常規(guī)生物脫氮除磷工藝呈厭氧(A1)/缺氧(A2)/好氧(O)的布置形式。該布置在理論上基于這樣一種認(rèn)識(shí)，即：聚磷微生物有效釋磷水平的充分與否，對(duì)于提高系統(tǒng)的除磷能力具有極端重要的意義，厭氧區(qū)在前可以使聚磷微生物優(yōu)先獲得碳源并得以充分釋磷。但是，①由于存在內(nèi)循環(huán)，常規(guī)工藝系統(tǒng)所排放的剩余污泥中實(shí)際上只有一少部分經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷過程，其余則基本上未經(jīng)厭氧狀態(tài)而直接由缺氧區(qū)進(jìn)入好氧區(qū)，這對(duì)于除磷是不利的；②由于缺氧區(qū)位于系統(tǒng)中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影響了系統(tǒng)的脫氮效果；③由于厭氧區(qū)居前，回流污泥中的硝酸鹽對(duì)厭氧區(qū)產(chǎn)生不利影響，為了避免該影響而開發(fā)的一些新工藝(如UCT等)趨于復(fù)雜化；④實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，按照缺氧—好氧兩段設(shè)計(jì)的脫氮工藝系統(tǒng)也常常表現(xiàn)出良好的除磷能力。因此，常規(guī)生物脫氮除磷工藝(A1/A2/O)布置的合理性值得進(jìn)一步探討。 

1 材料與方法
　　
        活性污泥取自污水生物脫氮除磷小型試驗(yàn)系統(tǒng)，污水取自實(shí)際城市污水。污水和污泥的性質(zhì)見表1。 
 

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論 

2.1短時(shí)厭氧環(huán)境及其對(duì)聚磷菌的影響
　　
        短時(shí)厭氧環(huán)境在生物脫氮除磷系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性作用，本試驗(yàn)?zāi)康氖强疾於虝r(shí)厭氧環(huán)境的生化特性及其對(duì)聚磷菌釋、吸磷行為的影響。
　　
        ①試驗(yàn)采用2只完全相同的有機(jī)玻璃柱，有效體積均為30 L(見圖1)。柱1裝有隨中心軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的彈性立體填料，柱2不裝填料，由攪拌槳攪拌。電機(jī)轉(zhuǎn)速為15～20 r/min，柱上方均設(shè)有蓋板。 
 

        柱1作掛膜運(yùn)行，HRT＝20～30 h，溫度為24～29℃。為了單獨(dú)考察城市污水在短時(shí)厭氧環(huán)境污水中VFA的變化，試驗(yàn)未引入小試系統(tǒng)活性污泥。柱內(nèi)微生物完全為厭氧環(huán)境下由污水自然接種生長(zhǎng)起來的厭氧或兼性細(xì)菌，顯然其厭氧程度較一般脫氮除磷系統(tǒng)的厭氧區(qū)更為充分。柱2作為對(duì)比，未作任何處理。正式試驗(yàn)時(shí)，將兩柱瞬時(shí)放空，注入新鮮污水，然后啟動(dòng)電機(jī)，每隔2h取樣，分析污水中VFA隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果見圖2。
 

        圖2表明，在本試驗(yàn)條件下，短時(shí)厭氧環(huán)境并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區(qū)放置填料則會(huì)加劇該區(qū)VFA的消耗。
　　
        根據(jù)厭氧消化理論，污水中的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為VFA需要經(jīng)歷水解和產(chǎn)酸(產(chǎn)氫)兩個(gè)過程。盡管早期的研究曾認(rèn)為在此過程中兼性細(xì)菌屬于優(yōu)勢(shì)種群，但關(guān)于生活污水污泥消化的研究指出，事實(shí)正好相反，專性厭氧細(xì)菌較兼性細(xì)菌多100倍以上。從總體上說，最重要的水解反應(yīng)和發(fā)酵反應(yīng)都是通過專性厭氧細(xì)菌進(jìn)行的，同時(shí)由于專性厭氧細(xì)菌的生化效率很低，上述過程需要較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間。Andrews和Pearson(1965)曾利用溶解性有機(jī)和無機(jī)合成污水對(duì)厭氧發(fā)酵過程的VFA產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng) HRT ＝2.5 d時(shí)反應(yīng)器的VFA濃度最高。
　　
        本試驗(yàn)所采用的 HRT =2～3 h(這與生物除磷工藝厭氧區(qū)的HRT相近)，污水 COD 僅500mg/L左右。在這樣的條件下，柱內(nèi)實(shí)際上很難造就類似污泥消化那樣的厭氧環(huán)境并培養(yǎng)出大量的專性厭氧菌，生物膜上的微生物主體仍為消耗VFA的兼性細(xì)菌，故而柱1的VFA數(shù)量不僅沒有增加，反而消耗很快。柱2完全為污水，其微生物數(shù)量較少，所以其VFA在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)基本上保持恒定。只是在一定時(shí)間以后，隨著微生物的增殖，VFA才出現(xiàn)明顯下降。本試驗(yàn)說明，就一般城市污水而言，短時(shí)厭氧區(qū)不會(huì)增加污水中VFA的量。
　　
        ② 將柱1、柱2放空，從小試系統(tǒng)好氧區(qū)末端取3 L混合液，與3 L污水混合后一分為二地分別裝入柱1、柱2，然后啟動(dòng)電機(jī)；兩柱厭氧運(yùn)行2～3 h后取出填料和攪拌槳，并同時(shí)轉(zhuǎn)入曝氣狀態(tài)每隔30 h取樣分析比較兩柱釋磷、吸磷特點(diǎn)，結(jié)果見圖3。
 　　  

