多因素对反硝化除磷过程中COD、N 和P的去除分析

王聪，王淑莹，张淼，彭永臻，曾薇

（北京工业大学北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心，北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京 100124）

引 言

当处理碳源不足的生活污水时，很难获得氮、磷的同步高效去除，大部分实际污水处理厂优先考虑生物脱氮率的提高，通过添加除磷剂来获取磷的高效去除，这无疑会增加大量运行费用[1]。污水处理新技术中的反硝化除磷技术在处理低C/N 生活污水方面有很大的优势，不仅能够实现氮、磷的同步去除，而且节约碳源和曝气能耗，降低剩余污泥产量[2-5]，凭借反硝化除磷技术环境友好型、经济节约型这两方面的优势，对反硝化除磷反应的深入研究很有必要[6-7]。

有研究者认为在连续流中能够实现反硝化除磷反应，在学习了 A2N（ anaerobic-anoxic/ nitrification）和 Dephanox 富集反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus accumulating organisms,DPAOs）的优势后[8]，首次提出了A2O（anaerobic/ anoxic/oxic）-生物接触氧化（biological contact oxidation,BCO）工艺，A2O 中实现了反硝化除磷，BCO 用于完成氨氮的氧化，硝化液回流到A2O 中缺氧区，进行反硝化除磷反应，试验证明，本工艺系统具有很好的反硝化脱氮除磷去除效果。

前人做了很多单因素，诸如温度[9-11]、有机碳源类型及碳氮比[12-13]、厌氧反应时间[14]、不同电子受体[15-17]等，对反硝化除磷反应过程的影响。相关试验研究表明：温度与反硝化除磷脱氮效率呈正相关[11]，低温对系统整体吸磷效果的负面影响不大[12]；针对厌氧释磷反应要保证有合适的厌氧反应时间和碳源[11]，过长的厌氧反应时间会影响反硝化除磷系统的微生物群落，进而降低反硝化除磷性能[14]，污水中的挥发性有机物含量越高，厌氧段初始的放磷速率越快，放磷越充分，后续反硝化脱氮和缺氧吸磷效果也将明显提高[12]；在一定的范围内反硝化聚磷菌能够以硝态氮或者亚硝态氮为电子受体进行较彻底的反硝化除磷反应[16]，能获得较高的脱氮除磷效率[15-17]。但是多因素对反硝化除磷反应的综合影响并未见研究报道，基于此，本试验应用Design-Expert 软件，进行响应面优化分析试验设计，选取反应温度、硝酸盐氮浓度、起始COD 浓度和缺氧反应时间这4 个影响因素，探究其对A2O-BCO 系统活性污泥反硝化除磷反应的影响，旨在为反硝化除磷反应最优条件的探究提供一定的参考，并探究在兼顾碳源的充分利用和运行成本的降低等方面本工艺获得更高的氮和磷去除效率的运行条件。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用活性污泥取自A2O-BCO 系统中A2O 反应器的好氧段，混合液悬浮固体浓度（MLSS）为2000～2500 mg·L-1，该系统稳定运行1年，具有很好的反硝化除磷效果。采用Wachtmeister 等[18]推荐的方法计算 DPAOs 占聚磷菌（phosphorus accumulating organisms，PAOs）的比例，DPAOs 富集程度约为70%左右。试验前将活性污泥离心分离后用蒸馏水清洗3 遍，以去除残余的COD 和其他物质的影响，并定容到有效容积为1 L 的密闭小试SBR 反应器中，放在磁力搅拌器上搅拌，同时加入无水乙酸钠，进行厌氧反应；反应结束后，加入NaNO3，开始进行缺氧反应。试验在恒温培养箱中进行，过程中pH 控制在7.5 左右。

1.2 分析方法

COD、MLSS 和MLVSS 等指标采用标准方法测定[19]，水样采用0.45 μm 中速滤纸过滤，PO43--P，NH+4-N，NO-2-N，NO-3-N 由Lachat Quikchem8500型流动注射仪测定（Lachat Instrument,Milwaukee,Wiscosin）；TN通过TN/TOC 分析仪（MultiN/C3100,Analytik Jena,AG）测定，采用WTW,Multi 3420 pH/ORP 仪测定pH 和ORP。

