近年來我國水體富營養(yǎng)化問題頻繁暴發(fā)，其中氮、 磷為主要因素，對(duì)此我國針對(duì)氮、 磷制定出了更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn).然而在實(shí)際工程中，污水生物除磷普遍面臨碳源(COD)不足問題，導(dǎo)致EBPR(enhanced biological phosphorus removal)系統(tǒng)不能高效穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而出水水質(zhì)未能達(dá)標(biāo)，另一方面，磷是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚淖匀毁Y源，但在自然界中磷是起始于陸地歸于海洋的單向遷移.在此情況下，把磷從污水中去除轉(zhuǎn)變成回收利用已經(jīng)受到國際社會(huì)的廣泛關(guān)注.側(cè)流磷回收將SBR反應(yīng)器厭氧末期上清液按一定比例提取，剝奪EBPR系統(tǒng)中的磷等污染物，污泥系統(tǒng)中相應(yīng)的COD/P比有所上升，一定程度緩解了除磷與脫氮在碳源上的競爭，并且化學(xué)反應(yīng)后可溶性磷酸鹽易于結(jié)晶析出，以純化學(xué)污泥形式(金屬沉淀物)排出系統(tǒng)，利于回收，且回收量大，將預(yù)防水體富營養(yǎng)化和磷回收兩者結(jié)合一體.
溶解氧(DO)濃度是活性污泥法運(yùn)行中的重要因素，EBPR系統(tǒng)中，生物曝氣是最大的耗能單元，調(diào)研結(jié)果表明曝氣成本占實(shí)際污水廠總運(yùn)營支出的50%~80%且大部分污水廠存在過量曝氣現(xiàn)象，此情況下不僅增加曝氣成本，過曝氣也容易引發(fā)系統(tǒng)失效.若污水廠在低DO濃度條件下穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行，整個(gè)污水廠的能耗可降低10%左右.若能將側(cè)流磷回收與低好氧條件下的EBPR系統(tǒng)聯(lián)合起來，則在預(yù)防水體富營養(yǎng)化和磷回收的基礎(chǔ)上又可大大節(jié)約污水生物除磷成本.
本研究在低DO濃度(DO=1mg·L-1)下的EBPR系統(tǒng)內(nèi)提取不同側(cè)流比(0、 1/4、 1/3、 1/2)厭氧上清液進(jìn)行磷回收，通過分析實(shí)施側(cè)流磷回收時(shí)主流系統(tǒng)的各項(xiàng)出水指標(biāo)及其相應(yīng)側(cè)流比磷回收率，探究低DO條件下EBPR系統(tǒng)與側(cè)流磷回收結(jié)合的可行性，并確定最佳側(cè)流比.
1 材料與方法1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行
實(shí)驗(yàn)所用SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，總有效容積為5.4 L.在反應(yīng)器壁上的垂直方向設(shè)置一排間距10 cm的取樣口，用于取樣和排水，底部設(shè)有排泥口; 以黏砂塊作為微孔曝氣器，采用鼓風(fēng)機(jī)曝氣，氣量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié); 反應(yīng)器好氧段的溶解氧濃度采用帶有Labview軟件編程的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加以控制.實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示.
