乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑對活性污泥系統的影響

趙俊娜

摘要：為進一步提高污水處理廠工藝運行調控技術水平，通過3套SBR小試處理系統，考察了乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑2種藥劑對污水脫氮除磷效果和活性污泥性質的影響。結果表明：投加250 mg/L的乙酸鈉碳源和70 mg/L的鐵鹽除磷劑均可顯著提高除磷效果，均可實現出水總磷達到一級A排放標準，其中，投加鐵鹽除磷劑會削弱生物除磷效果，且隨著鐵鹽除磷劑投加時間的延長，生物除磷效果下降程度增加，而投加乙酸鈉碳源會明顯增強生物除磷效果，并減輕除磷劑對生物除磷的抑制作用;投加乙酸鈉碳源可明顯提高反硝化效果，投加鐵鹽除磷劑反硝化效果略有提高，但不明顯，2種藥劑對硝化反應均無明顯影響;投加乙酸鈉碳源可使MLVSS/MLSS，SVI及SOUR值增加，而投加鐵鹽除磷劑使MLVSS/MLSS和SVI值降低，SOUR值增加。通過考察進一步掌握了2種藥劑對污水處理廠活性污泥系統的影響，可為污水處理廠工藝調控提供科學實用的技術參考。

關鍵詞：水污染防治工程;乙酸鈉碳源;鐵鹽除磷劑;脫氮除磷;沉降性能;比耗氧速率

中圖分類號：X705文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx06007

Effects of sodium acetate carbon source and iron salt phosphorus

removal agent on activated sludge system

ZHAO Junna

（Cangzhou Water Supply and Drainage Group Company Limited，Cangzhou，Hebei 061000，China）

Abstract：In order to further improve the technical level of operation and control of sewage treatment plant，the influence of sodium acetate carbon source and iron salt phosphorus removal agent on sewage denitrification and phosphorus removal effect and the activated sludge properties was inspected through three sets of SBR pilot processing system.The results show that：the addition of 250 mg/L sodium acetate carbon source and 70 mg/L iron salt phosphorus removal agent can significantly improve the effect of phosphorus removal，both of them can make the total phosphorus achieve the level A emission standard;and the addition of iron salt phosphorus removal agent can weaken the biological phosphorus removal effect，and as the time of iron salt phosphorus removal agent addition is extended，the biological phosphorus removal effect is decreased，but the addition of sodium acetate carbon source can significantly enhance the biological phosphorus removal effect and reduce the inhibition effect of phosphorus removal agent on biological phosphorus removal;the denitrification effect can be significantly improved by adding the sodium acetate carbon source，the denitrification effect can be slightly improved by adding the iron salt phosphorus removal agent，but it is not obvious.Both medicaments have no obvious effects on nitration reaction;the value of MLVSS/MLSS，SVI and SOUR can be increased by adding sodium acetate carbon source，while the addition of iron salt phosphorus removal agent can lead to the decrease of the value of MLVSS/MLSS，SVI，and the increase of SOUR value.The effects of two kinds of reagents on activated sludge system of sewage treatment plant are further mastered through investigation，which can provide practical technical reference for the process regulation of sewage treatment plant.

Keywords：water pollution control engineering;sodium acetate carbon source;iron salt phosphorus removal agent;nitrogen and phosphorus removal;settling performance;specific oxygen consumption rate

近年來，水體富營養化問題日益嚴重，已成為中國乃至當今世界面臨的嚴重水污染問題之一。污水處理廠氮和磷的不合理排放是造成水體富營養化的重要因素之一[1]，為此，提高污水處理廠氮和磷的排放指標并嚴格控制排放的水質成為當下污水處理廠運行管理的重中之重。生物脫氮除磷是最經濟有效的污水處理方式，但是中國城市污水普遍存在低C/N值的情況[2]，導致生物脫氮除磷效率較差。為提高污水脫氮除磷效率，污水處理廠通常采用外加碳源提高脫氮效率和外加除磷藥劑輔助除磷的運行模式[3-5]。