1.3 响应面分析方法

响应面法（response surface methodology,RSM）是数学方法和统计方法结合的产物，可以用来对响应受多个变量影响的问题进行建模和分析，其最终目的是优化该响应值[20]。本试验应用Design-Expert 8.0.6 中Central Composite Design（CCD）考察了起始COD、硝酸盐氮（NO-3-N）、反应温度（temp.）和缺氧反应时间（time）对反硝化除磷反应的3 个响应值COD 去除率（COD removal rate，Ycod）、N去除率（N removal rate，Yn）和P 去除率（P removal rate，Yp）的影响（Yn和Yp均以缺氧段开始和结束时刻浓度计算）。COD、NO-3-N、temp.和time，分别记为A、B、C 和D，范围分别为80～400 mg·L-1、5～50 mg·L-1、15～35℃和30～240 min。

2 结果与讨论

2.1 试验进行条件和结果

按照设计进行了30 组反硝化除磷试验，具体试验条件和试验结果见表1。响应面 1、2、3（Response 1、2、3）分别是对COD、N、P 的去除率，表2～表4分别是COD、N、P 的方差分析，表中提供了平方和、均值、F值、P值、其他变量及变量之间的相互影响和统计参数残差、失拟项、真误差及总值。若模型项P≤0.05，说明回归方程的关系是显著的；若P≤0.01，说明回归方程的关系是极显著的。由表2～表4可知，各模拟方程均是极显著的，根据试验结果，COD、N 和P 的去除率模拟方程如下

COD、N 和P 各模型方程的统计值见表5，“adeq.precision”均大于4，表明该模型方程可以用来模拟该空间设计。

表1 试验设计矩阵和结果Table 1 Experimental design matrix and results

表2 COD 方差分析Table 2 ANOVA for RSM of COD

表3 N 方差分析Table 3 ANOVA for RSM of N

2.2 主要因素间的相互影响

2.2.1 对COD 去除的相互影响 图1为自然因素对COD 去除率相互影响的等高线图。图1（a）中随着temp.和COD 的逐渐增加，Ycod呈增加趋势。当temp.在20～35℃之间，COD 在200 mg·L-1以上，Ycod均大于80%。一般来说，温度在20℃以上微生物的代谢活性正常,当温度的降低或者升高超过微生物代谢的最适温度范围时，微生物活性逐渐下降。本试验中所用活性污泥中PAOs 为优势菌种，PAOs 在厌氧阶段利用COD 合成内碳源的能力随反应温度降低逐渐减弱，影响到厌氧段对COD 的去除[12]。可见，温度对于反硝化除磷反应除碳有至关重要的作用。

表4 P 方差分析Table 4 ANOVA for RSM of P

表5 试验数据统计值Table 5 Statistical values for obtained removal data

图1（b）中随着time 和COD 的逐渐增加，Ycod呈增加趋势。当time 大于100 min，COD 大于200 mg·L-1，Ycod均大于80%。对于反硝化除磷反应，Wang 等[14]研究表明要确保一定的水力停留时间使厌氧释磷反应充分进行，将COD 中可以生物降解部分氧化完全；缺氧吸磷反应时间也应该控制在合理的范围内，既能将未利用COD 进一步氧化，保证吸磷反应彻底，同时又能达到资源利用的最优化。

图1（c）中随time 的增加，Ycod增加，NO-3-N对Ycod影响较小，当time 在100 min 以上，Ycod均大于80%。图1（d）中随着time 和temp.增加，Ycod增加。当time 在100～240 min，temp.在25～33℃时，Ycod能达到85%以上。

由图1（a）、（d）可知temp.在25～33℃范围内，Ycod较高；比较图1（b）、（c）和（d）可知time在100 min 以上有很好的COD 去除效率，NO-3-N对于COD 去除影响较小。由表2可知起始COD 对COD 去除的影响最大。

