SBR中曝气强度对除磷颗粒的影响

李冬，吕育锋，张金库，范丹，姜沙沙，曾辉平，张杰,2



SBR中曝气强度对除磷颗粒的影响

李冬1，吕育锋1，张金库1，范丹1，姜沙沙1，曾辉平1，张杰1,2

（1北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124；2哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150090）

在3个SBR反应器（R1、R2和R3）中，好氧段分别控制气体流量为0.5、1.0和1.5 L·min-1，研究了不同曝气强度对除磷颗粒的特性、处理性能和生物量等的影响。3个反应器在不同的曝气强度下30 d均实现了除磷污泥颗粒化，而后稳定运行30 d。试验结果表明，曝气强度对除磷颗粒的粒径、形态、含水率、沉淀性、处理效果、生物量等有着重要的影响。颗粒成熟后，R1、R2和R3中颗粒的平均粒径分别为900、1000和1150 μm，含水率分别为95.6%、94.2%和93.4%，沉淀速度分别为24～144、29～162和33～178 m·h-1。在40 d后的运行中，R1、R2和R3中COD的平均去除率分别为95%、96%和98%，TP的平均去除率分别为97%、98%和99%。可见，曝气强度较大的反应器中形成的颗粒具有较好的沉淀性、较大的粒径、较低的含水率、较好的处理效果，且形状规则、外表光滑，而较大的生物量及较密实的结构是这些颗粒具有较优性能的主要原因。同时，测定并计算了3个反应器中第51天除磷颗粒的MLVSS/MLSS和生物活性层的厚度，高曝气强度反应器中聚磷颗粒的生物活性层厚度比较大，生物量比较高；并通过计算厌氧阶段P释放量与COD消耗量的比值，证实了本试验除磷颗粒系统中富集了大量的聚磷菌。

除磷颗粒；颗粒化过程；厌氧；好氧；曝气强度；生物量；聚磷菌

引 言

水体的富营养化越来越受到世界各地水环境研究者们的关注。磷作为引起富营养化的重要因素之一，高效除磷是污水处理的主要任务之一。目前，强化生物除磷工艺以其节能环保的特点得到广泛应用[1]。聚磷菌在厌氧/好氧的条件下交替运行可以过量吸收水中的磷，然后通过排出剩余污泥的方式达到除磷的目的[2-3]。但是，传统的生物除磷工艺中，絮状污泥的生物量较低、易膨胀、存在二次磷释放等缺点。除磷颗粒以其生物量高、沉淀性能好及抗干扰力强等优点越来越受到研究者们的重视，且基于颗粒污泥的强化生物除磷系统被认为是将来最有发展前景的除磷技术[4]。

曝气强度通过影响溶解氧浓度和水力剪切力等影响颗粒污泥的形成及稳定运行，有关这方面的研究国内外研究者已经取得了一定成果。Tay等[5]认为在好氧颗粒污泥的培养过程中，表观气速大于1.2 cm·s-1时可形成好氧颗粒污泥，表观气速小于0.3 cm·s-1时难以形成颗粒。Chen等[6]在4个SBR反应器中分别以0.8、1.6、2.4、3.2 cm·s-1的表观气速培养好氧颗粒，结果表明，表观气速在2.4和3.2 cm·s-1时形成的颗粒表面比较光滑，稳定性较好；表观气速为0.8和1.8 cm·s-1时，形成的颗粒形状不规则，性能较差，容易解体。Gao等[7]在2个SBR反应器中分别控制曝气流量为0.8和0.2 m3·h-1，研究了曝气强度对培养成熟的好氧颗粒污泥的影响，结果表明，曝气强度较大的反应器中好氧颗粒污泥沉降性能和物理性能较好，但是消耗单位COD产生的生物量要小于曝气强度较小的反应器。综上所述可以看出，这些研究均是以好氧颗粒为研究对象，曝气强度对除磷颗粒的影响研究却鲜见报道，而除磷颗粒和好氧颗粒又有着本质的区别。好氧颗粒的培养及运行是在单一的好氧环境中进行，而除磷颗粒须在厌氧和好氧的环境中交替运行，一个周期内的环境变化比较大，且微生物种类及占主体的细菌也有差异，所以，曝气强度对其的影响是否和对好氧颗粒的影响存在差异是很有必要研究的。

本研究在3个SBR反应器中以不同曝气强度培养除磷颗粒并稳定运行一个月，通过对比3个反应器颗粒形成过程及稳定运行过程中沉淀性和除磷性能的差异，以及颗粒成熟后形态、物理特性和生物量等的不同，探究了曝气强度对除磷颗粒的影响，以期为除磷颗粒的培养及应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验装置与运行方式

