黃德鋒，孫力平

（天津城市建設(shè)學(xué)院 市政與環(huán)境工程系，天津 300384）

　　摘  要：試驗(yàn)結(jié)果表明，在利用淹沒序批式生物膜法除磷的反應(yīng)器中投加生物優(yōu)勢(shì)菌種后，明顯提高了厭氧段總磷釋放和好氧段總磷吸收的效果，提高了除磷效率，縮短了停留時(shí)間。在填料裝填密度為30%，水力停留時(shí)間為7 h（其中厭氧3 h，好氧4 h），pH值在5.5 ~ 9.5之間變化時(shí)，投加菌種的反應(yīng)器中COD和TP去除率均明顯高于未投加菌種的反應(yīng)器。

　　關(guān)鍵詞：優(yōu)勢(shì)菌種；序批式；生物除磷；裝填密度

　　1 引言

　　淡水中含磷過多會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，表現(xiàn)為藻類大量繁殖、水質(zhì)惡化、湖泊退化等。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，人民生活水平的提高，污水排放總量的不斷增加，各種含磷洗滌劑和化肥農(nóng)藥的大量使用，廢水中的氮、磷物質(zhì)對(duì)環(huán)境造成的影響也逐漸引起人們的重視，國(guó)內(nèi)外對(duì)氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格。

　　淹沒序批式生物膜法除磷是一種行之有效的工藝，以厭氧/好氧方式運(yùn)行，通過厭/好氧狀態(tài)的交替運(yùn)行使污水中的磷得到有效的去除。如果該工藝加缺氧段，控制合適的碳氮比，可以實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮。但也存在一些問題：污泥停留時(shí)間較長(zhǎng)，處理效果容易受到進(jìn)水中COD_Cr和pH值沖擊負(fù)荷的影響。

　　投加生物優(yōu)勢(shì)菌種，能夠進(jìn)一步提高生物處理構(gòu)筑物中高效生物的濃度，提高反應(yīng)速率和處理效能，減少水力停留時(shí)間和二沉池負(fù)荷，降低基建投資，從而提高系統(tǒng)的除磷能力。向該系統(tǒng)中投加生物優(yōu)勢(shì)菌種，強(qiáng)化生物量對(duì)污水這一特定環(huán)境的作用，能在不擴(kuò)充現(xiàn)有水處理設(shè)施的基礎(chǔ)上，提高水處理的范圍和能力。本試驗(yàn)重點(diǎn)通過對(duì)比試驗(yàn)，研究投加生物優(yōu)勢(shì)菌種對(duì)序批式生物膜法除磷性能的影響。

　　2 材料與方法

　　2.1 材料

　　模擬污水：將稱量好的化學(xué)藥品溶于5000 mL的蒸餾水中，配成一定濃度的污水。試驗(yàn)時(shí)作稀釋，調(diào)整COD_Cr值和污水中氮、磷濃度。污水成分如表1所示。

表1  合成污水的主要成分

　　試驗(yàn)采用自配的原生污水，與生活污水水質(zhì)接近，投加的主要物質(zhì)為葡萄糖、乙酸鈉、磷酸二氫鉀、氯化銨、硫酸鎂、微量元素液等，加少量碳酸氫鈉調(diào)節(jié)堿度。如表1和表2所示。

表2  微量元素液的組成

　　生物優(yōu)勢(shì)菌種：生物優(yōu)勢(shì)菌種取自天津市環(huán)境科學(xué)研究院，共7瓶富集培養(yǎng)液，鑒定到屬，是具有較好聚磷性能的優(yōu)勢(shì)聚磷菌。將優(yōu)勢(shì)菌種投入反應(yīng)器之前，首先進(jìn)行擴(kuò)增，將試驗(yàn)所需培養(yǎng)基（所用培養(yǎng)基成分如表3所示）裝入500 mL三角瓶中，以8層紗布封口，經(jīng)高壓蒸汽滅菌后，在無菌操作條件下，接入一定容積（反應(yīng)器有效容積的5%）的富集培養(yǎng)液，好氧條件在28℃下恒溫振蕩培養(yǎng)48 h。然后將各菌株按一定比例復(fù)配。

　　活性污泥取自天津紀(jì)莊子污水處理廠曝氣池新鮮活性污泥，經(jīng)沉淀分離后投入反應(yīng)器。

表3  培養(yǎng)基成分及用量

　　2.2 試驗(yàn)裝置與方法

　　本試驗(yàn)所用反應(yīng)器如圖1所示，反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，上部為圓柱體，尺寸為φ30×60 cm，下部為圓錐體，尺寸為φ30×16 cm。錐體部分為沉淀池，體積為3 L。反應(yīng)器有效容積40 L，出水管間距10 cm，并設(shè)有混合液回流裝置，用作攪拌作用，以避免利用攪拌機(jī)攪拌時(shí)對(duì)填料造成干擾，并在反應(yīng)器內(nèi)內(nèi)置圓柱形導(dǎo)流筒，尺寸為φ16×50 cm，可以保護(hù)濾料免受曝氣的沖刷作用?；亓鞅貌捎脝蜗喙艿辣?，流量為0.5 m³/h。核心裝置為生物接觸氧化反應(yīng)器，內(nèi)裝聚乙烯纖維復(fù)合填料，試驗(yàn)所用填料為聚乙烯組合軟性填料，比表面積為2660，空隙率為99%。