2.2.2 对N 去除的相互影响 图2为自然因素对N去除率相互影响的等高线图。图2（a）中当NO-3-N浓度大于14 mg·L-1时，随着COD 增加，Yn增加（反硝化脱氮进行得彻底），当NO-3-N 浓度小于14 mg·L-1，随着COD 增加，Yn下降；在COD 在150 mg·L-1以下，随着NO-3-N 增加，去除率降低，当COD 大于150 mg·L-1，随NO-3-N 增加去除率增加。

图1 自然因素对COD 去除率相互影响的等高线图Fig.1 Contour diagram of natural variables for COD removal efficiency

图2（b）为COD 和反应温度对N 去除率的影响，图2（c）为COD 和反应时间对N 去除率的影响。可见两图中随着COD、temp.和time 升高，Yn呈升高趋势。

由图2（a）知，COD 对于N 的去除效率有重要影响，无论是普通反硝化菌反硝化脱氮还是聚磷菌反硝化除磷脱氮，在碳源充足的情况下更容易获得较高的Yn[21-26]，在此情况下，NO-3-N 为反硝化除磷反应的限制因素，只有在合理的硝酸盐氮负荷下才能达到Yn的最高值[18]。

图2（b）则体现了反应温度对Yn的影响，温度影响PAOs 的代谢活性，进而影响反硝化除磷反应[12]，低温时，可通过适当提高COD 浓度来获得较高的Yn，温度较高时，对于应用反硝化除磷技术来处理低C/N 类型污水很有优势。图2（c）则体现了缺氧反应时间对Yn的影响，可根据实际COD 浓度来调整time 以获得Yn的提高。由表3可知起始COD 和缺氧反应时间对N 去除的影响较大。

2.2.3 对P 去除的相互影响 图3为自然因素对P

去除率相互影响的等高线图。图3（a）中Yp随着NO-3-N 增加而增加；在NO-3-N 为32 mg·L-1以下时，随COD 的增加，Yp降低，在NO-3-N 大于32 mg·L-1时，Yp呈现先增高后降低趋势。图3（b）中随COD 的增加，Yp降低；随temp.升高，Yp先升高后降低。图3（c）中Yp随着NO-3-N 增加而增加；随temp.升高，Yp先升高后降低。图3（d）中Yp随着NO-3-N 和time 增加而增加。

由图3（a）、（c）和（d）知，NO-3-N 是反硝化除磷反应中的重要因素，在其他因素确定的情况下，NO-3-N 的浓度直接影响反硝化除磷反应中的除磷效率，充足的电子受体是反应顺利进行的必要条件[27-31]。图3（a）、（b）表明COD 的含量要控制在合理的范围内才能使得反硝化除磷反应获得较高的除磷效率，避免由于COD 含量较高，在将NO-3-N还原之后形成厌氧环境，继续释磷导致Yp较低。图3（b）、（c）说明PAOs 有最适的代谢温度，本试验结果为在20～30℃，PAOs 有较高的厌氧释磷、缺氧吸磷效率，温度不在此范围内，Yp均受到一定影响[12]。由图3（d）易见，可根据NO-3-N 含量来调整缺氧反应时间以获得较高的Yn。由表4可知起始COD、反应温度和缺氧反应时间对P 的去除有很大影响。

图2 自然因素对N 去除率相互影响的等高线图Fig.2 Contour diagram of natural variables for N removal efficiency

