從進水碳源角度分析改良A2O工藝生物除磷作用

李楓+姜健

摘 要：污水廠進水碳源濃度偏低成為污水廠生物除磷效果較差的最主要因素。單方面加大進水C源的濃度可以大大提高生化除磷率，可以達到76%以上。從運行經驗看乙酸鈉最好的碳源，對于改良A2O工藝，通過預缺氧段和厭氧段的配水比可以有效控制厭氧區的碳源分配比可以盡可能使生物除磷充分利用原水中的C源，從而提高生物除磷的去除率。

關鍵詞：生物除磷 碳源 改良A2O 脫氮除磷 VFA

目前，我國水環境富營養化污染嚴重，而氮磷化合物的污染正是富營養化根源。當前的新建污水廠所采用的工藝也都具備脫氮除磷功能。對于污水廠來說，除磷的效果卻一直不佳，這主要原因是原水中缺乏適應于反硝化和釋磷作用所必需的有機碳源。

1 生物除磷反應機理

1.1 釋磷反應過程

具有生物除磷功能的異樣細菌被稱為聚磷菌（PAOs）。在厭氧環境中，揮發性脂肪酸（VFA）以被動擴散的形式進入細胞，而PAOs將多聚磷酸鹽（PolyP）分解生成磷酸鹽釋放出細胞外，同時產生能量將ADP轉化為ATP。ATP/ADP循環促使VFA在PAOs內轉化為乙酰輔酶A，而乙酰輔酶A又通過糖酵解提供的還原性物質（NADH + H+ ） 進行PHB 合成。如果沒有足夠的PolyP分解則無法產生ATP，VFA也只能累積在PAOs胞內而無法被吸收，更無法轉化為PHB。同樣，如沒有足夠的VFA，PHB缺少底物一樣無法合成。因此，PolyP和VFA是形成PHB的必要條件（以上過程見圖1）。

1.2 吸磷反應過程

當污泥混合液剛進入好氧段時，PAOs中貯存有大量的PHB而PolyP含量較低，污水中無機磷酸鹽含量則很豐富，PAOs 在好氧段中以O2作為電子受體，利用胞內PHB 作為碳源及能源進行正常的好氧代謝，通過氧化磷酸化生成ATP。ATP又為PAOs吸收磷酸鹽并重新合成PolyP存于細胞內而提供能量支持。由于PHB的好氧代謝能夠提供大量能量，從而形成大量ATP，因此，PAOs可以吸附污水中的磷酸鹽（以上過程見圖2）。

1.3 生物除磷的主要影響因素

由以上反應機理可知，PHB的生成是生化除磷的必要條件，若在厭氧區狀態下無法生成PHB，即使釋放了磷酸鹽，也只是無效釋磷，PAOs無法在好氧區對釋放的磷酸鹽進行吸收。而形成PHB的主要影響因素有：

（1）進水碳源。進水中一般FVA的濃度很低，但是若進水中有較高的可降解有機物濃度，通過水解酸化反應，也能夠形成較高濃度的VFA。因此，釋磷反應與進水中是否含有充足可降解有機物，且有機物是否包含足夠VFA或者較容易水解酸化生成VFA有關。

NADH具有強還原性，當環境為還原性時，反應向右進行；而環境為氧化性時，反應向左進行，此時NADH會大量轉化為NAD+，進而乙酰輔酶A無法生成，最終導致無法形成PHB。

2 關于C源對生物除磷影響的實驗分析

2.1 碳源種類對除磷的影響

有學者研究表明：分子鏈越長，釋磷效果越差，酸類釋磷效果比醇類、糖類要好。本實驗中采用四種常見的基質，研究其作為外加碳源提高生物除磷率的可能性。

（1）實驗方法。

在2L圓口玻璃瓶裝入1.5L污泥混合液，放置澄清，倒掉上清液，加入原水至1.5L。接入攪拌器，蓋上瓶蓋，厭氧過程保證DO<0.2mg/L，好氧過程采用小型風機給予曝氣，保證 DO>2.0mg/l。