试验采用3个完全相同的SBR反应器R1、R2和R3。反应器材料为有机玻璃，高50 cm，内径14 cm，有效容积6 L。反应器垂直方向每隔10 cm设置一个取样口，用来调节换水比。每个反应器内底部装有完全相同的曝气环，由气泵供气并通过气体流量计控制曝气强度。

反应器每天运行4个周期，一个周期6 h：3 min进水，2 h厌氧，3 h好氧，30～3 min沉淀（沉淀时间在颗粒培养阶段由30 min递减至3 min，稳定运行阶段保持3 min），5 min排水，换水比为2/3，剩余时间闲置。整个试验过程温度和pH均不作控制，运行温度为15～20℃，pH为7.0～8.0之间。R1、R2和R3曝气强度分别控制为0.5、1.0和1.5·min-1。颗粒形成之前（30 d之前）不控制污泥龄，颗粒形成后（30 d之后）控制污泥龄为35 d。

1.2 接种污泥与试验用水

接种污泥为北京某水厂回流污泥，MLSS为4988 mg·L-1，每个反应器接种3 L。试验采用模拟生活污水，COD 由乙酸钠和丙酸钠按1:1配制浓度为300 mg·L-1，TP由磷酸二氢钾配制浓度为10 mg·L-1，营养液为 1.0 ml·L-1。营养液组成：(NH4)2SO4＜10 mg·L-1， FeCl·6H2O 1500 mg·L-1，H3BO3150 mg·L-1，CuSO4·5H2O 30 mg·L-1，KI 180 mg·L-1，MnCl2·4H2O 120 mg·L-1，NaMoO4·2H2O 60 mg·L-1，ZnSO4·7H2O 120 mg·L-1，CoCl2·6H2O 150 mg·L-1，EDTA 10000 mg·L-1。

1.3 分析方法

COD和TP的测定采用5B-3B COD多参数快速测定仪，MLSS、MLVSS、SV30、SVI等指标均采用国家规定的标准方法[8]。试验中pH、DO和温度的测定均采用WTW-pH/Oxi 340i多参数测定仪在线监测。

颗粒粒径采用Mastersize 2000 激光粒度仪测定，颗粒形态观察使用Hitachi S4300电子显微镜。颗粒的沉淀速度测定：在完全混合的颗粒污泥中随机取出50～100粒颗粒污泥，测定粒径后逐一放入盛满清水的1000 ml的量筒中，测定不同粒径的颗粒沉到筒底的时间，从而计算颗粒的沉淀速度[9]。湿密度的测定：取100 ml颗粒污泥放入带刻度的离心管中，在500 r·min-1下离心10 min，倒掉上清液，测定污泥质量和体积，计算湿密度[10]。颗粒的物理强度通过完整系数来表示，即将颗粒污泥置于瓶中并放在平板摇床上，以300 r·min-1的速度振摇5 min，瓶中剩余的结构完整的颗粒污泥量占起始污泥量的百分数被定义为完整系数[11]。

2 结果与讨论

2.1 曝气强度对除磷颗粒沉降性及形态结构的影响

2.1.1 曝气强度对除磷颗粒沉降性与粒径的影响

在SBR除磷反应器中好氧段以不同的曝气强度 （R1＜R2＜R3）运行，随着反应器的运行，R1、R2和R3分别在12、10和8 d时出现肉眼可见的微小颗粒。随后污泥颗粒化现象逐渐明显化，污泥浓度也大幅增加，运行30 d时R1、R2和R3中的MLSS均达到6000 mg·L-1以上，SVI降至30 ml·g-1以下，其中R3的SVI降至20 ml·g-1，3个反应器均实现了除磷污泥的颗粒化。颗粒形成后开始控制污泥龄为35 d，50 d时3个反应器中MLSS均逐渐趋于稳定，达到10000 mg·L-1以上，SVI下降并稳定在20 ml·g-1以下，见图1(a)。

