將吸收的有機物大量轉化為多糖物質積聚在細胞表面，最終導致了污泥黏性膨脹的發生。顯然，當好氧反應時間為30min時，污泥沉降性能的惡化使得泥水分離困難，不利于富碳污泥回收產能和回收磷資源。

2.4 不同好氧反應時間下污泥中PHA和污泥碳含量的比較

合理控制好氧反應時間能夠盡可能的保留活性污泥吸附的有機物，減少對有機物的降解，本文通過檢測污泥內貯存物PHA和污泥碳含量(有機碳與總碳的質量分數之比)能夠表征活性污泥對有機物吸附效果，進而對好氧反應時間進行優化選擇。不同好氧反應時間下活性污泥內貯存物PHA含量差異明顯，PHA含量隨好氧反應時間的增長而逐步降低。如圖5所示，好氧反應時間分別為60，50，40和30 min時，典型周期好氧曝氣結束后貯存在活性污泥內PHA質量分數(以COD計)分別為(71.5±1.9)，(80.2±1.2)，(90.3±1.5)和(95.5±1.3) mg/g。由于活性污泥通過消耗PHA吸收水中的磷，好氧反應時間較長使貯存在細胞內的PHA物質過量消耗用于吸附磷，不利于有機物的回收；在好氧反應時間較短時微生物利用部分PHA吸收磷，細胞內PHA含量高，其被微生物消耗的有機物也就少，有利于有機碳源的回收。好氧反應時間為50 min和60 min時微生物利用PHA充分吸收磷，雖然系統的出水磷質量濃度很低(分別為0.1 mg/L和0.2 mg/L)，但PHA質量分數較好氧反應時間為40 min時降低了10%~20%；而當好氧反應時間降至30 min時，雖然污泥中PHA貯存量較好氧反應時間為40，50和60 min時的高，但是系統發生了污泥膨脹，不能穩定回收污水中有機物與磷，且除有機物除磷系統有污泥流失的現象，系統不能穩定運行。此外，經測定發現，不同好氧反應時間下的污泥碳含量與PHA含量呈現出基本相同的變化趨勢。當好氧反應時間為40，50和60 min時，系統穩定階段污泥碳含量分別為，40.8%±1.1%和34.5%±1.0%，好氧反應時間越長，污泥碳含量越少；但是當好氧反應時間降低至30 min時，其碳含量為47.2%，較好氧反應時間為40 min時又有所降低，分析可能與活性污泥對有機物的吸附效果不佳有關。

圖5 不同好氧反應時間下系統污泥PHA和碳含量變化

綜上所述，好氧反應時間為40 min時，系統對污水中的有機物及磷去除率均較高，且污泥中PHA和污泥碳含量均較高，有利于后續厭氧發酵產甲烷進行有機碳源的回收；此外，該好氧反應時間條件下，污泥沉降性能較好，系統運行穩定。因此，推薦AHR=40 min為“兩段式厭氧氨氧化工藝”中除有機物除磷系統的最佳好氧反應時間。

3 結論

1) 當好氧反應時間為40~60 min時，系統對污水中的有機物和磷的去除能力及活性污泥對有機物和磷的吸附效果不存在顯著差異；而當好氧反應時間縮短到30 min時，系統對污水中的有機物和磷的去除能力及活性污泥對有機物和磷的吸附效果明顯降低。

2) 好氧反應時間對污泥沉降性能有顯著的影響，當好氧反應時間為40~60 min時，活性污泥體積指數能夠維持在50 mL/g的水平；而當好氧反應時間降至30 min后，污泥體積指數在20 d內上漲至400 mL/g以上，活性污泥胞外聚合物中多糖質量分數(以VSS計)由3 mg/g增長至17.52 mg/g，除有機物除磷系統發生了嚴重的污泥黏性膨脹。

3) 當好氧反應時間大于40 min時，好氧反應時間越短，污泥中PHA及碳含量越高，有機物的回收潛能也越大；當好氧反應時間為30 min時，由于污泥活性受到限制，活性污泥碳含量低于好氧反應時間為40 min的污泥碳含量。

4) 綜合考慮除有機物除磷系統在不同好氧反應時間下的有機物和磷吸附效果、污泥資源和能源回收的潛力及系統長期運行的穩定性，推薦AHR=40 min為“兩段式厭氧氨氧化工藝”中除有機物除磷系統的最優好氧反應時間參數。

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強大的高技能人才隊伍是我國經濟發展過程中的夯實基礎。但是，我國現有的1.12億技能勞動者，在從業人員總數的占比不足13%；高技能人才僅2863萬，其中5%是技師、高級技師。去除現有的440萬高技能人才缺口，與2009年我國高技能人才需求相比，到2015年或2020年預計增加540萬或990萬。數據顯示人才技能結構比例不合理，高級技能人才處于嚴重短缺的狀態，很難適應各個省市地區經濟轉型升級進程中對技能人才的不斷需要。

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Optimization parameter of aerobic hydraulic retention time in organic matter and phosphate removal system

XU Zhubing1, ZHOU Yaxu2, WANG Shuying1, TANG Xiaoxue1, YANG Xiong1, PENG Yongzhen1

(1. Engineering Research Center of Beijing, Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing100124, China;2. Xi’an Wastewater Treatment Company, Xi’an 710024, China)

The adsorption performance of organic matter and phosphate and the stability of the organic matter and phosphate removal system were investigated under different aerobic hydraulic retention time (AHR) using a sequence batch reactor (SBR). The results show that the system has strong adsorption performance of organic matter and phosphate and the activated sludge exhibit good settle-ability when the aerobic hydraulic retention time is 40?60 min while the poly-hydroxyalkanoate (PHA) and carbon content in sludge increase with the reduction of aerobic hydraulic retention time. However, the adsorption properties significantlyand serious non-filamentous sludge bulking occur when the aerobic hydraulic retention time of 30 min is employed. Consequently, the aerobic hydraulic retention time of 30 min is not suitable for long-term operation. In consideration of the adsorption property, the potential of resource recovery and the stability of the system, the aerobic hydraulic retention time of 40 min is recommended to be the optimal aerobic hydraulic retention time for the long-term operation of the organic matter and phosphate adsorption system.

aerobic hydraulic retention time; adsorption; organic matter; phosphate; domestic wastewater

X703.1

A

1672?7207(2015)01?0372?07

2014?02?27；

2014?04?12

國家自然科學基金資助項目(51178007)；北京市教委科技創新平臺項目(2014年)；北京工業大學研究生科技基金資助項目(ykj-2012-8308) (Project(51178007) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014) supported by Science and Technology Innovation Platform of Beijing Education Board; Project(ykj-2012-8308) supported by Science and Technology Fund for Beijing University of Technology Graduate)

王淑瑩，教授，博士生導師，從事污水深度脫氮處理理論及應用；E-mail: wsy@bjut.edu.cn

10.11817/j.issn.1672?7207.2015.01.050

(編輯 楊幼平)