1. 原水水箱; 2. 蠕動(dòng)泵; 3. 攪拌裝置; 4. 黏砂塊曝氣頭; 5. 排泥口; 6.DO探頭; 7.Multi 3420在線測定儀;8. 計(jì)算機(jī); 9.控制系統(tǒng); 10.空氣壓縮機(jī); 11.流量計(jì); 12.蠕動(dòng)泵; 13. 水箱; 14.電磁閥
圖 1 SBR實(shí)驗(yàn)裝置示意
反應(yīng)器每天共運(yùn)行3個(gè)周期，每周期8 h，包括2 h厭氧(厭氧最后15 min靜置沉淀，由此可將富磷上清液通過蠕動(dòng)泵按比例精準(zhǔn)抽出0、 1/4、 1/3、 1/2側(cè)流比)，5 h好氧及1 h沉淀、 排水、 閑置.反應(yīng)器排水比1/3，污泥齡為10 d，實(shí)驗(yàn)溫度始終為16℃.厭氧末期聚磷菌充分釋磷，磷濃度為原污水磷濃度的數(shù)倍，因此在厭氧末期提取上清液并引入旁路進(jìn)行化學(xué)磷回收是一個(gè)有利的回收點(diǎn)，這與Kuba等[17]的觀點(diǎn)一致.引出上清液，配水中的鈣、 鎂離子濃度較高，投加NaOH調(diào)節(jié)pH(>9.0)后沉淀反應(yīng)40 min可實(shí)現(xiàn)磷回收[18].反應(yīng)器運(yùn)行工況見表 1，其中溶解氧為理論控制值，實(shí)際DO濃度因控制系統(tǒng)的滯后性略低于控制值.混合液懸浮固體濃度MLSS是系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)，MLSS太高說明生化池中的活性污泥過剩，超出生化處理的需求而影響出水水質(zhì)，MLSS太低則說明生化池中的污泥負(fù)荷不夠，出水各項(xiàng)指標(biāo)將不達(dá)標(biāo)，因此，MLSS只有在合理范圍(2 500~4 000mg·L-1)之內(nèi)，系統(tǒng)才能正常運(yùn)行.由表 1可得，MLSS隨側(cè)流比的增大不斷減小，保持在2 700~3 600mg·L-1之間，系統(tǒng)MLSS波動(dòng)范圍正常.
表 1 反應(yīng)器運(yùn)行工況
1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及接種污泥
本實(shí)驗(yàn)采用模擬廢水，由碳源液、 磷液、 氮液、 濃縮液及微量元素配制而成，模擬廢水pH平均值為6.760.無水乙酸鈉為碳源(COD=400mg·L-1)，磷酸二氫鉀(PO3-4-P=8mg·L-1)、 氯化銨(NH4+-N=40mg·L-1)、 濃縮液(1 L)由45 g MgSO4·7H2O、 80 g MgCl2·6H2O、21 g CaCl·2H2O、 10 g酵母浸膏、 61 g蛋白胨組成，微量元素組成參照文獻(xiàn)[19].為滿足微生物生長需要，1 L模擬廢水加入1 mL濃縮液及1 mL微量元素液.
實(shí)驗(yàn)所用污泥接種自蘭州市七里河城市污水處理廠4號(hào)曝氣池，該污水廠采用A2/O工藝，污泥具有一定脫氮除磷性能，污泥各項(xiàng)指標(biāo)性能良好.
1.3 分析項(xiàng)目及方法
所有水樣均采用定性濾紙過濾后測定，水質(zhì)分析項(xiàng)目中PO3-4-P采用鉬銻抗分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，COD采用COD快速測定儀測定，MLSS(混合液懸浮固體濃度)采用濾紙重量法測定.溫度、 ORP(氧化還原電位)值和DO由德國Multi 3420在線測定儀在線監(jiān)測.
2 結(jié)果與討論2.1 不同側(cè)流比條件下EBPR系統(tǒng)COD、 NH4+-N的去除性能
圖 2為不同側(cè)流比條件下系統(tǒng)COD、 NH4+-N去除性能.控制DO=1mg·L-1，在提取側(cè)流比為0、 1/4、 1/3、 1/2的4個(gè)階段監(jiān)測日常運(yùn)行時(shí)反應(yīng)器進(jìn)、 出水COD、 NH4+-N濃度及其去除率.圖 2(a)中，反應(yīng)器在Ⅰ階段與Ⅱ階段對(duì)COD的去除率均高于81.9%，出水COD濃度平均值為24.1mg·L-1，COD得以穩(wěn)定去除.但在后兩個(gè)階段，COD出水濃度與去除率有所波動(dòng)，Ⅲ、 Ⅳ階段中，COD最低去除率均為79.7%，出水COD的殘余量達(dá)到81.3mg·L-1.與文獻(xiàn)給出的側(cè)流除磷對(duì)COD去除效果幾乎無影響不同，分析認(rèn)為，郝曉地等[18]的研究表明，在不斷增大側(cè)流比時(shí)，生物除磷所需最低COD/P值會(huì)不斷下降(側(cè)流比從0增大至20%時(shí)，所需最低COD/P值隨之由20降至15)，即側(cè)流比不斷增大時(shí)，整個(gè)生物反應(yīng)過程所需COD不斷減小，本實(shí)驗(yàn)COD/P值并未隨相應(yīng)的COD/P有所降低且始終為50，因此在Ⅲ階段與Ⅳ階段出水有些許COD殘留.
