温度对MOSA工艺厌氧反应器物质释放及磷回收的影响

刘贝 林玉姬 李安琪 孙连鹏 叶挺进

摘要：以MOSA工艺厌氧反应器为研究对象，以温度为单一变量，构建25℃、30℃和35℃三套厭氧反应系统，通过定期监测反应器进出泥的相关指标，探究不同温度条件下，污泥停留时间为5天的厌氧反应器中氮磷等物质的释放规律，以确定鸟粪石法回收MOSA工艺厌氧反应器中氮磷的最佳反应温度。结果表明，在SRT=5d条件下，NH3-N、PO43-、Mg2+释放量均随着温度升高表现出不同程度的增长;Ca2+并未表现出明显的相关性;从释放量和物质间配比方面来看，30℃和35℃系统之间差别较小，更有益于高品质鸟粪石的生成，25℃系统无法满足要求。综合比对分析，30℃为最适合用于MOSA工艺厌氧反应器氮磷释放并采取鸟粪石法回收的温度。

关键词：MOSA工艺;厌氧反应;温度;鸟粪石

中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）05-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.058

Abstract：Modified oxic-settling-anaerobic （MOSA） process was an efficient sludge reduction process， formed by inserting a side-steam anaerobic reactor. The study focused on the effect of temperature on anaerobic reactors， which operation mode was the same as that in MOSA process. Three sets of anaerobic reactors were built up in the lab， the temperature of which were 25℃， 30℃ and 35℃ severally. To determine the best temperature for nitrogen and phosphorus recovery in anaerobic reactor of MOSA process by struvite crystallization， indexes of sludge in and out of the anaerobic reactor were monitored regularly to investigate the matter release rules at different temperature when SRT was 5 days. The results showed that the release of NH3-N， PO43- and Mg2+ showed varying degrees of growth with temperature growing while the release of Ca2+， Al3+ and Fex+ showed no significant correlation. The three temperature levels were suitable for struvite crystallization from the respective of release amount and proportions while 30℃ and 35℃ were more beneficial for high quality struvite formation. By all accounts， 30℃was the most suitable temperature for matter release and phosphorus recovery by struvite crystallization in the anaerobic reactor of MOSA process.

Keywords：MOSA process;Anaerobic reaction;Temperature;Struvite

在市政污水处理中广泛应用的活性污泥法会产生大量的剩余污泥，污泥若不经有效处理处置，极易造成二次污染，使污水处理设施的环境效益大大降低，但与此同时污泥中也含有大量可资源化利用的物质[1]。本研究基于MOSA工艺的厌氧反应器，通过改变厌氧反应温度，探究SRT=5d时厌氧反应器内释磷的最佳温度条件，提高磷释放量，便于后续采用鸟粪石法对其进行回收。采用本套工艺一方面回收了厌氧反应器中的磷素，创造了经济价值;另一方面回收磷后减少了厌氧反应器回流至生化池中的磷素，减小了对主体污水处理工艺造成的冲击。

1 材料与方法

1.1 实验系统建立

设定25℃、30℃以及35℃三个温度梯度，对不同温度反应器进出泥的氮、磷的释放变化情况进行系统的研究。系统通过计时器控制进泥泵和出泥泵，对厌氧反应器中的污泥定时进行交换。本实验所采用的厌氧反应污泥样品取自广州市某污水处理厂A/A/O工艺二沉池，一天4次进出泥，每次120mL，污泥停留时间为5d。对进泥桶设置低速搅拌避免进泥桶内污泥自然沉降。

1.2 检测指标及方法

对于厌氧污泥样品的各项溶解性指标，采用如下步骤进行预处理：从反应器中取出污泥后立即进行10min的10，000 r/min 离心，上清液通过0.45μm 微孔滤膜过滤后按照《环境检测》（第四版）[2]进行各指标检测，其中NH3-N采用纳氏试剂分光光度法，总氮采用微波消解、碱式过硫酸钾分光光度法，PO43-采用钼酸铵分光光度法，总磷采用微波消解、钼锑抗分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 不同温度下厌氧反应器各物质的释放规律

2.1.1 不同温度下磷元素的释放规律

磷是衡量污泥性能的重要指标之一。一般认为，污泥中的磷依靠著聚磷菌的作用在固相与液相之间进行迁移。不同温度下TP及PO43- 的变化趋势如图1～2所示。由图可得，PO43-及TP的释放量随着温度的升高而增加。这是由于剩余污泥在厌氧过程中胞内物质和胞外聚合物在水解作用下释放到液相中，导致溶解性TP和PO43-增加。污泥细胞内磷等相关物质从固态释放到液相中[3]。根据王建辉等[4]的研究，在25℃时聚磷菌仍具有一定的生长优势，系统吸磷速率较高;在30℃和35℃时温度过高，PAOs的代谢模式被破坏，释磷速度提高。因此，30℃和35℃的系统出泥上清液的磷含量比20℃的要高。