圖1  試驗(yàn)裝置圖

　　為研究投加優(yōu)勢(shì)聚磷菌后對(duì)反應(yīng)器除磷效果的影響，本試驗(yàn)采用兩組同體積的反應(yīng)器同時(shí)掛膜，把組合軟性填料分別裝入兩個(gè)反應(yīng)器中，填充比為30%。在第一個(gè)反應(yīng)器中只加入取自天津紀(jì)莊子污水處理廠匯流泵房的回流污泥，稱為反應(yīng)器1，而在第二個(gè)反應(yīng)器中，加入上述回流污泥的同時(shí)，又加入等體積復(fù)配后的優(yōu)勢(shì)聚磷菌，稱為反應(yīng)器2。兩個(gè)反應(yīng)器同時(shí)利用快速排泥法進(jìn)行掛膜。

　　本試驗(yàn)首先在固定進(jìn)水污泥齡、pH、COD_Cr、NH₄⁺-N、TP濃度情況下，通過試驗(yàn)確定兩個(gè)反應(yīng)器除磷的最佳厭氧/好氧時(shí)間，確定厭氧/好氧運(yùn)行的淹沒序批式生物膜法除磷的最佳運(yùn)行周期。然后研究投加生物優(yōu)勢(shì)菌種后，兩個(gè)反應(yīng)器在除磷效果、抗COD_Cr沖擊負(fù)荷、對(duì)進(jìn)水pH值變化的適應(yīng)能力等方面的差異，從而研究?jī)?yōu)勢(shì)菌種的優(yōu)勢(shì)所在。

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 污泥齡對(duì)除磷效果的影響

　　由于生物除磷系統(tǒng)中的除磷效果與排放的剩余污泥量直接相關(guān)，剩余污泥量取決于污泥齡。有人報(bào)道，當(dāng)泥齡為30 d時(shí)，除磷效率為40%；泥齡17 d時(shí)，除磷效率為50%；污泥齡降到5 d時(shí)，除磷效率提高到87%，所以一般認(rèn)為泥齡在5 ~ 10 d時(shí)除磷效果是比較好的^[1]。泥齡越長(zhǎng)，活性生物量越低，聚磷菌為維持其生命活動(dòng)而分解聚磷導(dǎo)致磷的二次釋放，除磷能力也相應(yīng)降低。故本試驗(yàn)控制污泥齡為8 d，每天排出5 L活性污泥混合液。

　　3.2 利用正交試驗(yàn)確定厭氧/好氧停留時(shí)間

　　厭氧/好氧停留時(shí)間是影響序批式生物膜法除磷的關(guān)鍵因素。在厭氧條件下，聚磷菌分解細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽同時(shí)產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機(jī)物攝入體內(nèi)，以PHB及糖原等有機(jī)顆粒的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)；同時(shí)，排出分解聚磷酸鹽分解所產(chǎn)生的磷酸鹽。進(jìn)入好氧環(huán)境后，聚磷菌又利用PHB氧化分解產(chǎn)生的能量攝取廢水中的磷，并把攝取的磷合成聚磷酸鹽貯存于細(xì)胞內(nèi)，并吸收有機(jī)物大量增殖。微生物的增殖使微生物在好氧環(huán)境中攝取的磷大于厭氧釋放的磷，富含磷微生物通過剩余污泥排出，從而實(shí)現(xiàn)除磷目的^[2]。在本試驗(yàn)中，控制污泥齡為8 d，進(jìn)水COD_Cr為300 mg/L，TP為10 mg/L，NH₄-N為40 mg/L，pH為7.3，研究聚磷微生物在厭氧條件下釋磷和好氧條件吸磷隨時(shí)間變化的情況，以確定達(dá)到最佳除磷效果時(shí)的厭氧/好氧時(shí)間。

圖2  兩反應(yīng)器中厭氧段總磷釋放曲線對(duì)比

圖3  兩反應(yīng)器中好氧段總磷吸收曲線對(duì)比

　　由圖2和圖3可知，厭氧段釋磷主要集中在前3小時(shí)，之后的9小時(shí)內(nèi)釋磷量增加幅度很小。好氧段吸磷主要集中在前2小時(shí)，以后TP吸收量增加很少。故本試驗(yàn)確定運(yùn)行周期為7 h（其中厭氧3 h，好氧4 h）。反應(yīng)器2在厭氧段TP的釋放量和釋放速率都明顯高于反應(yīng)器1。而反應(yīng)器2在好氧段TP的吸收速度和吸收量也明顯高于反應(yīng)器1?？傊诶醚蜎]序批式生物膜法除磷試驗(yàn)中，投加優(yōu)勢(shì)聚磷菌后，由于優(yōu)勢(shì)聚磷菌在厭氧段的總磷釋放和好氧段總磷吸收的效果較好，而且增加了反應(yīng)器中的生物量，厭氧段TP的釋放和好氧段TP的吸收都明顯改善，TP去除率大為提高。

