黃德鋒，孫力平

（天津城市建設學院 市政與環境工程系，天津 300384）

　　摘  要：試驗結果表明，在利用淹沒序批式生物膜法除磷的反應器中投加生物優勢菌種后，明顯提高了厭氧段總磷釋放和好氧段總磷吸收的效果，提高了除磷效率，縮短了停留時間。在填料裝填密度為30%，水力停留時間為7 h（其中厭氧3 h，好氧4 h），pH值在5.5 ~ 9.5之間變化時，投加菌種的反應器中COD和TP去除率均明顯高于未投加菌種的反應器。

　　關鍵詞：優勢菌種；序批式；生物除磷；裝填密度

　　1 引言

　　淡水中含磷過多會引起水體富營養化問題，表現為藻類大量繁殖、水質惡化、湖泊退化等。隨著工農業的發展，人民生活水平的提高，污水排放總量的不斷增加，各種含磷洗滌劑和化肥農藥的大量使用，廢水中的氮、磷物質對環境造成的影響也逐漸引起人們的重視，國內外對氮、磷排放標準越來越嚴格。

　　淹沒序批式生物膜法除磷是一種行之有效的工藝，以厭氧/好氧方式運行，通過厭/好氧狀態的交替運行使污水中的磷得到有效的去除。如果該工藝加缺氧段，控制合適的碳氮比，可以實現同步除磷脫氮。但也存在一些問題：污泥停留時間較長，處理效果容易受到進水中COD_Cr和pH值沖擊負荷的影響。

　　投加生物優勢菌種，能夠進一步提高生物處理構筑物中高效生物的濃度，提高反應速率和處理效能，減少水力停留時間和二沉池負荷，降低基建投資，從而提高系統的除磷能力。向該系統中投加生物優勢菌種，強化生物量對污水這一特定環境的作用，能在不擴充現有水處理設施的基礎上，提高水處理的范圍和能力。本試驗重點通過對比試驗，研究投加生物優勢菌種對序批式生物膜法除磷性能的影響。

　　2 材料與方法

　　2.1 材料

　　模擬污水：將稱量好的化學藥品溶于5000 mL的蒸餾水中，配成一定濃度的污水。試驗時作稀釋，調整COD_Cr值和污水中氮、磷濃度。污水成分如表1所示。

表1  合成污水的主要成分

　　試驗采用自配的原生污水，與生活污水水質接近，投加的主要物質為葡萄糖、乙酸鈉、磷酸二氫鉀、氯化銨、硫酸鎂、微量元素液等，加少量碳酸氫鈉調節堿度。如表1和表2所示。

表2  微量元素液的組成

　　生物優勢菌種：生物優勢菌種取自天津市環境科學研究院，共7瓶富集培養液，鑒定到屬，是具有較好聚磷性能的優勢聚磷菌。將優勢菌種投入反應器之前，首先進行擴增，將試驗所需培養基（所用培養基成分如表3所示）裝入500 mL三角瓶中，以8層紗布封口，經高壓蒸汽滅菌后，在無菌操作條件下，接入一定容積（反應器有效容積的5%）的富集培養液，好氧條件在28℃下恒溫振蕩培養48 h。然后將各菌株按一定比例復配。

　　活性污泥取自天津紀莊子污水處理廠曝氣池新鮮活性污泥，經沉淀分離后投入反應器。

表3  培養基成分及用量

　　2.2 試驗裝置與方法

　　本試驗所用反應器如圖1所示，反應器由有機玻璃制成，上部為圓柱體，尺寸為φ30×60 cm，下部為圓錐體，尺寸為φ30×16 cm。錐體部分為沉淀池，體積為3 L。反應器有效容積40 L，出水管間距10 cm，并設有混合液回流裝置，用作攪拌作用，以避免利用攪拌機攪拌時對填料造成干擾，并在反應器內內置圓柱形導流筒，尺寸為φ16×50 cm，可以保護濾料免受曝氣的沖刷作用。回流泵采用單相管道泵，流量為0.5 m³/h。核心裝置為生物接觸氧化反應器，內裝聚乙烯纖維復合填料，試驗所用填料為聚乙烯組合軟性填料，比表面積為2660，空隙率為99%。

