N、 P 等污染物,能提高難降解有機(jī)物的去除率,并能抑制絲狀菌生長(zhǎng)繁殖等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[3, 4, 5]. 近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)污水的同步脫氮除磷(P)，國(guó)內(nèi)外研究者開發(fā)了改進(jìn)的Dephanox 工藝，連續(xù)流厭氧/缺氧活性污泥系統(tǒng)(system)，連續(xù)流厭氧/好氧/缺氧同步脫氮除磷工藝等[6, 7, 8]. 但連續(xù)流系統(tǒng)有構(gòu)筑物多、 占地面積大、 能耗高、 剩余污泥量大等缺陷,為解決以上問(wèn)題而設(shè)計(jì)的SBR工藝也具有眾多脫氮除磷生物群落難以共存的矛盾[9,10]. 針對(duì)以上問(wèn)題，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種同步脫氮除磷新工藝――生物膜/顆粒污泥耦合工藝，在好氧區(qū)利用載體固定生長(zhǎng)緩慢的硝化菌群形成硝化菌生物膜，在厭氧區(qū)培養(yǎng)馴化反硝化聚磷菌顆粒污泥. 好氧區(qū)與厭氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)氮磷的去除有顯著影響[11,12]. 好氧區(qū)容積負(fù)荷主要決定硝化反應(yīng)的進(jìn)行，直接影響硝化菌對(duì)氨氮的氧化作用，從而決定著氨氮的去除率，所以，好氧區(qū)的容積負(fù)荷是影響脫氮的關(guān)鍵因素(factor)之一. 厭氧區(qū)容積負(fù)荷不但決定厭氧釋磷量的大小，而且對(duì)反硝化聚磷菌也有著重要影響，厭氧區(qū)容積負(fù)荷決定著磷的去除情況(Condition)，同時(shí)也影響著脫氮[13]. 本試驗(yàn)基于生物膜/顆粒污泥耦合工藝反應(yīng)器對(duì)不同好氧/厭氧區(qū)容積負(fù)荷這一影響因素進(jìn)行研究，分析不同好/厭氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)脫氮除磷的影響，以期為該工藝高效運(yùn)行提供依據(jù).
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)用水及種泥
試驗(yàn)采用模擬人工配水，其組分為：COD 300 mg ?L-1，NH+4-N 30 mg ?L-1，PO3-4-P 5 mg ?L-1,微量元素混合液 0.3 mL ?L-
1. 微量元素組成:FeCl3 ?6H2 O 1.5; H3BO3 0.15; CuSO4 ?5H2 O 0.03; KI 0.18; EDTA 10; MnSO4 ?H2 O 0.15; ZnSO4 ?7H2 O 0.12; CoSO4 ?7H2 O 0.0
3. 試驗(yàn)種泥均取自哈爾濱文昌污水處理廠二沉池.
1.2 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行方案
試驗(yàn)所用反應(yīng)器有效體積25 L，分內(nèi)外兩個(gè)筒，外筒高53.5 cm，直徑28 cm，內(nèi)筒高40 cm，直徑18 cm; 載體選擇聚氨酯泡沫; 好氧區(qū)DO控制（control)在2~4 mg ?L-1; HRT為8.5 h，厭氧區(qū)SRT控制在15 d[14]. 反應(yīng)器的運(yùn)行方式為：進(jìn)水240 mi
N、 曝氣240 mi
N、 沉淀和排水30 min.
污水由上部經(jīng)內(nèi)外筒之間的夾層流入反應(yīng)器底部，然后在內(nèi)筒內(nèi)上升至反應(yīng)器頂部，再經(jīng)內(nèi)外筒之間的夾層流回反應(yīng)器底部，構(gòu)成自上而下內(nèi)循環(huán)水流狀態(tài)，內(nèi)筒設(shè)有多孔分體隔板，隔板表面具有開口式的孔，隔板放置于隔板墊上，將反應(yīng)器內(nèi)筒分為上下兩層，上層作為好氧區(qū)放置硝化菌載體生物膜，下層作為厭氧區(qū)放置反硝化聚磷菌顆粒污泥，隔板上安放微孔曝氣盤，這樣可以保證上端的硝化菌生物膜始終處于好氧狀態(tài)，而下端的顆粒污泥則處于厭氧和缺氧的狀態(tài)[14]. 在反應(yīng)器的外筒側(cè)面上設(shè)有一排取水口，在最下面的取樣口取樣和排水，底部設(shè)有排泥管.