2.2.4 对N 和P 同步去除的影响 图2（a）与图3（a）考察的分别是COD 与NO-3-N 对反硝化除磷反应中Yn和Yp的影响。当COD 浓度较低时，Yn的高低与NO-3-N 浓度呈负相关，这是因为COD 含量决定了厌氧释磷量，从而决定了一定的缺氧吸磷能力，当NO-3-N 浓度超过反硝化除磷的负荷时，则会影响反硝化除磷过程中的Yn，使得其呈下降趋势[图2（a）中当COD 小于150 mg·L-1时Yn随NO-3-N 增加而下降]；当COD 浓度较高时，Yn的高低与NO-3-N 浓度呈正相关，这充分说明了在碳源相对充足的条件下，电子受体为反硝化除磷反应的限制因素，Yn随着NO-3-N 增加而增加；当COD 一定时，则厌氧释磷量一定，进而反硝化吸磷量的多少取决于电子受体的多少，即Yp的高低与NO-3-N 浓度呈正相关。当NO-3-N 浓度一定时，COD 浓度越高释磷量越大，则反硝化脱氮越彻底，Yn越大；但过高的COD 浓度引起的高释磷量在缺氧反应中很有可能由于受NO-3-N 浓度限制导致磷酸盐有剩余，在COD 充足的情况下还可能出现继续释磷现象，使得Yp随COD增高而降低。另外也可以从侧面看出本系统中的反硝化聚磷菌有很强的活性，能进行良好的厌氧释磷、缺氧吸磷反应，也突出了本系统较一般污水处理工艺的优势，既能充分利用碳源又能应用反硝化除磷技术实现高效同步脱氮除磷。

2.2.5 与常规单因素试验的比较 通过将本试验与常规单因素试验比较，可知试验结论并无较大差异，基本的认识规律一致，说明基本的微生物学机理是一致的。本试验所应用的软件主要是通过数值模拟来得出模拟方程进而得出优化参数，而数值模拟又是基于传统理论而开发的，结合本工艺的试验数据，可进一步验证这种方法可以用来进行相关影响因素的探究，并且结合方差分析，可知单个影响因素、多个影响因素相互作用对于本反应影响的显著性，这是常规单因素试验不能得出的，通过显著性比较能为调整该反应获得更高的处理效果提供有效参考。

2.3 最优解

软件综合3 个响应值的模型方程，自动生成反硝化除磷反应各影响因素的最优解及预测响应值，根据最优解进行试验得出3 个试验响应值见表6。表6中试验响应值与模型预测值有偏差，可能是由于软件拟合方程的理想化、方程的选取和本系统中特定的污泥特性共同导致的。模型预测值是在最理想的条件下拟合多个方程，通过选取方程得到的最佳COD、N 和P 的去除率，加之本试验是以A2O-BCO 工艺驯化出的特定活性污泥为基础进行的，在保证试验准确性的基础上，难免会有一些不可避免的系统误差，这两者的综合影响结果可能是导致去除率未达到预期效果的主要原因。但本工艺所驯化出的活性污泥中DPAOs 占PAOs 比例为69.2%、缺氧吸磷速率为 5.24～6.89 mg P·(g MLSS)-1·h-1，这两者均比葛士建等[32]的分段进水工艺高很多，这也正说明本工艺在充分利用原水碳源进行污水的高效脱氮除磷方面具有较强的优势，响，可以根据试验结果调整A2O-BCO 反硝化脱氮除磷工艺的运行条件，以期获得更高的COD、氮和并且较长的缺氧段停留时间能富集反硝化聚磷菌，实现反硝化除磷反应。本试验通过对反硝化除磷最佳反应条件的探究能指导工艺系统获得最佳COD、N 和P 的去除效果，进而促进A2O-BCO 工艺在实际污水处理厂的推广应用。

图3 自然因素对P 去除率相互影响的等高线图Fig.3 Contour diagram of natural variables for P removal efficiency

表6 最佳工艺条件Table 6 Optimum conditions

3 结 论

（1）3 个响应值的模型方程均显著，R2分别为0.9853、0.9118 和0.9972，当COD 为316.95 mg·L-1、NO-3-N 为42.26 mg·L-1、temp.为27.19℃、time 为237.37 min 时，Ycod、Yn和Yp的模型预测值分别为93.54%，99.96%和99.56%，试验响应值分别为92.03%、91.15%和81.64%。

（2）通过探究多因素对反硝化除磷过程的影磷的去除效率。

[1]Ahn J H,Kim S,Park H,et al.N2O emissions from activated sludge processes,2008—2009:results of a national monitoring survey in the United States [J].Environmental Science and Technology,2010,44(12):4505-4511

