活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)的生物除磷能力

吉芳英，羅固源，楊琴，羅寧
(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院， 重慶 400045)

　　摘　要：通過(guò)試驗(yàn)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(dāng)進(jìn)水TP≥5mg/L時(shí)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(duì)釋磷的污泥進(jìn)行回流，通過(guò)提高SBR系統(tǒng)污泥濃度的方式來(lái)提高除磷能力的試驗(yàn)表明：當(dāng)MLSS=5g/L、循環(huán)污泥量=1/8系統(tǒng)污泥總量時(shí)，在進(jìn)水TP≤11mg/L、TN=45mg/L的情況下仍能保證出水總磷達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，而且該系統(tǒng)出水NH₃-N≤3.6mg/L，對(duì)總氮去除率≥86%，同時(shí)獲得了最佳的除磷和脫氮效果。
　　關(guān)鍵詞：活性污泥；污泥外循環(huán)；SBR系統(tǒng)；除磷；脫氮
　　中圖分類號(hào)：X703
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
　　文章編號(hào)：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(guò)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(jī)物濃度越來(lái)越低，在短泥齡的情況下生物系統(tǒng)MLSS也較低，從而導(dǎo)致排除的剩余污泥總量少，磷的絕對(duì)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(rèn)為當(dāng)污泥 濃度較高時(shí)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(gè)值得關(guān)注的問(wèn)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(yīng)的順利進(jìn)行，因此在生物系統(tǒng) 中尤其是SBR系統(tǒng)往往不可能同時(shí)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(gè)亟待解決的問(wèn)題。
　　筆者擬采用間歇進(jìn)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(guò)提高污泥濃度的方式來(lái)提高系統(tǒng)的除磷能力，最終實(shí)現(xiàn)生物除磷脫氮效果最佳的目的。

1 　試驗(yàn)裝置和方法

1.1　試驗(yàn)裝置及流程
　　SBR反應(yīng)器是容積為20L的聚乙烯塑料容器，有效容積為16L。厭氧反應(yīng)器也是聚乙烯塑料容器，容積為4L。試驗(yàn)采用間歇進(jìn)、出水方式運(yùn)行，通過(guò)自行研制的定時(shí)器實(shí)現(xiàn)曝氣、攪拌以及沉淀過(guò)程的自動(dòng)切換。試驗(yàn)裝置及流程見(jiàn)圖1。

1.2　試驗(yàn)方法
　　①原水水質(zhì)
　　試驗(yàn)所用人工配水的主要成分和水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)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(biāo) 數(shù) 值 淀粉 70 COD(mg/L) 349～639 葡萄糖 170 TN(mg/L) 40～56 奶粉 160 氨氮(mg/L) 33.6～43.8 尿素 50 TP(mg/L) 6.36～13.4 KH₂PO₄ 30 pH 6.5～7.5 NH₄Cl 110 溫度(℃) 24～26.5 Na₂CO₃ 90 　 　

　　②運(yùn)行工況?
　　試驗(yàn)運(yùn)行工況見(jiàn)表2。

表2　運(yùn)行工況 運(yùn)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(yùn)行時(shí)間(h) 3.5 4.0 2.5 1.0 1.0 投加污水量(L) 9.0 　 1.0 　 (排水、排泥） SBR反應(yīng)器污泥路線 1# 幾乎不排泥，但每天因指標(biāo)測(cè)試將導(dǎo)致SBR系統(tǒng)200～300mL混合液的損失，預(yù)計(jì)SRT=50 ～80d。 2# 按圖1方式運(yùn)行。沉淀排水后將反應(yīng)器固體總量的1/8排至厭氧反應(yīng)器 。在厭氧反應(yīng)器中加入2L污水進(jìn)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(yīng)器，將富磷污水進(jìn)行化學(xué)處理。 3# 沉淀排水后，將反應(yīng)器固體總量的1/8作為剩余污泥外排。 注：SBR反應(yīng)器混合液的最大體積為16L。

