淹沒序批式生物膜法除磷工藝特性研究
1 淹沒式生物膜法除磷工藝選擇
1.1 淹沒式生物膜法除磷的條件
在厭氧條件下，若廢水中沒有DO或氧化態氮(NO-X)，一般無聚磷能力的好氧菌及脫氮菌，不能產生ATP(三磷酸腺苷)，所以這類微生物不能攝取細胞外的有機物，即不能進行主動運輸。但是，另一類叫做除磷菌的細菌卻能分解細胞內的聚磷酸鹽同時產生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機物攝入細胞，以PHB(聚—β—羥基丁酸)及糖原等有機顆粒的形式儲存于細胞內；同時將聚磷酸鹽分解所產生的磷酸鹽排出胞外，這時細胞內還會誘導產生相當量的聚磷酸鹽激酶。一旦進入好氧環境，除磷菌又可利用PHB氧化分解所釋放的能量來攝取廢水中的磷，并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽而儲存于細胞內。微生物在增殖過程中，在好氧環境下所攝取的磷比在厭氧環境下所釋放的磷多，廢水的生物除磷正是利用了微生物的這一過程，并作為剩余污泥排走。
由生物除磷機理可見，若想采用淹沒式生物膜法除磷，必須解決四方面的問題：①必須滿足除磷菌習性，使生物膜交替處于厭氧、好氧的狀態，并逐步使除磷菌成為優勢菌屬，實現其增殖；②供給必要的有機碳源(由廢水提供)；③最后的磷排出必須是以脫落污泥的形式，這就要求除磷菌為優勢菌屬的生物膜生長要快，且應在好氧狀態下能脫落，即需有足夠的曝氣強度和選擇合適的生物膜載體；④污泥沉淀后應及時排出系統。
1.2 淹沒式生物膜法除磷工藝選擇
細菌細胞內含磷約2%(以質量計)，所以傳統的生物膜法最多只能去除污水中約20%的磷。對一般生物膜法來說，無論是A/O(厭氧/好氧)工藝還是A2/O(厭氧/缺氧/好氧)工藝，由于是在空間上造成A或O的狀態，微生物只能持續地處于A或O的單一狀態，而不能處于A/O交替的狀態，因此，不具備生物除磷的條件，也就達不到生物除磷的目的。而序批式生物處理工藝集曝氣、沉淀于一池，運轉按進水、反應、沉淀、排水等幾個階段進行，污水間歇而有序地進入反應池和排出反應池。由于序批式工藝的特殊性，設計合理，可使生物膜在時間上交替處于A/O狀態，從而有望實現生物除磷的目的，同時，混合液也可在時間上交替處于A/O狀態，從而有望實現生物脫氮。
2 試驗方法
2.1試驗裝置
試驗裝置如圖1所示。
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試驗用反應器是有機玻璃制成，內徑為15cm，反應器內有效容積為18L，其中沉淀池容積為2L。其試驗進水的TP平均為10.0mg/L，COD為370.0mg/L，溫度為25℃，好氧狀態的DO平均為5.5mg/L。
裝填密度是指生物膜與載體所占容積與整個反應器容積之比。在分別做了最大裝填密度：37.5%、實用裝填密度：30%以及較低裝填密度：22.5%的對比試驗后，確定較適宜的裝填密度為30%。此時，反應器中的纖維載體的比表面積為2.66m2/L。
生物膜培養采用A/O交替運行方式歷時3個月，菌種取自一般活性污泥工藝。在之后的工藝參數和影響因素的試驗中，取運行條件改變后2周的水樣進行測定。
2.2 原水和主要分析方法
原水用自來水加蛋白胨配制，同時還投加少量氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉等，配制后水質如表1所示。
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注：COD為重鉻酸鉀法；TN為過硫酸鉀—紫外分光光度法；NH+4-N為納氏試劑光度法；NO-3-N、NO-2-N為離子色譜法；TP為過硫酸鉀氯化亞錫還原光度法。
3 試驗結果及分析
3.1厭氧時間段和好氧時間段的確定
為確定合適的厭氧所需時間，將厭氧時間延長到12 h，并測定了TP的變化過程(見圖2)。
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由圖2可知，磷釋放主要集中在前3 h內，之后的9 h，磷釋放現象雖有，但幅度很小。聚磷菌只有充分釋放磷后，才能很好地過量攝取磷，從而達到生物除磷的目的。另一方面，厭氧時間過長，將導致廢水在整個反應器中的停留時間過長，很不經濟。因此，依據試驗曲線，確定厭氧段所需時間為3h。
為確定合適的好氧時間段，也將3h厭氧后的好氧段時間延長至17h，并測定了相應TP和各種形態氮濃度的變化曲線(見圖3、4)。
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由圖3可見，好氧聚磷在好氧開始后2h內已近完成，但為保證硝化，筆者將好氧時間定為6h。由圖4知，在6h后的NH+4-N＜1mg/L，硝化基本完成，此時總氮的去除率達56.6%。
3.2 進水COD負荷
試驗中，采用4種COD進水負荷考察COD、TP的變化規律(見圖5、6)。