現有對污水脫氮除磷的研究大多是分別針對碳源和除磷劑來進行[6-8]，同時考慮2種藥劑對活性污泥系統影響的研究較少，因此，很有必要對同時投加2種藥劑的活性污泥系統所受影響來進行對比研究。滄州市某污水處理廠由于進水的C/N值（用ρ（COD）/ρ（TN）計算得到）較低，僅為3.5左右，導致脫氮除磷效果較差，為確保水質達標，該廠運行中長期投加碳源和除磷藥劑，其中碳源為含質量分數25%乙酸鈉的復合型碳源，除磷藥劑為新型除磷劑，主要成分為含質量分數11%全鐵的液態聚合硫酸鐵。本文通過小試裝置進行了投加乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑對活性污泥系統影響的實驗研究，以期為污水處理廠的工藝調控和運行管理提供參考。

1實驗材料及方法

1.1反應裝置及運行方式

實驗采用SBR處理系統，反應器為市購塑料桶，反應器總容積為10 L，有效容積為8 L。反應器按每周期8 h運行，每天運行3個周期，每個周期進水/厭氧攪拌2 h，好氧曝氣4 h，沉淀靜置1 h，排水閑置1 h，攪拌和曝氣由自控系統自動控制。進水采用瞬時進水方式，每次進水量和排水量均為4 L。

接種污泥取自滄州市某污水處理廠二沉池回流污泥，接種污泥的MLSS（質量濃度，下同）約為8 000 mg/L。共有3組SBR處理系統，1#主要為空白對照實驗組，2#主要為投加乙酸鈉碳源實驗組，3#主要為投加鐵鹽除磷劑實驗組，每組實驗初始均取4 L進水和4 L接種污泥混合，實驗過程中污泥MLSS約4 000 mg/L。結合該廠進水水質及實際運行情況，確定碳源投加量為250 mg/L（質量濃度，下同），除磷劑投加量為70 mg/L（質量濃度，下同）。乙酸鈉碳源于厭氧攪拌初期投加，鐵鹽除磷劑于好氧段曝氣3 h時投加。反應過程控制厭氧段的ρ（DO）<0.5 mg/L，好氧段DO為2～4 mg/L（質量濃度，下同），實驗水溫為22～25 ℃。

該廠平時采用同步除磷方式，活性污泥中含有一定的除磷劑，因此，本實驗主要分為2個階段，前期不加藥劑消耗除磷劑階段和后期投加藥劑階段。具體實驗內容見表1。

1.2實驗廢水水質

本研究取滄州市某污水處理廠進水為實驗用水。實驗期間進水水質：COD（質量濃度，下同）為180～220 mg/L，BOD5（質量濃度，下同）為100～130 mg/L，總氮（質量濃度，下同）為60～70 mg/L，氨氮（質量濃度，下同）為50～60 mg/L，總磷（TP）（質量濃度，下同）為5～6 mg/L。

1.3檢測方法

COD，BOD5，氨氮，總氮，總磷，NO-3-N，PO3-4-P，MLSS和MLVSS等指標按照國家環保總局《水和廢水監測分析方法》（第4版）[9]規定的標準方法進行測定。

活性污泥比氧速率（SOUR）的測定采用溶氧電極法，取500 mL反應器好氧段活性污泥置于燒杯中進行充氧，充氧至飽和后倒入裝有攪拌子的溶氧瓶中，溶氧瓶中放入溶解氧儀探頭并用橡皮塞塞好，密封好后放于磁力攪拌器上，待溶氧儀的讀數穩定之后立即記錄。每隔30 s讀一個數值，持續10 min，繪制溶解氧-時間曲線，得到的直線斜率即為耗氧速率（OUR），根據公式SOUR=OUR/MLSS即可得到比耗氧速率。

2結果與討論

2.1對生物除磷性能的影響分析

2.1.1停加—投加除磷劑對生物除磷的影響

為了解停加—投加除磷劑對生物除磷的影響，對3#實驗組進行分析，考察了停加—投加除磷劑后厭氧和好氧末PO3-4-P濃度（質量濃度，下同）的變化情況，實驗結果如圖1所示。