　　③研究方法
　　將經(jīng)實(shí)驗(yàn)室馴化后的污泥分裝在3個(gè)SBR反應(yīng)器中，按表2設(shè)計(jì)的工況運(yùn)行。
　　3個(gè)反應(yīng)器在初始條件完全相同的情況下啟動(dòng)運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60d，追蹤測(cè)定進(jìn)水、出水氨氮、NO₃-N、TP、COD以及好氧末期系統(tǒng)的SV₃₀、MLSS等指標(biāo)。
　④分析方法?
　　COD：美國(guó)HACH-COD測(cè)定儀(用重鉻酸鹽標(biāo)準(zhǔn)法GB11914進(jìn)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(gè)SBR反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的處理效果見(jiàn)表3。
　　①對(duì)COD的去除?
　　從表3可以看出，3個(gè)SBR反應(yīng)器出水COD都達(dá)到了GB8978—1996一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，說(shuō)明在該試驗(yàn)條件下污泥停留時(shí)間、污泥循環(huán)方式對(duì)COD去除率的影響不顯著。?
　　②脫氮?
　　從表3可以看出，3個(gè)反應(yīng)器出水的氨氮都可以達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)而言3#反應(yīng)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(jiàn)圖3、表4)，這種反應(yīng)條件既不利于世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌積累，也不利于反硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行^［2］。2#反應(yīng)器按SRT=8d的方式從SBR系統(tǒng)排泥，但經(jīng)過(guò)釋磷后又循環(huán)回到反應(yīng)系統(tǒng)，因此污泥性質(zhì)和1#反應(yīng)器相似，屬長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)，硝化菌含量相對(duì)較高，利于硝化、反硝化的順利進(jìn)行，具有理想的脫氮效果。
　　③除磷?
　　從表3可以看出，1#反應(yīng)器除磷效果明顯低于2#、3#反應(yīng)器，盡管3#反應(yīng)器總磷去除率可以達(dá)到89.1%，但不能保證處理出水能長(zhǎng)期穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。值得關(guān)注的是2#反應(yīng)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(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)2#反應(yīng)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(jìn)水TP濃度高達(dá)9～11mg/L時(shí)出水總磷可以穩(wěn)定達(dá)到GB8978—1996一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。?

表3 SBR系統(tǒng)處理效果比較 水質(zhì)指標(biāo) 進(jìn)水(mg/L) 反應(yīng)器 出水 濃度 均值 濃度?(mg/L) 均值(mg/L) 平均去除率(%) COD 349～639 463 1# 10～38 18 .6 96.0 2# 10～39 17.9 96.1 3# 11～47 21.9 95.3 氨氮 33.6～43.8 37.8 1# 0.2～1.84 0.64 98.3 2# 0.23～3.6 0.86 97.7 3# 1.68～9.92 4.19 88.9 TN 40～56 45.4 1# 4.2～7.3 6.1 86.6 2# 5.7～8.31 6.3 86.1 3# 13.2～17.8 14.6 67.8 TP 6.36～13.4 8.04 1# 1.24 ～7.85 4.74 41.0 2# 0.02～0.29 0.12 98.5 3# 0.05～3.38 0.88 89.1

2.2系統(tǒng)某些指標(biāo)的歷時(shí)變化
　　①出水總磷
　　3個(gè)反應(yīng)器在初始條件完全相同的情況下啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)2個(gè)月的運(yùn)行后除磷效果差異很大(見(jiàn)圖2)。啟動(dòng)初期10d內(nèi)這種差異并不顯著，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，則越來(lái)越明顯。當(dāng)進(jìn)水TP濃度控制在6～8mg/L時(shí)，1#反應(yīng)器出水TP在2～4mg/L變化，并呈增加的趨勢(shì)；3#反應(yīng)器出水TP≤0.88mg/L且相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水TP濃度控制在9～11mg/L，1#反應(yīng)器出水TP基本維持在5～6.5mg/L，3#反應(yīng)器出水TP在2～3.5mg/L波動(dòng)。2#反應(yīng)器出水TP自始至終都小于0.3mg/L，且不具有上升的趨勢(shì)。

　　②污泥濃度
　　3個(gè)反應(yīng)器在活性污泥濃度相同的條件下啟動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，其污泥濃度出現(xiàn)了很大的差異(見(jiàn)圖3)。

　　由于系統(tǒng)按照厭氧—好氧—缺氧的方式運(yùn)行，污泥產(chǎn)率較常規(guī)活性污泥系統(tǒng)低^［3］，而3#反應(yīng)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(dǎo)致試驗(yàn)初期污泥濃度急劇下降直至穩(wěn)定，此時(shí)該系統(tǒng)MLSS維持在1.1g/L的低濃度水平(見(jiàn)表4)。?

表4 　泥齡與系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)污泥濃度的關(guān)系 SRT(d) 8 12 20 30 50 MLSS(g/L) 1.1 1.6 2.6 3.8 5.0 污泥凈產(chǎn)率(gMLSS/gCOD) 0.275 0.260 0.248 0.238 0.186

　　就排泥來(lái)說(shuō)，2#和1#反應(yīng)器在本質(zhì)上相同(未進(jìn)行有計(jì)劃的排泥)，隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加，系統(tǒng)的污泥濃度逐漸增加并趨于平緩(見(jiàn)圖3)，且維持在較高的污泥濃度。筆者發(fā)現(xiàn)在本試驗(yàn)條件下泥齡直接影響生物處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的污泥濃度，泥齡越短則穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的污泥濃度越低(見(jiàn)表4)。
　　④厭氧釋磷和好氧吸磷?
　　系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中某一周期內(nèi)磷的釋放和吸收過(guò)程見(jiàn)圖4。