[2]Kuba T,van Loosdrecht M C M,Heijnen J J.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system [J].Water Research,1996,30(7):1702-1710

[3]Chen Yongzhi(陈永志),Peng Yongzhen(彭永臻),Wang Jianhua(王建华),Gu Shengbo(顾升波).Denitrifying phosphorus removal in A2/O-BAF process [J].CIESC Journal(化工学报),2011,62(3):797-804

[4]Zhang Weitang(张为堂),Hou Feng(侯锋),Liu Qingsong(刘青松),Shao Yanqing(邵彦青),Xue Xiaofei(薛晓飞),Peng Yongzhen(彭永臻).Effect of HRT and aeration rate on performance of AAO-BAF system for denitrifying phosphorus removal [J].CIESC Journal(化工学报),2014,65(4):1436-1442

[5]Wang Y,Peng Y,Stephenson T.Effect of influent nutrient ratios and hydraulic retention time (HRT) on simultaneous phosphorus and nitrogen removal in a two-sludge sequencing batch reactor process [J].Bioresource Technology,2009,100(14):3506-3512

[6]Tsuneda S,Ohno T,Soejima K,et al.Simultaneous nitrogen and phosphorus removal using denitrifying phosphate-accumulating organisms in a sequencing batch reactor [J].Biochemical Engineering Journal,2006,27(3):191-196

[7]Tsuneda S,Miyauchi R,Ohno T,et al.Characterization of denitrifying polyphosphate-accumulating organisms in activated sludge based on nitrite reductase gene [J].Journal of Bioscience and Bioengineering,2005,99(4):403-407

[8]Liu H,Zhu M,Gao S,et al.Enhancing denitrification phosphorus removal with a novel nutrient removal process:role of configuration [J].Chemical Engineering Journal,2014,240:404-412

[9]Miao Z,Zeng W,Wang S,Peng Y,Cao G,Weng D,Xue G.Effect of temperature on anoxic metabolism of nitrites to nitrous oxide by polyphosphate accumulating organisms [J].Journal of Environmental Sciences,2014,26(2):264-273

[10]Reyes P,Urtubia A,Schiappacasse M C,et al.Effect of dissolved oxygen and temperature on macromolecular composition and PHB storage of activated sludge [J].Journal of Environmental Science and Health Part A-Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering,2014,49(7):857-862

[11]Shi Jing(史静),Lü Xiwu(吕锡武).Effects of phosphorus release amount and temperature on denitrifying phosphorus removal in a two sludge system [J].CIESC Journal(化工学报),2010,61(1):166-171

[12]Wang Yayi(王亚宜),Wang Shuying(王淑莹),Peng Yongzhen(彭永臻),Zhu Guibing(祝贵兵),Ling Yunfang(令云芳).The influence of carbon source and temperature on the denitrifying dephosphorus removal in wastewater treatment process [J].Acta Scientiae Circumstantiae(环境科学学报),2006,26(2):186-192

[13]Wang Y Y,Geng J J,Ren Z J,et al.Effect of COD/N and COD/P ratios on the PHA transformation and dynamics of microbial community structure in a denitrifying phosphorus removal process [J].Journal ofChemical Technology and Biotechnology,2013,88(7):1228-1236

[14]Wang Y,Guo G,Wang H,et al.Long-term impact of anaerobic reaction time on the performance and granular characteristics of granular denitrifying biological phosphorus removal systems [J].Water Research,2013,47(14):5326-5337

[15]Lv X,Shao M,Li C,et al.Operation performance and microbial community dynamics of phosphorus removal sludge with different electron acceptors [J].Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology,2014,41(7):1099-1108

[16]Zhang Yanping(张艳萍).Anoxic phosphorus uptake characteristics of sludge in denitrifying phosphorus removal [J].Environmental Science and Technology(环境科学与技术),2013,36(05):76-80