圖1  試驗裝置圖

　　為研究投加優勢聚磷菌后對反應器除磷效果的影響，本試驗采用兩組同體積的反應器同時掛膜，把組合軟性填料分別裝入兩個反應器中，填充比為30%。在第一個反應器中只加入取自天津紀莊子污水處理廠匯流泵房的回流污泥，稱為反應器1，而在第二個反應器中，加入上述回流污泥的同時，又加入等體積復配后的優勢聚磷菌，稱為反應器2。兩個反應器同時利用快速排泥法進行掛膜。

　　本試驗首先在固定進水污泥齡、pH、COD_Cr、NH₄⁺-N、TP濃度情況下，通過試驗確定兩個反應器除磷的最佳厭氧/好氧時間，確定厭氧/好氧運行的淹沒序批式生物膜法除磷的最佳運行周期。然后研究投加生物優勢菌種后，兩個反應器在除磷效果、抗COD_Cr沖擊負荷、對進水pH值變化的適應能力等方面的差異，從而研究優勢菌種的優勢所在。

　　3 結果與討論

　　3.1 污泥齡對除磷效果的影響

　　由于生物除磷系統中的除磷效果與排放的剩余污泥量直接相關，剩余污泥量取決于污泥齡。有人報道，當泥齡為30 d時，除磷效率為40%；泥齡17 d時，除磷效率為50%；污泥齡降到5 d時，除磷效率提高到87%，所以一般認為泥齡在5 ~ 10 d時除磷效果是比較好的^[1]。泥齡越長，活性生物量越低，聚磷菌為維持其生命活動而分解聚磷導致磷的二次釋放，除磷能力也相應降低。故本試驗控制污泥齡為8 d，每天排出5 L活性污泥混合液。

　　3.2 利用正交試驗確定厭氧/好氧停留時間

　　厭氧/好氧停留時間是影響序批式生物膜法除磷的關鍵因素。在厭氧條件下，聚磷菌分解細胞內的聚磷酸鹽同時產生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機物攝入體內，以PHB及糖原等有機顆粒的形式貯存于細胞內；同時，排出分解聚磷酸鹽分解所產生的磷酸鹽。進入好氧環境后，聚磷菌又利用PHB氧化分解產生的能量攝取廢水中的磷，并把攝取的磷合成聚磷酸鹽貯存于細胞內，并吸收有機物大量增殖。微生物的增殖使微生物在好氧環境中攝取的磷大于厭氧釋放的磷，富含磷微生物通過剩余污泥排出，從而實現除磷目的^[2]。在本試驗中，控制污泥齡為8 d，進水COD_Cr為300 mg/L，TP為10 mg/L，NH₄-N為40 mg/L，pH為7.3，研究聚磷微生物在厭氧條件下釋磷和好氧條件吸磷隨時間變化的情況，以確定達到最佳除磷效果時的厭氧/好氧時間。

圖2  兩反應器中厭氧段總磷釋放曲線對比

圖3  兩反應器中好氧段總磷吸收曲線對比

　　由圖2和圖3可知，厭氧段釋磷主要集中在前3小時，之后的9小時內釋磷量增加幅度很小。好氧段吸磷主要集中在前2小時，以后TP吸收量增加很少。故本試驗確定運行周期為7 h（其中厭氧3 h，好氧4 h）。反應器2在厭氧段TP的釋放量和釋放速率都明顯高于反應器1。而反應器2在好氧段TP的吸收速度和吸收量也明顯高于反應器1。總之，在利用淹沒序批式生物膜法除磷試驗中，投加優勢聚磷菌后，由于優勢聚磷菌在厭氧段的總磷釋放和好氧段總磷吸收的效果較好，而且增加了反應器中的生物量，厭氧段TP的釋放和好氧段TP的吸收都明顯改善，TP去除率大為提高。