        圖3(a～d)是在不同時(shí)間利用實(shí)際污水進(jìn)行的四組重復(fù)性試驗(yàn)。由于實(shí)際污水水質(zhì)的變化，圖3污水中的VFA濃度是依次下降的。圖3(a、c)的厭氧歷時(shí)為3 h，圖3(b、d)的厭氧歷時(shí)為2 h。
　　
        該四組圖表明：①在厭氧條件下進(jìn)水VFA越高，柱1、柱2的釋磷量越大，這與以往的認(rèn)識(shí)是一致的。②柱1存在兼性生物膜，致使其厭氧環(huán)境較柱2更為充分。當(dāng)VFA較多時(shí)，低ORP水平促使柱1聚磷菌以更快的速率吸收VFA合成PHB，同時(shí)釋放出磷酸鹽。由圖可見，柱1初期釋磷速率均明顯大于柱2。圖3(d)進(jìn)水VFA最低，柱1釋磷曲線一直在柱2的上方，直至厭氧段結(jié)束，柱2釋磷曲線才與柱1交合。但是柱1兼性生物膜同時(shí)消耗VFA，當(dāng)反應(yīng)器中VFA不足時(shí)，兼性生物膜與聚磷菌對(duì)VFA的競(jìng)爭(zhēng)就表面化了，并使柱1釋磷速率迅速衰減。柱2基本上不存在這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，故聚磷菌能長(zhǎng)時(shí)間保持較高的釋磷速率并最終在釋磷總量上超過柱1。除圖3(d)外，投加填料的柱1釋磷總量均比柱2小，而且進(jìn)水VFA越高其差別越明顯，見圖3(a、b)。 ③在后續(xù)好氧條件下，柱1聚磷菌過度吸磷能力明顯高于柱2，當(dāng)厭氧歷時(shí)由3 h降為2 h時(shí)上述差別明顯增大，見圖3(b、d)。該現(xiàn)象是值得特別關(guān)注的，它表明聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其好氧過度吸磷能力的充分必要條件。這與目前流行的關(guān)于聚磷菌厭氧有效釋磷越高，其過度吸磷能力越強(qiáng)的認(rèn)識(shí)基本上是矛盾的。從上述現(xiàn)象分析推動(dòng)聚磷菌好氧過度吸磷的更本質(zhì)動(dòng)力，可以得出的判斷是，在一定范圍內(nèi)，聚磷菌在厭氧環(huán)境中的歷時(shí)越長(zhǎng)，環(huán)境的ORP越低，促進(jìn)好氧吸磷的動(dòng)力越大。而就系統(tǒng)的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現(xiàn)象。好氧吸磷的能量既可以來自胞內(nèi)貯存的碳源(如PHB)，也可以從其他方面獲得。這種差別當(dāng)厭氧歷時(shí)由3 h減為2h時(shí)變得尤其明顯，表明厭氧環(huán)境對(duì)于微生物過度吸磷的極端重要性。
　　
2.2 厭氧、缺氧環(huán)境倒置對(duì)聚磷菌的影響
　　
        采用2只幾何尺寸完全相同的有機(jī)玻璃柱進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，柱的有效體積均為30 L，底部設(shè)有取樣口。其厭氧、缺氧狀態(tài)采用如圖1(柱2)所示的可拆卸攪拌槳攪拌，電機(jī)轉(zhuǎn)速為15～20 r/min。好氧狀態(tài)由微孔曝氣頭曝氣，開始試驗(yàn)時(shí)，從小試系統(tǒng)好氧區(qū)末端取3 L混合液，與3 L污水混合后，一分為二地分別裝入兩柱。柱1初始時(shí)刻另加入適量KNO3溶液，然后啟動(dòng)電機(jī)分別進(jìn)入缺氧、厭氧攪拌狀態(tài)。攪拌2 h后，再向柱2加入KNO3溶液。4 h后兩柱同時(shí)結(jié)束攪拌，取出攪拌槳，并轉(zhuǎn)入曝氣狀態(tài)。因此，柱1實(shí)際是按照A2/A1/O方式運(yùn)行，柱2按照常規(guī)的A1/A2/O方式運(yùn)行。每隔30 min取樣，分析比較兩柱的PO43--P和NO3--N變化規(guī)律，結(jié)果見圖4。由圖4可以看到，柱1從零時(shí)刻加入硝酸鹽起，在前2 h內(nèi)實(shí)際上處于缺氧狀態(tài)，反硝化、釋磷同時(shí)進(jìn)行。但和柱2相比，柱1前的釋磷速率很低；至30 min時(shí)，釋磷幾乎完全停止；60 min后，隨著硝酸鹽基本耗盡，釋磷速率迅速增大；至240 min，柱內(nèi)濃度達(dá)到65 mg/L。圖中A點(diǎn)硝酸鹽上升是由于誤操作引起的，有趣的是，柱1的釋磷曲線也出現(xiàn)了點(diǎn)A′相應(yīng)的變化。
 