停加除磷劑后的第1個周期厭氧末和好氧末PO3-4-P的濃度分別0.60和0.31 mg/L，可以看出原生化系統由于長期同步化學除磷，對生物除磷系統造成了一定的影響，導致沒有明顯的厭氧釋磷和好氧吸磷現象。已有研究表明，除磷藥劑對生物厭氧釋磷和好氧吸磷均產生抑制作用，連續投加化學藥劑一段時間后厭氧結束時TP的濃度幾乎為0[10]。停加除磷劑后厭氧末和好氧末PO3-4-P的濃度逐漸上升，表明停加除磷劑后生物除磷性能可逐漸恢復，但是經過20個周期后，厭氧末PO3-4-P的濃度基本穩定在3.0～3.5 mg/L，厭氧釋磷現象仍不太明顯，其原因可能是因為進水C/N值較低，而厭氧段初始NO-3-N的濃度較高，反硝化菌和聚磷菌競爭碳源，造成厭氧釋磷碳源不足，進而影響到厭氧釋磷和好氧吸磷效果。開始投加除磷劑后，好氧末PO3-4-P的濃度逐漸降低，磷去除率逐漸升高，但同時厭氧末PO3-4-P的濃度逐漸降低，生物除磷性能逐漸減弱。

為了更加深入了解鐵鹽除磷劑對生物除磷過程的影響，對上述實驗各個周期反應過程中PO3-4-P濃度的變化情況進行了研究，結果如圖2所示。停加除磷劑后的第1個周期和第10個周期，均沒有厭氧釋磷現象，說明生物除磷受到明顯的抑制，但是從第1個周期至第10個周期的過程，整體PO3-4-P濃度在上升，說明除磷劑對生物除磷的抑制作用在逐漸減弱，至第20個周期，在反應30 min時開始有輕微的厭氧釋磷現象。開始投加鐵鹽除磷劑后，厭氧釋磷現象再次消失，且隨著反應的進行，整個反應過程中的PO3-4-P濃度呈現逐漸下降趨勢。有研究表明，隨著化學除磷的進行，系統污泥胞內的PHA含量減少、糖原含量增加，污泥中的聚磷菌（phosphorus accumulating organisms，簡稱PAOs）相對數量下降而聚糖菌（glycogen accumulating organisms ，簡稱GAOs）相對數量顯著增加，優勢菌發生演替，長期投加除磷劑會削弱系統的內在生物除磷效力[11]。

2.1.2碳源、除磷劑對生物除磷的不同影響

為進一步了解碳源和除磷劑對生物除磷的影響，分別考察了空白組、投加乙酸鈉碳源組、投加鐵鹽除磷劑組和同時投加乙酸鈉碳源及鐵鹽除磷劑組不同藥劑投加情況下的生物除磷過程，實驗結果如圖3所示。

空白組基本沒有厭氧釋磷現象，整個過程的PO3-4-P濃度呈輕微下降趨勢，出水磷PO3-4-P濃度約3 mg/L，其原因可能是進水碳源不足，導致生物除磷效果較差;投加乙酸鈉碳源組，呈現出了明顯的厭氧釋磷和好氧吸磷現象，厭氧末PO3-4-P濃度達到7.51 mg/L，好氧末PO3-4-P濃度為0.34 mg/L，說明投加乙酸鈉碳源可以提高生物除磷效果，且僅通過該投加量的乙酸鈉碳源即可實現磷的達標排放;投加鐵鹽除磷劑組，可以實現出水磷達標，但完全沒有厭氧釋磷現象，整個過程PO3-4-P濃度保持在較低水平，且持續降低，其原因可能是由于化學除磷對生物厭氧釋磷帶來了影響，也可能是殘存的鐵離子和形成的絡合物沉淀吸附了一部分PO3-4-P;同時投加碳源和除磷劑組，有輕微的厭氧釋磷現象，厭氧段最大PO3-4-P濃度由僅投加碳源時的7.56 mg/L降至2.27 mg/L，投加碳源減輕了除磷劑對生物除磷的抑制程度。不同藥劑投加組表現出了明顯的差異，有研究表明，厭氧釋磷受到抑制主要與PAOs體內的聚羥基烷酸（polyhydroxyalkanoates，簡稱 PHA）達到飽和或污泥內部聚磷、糖原含量不足有關[12]，而這些又與碳源和除磷劑的投加具有直接關系。