　　3.3 進(jìn)水COD_Cr/TP對(duì)除磷效果的影響

　　除磷效果與COD_Cr/TP、BOD₅/TP的值有關(guān)，同時(shí)又隨工藝不同而變化。生物除磷所需最少有機(jī)物的概念引出了碳限制污水和磷限制污水。碳限制污水是指污水中有機(jī)物數(shù)量不足以去除所有磷，結(jié)果出水磷濃度高。磷限制污水時(shí)指污水中有機(jī)物數(shù)量大于除磷所需有機(jī)物數(shù)量，此時(shí)出水中磷濃度很低^[3]。所以當(dāng)需要得到良好的出水水質(zhì)時(shí)，期望原水水質(zhì)屬磷限制污水。本試驗(yàn)通過改變進(jìn)水COD_Cr負(fù)荷率，研究投加優(yōu)勢(shì)聚磷菌后，對(duì)反應(yīng)器中COD_Cr和總磷去除率的變化。

圖4  COD_Cr負(fù)荷率變化對(duì)COD_Cr去除率的影響

圖5 COD_Cr負(fù)荷率變化對(duì)TP去除率的影響

　　由圖4、圖5可知，投加優(yōu)勢(shì)菌種后，當(dāng)進(jìn)水COD_Cr負(fù)荷率在0.2 ~ 1.5 kg/(m³·d)變化，反應(yīng)器1中COD_Cr和總磷去除率在70%以上，最高分別可達(dá)90%和92%。而投加優(yōu)勢(shì)聚磷菌后反應(yīng)器2中COD_Cr去除率最高可達(dá)97%，總磷去除率最高為96%。由此可見，投加生物優(yōu)勢(shì)菌種后，反應(yīng)器更適應(yīng)COD_Cr負(fù)荷率的變化，COD_Cr和總磷去除率都明顯高于未投加菌種的反應(yīng)器。

　　3.4 進(jìn)水pH對(duì)處理效果的影響

　　據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，pH值在6.5 ~ 8.2范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)聚磷菌的生理活動(dòng)影響不大。因此試驗(yàn)中調(diào)節(jié)pH值在7左右。由于合成污水中加入一定的堿度，厭氧后及好氧后出水pH值變化不大，接近中性。本試驗(yàn)分別調(diào)節(jié)進(jìn)水pH值為6.2 ~ 9.2，研究投加優(yōu)勢(shì)菌種后進(jìn)水pH值變化對(duì)兩反應(yīng)器除磷效果的影響。

圖6  pH值變化對(duì)COD_Cr去除率的影響 
       
圖7  pH值變化對(duì)TP去除率的影響

　　由圖6、圖7可知，進(jìn)水pH值變化對(duì)總磷去除率影響較大。當(dāng)進(jìn)水pH值在5.5 ~ 9.5之間變化時(shí)，反應(yīng)器2中COD_Cr和總磷去除率都明顯優(yōu)于反應(yīng)器1。投加菌種后，COD_Cr最高去除率從88%提高到93%，總磷去除率從89%提高到95%，當(dāng)pH值在6.5 ~ 8.5之間時(shí)，總磷去除率較高，未投加菌種的反應(yīng)器1中總磷去除率在90%以上，而投加菌種的反應(yīng)器2中總磷去除率在95%左右。

　　4 結(jié)論

　　在利用兩個(gè)反應(yīng)器同時(shí)利用淹沒序批式生物膜法除磷試驗(yàn)中，在反應(yīng)器中投加優(yōu)勢(shì)菌種后，總磷去除率明顯增加，試驗(yàn)運(yùn)行3個(gè)月，未發(fā)現(xiàn)投加菌種的反應(yīng)器中微生物除磷效率有明顯下降。

　?、?反應(yīng)器中投加菌種后，厭氧段總磷的釋放和好氧段總磷吸收都明顯優(yōu)于未投加優(yōu)勢(shì)菌種的反應(yīng)器。

　?、?在進(jìn)水COD_Cr和pH值變化時(shí)，COD_Cr和TP去除率都高于未投加優(yōu)勢(shì)菌種的反應(yīng)器

　　③ 投加的優(yōu)勢(shì)菌種的除磷效果受到水質(zhì)、水量、營(yíng)養(yǎng)物、投菌量、反應(yīng)器構(gòu)型、停留時(shí)間等諸多因素的影響，需進(jìn)一步研究如何使投加的菌種長(zhǎng)期保持生物活性并具有良好的除磷效果。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]  孫力平. 污水處理新工藝與設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例. 北京:科學(xué)出版社, 2002.

　　[2]  BaoZhen Wang, Jun Li. Mechanism of Phosphorus Removal by SBR Submerged Biofilm System [J]. Wat, Res, 1998, 32(9): 2633-2638.

　　[3]  吳凡松, 彭永臻. 城市污水除磷廠的生物除磷系統(tǒng)設(shè)計(jì). 中國(guó)給水排水, 2002, 18(8): 56-58.