第一作者：吕娟，女,1983年生，硕士研究生，研究方向为城市污水脱氮除磷技术。
3国家自然科学基金重点资助项目(No.50138010)；上海市曙光计划项目(No.05SG26)。
间歇曝气SBR 工艺脱氮除磷试验研究3
吕娟陈银广顾国维
(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092)
摘要采用间歇曝气序批式反应器(SBR )工艺，通过曝气时间、交替次数的调整对该系统的脱氮除磷效果进行了研究，最终将
工艺确定为厌氧1.5h 、好氧1.0h 、缺氧1.0h 、好氧20min 、缺氧1.0h 、好氧20min 。同时进行批式试验，对不同阶段的反硝化除磷菌(DPAOs )占除磷菌(PAOs )的比例进行了计算。结果表明：该系统与最初的厌氧/好氧SBR 相比节省了44%的曝气量，且对
COD 、总氮、氨氮和磷的去除率分别达88%、89%、100%和100%，系统中DPAOs 所占比例为39%。
关键词SBR 脱氮除磷DPAOs
Study of nitrogen and phosphorus removal by a sequencing b atch reactor with intermittent aeration L v J uan ,Chen Yi n 2guang ,Gu Guowei.(S tate Key L aboratory of Poll ution Cont rol and Resources Reuse ,Tong j i Universit y ,S hanghai
200092)
Abstract : Asequencing batch reactor with intermittent aeration had been used for simultaneous biological nitro 2gen and phosphorus removal in this paper.The removal efficiency for N and P were explored by altering aeration du 2ration and f requency and the optimum operation conditions was listed below ,i.e.,1.5h anaerobic followed by 1.0h aerobic period ,then 1.0h anoxic followed by 20min aerobic period ,and then 1.0h anoxic followed by 20min aerobic.The proportion of denitrifying PAOs (DPAOs )to PAOs was calculated through batch experiments.The calculated re 2sults showed that comparing with original A/O SBR reactor ,the oxygen supply could be saved ca.44%in this SRR reactor with 39%DPAOs and the removal efficiency for COD ,total nitrogen ,ammonia and phosphorus was 88%,89%,100%and 100%,respectively.
K eyw ords : SBR
Nitrogen and phosphorus removal
DPAOs
目前，较为常见的生物除磷方法为增强生物除磷，该过程常伴随氮元素的去除(氨氮硝化为硝态氮，进而反硝化为氮气)，因此在城市污水C/N 较低的环境下就会出现反硝化与除磷竞争有限碳源的矛盾。如何有效利用污水中的碳源已成为提高氮、磷去除率的关键。近来的研究发现，厌氧/缺氧交替运行条件下易富集一类兼有反硝化和除磷作用的兼性厌氧微生物。该微生物可利用氧气或硝酸盐作为电子受体，且其基于胞内聚羟基烷酸和糖原的生物代谢作用与传统厌氧/好氧法中的聚磷菌(PAOs )相似，而被称为反硝化聚磷菌(DPAOs )[123]。DPAOs 以硝酸盐为电子受体，不需提供外碳源，磷的去除在反硝化脱氮的同时得以实现，具有“一碳两用”的优势；而缺氧代替好氧则节省了曝气的能量消耗，同时减少了污泥量。 国内外已针对DPAOs 缺氧吸磷现象进行了大量研究，目前的研究中反硝化除磷所需的电子受体一般由外加硝酸盐提供[4,5]，增加了工艺成本，且仅以磷的