2.1.3不同碳源投加條件下除磷劑對生物除磷的影響

為進一步探究碳源及除磷劑投加模式對生物除磷的影響，分別考察了長期投加乙酸鈉碳源（連續投加碳源45個周期）及初始投加乙酸鈉碳源2種不同條件下投加鐵鹽除磷劑后的生物除磷過程，實驗結果如圖4所示。

可以看出，在相同的鐵鹽除磷劑投加量下，長期投加碳源組，厭氧段最大PO3-4-P濃度達到2.27 mg/L，而開始投加碳源組，厭氧段最大PO3-4-P濃度為1.56 mg/L，可以看出長期投加碳源組厭氧釋磷量要高于初始投加碳源組，且好氧吸磷量也更大，表明長期投加碳源增強了生物除磷性能，生物除磷性能受除磷劑抑制程度降低。

2.2碳源、除磷劑對生物脫氮性能的影響分析

一般情況下投加碳源會提高反硝化效果，過量投加情況下對硝化有一定不利影響，而投加鐵鹽除磷劑對硝化、反硝化的影響沒有統一的結論。本部分系統考察了不同藥劑投加條件對反硝化及硝化反應的影響，其中反硝化實驗結果如圖5所示。

空白實驗組的初始硝氮濃度較高，整個反硝化階段硝氮濃度（質量濃度，下同）由19.7 mg/L降至13.8 mg/L，硝氮去除量僅為5.9 mg/L，其跟碳源不足造成反硝化效果較差有直接關系;投加乙酸鈉碳源組的整體總氮去除效果增加，初始硝氮濃度降低，且反硝化效果較好，反硝化速率較快，30 min時反硝化反應已基本進行完全，硝氮濃度由初始的9.2 mg/L降至1.86 mg/L;投加鐵鹽除磷劑組的反硝化速率同空白組相近，但整體硝氮濃度有所下降，硝氮去除率由29.9%提高至36.3%，這與PINTATHONG等[13]研究結果一致。其原因可能是投加除磷劑后減少了釋磷階段對碳源的需求，使碳源可以更多的被反硝化反應利用[14]，或因為鐵是微生物生長必需的重要微量元素之一，能提高脫氮酶的活性，可以加速電子傳遞速率，從而強化反硝化脫氮效果[15]，但是由于本身碳源不足，所以反硝化效果較投加乙酸鈉碳源組相差較大;同時投加乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑組的反硝化效果同投加乙酸鈉碳源組相近，說明在碳源充足的條件下鐵鹽除磷劑對反硝化影響不大。綜合4個實驗組可以看出，乙酸鈉碳源對反硝化過程具有重要影響，碳源不足的條件下，投加鐵鹽除磷劑可適當提高反硝化效果，碳源充足的條件下，投加鐵鹽除磷劑對反硝化影響不大。

另外，在上述各種藥劑投加情況下的氨氮去除率均在99%以上，證明該藥劑投加量下對硝化反應沒有造成明顯影響。

2.3對活性污泥理化性能的影響分析

投加碳源及除磷劑后活性污泥性質的變化如表2所示。

投加乙酸鈉碳源組，MLVSS/MLSS值由0.56提高至0.63，SVI由64.24 mL/g提高至72.4 mL/g，SOUR由8.7 mg/（g·h）提高至10.1 mg/（g·h）;而投加鐵鹽除磷劑組MLVSS/MLSS值降至0.52，SVI降至58.9 mL/g，SOUR提高至10.4 mg/（g·h）。