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由圖5可知，軟性填料序批式生物膜法可承受較高的COD負荷，且在厭氧段有較高的COD吸收速率。在進水負荷為1.32kgCOD/(m3·d)(相應進水COD濃度為496.8mg/L)時，厭氧段COD吸收值為212.5mg/L；而進水負荷為1 kgCOD/(m3·d)(相應進水COD濃度為375.0mg/L)時，吸收值為203.1mg/L，這說明在進水負荷為1kgCOD/(m3·d)時，厭氧段COD吸收值已趨于極大值，并表明了不是所有的有機物都可以作為細胞的合成物質的。所以，筆者確定該工藝適宜進水COD負荷為0.27～1.32kgCOD/(m3·d)。
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由圖6可知，COD負荷越高，磷釋放速率、磷吸收速率也就越快，出水的TP濃度也就越低。無論是低負荷［0.27kgCOD/(m3·d)］還是高負荷［1.32kg COD/(m3·d)］，該工藝均可使出水TP濃度低于1mg/L。同時，以上試驗也說明了磷釋放所能達到的最大值與有機物的最大被吸收量有關，磷釋放量隨有機物吸收量的增加而增加。
3.3 基質的影響
試驗比較了在相同進水COD負荷［1kgCOD/(m3·d)］時，分別以蛋白胨、葡萄糖、乙酸為基質的TP變化情況(見圖7)。
由圖7可見，磷的釋放和吸收與基質有關。以蛋白胨為基質的放磷均速為1.37mg/(L·h)，而以葡萄糖為基質的放磷均速是以蛋白胨為基質時的1.8倍，以乙酸為基質的放磷均速是以 葡萄糖為基質時的1.4倍。這是由于乙酸容易被除磷菌吸收，用以合成PHB，同時分解的聚磷酸鹽也多，釋放磷量大，放磷速度就快；相反，蛋白胨的分子較大，在厭氧段酵解時速度較慢，許多中間代謝產物(有機酸、醇類、醛類等)不易被除磷菌吸收用以合成PHB，因而其體 內聚磷酸鹽的分解就慢，故放磷速度就慢，而葡萄糖的代謝產物卻較有利于除磷菌的吸收。好氧吸磷速度的不同是由厭氧放磷速度不同引起的，厭氧段放磷速度快，磷釋放量大，合成的PHB就多，那么在好氧段時由于分解PHB而合成聚磷酸鹽的速度就快，所以表現出來的好氧吸磷速度也就快。
以上分析可推知，生物除磷與基質有關，實質上是與厭氧階段易為除磷菌所吸收的有機物(COD)濃度有關。
3.4 硝態氮(NO-X)的影響
試驗中實行半池出水、半池進水，使上一周期中產生的硝化液與新進原水混合，混合后NO-X濃度為13.42mg/L，COD濃度為268.46mg/L，TP濃度為4.81 mg/L。此時的厭 氧變成了缺氧,除磷菌可從NO-X中獲取氧來進行缺氧吸磷。因此在缺氧段，在進行反硝化的同時，仍可繼續吸磷(見圖8)。
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缺氧開始后3 h內吸磷均速為0.70mg/(L·h)，約為好氧吸磷均速的1/6，這是由于無氧呼吸的代謝速率和產能要遠遠低于有氧呼吸。由此可看出，該工藝如果再加上缺氧段進行反硝化 ，控制合適的C/N比，則可望實現軟性纖維載體淹沒式生物膜法同步除磷脫氮。
3.5 DNP(2，4-二硝基苯酚)的影響
原水COD平均為370.0mg/L，TP平均為10.0 mg/L。做投加DNP和不投加DNP試驗。DNP投加量為20.0 mg/L，試驗結果如圖9所示。
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由圖9可見，投加DNP后厭氧段的放磷量比不投加時增加了，而好氧段卻沒有磷的吸收。因此，DNP對厭氧放磷是有利的，而對好氧吸磷卻有抑制作用。這是因為DNP是一種解偶聯試劑，它對氧化呼吸鏈以外的磷酸化無抑制作用，只破壞利用O2或NO-X而進行的呼吸過程，從而抑制由電子傳遞而發生的ATP的形成。在厭氧段聚磷酸鹽的分解代謝中ATP的產生是由于底物水平磷酸化，DNP對其無抑制作用，故有PO3-4的釋放和PHB的合成；而在好氧段時，在有氧的條件下PHB將分解，并通過呼吸作用進行電子傳遞而產生能量，但由于DNP的存在，破壞了ATP的生成，所以PO3-4不能與ADP結合產生ATP，也就產生不了聚磷酸鹽，廢水中的PO3-4不能被吸收，也就得不到去除。
以上試驗結果說明，序批式生物膜除磷反應器中磷的去除是生物作用的結果。
4 結論
①淹沒序批式生物膜法除磷工藝是行之有效的。該工藝除磷所適合的載體裝填密度為30%，水力停留時間為9 h(其中厭氧3 h、好氧6 h)。在上述工藝參數下，進水COD負荷為0.27kgCOD/(m3·d)～1.32kgCOD/(m3·d)時均可使除磷率達90%以上。COD負荷越高，除磷速率越快。
②生物除磷與基質類型有關，以乙酸為基質的放磷均速是以葡萄糖為基質的1.4倍，而以葡萄糖為基質的放磷均速是以蛋白胨為基質的1.8倍。生物除磷取決于厭氧放磷量，而厭氧放磷速度取決于溶液中可快速吸收的有機物的含量。
③該工藝可同時去除56%左右的總氮，NO-X可影響磷的釋放。在缺氧段仍可繼續實現生物吸磷，只是吸磷速度較好氧吸磷速度明顯降低，約為其1/6。因此，該工藝加缺氧段，控制合適的C/N，可望實現同步除磷脫氮。
④DNP可抑制好氧吸磷，這說明該工藝除磷是生物除磷作用的結果。
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