去除作为目标，未把脱氮结合到研究中。TSUNEDA 等[6]采用厌氧/好氧/缺氧的SBR 工艺实现了利用DPAOs 同步脱氮除磷，好氧时间缩短为90min ，但在
该研究中需在厌氧结束时投加40mg/L 的碳源，增加了成本。L EE 等[7]3969利用SBR 将反硝化脱氮除磷结合起来研究，但好氧时间仍长达2.5h 。 针对目前S BR 反硝化除磷研究中存在的因曝气时间较长和外加硝酸盐造成的能耗和成本增加问题，笔者采用间歇曝气的新型SBR 工艺进行了脱氮除磷研究。通过
间歇曝气将氨氮硝化，为反硝化除磷提供电子受体，且最终将好氧时间缩短为100min 。该工艺既实现了曝气时间的缩短且无需外加电子受体，因而较大程度地实现了节能降耗的目的，同时实现了“一碳两用”。1 试验材料与方法1.1
SBR 反应器
SBR 反应器为直筒形，直筒内径为0.14m ，高
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806・
0.3m ，有效容积约4.6L ，置于20℃恒温室内。反应器接种污泥取自上海市某污水处理厂，进水采用人工配水，配方见表1，水质主要指标理论值为:COD 400mg/L ，氨氮25mg/L ，总磷10mg/L 。进水用适量盐
酸调节p H 为7.0，同时加入适量含钾、钙和锌等微量元素的矿物盐溶液。进水方式为：由蠕动泵输入反应器，进水时间25min ，每次进水2L 。静置沉淀后排出2L 上清液。通过好氧末排泥将泥龄控制在16d ,MLSS 保持在3500～4500mg/L 。
表1 SBR 反应器进水配方
Table 1 The formula of water inlet in SBR reactor
物质
质量浓度
/(mg ・L -1)
物质
质量浓度
/(mg ・L -1)
NaAc ・3H 2O 850N H 4Cl 114.6Na H 2PO 4・2H 2O
50.3MgSO 4・7H 2O
180KCl
72无水CaCl 2
10.6蛋白胨
5
Na HCO
3
225
本实验研究经过4个阶段，反应器首先在厌氧/好氧的条件下稳定运行2个月，随后如图1所示在厌氧/好氧SBR 的好氧段中引入一定时间的缺氧段
(1.0～1.5h )，以促使DPAOs 的生长，同时调整厌氧时间以及厌氧、好氧的交替次数。最终的周期模
式(阶段Ⅳ)包括厌氧(含进水)1.5h 、好氧1.0h 、缺氧1.0h 、好氧20min 、缺氧1.0h 、好氧20min 以及静置1.0h 后沉淀、排水。
图1 SBR 系统不同阶段运行示意图
Fig.1 Scheme of the operation of SBR reactor at
different stages
水质分析指标包括氨氮、亚硝态氮、硝态氮、总氮、总磷、COD 、ML SS 、ML VSS 等，分析方法依据A P HA (1995)[8]。1.2
批式试验 针对DPAOs 对于系统总除磷能力的贡献进行
了批式试验研究。20℃条件下，取SBR 反应器厌氧末期污泥混合液1.6L ，用0.9%(质量分数)的NaCl 溶液清洗两遍，将混合液等量分置于两烧杯中
并分别测定两烧杯中活性污泥的ML VSS 。一只烧杯曝气使DO 保持在3mg/L 左右，另一只烧杯加入
NaNO 3使初始硝态氮为40mg/L ，以提供过量的电
子受体，同时在两烧杯中投加一定量的磷酸盐使初
始总磷质量浓度保持在65mg/L ，搅拌3h 。测定两烧杯中总磷浓度随时间的变化，并比较两烧杯中总磷浓度的变化速率。2 结果与讨论2.1
SBR 运行结果
SBR 系统运行至阶段Ⅲ时(具体时间分配为厌氧(含进水)1.5h ，好氧1.5h ，缺氧1.5h ，好氧0.5h ，即厌氧/好氧/缺氧/好氧)，一个周期内COD 、总磷、氨氮、硝态氮以及亚硝态氮的质量浓度变化曲线
见图2。由图2可见，厌氧开始1.5h 后，碳源被快速去除，同时释放大量磷酸盐，厌氧末反应器中总磷达