本研究旨在提高生物膜/顆粒污泥耦合（Coupling）工藝對(duì)模擬城市污水中氮、 磷等污染物質(zhì)的去除效率. 在工藝穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)好氧區(qū)和厭氧區(qū)的容積大小調(diào)整，研究好/厭氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)耦合工藝脫氮除磷影響，為該工藝高效運(yùn)行提供依據(jù).
反應(yīng)器總?cè)莘e一定，通過(guò)調(diào)節(jié)隔板的位置，改變好/厭氧(Oxygen)區(qū)容積，形成3種不同運(yùn)行工況，3種工況下系統(tǒng)(system)HRT保持不變，序批式運(yùn)行方式各階段的時(shí)間分配保持一致，因此，3種工況的廢水流速相同，具體各工況的好/厭氧區(qū)容積和好/厭氧區(qū)負(fù)荷見(jiàn)表 1.
表 1 3種不同工況的好/厭氧區(qū)容積和負(fù)荷
1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及分析方法
CO
D、 NH+4-
N、 NO-2-
N、 PO3-4-P和MLSS等指標(biāo)的測(cè)定均采用國(guó)家頒布的標(biāo)準(zhǔn)方法[15]，NO-3-N的測(cè)定采用麝香草酚法.
2 結(jié)果與討論
2.1 不同好氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)氨氮去除的影響
不同好氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)(system)NH+4-N去除能力有明顯的差別，隨著好氧區(qū)氮容積負(fù)荷的不斷減少，去除率相應(yīng)提高，3種工況條件下平均去除率分別為75.07%、 80.63%和83.66%. 好氧區(qū)氮容積負(fù)荷越小，單位污泥量的氮負(fù)荷就越低，氨氮的去除率就越高.
圖 1 不同容積負(fù)荷條件下NH+4-N去除效果
不同好氧區(qū)氮容積負(fù)荷條件下氨氮的去除效果如圖 2所示，此階段氮負(fù)荷主要是指氨氮負(fù)荷. 隨著好氧區(qū)氮負(fù)荷不斷減少，氮去除負(fù)荷分別為157.14~198.60、 130.00~171.50和100.97~144.02 g ?-1，平均氮去除負(fù)荷分別為181.96、 150.27和126.09 g ?-
1. 由數(shù)據(jù)可以看出，氮負(fù)荷越大，其去除負(fù)荷也相應(yīng)地越高. 但綜合考慮氮負(fù)荷對(duì)氨氮去除率的影響，好氧區(qū)氮容積負(fù)荷不宜太大，本研究應(yīng)在186.14 g ?-1.
圖 2 不同好氧區(qū)容積氮去除速率
2.2 不同厭氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)COD篩除的影響
厭氧區(qū)反硝化除磷對(duì)COD的去除原理是聚磷菌利用水解聚磷酸鹽所獲得的能量來(lái)吸收乙酸基質(zhì)并合成為細(xì)胞內(nèi)的儲(chǔ)能物質(zhì)PHB[16,17]. 此工藝中COD的去除主要發(fā)生在厭氧區(qū)，伴隨著磷的釋放，水中COD的含量有明顯的下降. 圖 3表示不同厭氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)COD去除的影響. 隨著厭氧區(qū)有機(jī)負(fù)荷的不斷增大，厭氧結(jié)束時(shí)的COD濃度逐漸上升. 在進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷最大的工況Ⅲ中，厭氧結(jié)束時(shí)COD濃度達(dá)到70.89 mg ?L-1，遠(yuǎn)高于其它兩種工況，其厭氧區(qū)的COD去除率僅為71.60%. 在工況Ⅰ和Ⅱ中，厭氧區(qū)的COD去除率較為理想，分別為89.53%和83.24%. 有研究表明在反硝化除磷工藝中，如果好氧區(qū)中存在大量的COD,氨氮的硝化將會(huì)受到很大的影響[18]. 厭氧區(qū)的COD主要是用于殘存NO-3-N的反硝化和內(nèi)碳源PHB的合成，這表明在厭氧區(qū)大部分COD已經(jīng)被去除，從而保證了好氧區(qū)自養(yǎng)型硝化菌的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，提高了氨氮的硝化率.
