活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)的生物除磷能力

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簡介： 通過試驗發(fā)現(xiàn)生物系統(tǒng)用排除剩余污泥方式除磷的能力有限，當進水TP≥5mg/L時要保證出水TP≤0.5mg/L是困難的。采用活性污泥外循環(huán)方式對釋磷的污泥進行回流，通過提高SBR系統(tǒng)污泥濃度的方式來提高除磷能力的試驗表明：當MLSS=5g/L、循環(huán)污泥量=1/8系統(tǒng)污泥總量時，在進水TP≤11mg/L、TN=45mg/L的情況下仍能保證出水總磷達到一級排放標準，而且該系統(tǒng)出水NH3-N≤3.6mg/L，對總氮去除率≥86%，同時獲得了最佳的除磷和脫氮效果。
關(guān)鍵字：活性污泥 污泥外循環(huán) SBR系統(tǒng) 除磷 脫氮

中圖分類號：X703
　　文獻標識碼： A
　　文章編號：1000-4602(2002)05-0001-05

Biological Phosphorus Removal Capability in SBR System Using External ?Recycle of Activated Sludge 
JI Fang?ying,LUO Gu?yuan,YANG Qin,LUO Ning?

(School of Urban Construction and Environmental Engineering,Chongqing University ,Chongqing 400045,China)

　　Abstract：It was found through test that there is limited capability for phosphorus remova l by means of excess sludge wastage in biological system,and it is difficult for effluent to achieve TP≤0.5mg/L in the case of influent of TP≥5mg/L. A test was made in which the phosphorus-released sludge was returned by means of external recycle of activated sludge and phosphorus removal capability was impr oved by increasing sludge concentration in SBR system.The results show that when MLSS is 5mg/L,and recycled sludge quantity is 1/8 of total sludge amount i n the system with ?TP≤11mg/L and TN=45mg/L in influent,total phosphoru s in effluent can certainly reach the grade 1 of integrated wastewater discharge standard with NH₃-N≤3.6mg/L and TN removal rate≥86% in effluent,and th us obtaining the optimal result in simultaneous removal of phosphorus and nitrog en.
　　Keywords:activated sludge;external recycle of sludge;SBR system;phosphorus removal; nitrogen removal 

　　目前生物除磷的效果不夠理想，通過分析發(fā)現(xiàn)：①根據(jù)生物除磷理論，要獲得好的除磷效 果通常需控制較短泥齡^［1］，而目前城市污水的有機物濃度越來越低，在短泥齡的情況下生物系統(tǒng)MLSS也較低，從而導致排除的剩余污泥總量少，磷的絕對去除量難以提高。早在1959年Srinzth的研究就證明了除磷速率和污泥濃度有關(guān)，F(xiàn)instein也認為當污泥 濃度較高時生物系統(tǒng)除磷效率更高，因此如何提高系統(tǒng)污泥濃度是一個值得關(guān)注的問題。②系統(tǒng)泥齡短、污泥濃度低的生物條件不利于硝化和反硝化反應的順利進行，因此在生物系統(tǒng) 中尤其是SBR系統(tǒng)往往不可能同時獲得最佳的除磷脫氮效果；③富磷污泥以及污泥濃縮池上清液的妥善處置還是一個亟待解決的問題。
　　筆者擬采用間歇進出水、間歇曝氣的SBR工藝，利用活性污泥外循環(huán)技術(shù)，通過提高污泥濃度的方式來提高系統(tǒng)的除磷能力，最終實現(xiàn)生物除磷脫氮效果最佳的目的。

1 　試驗裝置和方法

1.1　試驗裝置及流程
　　SBR反應器是容積為20L的聚乙烯塑料容器，有效容積為16L。厭氧反應器也是聚乙烯塑料容器，容積為4L。試驗采用間歇進、出水方式運行，通過自行研制的定時器實現(xiàn)曝氣、攪拌以及沉淀過程的自動切換。試驗裝置及流程見圖1。

1.2　試驗方法
　?、僭|(zhì)
　　試驗所用人工配水的主要成分和水質(zhì)指標見表1。

表1 　人工配水組成及水質(zhì)成 分濃度(mg/L)水質(zhì)指標數(shù) 值淀粉70COD(mg/L)349～639葡萄糖170TN(mg/L)40～56奶粉160氨氮(mg/L)33.6～43.8尿素50TP(mg/L)6.36～13.4KH₂PO₄30pH 6.5～7.5NH₄Cl110溫度(℃)24～26.5Na₂CO₃90　　