　　3.3 進水COD_Cr/TP對除磷效果的影響

　　除磷效果與COD_Cr/TP、BOD₅/TP的值有關，同時又隨工藝不同而變化。生物除磷所需最少有機物的概念引出了碳限制污水和磷限制污水。碳限制污水是指污水中有機物數量不足以去除所有磷，結果出水磷濃度高。磷限制污水時指污水中有機物數量大于除磷所需有機物數量，此時出水中磷濃度很低^[3]。所以當需要得到良好的出水水質時，期望原水水質屬磷限制污水。本試驗通過改變進水COD_Cr負荷率，研究投加優勢聚磷菌后，對反應器中COD_Cr和總磷去除率的變化。

圖4  COD_Cr負荷率變化對COD_Cr去除率的影響

圖5 COD_Cr負荷率變化對TP去除率的影響

　　由圖4、圖5可知，投加優勢菌種后，當進水COD_Cr負荷率在0.2 ~ 1.5 kg/(m³·d)變化，反應器1中COD_Cr和總磷去除率在70%以上，最高分別可達90%和92%。而投加優勢聚磷菌后反應器2中COD_Cr去除率最高可達97%，總磷去除率最高為96%。由此可見，投加生物優勢菌種后，反應器更適應COD_Cr負荷率的變化，COD_Cr和總磷去除率都明顯高于未投加菌種的反應器。

　　3.4 進水pH對處理效果的影響

　　據文獻報道，pH值在6.5 ~ 8.2范圍內變化時對聚磷菌的生理活動影響不大。因此試驗中調節pH值在7左右。由于合成污水中加入一定的堿度，厭氧后及好氧后出水pH值變化不大，接近中性。本試驗分別調節進水pH值為6.2 ~ 9.2，研究投加優勢菌種后進水pH值變化對兩反應器除磷效果的影響。

圖6  pH值變化對COD_Cr去除率的影響 
       
圖7  pH值變化對TP去除率的影響

　　由圖6、圖7可知，進水pH值變化對總磷去除率影響較大。當進水pH值在5.5 ~ 9.5之間變化時，反應器2中COD_Cr和總磷去除率都明顯優于反應器1。投加菌種后，COD_Cr最高去除率從88%提高到93%，總磷去除率從89%提高到95%，當pH值在6.5 ~ 8.5之間時，總磷去除率較高，未投加菌種的反應器1中總磷去除率在90%以上，而投加菌種的反應器2中總磷去除率在95%左右。

　　4 結論

　　在利用兩個反應器同時利用淹沒序批式生物膜法除磷試驗中，在反應器中投加優勢菌種后，總磷去除率明顯增加，試驗運行3個月，未發現投加菌種的反應器中微生物除磷效率有明顯下降。

　　① 反應器中投加菌種后，厭氧段總磷的釋放和好氧段總磷吸收都明顯優于未投加優勢菌種的反應器。

　　② 在進水COD_Cr和pH值變化時，COD_Cr和TP去除率都高于未投加優勢菌種的反應器

　　③ 投加的優勢菌種的除磷效果受到水質、水量、營養物、投菌量、反應器構型、停留時間等諸多因素的影響，需進一步研究如何使投加的菌種長期保持生物活性并具有良好的除磷效果。

　　參考文獻

　　[1]  孫力平. 污水處理新工藝與設計計算實例. 北京:科學出版社, 2002.

　　[2]  BaoZhen Wang, Jun Li. Mechanism of Phosphorus Removal by SBR Submerged Biofilm System [J]. Wat, Res, 1998, 32(9): 2633-2638.

　　[3]  吳凡松, 彭永臻. 城市污水除磷廠的生物除磷系統設計. 中國給水排水, 2002, 18(8): 56-58.