2.1.2 不同温度下总氮和氨氮的释放规律

由图可见，TN及NH3-N的释放量随着温度的上升而增加。各温度系统中出泥TN中绝大部分以NH3-N形式存在，25℃、30℃及35℃系统NH3-N占TN的82%、87%和93%，因此，以NH3-N作为氮素的代表性指标来对三个系统进行分析。从图4中可发现，不同温度系统出泥的NH3-N含量具有明显的梯度，温度越高NH3-N释放量越大。原泥的NH3-N含量较低，稳定在5mg/L左右。25℃系统在运行初期NH3-N相对较低，在运行45d之后有明显上升趋势，与PO43-的变化趋势一致。30℃和35℃系统的NH3-N与PO43-一样，从运行初期就保持较高浓度并且不断增长。总的来说，温度对NH3-N的释放影响明显。

2.1.3 不同温度下金属元素的释放规律

由于一般情况下，污泥中Mg2+和Ca2+的浓度相对较高，且会对鸟粪石生成会产生影响，因此对污泥上清液中Mg2+和Ca2进行检测，检测结果见图5～6所示。

系统未达到稳定时的Mg2+浓度都各自保持在一个稳定的水平;经过一段时间的培养后，三者Mg2+浓度升高后下降，其中30℃和35℃Mg2+浓度基本相等，而经过较长时间的培养，稳定后25℃系统的Mg2+浓度接近其他两套系统，相差4mg/L。而Ca2+相比于Mg2+来说并未显现出规律性，每个温度系统下其相应浓度都在波动，而且彼此之间没有确定的大小关系。因此可以认为温度对Ca2+的释放没有显著影响。Ca2+对鸟粪石生成反应所造成的影响是不可忽视的。Ca2+是鸟粪石回收法中重要的杂质离子，如不加以抑制，它带来的副产物对鸟粪石的产量和纯度造成严重影响[5]。

3 鸟粪石回收磷可行性分析

从组成上看，鸟粪石的生成理论上需要NH3-N/PO43-摩尔比（简称N/P）等于1，但一方面，上清液中存在的Ca2+、Mg2+会与PO43-发生各种副反应，所以有必要选择较高的N/P以促进PO43-向生成鸟粪石的方向转化;另一方面，因鸟粪石反应是一个消耗碱度的过程，提高NH3-N的浓度，保持一定的缓冲能力，有利于鸟粪石生成反应的进行[6]。所以，N/P需保证大于1。25℃、30℃、35℃各系统出泥上清液的N/P见图7所示。可以看出，30℃和35℃系统的出泥上清液N/P大于1，25℃系统的N/P最低值为0.89，接近于1基本满足实际的反应需求。

和N/P一样，鸟粪石的生成反应理论需要的Mg2+/PO43-摩尔比（简称Mg/P，下同）为1，但提高Mg2+的浓度能促进鸟粪石的生成反应;然而若Mg2+含量过高，副产物诸如Mg3（PO4）2、Mg（OH）2等又会降低鸟粪石的纯度[6]。研究表明，Mg/P达到1.2时磷的回收率可以达到95% [18]。25℃、30℃、35℃各系统出泥上清液的Mg/P见图8，前期25℃系统的Mg/P波动大，后期渐趋稳定;所有系统的Mg/P都稳定在0.5的范围内。

结合图6中Ca2+的变化情况，可以看出三个系统中的Ca2+/PO43-摩尔比较高，不利于鸟粪石的生成[7]。但30℃和35℃系统中N/P均超过1，因此可以在保证N/P值较高的条件下，投加Mg使得Mg/P稍大于1，即可在Ca2+浓度较高的条件下依然获得更优质的鸟粪石[8-9]。

综上，对25℃而言，其PO43-低于其他两套系统，对充分回收剩余污泥中的磷元素是不理想的;对30℃和35℃而言，其在PO43-的释放浓度和Mg/P两个指标上水平相当，而且它们的N/P都能满足要求。因此，30℃系统和35℃系统在以回收鸟粪石为目的时，其在5天厌氧条件下物质释放的效果没有区别。但考虑实际生产中温度越高，实际操作越困难及成本越高，因此最适宜应用于生产中的温度为30℃。

4 结论

（1）温度对NH3-N的释放有明显影响，不同温度条件下NH3-N释放量具有明显的梯度，温度越高NH3-N释放量越大;温度对PO43-的影响相对较小，30℃和35℃条件下的PO43-释放量几乎不存在差别。金属离子方面主要受温度影响的是Mg2+，随着温度升高释放量略有增长;但Ca2+随温度变化不表现出规律性;（2）在以鸟粪石法为回收手段、以尽可能回收剩余污泥中磷元素为目的时，25℃系统无法达到理想的回收效果;在30℃和35℃两个温度条件下，氮磷释放效果及物质间配比较为接近，均可达到较理想的鸟粪石回收效果。考虑运行成本及可操作性，30℃更适宜于在实际生产中应用。

参考文献

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收稿日期：2019-02-16

作者简介：刘贝（1989-），女，汉族，研究生学历，工程师，研究方向为水环境治理。