序批式生物膜法除磷工艺试验研究

李军　王宝贞 聂梅生
（北京工业大学建筑工程学院） （哈尔滨工业大学市政与环境工程学院）

　　生物膜法具有单位体积生物量大、抗冲击能力强、污泥易于沉淀、运行管理方便以及节能的优点。同时微生物呈固着态，有利于将微生物保持在反应器内和优势菌属的培养。而这种适合于中小规模污水处理的生物膜法的除磷问题却是至今仍未解决的技术难题。
　　生物除磷须使微生物处于厌氧、好氧的交替状态并将过量摄取磷的剩余污泥及时排出系统。这在微生物呈悬浮态的活性污泥法是容易实现的，而对于微生物呈固着态的生物膜法却是一个难以解决的问题。为此，本论文试验研究了序批式生物膜法的除磷工艺特性。

　　1　生物膜法除磷工艺选择

　　1.1生物膜法除磷的条件
　　生物除磷机理的本质，即：在厌氧条件下，由于废水中没有ＤＯ或氧化态氮（ＮＯ_Ｘ^－），一般无聚磷能力的好氧菌及脱氮菌，不能产生ＡＴＰ（腺嘌呤核苷三磷酸），所以这类微生物不能摄取细胞外的有机物，即不能进行主动传输。但是，有一类叫做除磷菌的细菌却能分解细胞内的聚磷酸盐同时产生ＡＴＰ，并利用ＡＴＰ将废水中的脂肪酸等有机物摄入细胞，以ＰＨＢ（聚―β―羟基丁酸）及糖原等有机颗粒的形式储存于细胞内；同时将聚磷酸盐分解所产生的磷酸盐排出胞外，这时细胞内还会诱导产生相当量的聚磷酸盐激酶。一旦进入好氧环境，除磷菌又可利用ＰＨＢ氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷并把所摄取的磷合成聚磷酸盐而储存于细胞内。微生物增殖过程中，在好氧环境下所摄取的磷比在厌氧环境下所释放的磷多，废水生物除磷正是利用了微生物的这一过程，作为剩余污泥排走^1，2）。
　　由生物除磷机理可见，若想采用生物膜法除磷，必须解决以下四方面的问题。
　　（1）必须满足除磷菌习性，使生物膜交替处于厌氧、好氧的状态，并逐步使除磷菌成为优势菌属，实现其增殖。
　　（2）供给必要的有机碳源（由废水提供）。
　　（3）最后的磷排出必须是以脱落污泥的形式，这就要求除磷菌为优势菌属的生物膜生长要快，且应在好氧状态下能脱落，即须有足够的曝气强度和选择合适的生物膜担体。
　　（4）污泥沉淀后应及时排出系统。
　　1.2生物膜法除磷工艺选择
　　细菌细胞内含磷约2％（以重量计）^3），所以传统的生物膜法最多只能去除污水中的磷约20％。对生物膜法来说，无论是Ａ／Ｏ（厌氧/好氧）工艺还是Ａ^２／Ｏ（厌氧/缺氧/好氧）工艺，由于是在空间上造成A或O的状态，微生物只能持续地处于要么是A要么是O的单一状态，而不能处于A/O交替的状态，不具备生物除磷的条件，也就达不到生物除磷的目的^4）。而序批式生物处理工艺集曝气池、沉淀池与一池，运转按进水、反应、沉淀、排水等几个阶段进行，污水间歇而有程序地进入反应池和排出反应池。由于序批式工艺的特殊性，设计合理，可使生物膜在时间上交替处于A/O状态，从而有望实现生物除磷的目的，同时，混合液也可在时间上交替处于A/O状态，从而有望实现生物脱氮。

　　2　试验方法

　　2.1试验装置

　　试验装置如图1所示。
　　试验所用反应器用有机玻璃制成，内径15cm，反应器内有效容积18L，其中沉淀池2L。试验进水的TP平均为10.0mg/l、COD为370.0 mg/l，温度为25℃，好氧状态的DO平均为5.5 mg/l。
　　装填密度应是纤维在载体上生物膜成熟后，膜与载体所占容积与整个反应器容积之比。本实验分别做了最大装填密度37.5％、实用装填密度30％以及较低装填密度22.5％的对比实验后，确定较适宜的装填密度为30％。此时，反应器中的纤维载体的比表面积为2.66m²/l 。
　　生物膜培养采用A/O交替运行方式历时3个月，菌种取自一般活性污泥工艺。在之后的工艺参数和影响因素的试验中，以试验条件改变后运行2周后的水样为试样。
　　2.2原生污水和主要分析方法
　　原生污水用自来水加蛋白胨配制，配制时还投加少量氯化铵、硫酸镁、磷酸二氢钾、氯化钙、氯化钠等，配制后水质如表1所示。