圖 2 不同側(cè)流比條件下系統(tǒng)COD、 NH4+-N去除性能
由圖 2(b)中可得，各階段下NH4+-N去除率僅在改變不同側(cè)流比初期略有降低，之后快速回升至100%并實(shí)現(xiàn)氨氮的穩(wěn)定去除.反應(yīng)器在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段(110 d)對(duì)NH4+-N去除率均值為98.1%，出水NH4+-N濃度平均值為0.8mg·L-1，工藝去除NH4+-N性能高效穩(wěn)定，說明反應(yīng)器中NH4+-N去除不受側(cè)流比影響，類似的研究結(jié)論也有報(bào)道.且此時(shí)反應(yīng)器在低好氧(DO=1mg·L-1)的情況下，證明側(cè)流比磷回收與低DO濃度(DO=1mg·L-1)條件下的EBPR系統(tǒng)結(jié)合運(yùn)行對(duì)去除NH4+-N影響甚微.
2.2 不同側(cè)流比條件下EBPR系統(tǒng)的除磷性能
圖 3為不同側(cè)流比條件下系統(tǒng)的除磷性能.《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)規(guī)定一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)中總磷(以P計(jì))排放應(yīng)≤0.5mg·L-1.由圖 3可見，反應(yīng)器Ⅰ階段(無側(cè)流比)出水磷的達(dá)標(biāo)率為52.9%，該階段初期系統(tǒng)因剛啟動(dòng)出水有3 d不穩(wěn)定，之后除磷率最低為82.3%，平均除磷率89.4%; Ⅱ、 Ⅲ階段(側(cè)流比分別為1/4、 1/3)中，平均除磷率分別為98.5%和99.0%，出水磷達(dá)標(biāo)率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Ⅰ階段，尤其是Ⅲ階段只有初期第一天未達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水達(dá)標(biāo)率為93.3%，說明側(cè)流比升高至1/3，除磷效果也隨之上升，出水PO43--P濃度逐漸下降; Ⅳ階段中除磷率不斷波動(dòng)，除磷率最低為65.4%，出水磷的達(dá)標(biāo)率僅為45.5%，在1/2側(cè)流比時(shí)，提取較多厭氧放磷上清液進(jìn)行化學(xué)磷回收，此時(shí)聚磷菌在厭氧釋磷和好氧吸磷的動(dòng)態(tài)平衡被嚴(yán)重破壞，生物性能逐漸惡化，因此在1/2側(cè)流比時(shí)抑制低好氧EBPR系統(tǒng)的除磷性能.說明低好氧EBPR系統(tǒng)在1/4、 1/3側(cè)流比條件下于回收磷的同時(shí)EBPR系統(tǒng)可更加高效節(jié)能穩(wěn)定運(yùn)行.