图1 R1、R2和R3运行期间MLSS、SVI和粒径的变化

运行30 d，R1、R2和R3中肉眼观察无絮状污泥，实现除磷絮状污泥完全颗粒化。由图1(b)可以看出，在前40 d的运行中，随着曝气强度的增大，粒径的增长速度也呈现递增的趋势，运行50 d后，颗粒粒径逐渐稳定，R1、R2和R3中颗粒的平均粒径分别达到900、1000和1150 μm。在好氧颗粒污泥系统中，与高曝气强度相比低曝气强度条件下培养的颗粒粒径更大[6]，而本试验中，曝气强度R1＜R2＜R3，颗粒粒径也是R1＜R2＜R3，与好氧颗粒污泥系统的结果刚好相反。分析原因：好氧颗粒系统中有氨氧化细菌、硝化细菌、聚磷菌、聚糖菌、反硝化细菌等，这些细菌分布在好氧区、缺氧区、厌氧区，当曝气强度较大时，需要通过紧密的结构来限制溶解氧向内部的传递，从而为缺氧和厌氧微生物提供生存空间[12]。而本试验一开始就以厌氧/好氧交替的方式运行，颗粒中以聚磷菌为主，在曝气强度较大的情况下，聚磷颗粒的内部会因为较大的剪切力而结构紧凑；同时好氧阶段内层和外层的聚磷菌均需要不断地吸收溶解氧，当内层的聚磷菌由于氧传递阻力的作用，得不到氧气时会出现细胞的破碎和消亡，从而导致颗粒稳定性的降低[13]，所以长时间的运行过程会使溶解氧传输能力差的颗粒解体淘汰，最终留下颗粒内部溶解氧传递能力较好的颗粒；曝气强度较小的颗粒则结构比较松散，内部强度不够大，当聚集较多聚磷菌时容易脱落解体。由于聚磷菌的繁殖速度较快，同时受氧气传递阻力的影响，所以本试验中聚磷颗粒的最大粒径不到1200 μm，与好氧颗粒污泥粒径可达到5000 μm相比要小很多[2, 14-21]。

2.1.2 曝气强度对除磷颗粒形态及物理特性的影响

反应器运行51 d，颗粒性能及形态稳定，分别从R1、R2和R3取除磷颗粒泥样，进行拍照和显微镜观察，并测定其颗粒强度、含水率、湿密度和沉淀速度。

由图2中左边的图片可以看出，3个反应器中颗粒大小形状有所不同。R1中的颗粒粒径较小，呈碎屑状；R2中的颗粒粒径较R1稍大，呈不规则的颗粒状；R3中的颗粒粒径最大，且形状比较规则。从图2右边显微镜观察可以发现，R1中的颗粒结构比较松散，形状不规则，外表比较粗糙；R2中的颗粒结构比较密实，外表光滑，呈不规则形状；R3中的颗粒看起来比较圆润，外表光滑，结构密实，呈椭圆状。由此可以看出，曝气强度对聚磷颗粒外观、结构、密实度等有着重要的影响，较大的曝气强度可以促进除磷颗粒中微生物的聚集，使其结构密实。

图2 R1、R2 和R3 中51 d除磷颗粒的照片和显微镜图片

本试验中颗粒强度用完整系数来表示，该值可以表征颗粒污泥在一定的动态搅拌强度下的总体耐受剪切的情况[22]。从表1可以看出，稳定运行阶段R1、R2和R3中除磷颗粒的强度并没有太大差异，基本维持在98.0%左右，而好氧颗粒较大的粒径颗粒强度一般都较小[7]，与本试验的除磷颗粒相比，有一定的差异。3个反应器中除磷颗粒强度的差别较小，而颗粒粒径R1＜R2＜R3，可以看出，本试验中聚磷颗粒粒径的增加是在颗粒内部足够稳定的基础上实现的。

表1 不同曝气强度下除磷颗粒的物理特性

含水率可以表示同体积污泥中微生物量的大小，含水率越低生物量越大，同样体积的污泥量需要的反应器体积就越小，产生的剩余污泥的体积就越小[10]。从表1可以看出，曝气强度越大，颗粒污泥的含水率越低，说明较高的曝气强度对颗粒污泥中微生物的聚集有促进作用，有利于生物量较大的颗粒的形成，这与显微镜观察得到的结论相一致。

颗粒污泥的密度一般用湿密度来表示，是表征污泥形状的重要指标，较大的湿密度表示污泥中生物密度较大，即反应器内可保持较高的微生物量，在一定程度上也反映出污泥的沉降性较好[10]。从表1可以看出，高曝气强度的条件下形成的颗粒湿密度较大，沉淀速度也较快，说明本试验中粒径较大的除磷颗粒内部的物理强度较大，结构密实，利于聚磷菌的富集，这与显微镜观察得到的结论相一致。

2.2 曝气强度对除磷颗粒处理性能及生物量的影响

2.2.1 曝气强度对除磷颗粒处理效果的影响

反应器进水COD和TP浓度分别稳定在300和10·L-1左右。颗粒对COD和TP的去除效果见图3。

图3 R1、R2和R3中除磷颗粒COD和TP去除效果

反应器运行的前7 d为污泥的适应阶段，主要是聚磷菌的富集和活性的提高，以TP去除率达到95%以上为聚磷菌富集成功的标志。该阶段COD和TP的去除率分别为85%和90%左右，出水中COD和TP浓度分别为40和1 mg·L-1左右，其中TP浓度超过我国污水综合排放标准一级A标准（0.5 mg·L-1）。