[17]Miao Zhijia(苗志加),Xue Guisong(薛桂松),Weng Dongchen(翁冬晨),Cao Guihua(曹贵华),Peng Yongzhen(彭永臻).Effect of nitrite on denitrifying phosphorous removal metabolism and N2O production by PAOs [J].CIESC Journal(化工学报),2013,64(6):2201-2207

[18]Wachtmeister A,Kuba T,van Loosdrecht M C M,Heijnen J J.A sludge characterization assay for aerobic and denitrifying phosphorus removing sludge [J].Water Research,1997,31(3):471-478

[19]Apha.Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater [M].14th ed.Washington DC:APHA American Public Health Association,1976

[20]Wang Yongfei (王永菲),Wang Chengguo(王成国).The application of response surface methodology [J].Journal of the CUN:Natural Sciences Edition(中央民族大学学报：自然科学版),2005(3):236-240

[21]Liu H,Sun L,Xia S.An efficient DPB utilization process:the modified A2N process [J].Biochemical Engineering Journal,2008,38(2):158-163

[22]Peng Y,Hou H,Wang S,et al.Nitrogen and phosphorus removal in pilot-scale anaerobic-anoxic oxidation ditch system [J].Journal of Environmental Sciences,2008,20(4):398-403

[23]Soejima K,Oki K,Terada A,et al.Effects of acetate and nitrite addition on fraction of denitrifying phosphate-accumulating organisms and nutrient removal efficiency in anaerobic/aerobic/ anoxic process [J].Bioprocess and Biosystems Engineering,2006,29(5/6):305-313

[24]You S J,Ouyang C F,Lin S F,et al.Anoxic biological phosphorus uptake/release with high/low intracellular polymers [J].Journal of Environmental Engineering-Asce,2001,127(9):838-843

[25]Pei H Y,Hu W R,Pan J Q,et al.Simultaneous nitrogen and phosphorus removal using a double sludge switching sequencing batch reactor [J].Journal of Environmental Engineering-Asce,2008,134(11):923-927

[26]Wang X H,Zhang K,Ren N Q,et al.Monitoring microbial community structure and succession of an A/O SBR during start-up period using PCR-DGGE [J].Journal of Environmental Sciences,2009,21(2):223-228

[27]Liu Jianguang(刘建广),Fu Kunming(付昆明),Yang Yifei(杨义飞),Zhang Weijian(张维健).Effect of electron acceptors on anoxic phosphorus uptake of DPB [J].Environmental Science(环境科学),2007,28(7):1472-1476

[28]Ji Fangying(吉芳英),Gao Qian(高茜) ,Yuan Chunhua(袁春华).Effect of temperature and COD on ability of denitrifying phosphorus removal in SBR [J].Journal of Safety and Environment(安全与环境学报),2005,5(6):30-33

[29]Zhang Xiaoling (张小玲),Zhang Liqing(张立卿),Yuan Linjiang(袁林江),Wang Lei(王磊),Wang Zhiying(王志盈).Study on inducement effect of nitrate on denitrifying phosphate accumulating organisms [J].China Water and Wastewater(中国给水排水),2006,22(13):105-108

[30]Li Zhiyong(李勇智),Peng Yongzhen(彭永臻),Zhang Yanping(张艳萍),You Weimin(游伟民).Effect of nitrate on denitrifying dephosphatation [J].Environmental Pollution and Control(环境污染与防治),2003,25(6):323-325

[31]Zou Hua(邹华),Ruan Wenquan(阮文权),Chen Jian (陈坚).Study of using nitrate as electron acceptor in biological phosphorus removal [J].Research of Environmental Sciences(环境科学研究),2002,15(3):38-41

[32]Ge Shijian(葛士建),Wang Shuying(王淑莹),Cao Xu(曹旭),Ma Bin(马斌),Lu Congcong(路聪聪),Peng Yongzhen(彭永臻).Achievement and maintenance of denitrifying phosphorus removal in step feed nutrient removal process [J].CIESC Journal(化工学报),2011,62(9):2615-2622