　　從圖4可以看出，磷的釋放和吸收都經(jīng)歷了一個(gè)從快速到緩慢的過(guò)程，厭氧初期30min和好 氧初期50min的時(shí)間段為快速轉(zhuǎn)化過(guò)程。
　　3個(gè)反應(yīng)器釋磷和吸磷的比較見(jiàn)表5。

表5　超量吸磷與處理出水水質(zhì) 項(xiàng) 目 SBR1# SBR2# SBR3# 釋磷總量(mg) 858 682 532 比釋磷速率［mgP/(gMLSS·h)］ 4.46 4.40 6.75 吸磷總量(mg) 876 860 574 比吸磷速率［mgP/(gMLSS·h)］ 3.99 3.99 6.38 超量吸磷量(mg) 18 178 42 出水PO₄^3-(mg/L) 3.21 0.01 0.64 出水TP(mg/L) 3.92 0.09 0.88 注： 進(jìn)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(yīng)器比釋磷、吸磷速率最快，可以認(rèn)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(yīng)器則剛好相反。由于污泥的外循環(huán)使2#反應(yīng)器的外排污泥在厭氧池釋磷卻在SBR反應(yīng)器好氧段參與吸磷，從而導(dǎo)致2#SBR系統(tǒng)超量吸磷量遠(yuǎn)大于1#、3#反應(yīng)器，出水水質(zhì)明顯提高。
2.3　 除磷能力分析
　　①長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)?
　　從圖4可以看出，長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)(1#反應(yīng)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(shí)污泥含磷率比其他2個(gè)反應(yīng)器還高(可達(dá)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(zhǎng)泥齡系統(tǒng)好氧吸磷平衡時(shí)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)。可以預(yù)測(cè)，這種長(zhǎng)泥齡系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，生物系統(tǒng)中將積累越來(lái)越多的磷，出水中磷酸鹽濃度也會(huì)越來(lái)越高。
　　②外排富磷污泥系統(tǒng)?
　　3#反應(yīng)器以SRT=8d的方式從SBR系統(tǒng)外排富磷污泥以達(dá)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(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)B=2.2g/d)
　　　　　?P——好氧吸磷污泥含磷率(當(dāng)進(jìn)水TP=9～11mg/L時(shí)P=4.09%～5.85%)
　　通過(guò)式(1)可以計(jì)算出，3#反應(yīng)器在進(jìn)水TP=9～11mg/L時(shí)可通過(guò)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(jìn)水磷的引入量，可以預(yù)測(cè)此時(shí)系統(tǒng)除磷效果不佳(實(shí)際出水TP=2～3.5mg/L，見(jiàn)圖2)。因此在反應(yīng)器處理污水量為20L/d、進(jìn)水TP≥5mg/L時(shí)，要獲得良好的除磷效果是不現(xiàn)實(shí)的。?
　　③活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)?
　　2#反應(yīng)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(yīng)器中進(jìn)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(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)B=10g/d)
　　　　　 P₁、P₂——好氧吸磷、厭氧釋磷污泥含磷率(當(dāng)進(jìn)水TP=9～11mg/L時(shí)，2#反應(yīng)器的P1為4.22%～5.94%，P2為2.3%～3.3%)
　　按照式(2)可以計(jì)算出2#反應(yīng)器通過(guò)活性污泥外循環(huán)方式的除磷量為192～264mgTP/d，遠(yuǎn)大于外排富磷污泥(3#反應(yīng)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(yàn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)出水TP濃度＜0.01mg/L，可以認(rèn)為出水總磷主要是由出水中懸浮物SS引起的。

3 　結(jié)論

　　①在常規(guī)生物除磷系統(tǒng)中，通過(guò)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(yàn)結(jié)果表明，在SBR系統(tǒng)中泥齡較短，相應(yīng)地污泥濃度也較低，系統(tǒng)除磷能力有限；當(dāng)進(jìn)水TP≥5mg/L時(shí)，要保證出水總磷能穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)是困難的。?
　　②在活性污泥外循環(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(yàn)結(jié)果表明，在活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)中通過(guò)對(duì)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(dāng)MLSS=5g/L、循環(huán)污泥量=1/8系統(tǒng)污泥總量、進(jìn)水TP≤11mg/L時(shí)仍能保證出水總磷達(dá)到一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　③活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)的除磷效果和剩余污泥的排放量沒(méi)有直接的關(guān)系，該系統(tǒng)的泥齡可以通過(guò)硝化和反硝化效果來(lái)確定。試驗(yàn)結(jié)果表明，活性污泥外循環(huán)系統(tǒng)可以同時(shí)獲得最佳的除磷和脫氮效果。
　　④活性污泥外循環(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(lái)，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(yùn)行成本。

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　　作者簡(jiǎn)介：吉芳英(1964-)，女，四川重慶人，重慶大學(xué)副教授，博士在讀，研究方向?yàn)樗廴究刂萍捌淅碚撗芯俊?br>　　電　　話：(023)65121549?
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　　收稿日期：2002-01-15