取某污水廠厭氧區污泥分別裝入1#、2#、3#、4#四個瓶子中，每瓶裝入1.5L，分別加入乙酸鈉、淀粉、酒精、葡萄糖四種底物作外加營養源，維持厭氧2h，好氧5h，靜沉1h，靜沉1h后的上清液為反應器處理后出水，排掉上清液在加入原水，至此結束一個周期。每天3個周期，即每個反應器每天處理4.5L污水。定期測定不同C源反應器的出水TP，確定去除效果。

（2）測試方法。

總磷濃度采用鉬銻抗分光光度法，且為避免實驗誤差實驗中除原水外其它均為溶解性TP。

硝酸鹽氮濃度采用鹽酸-氨基磺酸分光光度法。COD采用重鉻酸鉀消解法。

（3）研究結論。

（1）四種營養源中乙酸鈉對除磷的促進效果最好，其次是乙醇、葡萄糖。淀粉對除磷的促進效果最差。

（2）隨著營養源的添加量變化，TP處理效果也變化，營養源越多TP處理效果越好。

（3）TP處理效果較好的情況下，一旦營養源不足。污泥會大量無效釋磷，出水TP猛增。

（4）乙酸鈉的投加濃度大于11mg/L（0.025g/4.5L）的情況下，生物除磷的去除率就可達到較高值，但不穩定，若在22mg/L（0.05g/4.5L）濃度下，能夠確保穩定。

2.2 充足碳源下除磷效果

取1.5L某廠厭氧區污泥置反應器中，澄清后，倒掉上清液，加原水至1.5L，加入0.04g乙酸鈉。厭氧反應1.5h，好氧反應5h。

可知，加入0.04g乙酸鈉（相當于23.4mg SCOD，濃度26.67mg/L），已能達到較高的釋磷率（>300%），TP去除率也較高，達到76%。另外，在DO的最高值出現對應的反彈現象，初步分析可能是污泥因DO過高而產生自溶，造成無效釋磷。降低DO后吸磷作用開始好轉。

由此可見，加入一定量的乙酸鈉，短期之內釋磷率就能升高，去除率也處于較高值，但是好氧階段DO不宜過高，否則會產生細胞過度氧化而自溶，造成無效釋磷影響出水TP。

3其他強化除磷措施

根據生物除磷的反應機理和改良A2O工藝的特點，還有以下措施可以強化生物除磷

（1）適當減小內外回流量。一來盡量避免硝酸鹽氮進水厭氧區影響釋磷環境。二來抑制反硝化作用，使生物除磷獲得更多碳源。

（2）適度減小好氧區DO。在C源不足的情況，DO過高可能會造成聚磷菌在好氧區因為缺少底物而發生內源呼吸，即細胞自溶無效釋磷，導致出水TP上升。另外，在厭氧區與聚磷菌競爭的還有聚糖原菌，該菌在厭氧區釋放磷酸鹽但是在好氧環境下不能吸收磷酸鹽。將DO控制在較低值（但不低于1.5mg/L）可以有效抑制聚糖原菌生長。

（3）控制合適的泥齡。將泥齡控制在適宜于聚磷菌的生長周期，可以有效促進聚磷菌的生長，但前提是要保證硝化菌正常生長。

（4）利用剩余污泥在儲泥池的停留階段，促使污泥水解酸化產生高濃度VFA上清液。利用上清液回流補充進水C源。

4 總結

（1）由生物聚磷的反應機理可以看出，聚磷菌在厭氧狀態下形成PHB是生物除磷的關鍵，而形成PHB的關鍵是在于進水是否有適量、適宜的有機碳源供聚磷菌利用。

（2）有機碳源中以短鏈的FVA最為適合，供聚磷菌利用。當然長鏈的有機酸通過水解酸化形成足夠的VFA也可以有效利用。其中乙酸鈉無疑為最好的碳源之一，通過小試驗證，乙酸鈉在濃度20-30mg/l促進生物除磷作用明顯且足夠穩定。

（3）改良A2O工藝預缺氧和厭氧的配水比是提高脫氮除磷的有效手段。一般控制在0.5～1較為合適。但具體情況還受到內外回流、泥齡、DO、進水水質情況的影響，污水廠應根據進出水實際情況合理調配。

參考文獻：

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