由上述可知，雖然在厭氧區(qū)大部分COD被去除，但從總體來(lái)看，COD的去除率不是很高，因此還要有少量的COD在好氧區(qū)被去除. 由該工藝的構(gòu)型可以看出，待處理污水在厭氧區(qū)經(jīng)過(guò)反硝化聚磷菌處理以后，會(huì)經(jīng)過(guò)好氧區(qū)和厭氧區(qū)之間的多孔擋板，到達(dá)好氧區(qū)，由于硝化菌生物膜菌種的多樣性，可能一部分異養(yǎng)菌會(huì)對(duì)污水中殘余的COD進(jìn)行降解，這樣在好氧區(qū)污水中COD的濃度也會(huì)有不同程度的降低（reduce)，在好氧區(qū)COD的去除率在5.13%~17.10%之間. 在好氧區(qū)，體系中COD的繼續(xù)降解，對(duì)于懸浮載體的正常運(yùn)行和細(xì)菌種類的多樣性都是有利的，這樣該工藝適應(yīng)不同環(huán)境變化的能力就會(huì)變強(qiáng). 3種工況的COD平均去除率均達(dá)到88.70%以上，可見(jiàn)該工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果比較穩(wěn)定.
圖 3 厭氧段COD濃度和有機(jī)負(fù)荷變化
2.3 不同厭氧區(qū)容積負(fù)荷對(duì)反硝化除磷(P)的影響
不同厭氧區(qū)容積負(fù)荷下的釋磷情況如圖 4所示，隨著厭氧區(qū)的減小，厭氧末期磷濃度由最初的15 mg ?L-1降低到11 mg ?L-
1. 3種工況的厭氧區(qū)磷酸鹽負(fù)荷分別為29.29、 33.82和39.30 g ?-1，厭氧結(jié)束時(shí)釋磷量分別為8.60、 7.23和5.63 mg ?L-
1. 從中可以看出厭氧區(qū)越大，越有利于PO3-4-P的釋放，而PO3-4-P釋放量的大小，決定著體系除磷(P)效率的高低.
圖 4 不同容積負(fù)荷條件下釋磷情況
不同的厭氧區(qū)容積負(fù)荷不僅會(huì)影響厭氧階段磷的釋放，同時(shí)影響磷的缺氧吸收，即反硝化除磷. 由于本研究在前期對(duì)反硝化聚磷菌（fungus)顆粒污泥進(jìn)行了培養(yǎng)和馴化. 而且好氧區(qū)的硝化菌生物載體也是僅針對(duì)硝化菌進(jìn)行培養(yǎng)和馴化，因此，該新型反應(yīng)器對(duì)磷的去除主要在厭氧區(qū)的缺氧階段通過(guò)反硝化除磷完成. 隨著好氧區(qū)的增大，NH+4-N的去除率逐漸增大，硝化作用產(chǎn)生的硝態(tài)氮濃度也相應(yīng)增多，但此時(shí)由于厭氧區(qū)是縮小的，因此導(dǎo)致磷的容積負(fù)荷不斷上升，厭氧釋磷受到影響. 由于釋磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷過(guò)程中利用硝態(tài)氮的量降低，因此導(dǎo)致出水的硝態(tài)氮濃度逐漸升高. 3種工況厭氧結(jié)束時(shí)厭氧區(qū)磷容積負(fù)荷分別上升到68.27、 76.50和85.89 g ?-1，相應(yīng)的磷去除負(fù)荷分別為62.52、 71.93和78.58 g ?-1，吸磷量分別為12.79、 11.93和10.04 mg ?L-1.