79.15mg/L ；随后的好氧段吸收了大量的磷，此时污水总磷下降为13.66mg/L 。当进入缺氧阶段时，氨氮已基本转化为亚硝态氮以及少量的硝态氮，随着反硝化反应的进行，亚硝态氮的浓度逐渐下降，硝态氮几乎完全耗尽，总磷的含量明显减少，说明缺氧段中存在明显的以硝态氮为电子受体的反硝化吸磷[7]3973。最终的0.5h 好氧吸收残余的磷，总磷质量浓度降低到0.25mg/L ，同时将亚硝态氮进一步氧化为硝态氮。此阶段系统对COD 、总氮、氨氮和总磷的去除率分别达到88%、83%、98%和98%。
图2 阶段Ⅲ1个周期内氨氮、亚硝态氮、硝态氮、总磷和
COD 质量浓度变化曲线(M LVSS =3460mg/L )Fig.2 Profiles for concentrations of N H +42N 、NO -22N 、
NO -32N 、TP 、COD at stage Ⅲwithin one cycle
ZEN G 等[9]将SBR 系统好氧段的DO 控制在0.5mg/L ，实现了同步硝化反硝化(SND )与除磷的结合，且该SND 过程是通过中间产物亚硝态氮实现的。通过对反硝化所产生气体的分析发现，气态氮的形式为温室气体一氧化二氮而并非预计的氮气。在本研究中好氧段出现了亚硝态氮累积，因此缺氧反硝化过程有可能是通过亚硝态氮实现的，但由于试验条件有限而无法进行反硝化气体成分分析。为进一步缩短好氧总时间，同时避免反应过程中亚硝
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906・
态氮的累积，而进行系统运行时间以及交替次数的调整，进行阶段Ⅳ的研究。 阶段Ⅳ的运行时间分配为：厌氧(含进水)1.5h ，好氧1.0h ，缺氧1.0h ，好氧20min ，缺氧1.0h ，好氧20min ，即厌氧/好氧/缺氧/好氧/缺氧/好氧，一个周期内COD 、总磷、氨氮、硝态氮以及亚硝态氮的质量浓度变化曲线见图3。与阶段Ⅲ相同，厌氧结束时碳源被大量去除，同时释放磷，厌氧末污水总磷达65.02mg/L 。好氧1.0h 吸磷后，污水中总磷降为6.41mg/L ，同时氨氮被氧化，为下一阶段的反硝化吸磷提供电子受体。由于残余DO 的作用，氨氮在缺氧段得到了一定的去除，伴随着亚硝态氮和硝态氮总浓度的下降(总质量浓度由2.33mg/L 下降为0.32mg/L )，总磷浓度在DPAOs 的作用下逐渐减少(质量浓度由6.41mg/L 下降为0.49mg/L )。随后20min 的好氧段，由于硝化作用，氨氮浓度进一步下降，而硝态氮浓度开始上升，该阶段较短的好氧时间只去除了少量的磷。缺氧段再一次利用DPAOs 进行反硝化除磷，总磷质量浓度降低到0.15mg/L ，同时发现亚硝态氮有少量增加。最终的20min 曝气将残余的亚硝态氮全部转化为硝态氮，出水中氨氮和总磷浓度均未检出，硝态氮质量浓度为2.67mg/
L 。
图3 阶段Ⅳ1个周期内氨氮、亚硝态氮、硝态氮、总磷和
COD 质量浓度变化曲线(M LVSS =3280mg/L )Fig.3 Profiles for concentrations of N H +42N 、NO -22N 、
NO -32N 、TP 、COD at stage Ⅳwithin one cycle
阶段ⅣCOD 、总氮、氨氮和总磷的去除率分别达88%,89%,100%和100%。由图3可明显看出整个
运行周期中亚硝态氮未出现明显的累积，避免了一氧化二氮产生的可能性。KUBA 等[10]指出硝化反应所需要的长时间好氧对反硝化吸磷不利，但在本试验过程中无论是阶段Ⅲ还是阶段Ⅳ,DPAOs 都可利用好氧段产生的NO -3作为电子受体吸磷。SBR 好氧段中间引入缺氧段增加了系统反硝化吸磷的能力，这将有益于污水中COD 不足的条件下实现同步脱氮除磷。
2.2批式实验结果 文献[11]称DPAOs 对于系统总的除磷能力的贡献可通过计算缺氧吸磷速率与好氧吸磷速率的比值而得出。其根据是具有反硝化能力的PAOs 在好氧、缺氧条件下的吸磷速率基本一致，而好氧PAOs 在缺氧条件无法吸磷。 在本研究中，利用SBR 中活性污泥分别在好氧、缺氧条件进行两组批式实验，从而分别得出好氧、缺氧条件下的吸磷率。SBR 污泥经厌氧阶段释磷完全后被分为两部分进行批式试验，一部分置于缺氧条件下，而另一部分置于好氧条件下。阶段Ⅲ的污泥样品的吸磷曲线见图4，