圖 3 不同側(cè)流比條件下系統(tǒng)的除磷性能
2.3 不同側(cè)流比條件下EBPR系統(tǒng)典型周期磷的變化規(guī)律
圖 4為不同側(cè)流比條件下典型周期內(nèi)PO3-4-P、 ORP和DO的濃度變化規(guī)律.從中可知，在DO=1mg·L-1條件下，依次提取側(cè)流比0、 1/4、 1/3、 1/2后厭氧段釋磷量呈遞減趨勢，對(duì)應(yīng)厭氧末期磷濃度分別為32.8、 26.0、 20.1、 18.7mg·L-1.分析原因?yàn)? ①提取側(cè)流比即人為剝奪生物反應(yīng)過程中厭氧釋磷量，隨著不斷的磷剝奪，聚磷菌胞內(nèi)聚磷顆粒含量減少，厭氧釋磷能力逐漸減弱[20]; ②從圖 4中可以看出，厭氧階段反硝化初期，氧化態(tài)的NOx--N被還原成N2，反應(yīng)器中ORP不斷下降，隨后反應(yīng)過程中氧化還原狀態(tài)的變化幅度減小，ORP下降速率變小并逐漸趨于平緩，厭氧段末期ORP最終分別為-258.9、 -233.7、 -231.4、 -217.8 mV.王曉玲等研究表明，在低ORP情況下，相對(duì)ORP值越高則NO3--N含量越大，即各階段中厭氧段后期NO3--N含量依次升高.隨著厭氧段NO3--N含量升高，反硝化菌與聚磷菌在污水中競爭能力逐漸增強(qiáng)，聚磷菌處于劣勢，導(dǎo)致聚磷菌釋磷量減少.
圖 4 不同側(cè)流比條件下典型周期內(nèi)PO3-4-P、 ORP和DO的濃度變化規(guī)律
由圖 4還可以看出，隨著側(cè)流比不斷增大，對(duì)應(yīng)吸磷時(shí)間逐漸延長，系統(tǒng)Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ階段的吸磷過程分別可以在120、 150、 180 min內(nèi)完成，對(duì)應(yīng)好氧吸磷速率變慢，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)Ⅳ階段(1/2側(cè)流比)吸磷過程并未完成，在好氧末期系統(tǒng)磷濃度為0.6mg·L-1.綜合分析表明，提取側(cè)流比逐漸增大，聚磷菌的厭氧釋磷與好氧吸磷能力均逐漸減弱，且Ⅳ階段(1/2側(cè)流比)之前均可實(shí)現(xiàn)除磷效果，說明在1/4、 1/3側(cè)流比條件下EBPR系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)磷的高效去除，從節(jié)約能耗與磷回收方面考慮，低好氧條件下生物除磷與側(cè)流磷回收結(jié)合具有可行性.
2.4 不同側(cè)流比條件下EBPR系統(tǒng)生物除磷與磷回收的相互作用
圖 5為不同側(cè)流比條件下磷回收、 生物除磷性能.由圖 5(a)可得，在將側(cè)流比變?yōu)?/4時(shí)，系統(tǒng)聚磷菌總釋磷量明顯下降，由側(cè)流前的39.9mg·L-1下降至23.4mg·L-1，在1/3側(cè)流比時(shí)降低幅度較小，在1/2側(cè)流比時(shí)又加速下降; EBPR系統(tǒng)生物除磷量與總釋磷量趨勢幾乎吻合，亦發(fā)現(xiàn)在1/2側(cè)流比時(shí)兩者差值最大，分析原因與圖 4分析結(jié)果相同，但側(cè)流比磷回收量卻不斷上升.由圖 5(b)可得，EBPR系統(tǒng)生物除磷率呈先增加后減小的趨勢，在1/3側(cè)流比階段時(shí)生物除磷率最高，可達(dá)到99.0%，側(cè)流比磷回收率呈現(xiàn)直線上升趨勢.分析認(rèn)為，與無側(cè)流比相比，提取1/4、 1/3側(cè)流比進(jìn)行側(cè)流比磷回收對(duì)生物除磷具有一定的強(qiáng)化作用，這與Barat等的模擬評(píng)價(jià)相似，但側(cè)流比為1/2時(shí)，生物除磷率迅速下降，應(yīng)該存在一個(gè)最佳側(cè)流比，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的磷回收與高效低耗生物除磷的有效結(jié)合.其中偏差棒為各個(gè)工況對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的偏差，由圖 5中所有階段的各種指標(biāo)可以明顯看出，在1/3側(cè)流比時(shí)所有指標(biāo)偏差值均為最小值，而1/2側(cè)流比時(shí)所有指標(biāo)偏差值均為最大值，即在1/3側(cè)流比時(shí)EBPR系統(tǒng)除磷性能與磷回收性能均為最穩(wěn)定高效，反之1/2側(cè)流比抑制EBPR系統(tǒng)除磷性能.