反应器运行10 d，R1、R2和R3中COD的去除率均达到92%以上，出水COD浓度在25 mg·L-1以下，随着曝气强度的升高，COD的去除率也略有升高，见图3(a)。聚磷菌主要是通过在厌氧段将有机物转化为聚-羟基链烷酸盐（PHAs）贮存在细胞体内达到去除COD的目的[23]，本试验3个反应器中好氧段的溶解氧浓度为2～7 mg·L-1，对好氧吸磷的影响不是很大，所以好氧段不同的曝气强度对单位体积的聚磷菌去除COD的影响较小，而颗粒形态和含水率的差异已经可以推测出本试验的除磷颗粒中生物量R1＜R2＜R3，故COD去除率的差异有可能是3个反应器单位质量污泥中生物量的不同引起的，也有可能是好氧段异养菌代谢活动的不同引起的。

由图3(b)可以看出，适应阶段结束后，3个反应器TP去除率均达到95%以上，出水TP浓度均低于0.5 mg·L-1，曝气强度对R1、R2和R3中前40 d的除磷率基本没有差别，40 d后曝气强度较大反应器的除磷率逐渐高于曝气强度较小反应器。通过形态观察和颗粒物理特性的测定可以看出，曝气强度大的反应器中颗粒结构比较密实、生物量较大，这可能是TP去除率R1＜R2＜R3的主要原因。

为了进一步确定曝气强度影响COD和TP去除率的原因，在反应器运行51 d的第二周期进行周期试验，每隔30 min取一个样，测定COD和TP在周期内的变化，其中前120 min为厌氧段，后180 min为好氧段。由图4(a)可以看出，前60 min的COD去除速率较快，由300 mg·L-1快速降至50 mg·L-1左右。与曝气强度的大小一致，COD降解速率也是R1＜R2＜R3，75 min后3个反应器中的COD浓度逐渐趋于平衡，均保持在25 mg·L-1以下。与厌氧段COD的浓度相比，好氧段结束时COD浓度没有较大的变化，可以推测异养菌降解COD所占比例很小，从而说明运行阶段3个反应器中COD去除率的差异主要是由反应器中生物量的不同引起的。TP在厌氧段的释放速率和好氧段的吸磷速率均是 R1＜R2＜R3，厌氧段末3个反应器中的TP浓度达到100～110 mg·L-1，周期末出水中TP浓度均在0.5 mg·L-1以下。由本周期反应器内COD和TP的变化速度和变化量可以证实，较大的曝气强度并没有提高异养菌的代谢活动，而是促进了聚磷菌的聚集，提高了颗粒的生物量。

图4 R1、R2和R3一个周期内COD和TP的变化及MLVSS/MLSS的差异

2.2.2 曝气强度对除磷颗粒生物量的影响

从颗粒形态、物理强度、含水率、湿密度、沉淀速度和周期试验等可以看出，较高的曝气强度有利于聚磷颗粒生物量的聚集。为进一步验证，比较R1、R2和R3中生物量，51 d周期试验的同时分别取样测定了3个反应器中的MLSS和MLVSS，并计算了MLVSS/MLSS，见图4(b)。从图中可以看出，MLVSS/MLSS的值R1＜R2＜R3，说明较高的曝气强度对除磷颗粒形成过程中生物量的增长有促进作用。

然后，根据式（1），本试验分别计算了3个反应器中除磷颗粒生物活性层的厚度[24]，见表2。

式中，1为颗粒污泥疏松多孔层或者生物活性层的厚度，mm；g为颗粒污泥的直径，mm。

通过颗粒污泥生物活性层厚度可以粗略地估计颗粒污泥的生物量，从表2的数据可以看出较大的曝气强度条件下形成的颗粒污泥的生物活性层厚度较大。

综上所述，可以得出在除磷颗粒系统中，较高的曝气强度可以促进聚磷菌的聚集，容易形成结构密实、形状规则、生物量高的颗粒污泥。

为了说明本试验聚磷颗粒中聚磷菌的相对含量，计算了厌氧阶段P释放量与COD消耗量的比值，该比值越大说明聚磷菌含量越高，聚磷菌含量很高时该值可以达到0.5。Winkler等的研究中聚磷菌大量富集时的厌氧阶段P释放量与COD消耗量的比值为0.34[26]，本试验R1、R2和R3中的该值分别为0.35，0.35和0.36，说明3个反应器中的聚磷菌的含量均比较高，也进一步证实本研究中颗粒污泥是以聚磷菌为主体的。