        柱2在120min時(shí)加入硝酸鹽，因此其前2 h內(nèi)為厭氧，后2 h基本為缺氧。柱2前2 h的釋磷速率很快，至120 min時(shí)PO43--P高達(dá)7.3 mg/L。120 min后由于硝酸鹽的加入，聚磷菌開始吸磷，但由于缺氧狀態(tài)下微生物ATP產(chǎn)率較低，故該階段的吸磷速率并不高。至180 min硝酸鹽消耗殆盡，吸磷也基本上停止。進(jìn)入曝氣狀態(tài)后，柱2雖重新開始吸磷，但因前面缺氧段的存在，致使其吸磷速率大大低于柱1。曝氣開始時(shí)，柱1的PO43--P濃度高達(dá)6.5 mg/L，柱2僅為5.3 mg/L。但至480 min，柱1的PO43--P濃度為0.1 mg/L，而柱2的PO43--P卻為1.05 mg/L，兩者相差10倍。從脫氮角度看，兩者均把柱內(nèi)硝酸鹽全部反硝化，但柱1的比反硝化速率為4.12 mgN/(h•gVSS)，柱2為280 mgN/(h•gVSS)，柱1明顯快于柱2。
　　
        從上面的討論可以看出，將常規(guī)生物脫氮除磷工藝系統(tǒng)的厭氧、缺氧環(huán)境倒置，可明顯改善系統(tǒng)的氮磷脫除效果。在倒置的A2/A1/O方式下，碳源問題仍然存在，并造成聚磷菌的釋磷水平明顯低于常規(guī)的A1/A2/O方式。但在該方式中，由于硝酸鹽在前面的缺氧區(qū)已經(jīng)消耗殆盡，因此其厭氧環(huán)境更加充分，微生物厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成的吸磷動(dòng)力得到了更有效的利用。
　　
        對(duì)常規(guī)脫氮除磷工藝來說，污泥回流比常在0.5～1.0左右，內(nèi)循環(huán)比則在2.0～3.0之間。在所有參與內(nèi)外循環(huán)的污泥中，通常只有占總數(shù)不到一半的回流污泥經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷過程，而大部分污泥實(shí)際上沒有經(jīng)過厭氧階段而直接進(jìn)入缺氧和好氧環(huán)境。相應(yīng)地，其所排放的剩余污泥中富磷污泥的含量實(shí)際上也只占一少部分，因而影響了系統(tǒng)的除磷效果。與此不同，A2/A1/O方式允許參與回流的所有污泥全部經(jīng)歷完整的釋磷、吸磷過程，故其排放的剩余污泥含磷更高，系統(tǒng)的除磷效果也更好，具有一種“群體效應(yīng)”優(yōu)勢(shì)。
　　
        在A2/A1/O方式中，缺氧段優(yōu)先得到碳源，故其脫氮能力明顯增強(qiáng)。在本試驗(yàn)條件下，其比反硝化速率和A1/A2/O方式相比提高50%。
　　
        從工程角度講，A2/A1/O方式不僅具有較好的氮磷脫除能力，而且可能較傳統(tǒng)脫氮除磷工藝更加簡(jiǎn)捷。工程上采取一定措施，使其污泥回流和內(nèi)循環(huán)合并為一個(gè)回流系統(tǒng)是完全可能的，這對(duì)于開發(fā)簡(jiǎn)捷、高效的生物脫氮除磷工藝來說是十分有利的。
　　
2.3 倒置A2/O工藝的特點(diǎn)
　　
        采用兩個(gè)平行系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，系統(tǒng)1以倒置A2/O方式運(yùn)行，系統(tǒng)2以常規(guī)A2/O方式運(yùn)行。兩系統(tǒng)的有效容積均為77.2 L，各區(qū)比例為A2(A1):A1(A2):O＝1:1:2，二沉池水力停留時(shí)間為21h，非曝氣區(qū)采用攪拌槳攪拌。
　　
        試驗(yàn)初期,從污水廠生產(chǎn)性曝氣池取活性污泥引入小試系統(tǒng),經(jīng)過一個(gè)月的試運(yùn)行，MLVSS達(dá)2～3 g/L，出水COD降至50 mg/L以下，遂開始正式試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的工藝參數(shù)和運(yùn)行結(jié)果見表2。由于倒置A2/O工藝取消了內(nèi)循環(huán)，因此其回流系統(tǒng)只有一個(gè)，總回流比也比常規(guī)A2/O工藝減少了20%。試驗(yàn)中的小流量控制比較困難，因此系統(tǒng)1的實(shí)際進(jìn)水量稍大于系統(tǒng)2，這導(dǎo)致其實(shí)際水力停留時(shí)間略短于表2中的8 h，MLVSS也相應(yīng)地較系統(tǒng)2偏高。作為對(duì)比性試驗(yàn)，這種差異對(duì)于系統(tǒng)1略為不利。
　　
        由表2可以看出，兩個(gè)系統(tǒng)的COD去除能力相當(dāng)，并均高達(dá)90%以上，出水最高COD均在50 mg/L以下，表中系統(tǒng)1的出水COD略高于系統(tǒng)2是其實(shí)際進(jìn)水量偏大所致?？梢哉f，倒置A2/O工藝在COD去除能力方面與常規(guī)A2/O工藝相當(dāng)，是令人滿意的。
　　
        但值得注意的是，兩系統(tǒng)的氮磷脫除功能有明顯差異。系統(tǒng)1(倒置A2/O工藝)的出水TN是8.9mg/L，去除率為84.7%；系統(tǒng)2(常規(guī)A2/O工藝)的出水TN是14.9 mg/L，去除率為74.4%。系統(tǒng)1的TN去除率比系統(tǒng)2整整高出10%。同樣還觀察到，系統(tǒng)1的出水TP僅為0.67 mg/L，其TP去除率比系統(tǒng)2高出近9%。兩系統(tǒng)出水水質(zhì)的這種顯著差異說明倒置A2/O工藝的氮磷脫除功能的確優(yōu)于常規(guī)A2/O工藝。
 