　?、谶\行工況?
　　試驗運行工況見表2。

 表2　運行工況運行方式厭氧攪拌好氧曝氣缺氧攪拌后好氧曝氣沉淀、排水、閑置運行時間(h)3.54.02.51.01.0投加污水量(L)9.0　1.0　(排水、排泥）SBR反應器污泥路線1#幾乎不排泥，但每天因指標測試將導致SBR系統(tǒng)200～300mL混合液的損失，預計SRT=50 ～80d。2#按圖1方式運行。沉淀排水后將反應器固體總量的1/8排至厭氧反應器 。在厭氧反應器中加入2L污水進行厭氧攪拌，泥水分離后的釋磷污泥在SBR系統(tǒng)好氧曝氣階段再循環(huán)回流到反應器，將富磷污水進行化學處理。3#沉淀排水后，將反應器固體總量的1/8作為剩余污泥外排。 注：SBR反應器混合液的最大體積為16L。

　?、垩芯糠椒?br />　　將經(jīng)實驗室馴化后的污泥分裝在3個SBR反應器中，按表2設計的工況運行。
　　3個反應器在初始條件完全相同的情況下啟動運行，連續(xù)運轉(zhuǎn)60d，追蹤測定進水、出水氨氮、NO₃-N、TP、COD以及好氧末期系統(tǒng)的SV₃₀、MLSS等指標。
?、芊治龇椒?
　　COD：美國HACH-COD測定儀(用重鉻酸鹽標準法GB11914進行校正)；氨氮：納氏試劑比色法；NO₃-N：戴氏合金還原—納氏試劑比色法；TN：K₂S₂O₈消解—紫外分光光度法；TP：抗壞血酸—鉬酸銨比色法。

2 　結(jié)果與分析

2.1 　SBR系統(tǒng)處理效果比較 
　　3個SBR反應器穩(wěn)定運行時的處理效果見表3。
　　①對COD的去除?
　　從表3可以看出，3個SBR反應器出水COD都達到了GB8978—1996一級排放標準的要求，說明在該試驗條件下污泥停留時間、污泥循環(huán)方式對COD去除率的影響不顯著。?
　?、诿摰?
　　從表3可以看出，3個反應器出水的氨氮都可以達到一級排放標準，相對而言3#反應器總氮去除效果較差，原因主要是該系統(tǒng)泥齡較短，MLSS濃度較低(見圖3、表4)，這種反應條件既不利于世代時間長的硝化菌積累，也不利于反硝化反應的順利進行^［2］。2#反應器按SRT=8d的方式從SBR系統(tǒng)排泥，但經(jīng)過釋磷后又循環(huán)回到反應系統(tǒng)，因此污泥性質(zhì)和1#反應器相似，屬長泥齡系統(tǒng)，硝化菌含量相對較高，利于硝化、反硝化的順利進行，具有理想的脫氮效果。
　?、鄢?
　　從表3可以看出，1#反應器除磷效果明顯低于2#、3#反應器，盡管3#反應器總磷去除率可以達到89.1%，但不能保證處理出水能長期穩(wěn)定達到一級排放標準。值得關(guān)注的是2#反應器(活性污泥外循環(huán)系統(tǒng))不僅脫氮效果好，而且除磷效果也好，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)2#反應器排出水中溶解性磷酸鹽的含量常和空白值處于同樣水平，總磷≤0.30mg/L，甚至進水TP濃度高達9～11mg/L時出水總磷可以穩(wěn)定達到GB8978—1996一級排放標準的要求。?

表3 SBR系統(tǒng)處理效果比較水質(zhì)指標 進水(mg/L)反應器 出水 濃度 均值 濃度?(mg/L)均值(mg/L)平均去除率(%)COD 349～6394631# 10～3818 .696.0 2# 10～3917.996.1 3# 11～4721.995.3氨氮 33.6～43.837.81# 0.2～1.840.6498.32# 0.23～3.60.8697.73# 1.68～9.924.1988.9TN 40～5645.41# 4.2～7.3  6.186.62# 5.7～8.31 6.386.1 3# 13.2～17.814.667.8TP 6.36～13.48.041# 1.24 ～7.854.7441.0 2# 0.02～0.290.1298.53# 0.05～3.380.8889.1