表2 不同曝气强度下除磷颗粒动力学参数

3 结 论

（1）与较低曝气强度条件下形成的除磷颗粒相比，较高曝气强度下形成的颗粒形状规则、外表光滑，颗粒粒径大、含水率低、沉淀速度快，可见较高的曝气强度可以促进除磷颗粒结构更密实，有利于聚集更多的聚磷菌等功能微生物。

（2）反应器整个运行过程中的COD去除率和最后20 d TP去除率，均是R1＜R2＜R3，说明曝气强度的不同对除磷颗粒去除污染物的效率是有影响的，曝气强度大的反应器中颗粒去除COD和TP的效果更好。

（3）运行第51天通过测定并计算3个反应器中除磷颗粒的MLVSS/MLSS和生物活性层厚度，证实了较大的曝气强度对生物量的增加有促进作用，同时通过厌氧阶段P释放量与COD消耗量的比值，说明了本试验聚磷颗粒中富集了大量的聚磷菌，本试验的生物量以聚磷菌为主。

（4）较高的曝气强度对除磷颗粒的特性、粒径和生物量等有着积极的影响。通过调整曝气强度促使除磷颗粒系统适应水量或者污水中磷含量的变化，操作简单、易控制，有着重要的实际意义。

符 号 说 明

COD——化学需氧量，mg·L-1 Dg——颗粒污泥的直径，mm H1——颗粒污泥疏松多孔层或者生物活性层的厚度，mm MLSS——混合液污泥浓度（mixed liquid suspended solids），表示的是在曝气池单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总质量，mg·L-1 MLVSS——混合液中可挥发性的悬浮固体浓度（mixed liquor volatile suspended solids），代表活性微生物的量，mg·L-1 SBR——序批式活性污泥法 SVI——污泥体积指数，是衡量活性污泥沉降性能的指标，ml·g-1 TP——总磷，水样经消解后将各种形态的磷转变成正磷酸盐后测定的结果，mg·L-1

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Influence of aeration intensity on phosphorus removal granules in SBR

LI Dong1, LÜ Yufeng1, ZHANG Jinku1, FAN Dan1, JIANG Shasha1, ZENG Huiping1, ZHANG Jie1,2

(1Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment,Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, Heilongjiang, China)

Three column sequencing batch reactors (SBR) (R1, R2 and R3) were operated under various aeration intensity of 0.5, 1.0 and 1.5 L·min-1, respectively. The influence of aeration intensity on characteristics, treatment performance and biomass of the phosphorus removal granules (PRGs) were investigated. PRGs were formed in all reactors in 30 days and operated steadily for another 30 days. The results showed that the aeration intensity had an important impact on the settling ability, particle size, morphology, moisture content, treatment performance and biomass. With the increase of aeration intensity, the diameter and settling velocity of matured granules were increased, which were 900 μm and 24—144 m·h-1, 1000 μm and 29—162 m·h-1, and 1150 μm and 33—178 m·h-1in R1, R2 and R3, respectively, while the moisture contents were decreased and were 95.6%, 94.2% and 93.4%, respectively. Therefore, compared with the low aeration intensity, the PRGs under the higher aeration intensity had better physical characteristics, settling ability and treatment performance due to the more biomass and denser structure. PRGs under higher aeration intensity were spherical or elliptic and had regular contours, but the structure and shape of PRGs under lower aeration intensity was loosened and irregular. Meanwhile, the MLVSS/MLSS, biomass layer thickness of PRGs and P release/COD uptake ratios in all reactors at the 51th day were calculated. MLVSS/MLSS and biomass layer thickness of granules in R1, R2 and R3 were 78% and 0.34 mm, 82% and 0.35 mm, and 86% and 0.38 mm, respectively. It demonstrated that granules in the reactor with higher aeration intensity had a relatively thicker biomass layer and more biomass. Thein R1, R2 and R3 were 0.35, 0.35 and 0.36, respectively, indicating that the content of phosphorus accumulating organisms (PAOs) was high in all reactors of this research.

phosphorus removal granules; particulate processes; anaerobic; aerobic; aeration intensity; biomass; phosphorus accumulating organisms

2015-06-16.

Prof. LI Dong, lidong2006@bjut.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150941

supported by the National Natural Science Foundation of China (51222807).

X 703.1

A

0438—1157（2015）12—4994—08

国家自然科学基金项目（51222807）。

2015-06-16收到初稿，2015-07-20收到修改稿。

联系人及第一作者：李冬（1976—），女，博士研究生，教授。