圖 5 不同厭氧區(qū)容積負(fù)荷條件下吸磷情況
通過(guò)對(duì)釋磷量和吸磷量的綜合分析，在工況Ⅱ[厭氧區(qū)磷負(fù)荷33.82 g ?-1]條件下，PO3-4-P去除率比較高. 從圖 5可以看出，該條件下出水NO-x-N濃度在1.75 mg ?L-1左右，說(shuō)明電子受體相對(duì)充足，出水的PO3-4-P平均濃度為0.76 mg ?L-
1. 而工況Ⅰ[厭氧區(qū)磷負(fù)荷29.29 g ?-1]的出水PO3-4-P濃度為1.18 mg ?L-1，相比較而言，工況Ⅰ好氧區(qū)比例相對(duì)較小，對(duì)氨氮的篩除率較低，由硝化菌氧化氨氮產(chǎn)生的硝態(tài)氮電子受體不足，導(dǎo)致(cause)出水PO3-4-P濃度比較高. 在工況Ⅲ[厭氧區(qū)磷負(fù)荷39.30 g ?-1]條件下，雖然出水的PO3-4-P濃度比較低，但是由于釋磷量的降低，使得反硝化聚磷菌在吸磷過(guò)程中利用硝態(tài)氮的量降低，使得出水NO-x-N的濃度較高.
經(jīng)過(guò)60 d的穩(wěn)定運(yùn)行，3種工況條件對(duì)于COD均可以保持較高的去除率，但是對(duì)于NH+4-N和PO3-4-P的去除，工況Ⅱ和工況Ⅲ條件要好于工況Ⅰ，主要原因是好氧區(qū)容積負(fù)荷的大小決定著氨（化學(xué)式：NH3） 氮氧化的情況，而氧化產(chǎn)物NO-x-N是反硝化除磷電子受體來(lái)源，所以除磷能力的高低與NO-x-N量的多少有重要關(guān)系. 在工況Ⅲ條件下，氨氮充分氧化生成氧化態(tài)氮，但反硝化聚磷菌并沒(méi)有充分利用，造成出水的硝態(tài)氮濃度過(guò)高. 在工況Ⅱ條件下，即好氧區(qū)氮負(fù)荷為186.14 g ?-1，厭氧區(qū)磷和COD的負(fù)荷分別為33.82 g ?-1和1517.42 g ?-1時(shí)，由于硝化生物膜氧化氨氮產(chǎn)生的硝態(tài)氮作為反硝化聚磷菌的電子受體被反硝化聚磷菌充分利用，所以出水硝態(tài)氮低于其它兩種運(yùn)行條件.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或
3 結(jié)論
隨著好氧區(qū)氮容積負(fù)荷的減少，氨氮去除率相應(yīng)的增加，3種工況條件下氨氮去除率分別為75.07%、 80.63%和83.66%，氮去除負(fù)荷分別為181.96、 150.27和126.09 g ?-1.
隨著厭氧區(qū)有機(jī)負(fù)荷的增大，厭氧結(jié)束時(shí)COD的去除率逐漸最大化減少，3種工況條件下COD去除率分別89.53%、 83.24%和71.60%.
隨著厭氧區(qū)磷容積負(fù)荷的增大，釋磷量逐漸降低，3種工況條件下釋磷量分別為8.60、 7.23和5.63 mg ?L-1，吸磷量分別為12.79、 11.93和10.00 mg ?L-1.
從生物膜-顆粒污泥耦合工藝對(duì)有機(jī)物、 氮、 磷污染物的去除情況來(lái)看，工況Ⅰ條件下NH+4-N和PO3-4-P的去除率不高，工況Ⅲ條件下氮的去除率不高，所以工況Ⅱ?yàn)樽罴堰\(yùn)行工況.