2.2系統(tǒng)某些指標的歷時變化 
　　①出水總磷
　　3個反應器在初始條件完全相同的情況下啟動，經(jīng)過2個月的運行后除磷效果差異很大(見圖2)。啟動初期10d內(nèi)這種差異并不顯著，隨著運行時間的增加，則越來越明顯。當進水TP濃度控制在6～8mg/L時，1#反應器出水TP在2～4mg/L變化，并呈增加的趨勢；3#反應器出水TP≤0.88mg/L且相對穩(wěn)定。當進水TP濃度控制在9～11mg/L，1#反應器出水TP基本維持在5～6.5mg/L，3#反應器出水TP在2～3.5mg/L波動。2#反應器出水TP自始至終都小于0.3mg/L，且不具有上升的趨勢。

　?、?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥濃度
　　3個反應器在活性污泥濃度相同的條件下啟動，隨著運行時間的增加，其污泥濃度出現(xiàn)了很大的差異(見圖3)。

　　由于系統(tǒng)按照厭氧—好氧—缺氧的方式運行，污泥產(chǎn)率較常規(guī)活性污泥系統(tǒng)低^［3］，而3#反應器一直按照SRT=8d的方式外排富磷污泥，致使系統(tǒng)增加的污泥量小于外排污泥量，導致試驗初期污泥濃度急劇下降直至穩(wěn)定，此時該系統(tǒng)MLSS維持在1.1g/L的低濃度水平(見表4)。?

 表4 　泥齡與系統(tǒng)穩(wěn)定運行時污泥濃度的關(guān)系SRT(d)812203050MLSS(g/L)1.11.62.63.85.0污泥凈產(chǎn)率(gMLSS/gCOD)0.2750.2600.2480.2380.186

　　就排泥來說，2#和1#反應器在本質(zhì)上相同(未進行有計劃的排泥)，隨著運轉(zhuǎn)時間增加，系統(tǒng)的污泥濃度逐漸增加并趨于平緩(見圖3)，且維持在較高的污泥濃度。筆者發(fā)現(xiàn)在本試驗條件下泥齡直接影響生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定運行時的污泥濃度，泥齡越短則穩(wěn)定運行時系統(tǒng)的污泥濃度越低(見表4)。
　?、軈捬踽屃缀秃醚跷?
　　系統(tǒng)運行過程中某一周期內(nèi)磷的釋放和吸收過程見圖4。

　　從圖4可以看出，磷的釋放和吸收都經(jīng)歷了一個從快速到緩慢的過程，厭氧初期30min和好 氧初期50min的時間段為快速轉(zhuǎn)化過程。
　　3個反應器釋磷和吸磷的比較見表5。

表5　超量吸磷與處理出水水質(zhì)項 目SBR1#SBR2#SBR3#釋磷總量(mg)858682532比釋磷速率［mgP/(gMLSS·h)］4.464.406.75吸磷總量(mg)876860574比吸磷速率［mgP/(gMLSS·h)］3.993.996.38超量吸磷量(mg)1817842出水PO₄^3-(mg/L)3.210.010.64出水TP(mg/L)3.920.090.88注： 進水COD=478 mg/L、TP=7.73 mg/L；MLSS1#=3.65 g/L、2#=3.87 g/L、3#=1.50 g/L。