表1 原生污水水质表 水质指标 COD TN NH₄⁺-N NO₃^--N NO₂^--N 浓度（mg/l） 250-400 30-60 10-20 0.2 0.1 水质指标 TP SP PH 碱度 BOD₅ 浓度（mg/l） 8-10 7-9 7.3 380-440 180-300

注：COD,重铬酸钾法；TN,过硫酸钾-紫外分光光度法；NH₄⁺-N,纳氏试剂光度法； NO₃^--N、NO₂^—N,离子色谱法；TP,过硫酸钾氯化亚锡还原光度法。

　　3　试验研究

　　3.1厌氧时间段和好氧时间段的确定
　　为确定合适的厌氧所需时间，笔者将厌氧时间延长到12h，并测定了TP的变化过程线，如图2所示。由图2可知，P释放主要集中在前3个小时内，之后的9个小时，P释放现象虽有，但幅度很小。聚磷菌只有充分释放磷后，才能很好地过量摄取磷，从而达到生物除磷的目的。因此必须保证能充分放磷的时间；另一方面，厌氧时间过长，将导致整个反应器的停留时间过长，不经济。综上所述，笔者依据试验曲线，确定厌氧段所需时间为3h。

　

　　确定合适的好氧时间段，笔者将3h厌氧后好氧段的时间延长至17h，并测定了相应TP和各形态氮浓度的变化曲线，见图3、图4。
　　由图3可见，好氧聚磷在好氧开始后2小时内已主要完成，但为保证硝化，笔者将好氧时间定为6h。由图4知，在好氧开始后的6小时后NH₄⁺-N已低于1 mg/l，硝化基本完成,同时也可看到此时脱氮率达56.6%。
　　3.2进水COD负荷
　　试验中，采用4种COD进水负荷考察COD、TP的变化规律，见图5、图6。

　　由图5可知，软性填料序批式生物膜可承受较高的COD负荷的增长，且在厌氧段有较高的COD吸收速率，COD负荷越高，其COD吸收速率也就越高。厌氧段COD吸收值在进水负荷1.32 kg COD/m³.d(相应进水COD浓度为496.8mg/l)时为212.5mg/l，而在进水负荷1.00kg COD/m³.d（相应进水COD浓度为375.0mg/l）时为203.1mg/l，这说明在进水负荷为1.00 kg COD/m³.d时，厌氧段COD吸收值已趋于极大值，对COD吸收达到极大值表明不是所有的有机物都可以做为细胞中的合成物质。所以笔者确定该工艺适宜进水COD负荷为0.27－1.32 kg COD/m³.d

　　由图6可知，COD负荷越高，磷释放速率、磷吸收速率也就越快，出水的TP浓度也就越低，无论是在低负荷（0.27kg COD/m³.d），还是高负荷（1.32 kg COD/m³.d），该工艺均可使出水TP浓度低于1mg/l。因此，该工艺是一种经济、可行、行之有效的除磷工艺。
　　同时，以上试验也说明了磷释放所能达到的最大值与有机物的最大吸收量有关，磷释放量随有机物吸收量增加而增加。
　　3.3基质的影响
　　本试验比较了在相同进水COD负荷（1.00 kgCOD/m³·d）时，分别以蛋白胨、葡萄糖、乙酸为基质的TP变化情况，如图7所示。由图7可见，磷的释放和吸收与基质有关。以蛋白胨为基质的放磷均速为1.37mg/l/h，而以葡萄糖为基质时的放磷均速是以蛋白胨为基质时的1.8倍，以乙酸为基质的放磷均速是以葡萄糖为基质时的1.4倍。这是由于乙酸容易被除磷菌吸收，用以合成PHB，同时分解的聚磷酸盐也多，释放磷量大，放磷速度就快；相反，蛋白胨的分子较大，在厌氧段酵解时，速度较慢，许多中间代谢产物有机酸、醇类、醛类等不易被除磷菌吸收用以合成PHB，因而其体内聚磷酸盐的分解就慢，故放磷速度就慢，而葡萄糖的代谢产物却较有利于除磷菌的吸收。好氧吸磷速度的不同是由厌氧放磷速度不同引起的。厌氧段放磷速度大，磷释放量大，合成的PHB就多，那么在好氧段时由于分解PHB而合成的聚磷酸盐速度就较大，所以表现出来的好氧吸磷速度就大。