投加乙酸鈉碳源組MLVSS/MLSS值增加，其原因為投加碳源使微生物活性和數量增加，有機物質量增加;投加鐵鹽除磷劑組MLVSS/MLSS值降低，其原因可能是鐵與污水中的磷發生反應，生成難溶鹽FePO4，Fe-P-OH等無機化合物，這些無機化合物不斷積累并附著在活性污泥上，增加了活性污泥的無機組分，從而降低了單位污泥濃度的微生物活性。

投加乙酸鈉碳源組SVI升高，其原因可能是投加碳源，會使絲狀菌型污泥膨脹更易發生，高春娣等[16]的研究也表明投加乙酸鈉后SVI會逐步上升，且發現了大量的Thiothrix型絲狀菌。另一方面，也可能是投加碳源后微生物代謝碳源并分泌出親水性多糖物質覆蓋在菌膠團表面，發生非絲狀菌膨脹[17]。投加鐵鹽除磷劑組的SVI下降，說明加入鐵鹽使污泥沉降性得到改善，其原因一方面可能是鐵鹽與帶負電荷的EPS組分結合，一定程度上促進了生物絮凝，加強了絮體保持微粒與膠體顆粒的能力，直接促進活性污泥絮凝沉降性能的提高;另一方面，鐵鹽與微生物的結合可能引起微生物生理及生態的變化，間接改善活性污泥的沉降性能。有研究表明，投加鐵鹽后ZETA點位下降，污泥沉降性能得到改善[18]，還有人認為投加鐵鹽可造成絲狀菌數量的下降并提高沉降性[19]，另有研究表明，鐵的存在可能刺激細胞分泌物的產生從而引起EPS總量的增加，同時還提高了EPS中蛋白質與多糖含量的比值，活性污泥的沉降性能也隨之提高[20]。

氧吸收速率是評價廢水處理過程中污泥微生物代謝活性的一個重要指標。活性污泥比好氧速率一般為8～20 mg/（g·h）。投加乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑組的SOUR均有所提高，說明2種藥劑的投加均提高了污泥活性。投加除磷劑組的SOUR提高可能是因為鐵是微生物生長所必需的元素，能夠促進微生物的電子傳遞、酶的合成等，提高微生物活性。

3結語

本文通過SBR系統分別考察了連續投加乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑對污水處理效果和污泥性狀的影響，結果如下。

1）碳源不足的情況下，長期投加除磷劑將造成完全沒有厭氧釋磷現象，停加除磷劑后，生物除磷效果會逐漸恢復，但生物除磷效果受碳源是否充足影響很大;投加250 mg/L乙酸鈉碳源和70 mg/L鐵鹽除磷劑均能明顯提高除磷效果，使出水總磷達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A排放標準，其中投加乙酸鈉碳源能提高生物除磷效果，而投加鐵鹽除磷劑會削弱生物除磷效果;投加乙酸鈉碳源可減輕除磷劑對生物除磷的抑制，長期投加乙酸鈉碳源對減輕除磷劑對生物除磷的抑制更加有利。

2）投加250 mg/L乙酸鈉碳源可明顯提高反硝化效果和反硝化速率;碳源不足的情況下，投加鐵鹽除磷劑對反硝化具有一定的促進作用，但不明顯;碳源充足的情況下，投加鐵鹽除磷劑對反硝化反應無影響;在該藥劑投加量下，投加碳源和除磷劑均對硝化反應沒有影響。

3）投加250 mg/L乙酸鈉碳源可提高活性污泥的MLVSS/MLSS值，微生物活性和數量增加，同時會造成SVI上升，存在污泥膨脹風險;投加70 mg/L鐵鹽除磷劑后MLVSS/MLSS值降低，表明活性污泥中無機組分增加，同時SVI降低，說明適量投加除磷劑可以改善活性污泥的沉降性能;該藥劑投加量下，投加乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑均會提高SOUR，對污泥活性具有一定的促進作用。

該研究從污水處理廠實際運行出發，同時考察了投加碳源和除磷劑2種藥劑對污水處理廠生化系統的影響，可為污水處理廠工藝調控提供科學實用的指導依據。今后還將繼續研究不同條件下微生物群落結構的變化情況，為污水處理廠工藝運行提供更深入的技術參考。

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