3 結(jié)論
　　
        ① 就一般城市污水而言，短時(shí)厭氧區(qū)( HRT ＝2～3 h)并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區(qū)設(shè)置填料將明顯加劇該區(qū)VFA的消耗。
　　
        ②聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其在后續(xù)曝氣條件下過度吸磷能力的充分必要條件。而就系統(tǒng)的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現(xiàn)象。好氧吸磷的能量既可以來自胞內(nèi)貯存的碳源(如PHB)，也可能從氧化胞外的其他基質(zhì)獲得。
　　
        ③推進(jìn)聚磷菌過度吸磷的本質(zhì)動(dòng)力與厭氧區(qū)HRT和厭氧環(huán)境的厭氧程度有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，厭氧環(huán)境的HRT越長(zhǎng)，厭氧程度越充分，聚磷菌的吸磷動(dòng)力越強(qiáng)。
　　
        ④把常規(guī)脫氮除磷系統(tǒng)的厭氧、缺氧環(huán)境倒置過來，可得到更好的脫氮除磷效果。其特點(diǎn)在于：a缺氧區(qū)位于厭氧區(qū)之前，硝酸鹽在這里消耗殆盡，厭氧區(qū)ORP較低，有利于微生物形成更強(qiáng)的吸磷動(dòng)力；b微生物厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成吸磷動(dòng)力可以得到更充分利用；c缺氧段位于工藝的首端，允許反硝化優(yōu)先獲得碳源，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的脫氮能力。
　　
        ⑤倒置A2/O工藝與常規(guī)A2/O工藝的小型系統(tǒng)平行對(duì)比試驗(yàn)表明，倒置A2/O工藝的氮磷脫除功能明顯優(yōu)于常規(guī)A2/O工藝，其COD去除能力與常規(guī)A2/O工藝相當(dāng)。
　　
        ⑥由于取消了內(nèi)循環(huán)，倒置A2/O工藝在流程上更為簡(jiǎn)捷。同時(shí)，參與回流的全部污泥均經(jīng)歷了完整的厭氧—好氧過程，在除磷方面具有一種“群體效應(yīng)”，是十分有利的。

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