缺氧、好氧条件下每克MLVSS 吸磷(以总磷计)速率分别达到6.24、14.32mg/h ，缺氧吸磷速率约相当于好氧吸磷速率的44%，由此可得出DPAOs 占全部PAOs 的比例约为44%。阶段Ⅳ污泥样品的吸磷曲线见图5，缺氧、好氧条件下每克ML VSS 的吸磷速率分别达到了6.30、16.20mg/h ，由此得出DPAOs 占全部PAOs 的比例约为
39%。
图4 阶段Ⅲ活性污泥(M LVSS =3460mg/L )的吸磷曲线Fig.4 Phosphate uptake in anaerobic 2aerobic process with
activated sludge at stage Ⅲ
图5 阶段Ⅳ活性污泥(M LVSS =3024mg/L )的吸磷曲线
Fig.5 Phosphate uptake in anaerobic 2aerobic process with
activated sludge at stage IV
交替次数的增多虽然显著提高了好氧吸磷的速率，但没有增加DPAOs 占PAOs 的比例。其原因可能是由于厌氧/好氧/缺氧/好氧/缺氧/好氧SBR 系统中，氨氮第1次的硝化时间仅为1.0h ，提供的硝态氮较少，限制了DPAOs 的反硝化吸磷，从而导致DPAOs 所占比例的下降。
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reactor4016・
2.3工艺实施可行性讨论
实验中,SBR的运行模式为厌氧/好氧/缺氧/好氧/缺氧/好氧，在实现“一碳两用”的同时缩短了曝气时间，节省了能耗。理论上，利用水处理过程中已广泛应用的自动控制可实现间歇曝气，但是在实际运行过程中曝气的间歇进行将会引起鼓风机的频繁开关，势必会减少鼓风机的运行寿命。
结合实际SBR工艺的运行状况，笔者认为该缺陷可通过对SBR处理工艺的运行进行调整而弥补。实际的SBR污水处理厂一般采用多组SBR反应池切换运行，故首先结合本实验的原理对SBR反应池的运行切换时间进行调整，从而保证各个SBR的曝气时刻不同；其次多组SBR可由同一鼓风机供气，在保证鼓风机连续运行的情况下，通过切换鼓风机的通气阀轮流对多组SBR供气。对于单独的SBR 反应池而言就可实现间歇曝气，同时减少了鼓风机开关的频率，保证了设备的寿命，且无需新建反应池。但是涉及到具体的切换运行时间分配参数，还需要通过中试进行进一步研究确定。
3 结论
(1)间歇曝气的SBR系统可富集大量DPAOs, DPAOs占PAOs的比例可达到39%；且较长的硝化反应时间也未影响缺氧吸磷的效果。
(2)厌氧/好氧/缺氧/好氧SBR系统对COD、总氮、氨氮和总磷的去除率分别达88%,83%,98%和98%，且实现了短程硝化反硝化与反硝化除磷的结合，但运行过程中出现了亚硝态氮的累积，是否会产生一氧化二氮有待进一步研究。
(3)厌氧/好氧/缺氧/好氧/缺氧/好氧SBR系统与阶段Ⅰ的厌氧/好氧SBR系统相比，好氧时间由3.0 h缩短为100min，理论上可节约约44%的曝气量。该系统对COD、总氮、氨氮和总磷的去除率分别达88%,89%,100%和100%，运行过程中未出现亚硝态氮的累积，但DPAOs所占PAOs的比例由厌氧/好氧/
缺氧/好氧系统的44%下降为39%。
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责任编辑：赵多 (修改稿收到日期:2006209220)
(上接第607页)
面的研究，更好地掌握菌株适宜的生长条件，提高其生物强化效率。
(3)该垃圾压缩站污水水量不大，经过处理后的污水不但可以用于冲洗垃圾压缩车，还可替代生活污水用作原水的稀释水，实现无污水外排。
(4)该实验为实验室小试，若进行工程放大，可采用A2/O工艺。该工艺具有进水负荷高，耐冲击，不易产生污泥膨胀和较少污泥增量的优点，且能同步实现脱氮除磷。为减少温度影响，构筑物宜采用地埋式，而冬季污水量约为夏季污水量的1/4,HR T 也相应增加为夏季的4倍，也可以减少由于低温所产生的影响，以保持较高的处理效率。
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责任编辑：陈泽军 (修改稿收到日期:2007205223)
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