　　從表5可以看出，3#反應器比釋磷、吸磷速率最快，可以認為在這種情況下聚磷菌的活性最高，但由于系統(tǒng)污泥濃度低，總的釋磷量、吸磷量仍然很低，除磷效果并不理想，而1#、2#反應器則剛好相反。由于污泥的外循環(huán)使2#反應器的外排污泥在厭氧池釋磷卻在SBR反應器好氧段參與吸磷，從而導致2#SBR系統(tǒng)超量吸磷量遠大于1#、3#反應器，出水水質(zhì)明顯提高。
2.3　 除磷能力分析 
　?、匍L泥齡系統(tǒng)?
　　從圖4可以看出，長泥齡系統(tǒng)(1#反應器)在厭氧—好氧條件下同樣具有吸磷和釋磷現(xiàn)象，該系統(tǒng)好氧結(jié)束時污泥含磷率比其他2個反應器還高(可達5.12%～7.22%)，經(jīng)3.5h厭氧釋磷 后溶液中具有更高的磷濃度(62mg/L)，但從好氧段磷的變化曲線好氧段可以看出，長泥齡系統(tǒng)好氧吸磷平衡時溶液中殘留的磷酸鹽濃度也較高(超量吸磷現(xiàn)象很弱，不足以使溶液中磷酸鹽降到較低的程度)?？梢灶A測，這種長泥齡系統(tǒng)隨著運行時間的增長，生物系統(tǒng)中將積累越來越多的磷，出水中磷酸鹽濃度也會越來越高。
　?、谕馀鸥涣?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥系統(tǒng)?
　　3#反應器以SRT=8d的方式從SBR系統(tǒng)外排富磷污泥以達到除磷的目的。該系統(tǒng)除磷量可以用下式表示：??　　　　　　　　　　　　　　　　　A=B×P×1000　　　　　(1)?
　　式中 ? A——除磷總量，mg/d?
　　　　?　B——排除的富磷污泥總量，g/d(3#反應器運行穩(wěn)定時B=2.2g/d)
　　　　　?P——好氧吸磷污泥含磷率(當進水TP=9～11mg/L時P=4.09%～5.85%)
　　通過式(1)可以計算出，3#反應器在進水TP=9～11mg/L時可通過排除富磷污泥的方式從SBR系統(tǒng)去除(90～130mg/d)，顯然該值低于進水磷的引入量，可以預測此時系統(tǒng)除磷效果不佳(實際出水TP=2～3.5mg/L，見圖2)。因此在反應器處理污水量為20L/d、進水TP≥5mg/L時，要獲得良好的除磷效果是不現(xiàn)實的。?
　?、刍钚?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥外循環(huán)系統(tǒng)?
　　2#反應器以SRT=8d的方式從系統(tǒng)排除富磷污泥，然后將它們放置在厭氧反應器中進行有效的磷釋放，泥水分離后在好氧曝氣階段將釋磷污泥循環(huán)至SBR系統(tǒng)的這種活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)除磷效果和下列因素有關(guān)：

?　　　　　A=B×(P1-P2)×1000　　　　(2)?
　　式中 ?B——排除的富磷污泥總量，g/d(2#反應器運行穩(wěn)定時B=10g/d) 
　　　　　 P₁、P₂——好氧吸磷、厭氧釋磷污泥含磷率(當進水TP=9～11mg/L時，2#反應器的P1為4.22%～5.94%，P2為2.3%～3.3%)
　　按照式(2)可以計算出2#反應器通過活性污泥外循環(huán)方式的除磷量為192～264mgTP/d，遠大于外排富磷污泥(3#反應器)所帶走的磷量，因此活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)具有更好的除磷效果。在試驗過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)出水TP濃度＜0.01mg/L，可以認為出水總磷主要是由出水中懸浮物SS引起的。

3 　結(jié)論

　?、僭诔Ｒ?guī)生物除磷系統(tǒng)中，通過外排富磷剩余污泥的方式除磷，除磷能力和排泥量以及好氧污泥含磷率呈正比。試驗結(jié)果表明，在SBR系統(tǒng)中泥齡較短，相應地污泥濃度也較低，系統(tǒng)除磷能力有限；當進水TP≥5mg/L時，要保證出水總磷能穩(wěn)定達到一級排放標準是困難的。?
　?、谠诨钚?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥外循環(huán)系統(tǒng)中除磷能力與循環(huán)污泥量以及好氧污泥和釋磷污泥的含磷率有關(guān)。試驗結(jié)果表明，在活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)中通過對釋磷污泥的再循環(huán)利用提高了系統(tǒng)的污泥濃度，系統(tǒng)的除磷能力大大提高。當MLSS=5g/L、循環(huán)污泥量=1/8系統(tǒng)污泥總量、進水TP≤11mg/L時仍能保證出水總磷達到一級排放標準。
　?、刍钚?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥外循環(huán)系統(tǒng)的除磷效果和剩余污泥的排放量沒有直接的關(guān)系，該系統(tǒng)的泥齡可以通過硝化和反硝化效果來確定。試驗結(jié)果表明，活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)可以同時獲得最佳的除磷和脫氮效果。
　?、芑钚?label class="lb" onclick="g('污泥');">污泥外循環(huán)技術(shù)將富磷污泥的處理和污水處理系統(tǒng)密切聯(lián)系起來，有效地解決了常規(guī)生物除磷系統(tǒng)處理大量富磷污泥的難題，可以降低污水處理系統(tǒng)的運行成本。

參考文獻：

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　　作者簡介：吉芳英(1964-)，女，四川重慶人，重慶大學副教授，博士在讀，研究方向為水污染控制及其理論研究。
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　　E-mail:jfyclmyz@cta.cq.cn
　　收稿日期：2002-01-15