圖 5 不同側(cè)流比條件下磷回收、生物除磷性能
綜合圖 5可得，1/3側(cè)流比為最佳側(cè)流比，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)的磷回收與高效低耗生物除磷的有效結(jié)合.主要原因有: ①在1/3側(cè)流比階段時(shí)生物除磷最為穩(wěn)定高效，去除率平均值為99.0%; ②雖然側(cè)流比磷回收率呈現(xiàn)直線上升趨勢，但圖 5(a)中可以看出，側(cè)流比磷回收量依次為10.5、 17.6、 17.7mg·L-1，1/2與1/3側(cè)流比僅僅相差0.1 mg·L-1，可見1/2側(cè)流比時(shí)對(duì)于磷的資源再利用能力已經(jīng)逐漸減緩.
2.5 不同側(cè)流比條件下EBPR系統(tǒng)各形態(tài)氮的去除性能
圖 6為不同側(cè)流比條件下EBPR系統(tǒng)各形態(tài)氮的去除性能.從中可知，各階段出水NO3--N濃度平均值依次為10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L-1.同時(shí)可見，系統(tǒng)在Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ階段時(shí)TN去除率較為穩(wěn)定并逐漸下降，各階段TN去除率平均值分別為73.6%、 69.8%、 68.1%; Ⅳ階段(1/2側(cè)流比)TN去除率最小降至50.9%.由圖 2(b)可知，系統(tǒng)所有階段去除NH4+-N性能高效穩(wěn)定，可見TN去除率降低主要是由于NO3--N去除降低.同時(shí)由圖 3可得，Ⅳ階段(1/2側(cè)流比)除磷率最低為65.4%，綜合證明，系統(tǒng)在1/2側(cè)流比時(shí)，生物反應(yīng)過程中脫氮除磷效果均有所下降.
圖 6 不同側(cè)流比條件下各形態(tài)氮的去除性能
反應(yīng)器采用厭氧/好氧方式運(yùn)行，出水NO3--N濃度來源于厭氧段未被完全反硝化的殘留硝態(tài)氮與好氧段硝化反應(yīng)的產(chǎn)物硝態(tài)氮.本實(shí)驗(yàn)各階段NH4+-N去除率穩(wěn)定后均可達(dá)到100%，反應(yīng)器好氧段發(fā)生明顯的硝化反應(yīng).進(jìn)水NH4+-N濃度始終為40mg·L-1，但隨著側(cè)流比增大厭氧末期逐漸剝奪更多NH4+-N，進(jìn)入好氧階段進(jìn)行硝化反應(yīng)的NH4+-N濃度逐漸減小，碳源充足的條件下各階段產(chǎn)物硝態(tài)氮含量逐漸下降.由圖 6可知，各階段出水NO3--N濃度平均值依次為10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L-1，分析結(jié)果可知，厭氧末期殘留硝態(tài)氮的變化導(dǎo)致出水NO3--N濃度變化(由圖 4已知?dú)埩粝鯌B(tài)氮含量依次升高).具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 低好氧EBPR系統(tǒng)中，側(cè)流比對(duì)NH4+-N去除影響甚微，但隨著側(cè)流比的增大且系統(tǒng)進(jìn)水COD保持初始濃度400mg·L-1，引發(fā)出水COD稍有波動(dòng).
(2) 提取側(cè)流比不斷增大，則厭氧釋磷量逐漸減小，出水磷濃度逐漸升高，在1/2側(cè)流比時(shí)，除磷性能不斷惡化.
(3) 低好氧EBPR系統(tǒng)中最優(yōu)工況為提取1/3側(cè)流比，此時(shí)低好氧EBPR系統(tǒng)與側(cè)流磷回收的結(jié)合兼顧了高效低耗除磷與磷資源回收利用，大大提高了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益.
(4) 系統(tǒng)在0、 1/4、 1/3側(cè)流比時(shí)，TN去除率較為穩(wěn)定并逐漸下降，但在1/2側(cè)流比時(shí)，厭氧末期不完全反硝化導(dǎo)致TN去除率迅速下降至50.9%.