　　由以上分析可推知，生物除磷与基质有关，实质上是与厌氧阶段易为除磷菌所吸收的有机物（COD）浓度有关。
　　3.4硝态氮（NO_x^-）的影响
　　实验中实行半池出水、半池进水控制，则在上一周期中产生的硝化液与新进原生废水混合，混合后NO_x^-浓度为13.42 mg/l，COD浓度为268.46 mg/l，TP浓度为4.81 mg/l。此时的厌氧变成了缺氧,除磷菌可从NO_x^-中获取氧来进行缺氧吸磷，因此在缺氧段，在进行反硝化的同时，仍可继续吸磷，见图8。缺氧开始后3h内吸磷均速为0.70 mg/l/h，约为好氧吸磷均速的1/6,这是由于无氧呼吸的代谢速率和产能要远远低于有氧呼吸。由此可看出，该工艺如果再加上缺氧段进行反硝化，控制合适的C/N比，则可望实现软性纤维载体序批式生物膜法同步除磷脱氮。

　　3.5 DNP(２，４－二硝基苯酚)的影响
　　原水COD平均为370.0 mg/l，TP平均为10.0 mg/l。做投加DNP和不投加DNP试验，DNP投加量为20.0 mg/l，试验结果如图9所示。由图9可见投加DNP后，厌氧段的放磷量比不投加时增加了而好氧段却没有磷的吸收。因此，DNP对厌氧放磷是有利的，而对好氧吸磷却有抑制作用。

　　 这是因为DNP是一种解偶联试剂，它对氧化呼吸链以外的磷酸化无抑制作用，只破坏在利用O₂或NO_X^-而进行的呼吸过程中，从而抑制由电子传递而发生的ATP的形成。在厌氧段聚磷酸盐的分解代谢中ATP的产生是由于底物水平磷酸化，DNP对其无抑制作用，故有PO₄^3-的释放和PHB的合成；而在好氧段时，在有氧的条件下PHB将分解，并通过呼吸作用进行电子传递而产生能量，但由于DNP的存在，破坏了ATP的生成，所以PO₄^3-不能与ADP结合产生ATP，也就产生不了聚磷酸盐，废水中的PO₄^3-不能被吸收，也就得不到去除。
　　以上实验结果说明：序批式生物膜除磷反应器中磷的去除是生物作用的结果。

　　4　结论

　　（1）序批式软性填料生物膜法除磷工艺是行之有效的除磷工艺。该工艺除磷适合的载体装填密度为30%，水力停留时间为9h，其中厌氧3h、好氧6h。在上述工艺参数下，进水COD负荷从0.27kgCOD/m^３.d到1.32 kgCOD/m³.d均可使除磷率达90%以上，COD负荷越高除磷速率越快，并可承受较高的COD负荷的增长。
　　（2）生物除磷与基质类型有关，以乙酸为基质的放磷均速是以葡萄糖为基质时的1.4倍，而以葡萄糖为基质时的放磷均速是以蛋白胨为基质时的1.8倍，生物除磷取决于厌氧放磷,而厌氧放磷速度取决于溶液中可快速吸收的有机物的多少。
　　（3）该工艺可同时去除56％左右的总氮。NO_x^-可影响磷的释放，在缺氧段仍可继续实现生物吸磷，只是吸磷速度较好氧吸磷速度明显降低，约为1/6，因此，该工艺加缺氧段，控制合适的C/N，可望实现同步除磷脱氮。
　　（4）DNP可抑制好氧吸磷，这说明该工艺除磷是生物除磷作用的结果。

　　参考文献
　　1 BaoZhen Wang and Jun Li, Mechanism of Phosphorus Removal by SBR Submerged Biofilm System, Water Res. 32(9), 2633-2638 (1998)
　　2 V. Arun, T. Mion and T. Mastsuo, Biological Mechanism of Acetate Uptake Mediated by Carbohydrate Consumption in Excess Phosphorus Removal Systems, Water Res. 22(5), 565-570 (1988)
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　　4 Wang B., Li G., Yang Q. And Liu R, Nitrogen Removal by a Submerged Biofilm Process with Fibrous Carrier, Water Sci. Technol. 26(9-11), 2037-2089 (1992)