乙酸钠碳源和铁盐除磷剂对活性污泥系统的影响

赵俊娜

摘要：为进一步提高污水处理厂工艺运行调控技术水平，通过3套SBR小试处理系统，考察了乙酸钠碳源和铁盐除磷剂2种药剂对污水脱氮除磷效果和活性污泥性质的影响。结果表明：投加250 mg/L的乙酸钠碳源和70 mg/L的铁盐除磷剂均可显著提高除磷效果，均可实现出水总磷达到一级A排放标准，其中，投加铁盐除磷剂会削弱生物除磷效果，且随着铁盐除磷剂投加时间的延长，生物除磷效果下降程度增加，而投加乙酸钠碳源会明显增强生物除磷效果，并减轻除磷剂对生物除磷的抑制作用;投加乙酸钠碳源可明显提高反硝化效果，投加铁盐除磷剂反硝化效果略有提高，但不明显，2种药剂对硝化反应均无明显影响;投加乙酸钠碳源可使MLVSS/MLSS，SVI及SOUR值增加，而投加铁盐除磷剂使MLVSS/MLSS和SVI值降低，SOUR值增加。通过考察进一步掌握了2种药剂对污水处理厂活性污泥系统的影響，可为污水处理厂工艺调控提供科学实用的技术参考。

关键词：水污染防治工程;乙酸钠碳源;铁盐除磷剂;脱氮除磷;沉降性能;比耗氧速率

中图分类号：X705文献标识码：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx06007

Effects of sodium acetate carbon source and iron salt phosphorus

removal agent on activated sludge system

ZHAO Junna

（Cangzhou Water Supply and Drainage Group Company Limited，Cangzhou，Hebei 061000，China）

Abstract：In order to further improve the technical level of operation and control of sewage treatment plant，the influence of sodium acetate carbon source and iron salt phosphorus removal agent on sewage denitrification and phosphorus removal effect and the activated sludge properties was inspected through three sets of SBR pilot processing system.The results show that：the addition of 250 mg/L sodium acetate carbon source and 70 mg/L iron salt phosphorus removal agent can significantly improve the effect of phosphorus removal，both of them can make the total phosphorus achieve the level A emission standard;and the addition of iron salt phosphorus removal agent can weaken the biological phosphorus removal effect，and as the time of iron salt phosphorus removal agent addition is extended，the biological phosphorus removal effect is decreased，but the addition of sodium acetate carbon source can significantly enhance the biological phosphorus removal effect and reduce the inhibition effect of phosphorus removal agent on biological phosphorus removal;the denitrification effect can be significantly improved by adding the sodium acetate carbon source，the denitrification effect can be slightly improved by adding the iron salt phosphorus removal agent，but it is not obvious.Both medicaments have no obvious effects on nitration reaction;the value of MLVSS/MLSS，SVI and SOUR can be increased by adding sodium acetate carbon source，while the addition of iron salt phosphorus removal agent can lead to the decrease of the value of MLVSS/MLSS，SVI，and the increase of SOUR value.The effects of two kinds of reagents on activated sludge system of sewage treatment plant are further mastered through investigation，which can provide practical technical reference for the process regulation of sewage treatment plant.

Keywords：water pollution control engineering;sodium acetate carbon source;iron salt phosphorus removal agent;nitrogen and phosphorus removal;settling performance;specific oxygen consumption rate

近年来，水体富营养化问题日益严重，已成为中国乃至当今世界面临的严重水污染问题之一。污水处理厂氮和磷的不合理排放是造成水体富营养化的重要因素之一[1]，为此，提高污水处理厂氮和磷的排放指标并严格控制排放的水质成为当下污水处理厂运行管理的重中之重。生物脱氮除磷是最经济有效的污水处理方式，但是中国城市污水普遍存在低C/N值的情况[2]，导致生物脱氮除磷效率较差。为提高污水脱氮除磷效率，污水处理厂通常采用外加碳源提高脱氮效率和外加除磷药剂辅助除磷的运行模式[3-5]。

现有对污水脱氮除磷的研究大多是分别针对碳源和除磷剂来进行[6-8]，同时考虑2种药剂对活性污泥系统影响的研究较少，因此，很有必要对同时投加2种药剂的活性污泥系统所受影响来进行对比研究。沧州市某污水处理厂由于进水的C/N值（用ρ（COD）/ρ（TN）计算得到）较低，仅为3.5左右，导致脱氮除磷效果较差，为确保水质达标，该厂运行中长期投加碳源和除磷药剂，其中碳源为含质量分数25%乙酸钠的复合型碳源，除磷药剂为新型除磷剂，主要成分为含质量分数11%全铁的液态聚合硫酸铁。本文通过小试装置进行了投加乙酸钠碳源和铁盐除磷剂对活性污泥系统影响的实验研究，以期为污水处理厂的工艺调控和运行管理提供参考。

1实验材料及方法

1.1反应装置及运行方式

实验采用SBR处理系统，反应器为市购塑料桶，反应器总容积为10 L，有效容积为8 L。反应器按每周期8 h运行，每天运行3个周期，每个周期进水/厌氧搅拌2 h，好氧曝气4 h，沉淀静置1 h，排水闲置1 h，搅拌和曝气由自控系统自动控制。进水采用瞬时进水方式，每次进水量和排水量均为4 L。

接种污泥取自沧州市某污水处理厂二沉池回流污泥，接种污泥的MLSS（质量浓度，下同）约为8 000 mg/L。共有3组SBR处理系统，1#主要为空白对照实验组，2#主要为投加乙酸钠碳源实验组，3#主要为投加铁盐除磷剂实验组，每组实验初始均取4 L进水和4 L接种污泥混合，实验过程中污泥MLSS约4 000 mg/L。结合该厂进水水质及实际运行情况，确定碳源投加量为250 mg/L（质量浓度，下同），除磷剂投加量为70 mg/L（质量浓度，下同）。乙酸钠碳源于厌氧搅拌初期投加，铁盐除磷剂于好氧段曝气3 h时投加。反应过程控制厌氧段的ρ（DO）<0.5 mg/L，好氧段DO为2～4 mg/L（质量浓度，下同），实验水温为22～25 ℃。

该厂平时采用同步除磷方式，活性污泥中含有一定的除磷剂，因此，本实验主要分为2个阶段，前期不加药剂消耗除磷剂阶段和后期投加药剂阶段。具体实验内容见表1。

1.2实验废水水质

本研究取沧州市某污水处理厂进水为实验用水。实验期间进水水质：COD（质量浓度，下同）为180～220 mg/L，BOD5（质量浓度，下同）为100～130 mg/L，总氮（质量浓度，下同）为60～70 mg/L，氨氮（质量浓度，下同）为50～60 mg/L，总磷（TP）（质量浓度，下同）为5～6 mg/L。

1.3检测方法

COD，BOD5，氨氮，总氮，总磷，NO-3-N，PO3-4-P，MLSS和MLVSS等指标按照国家环保总局《水和废水监测分析方法》（第4版）[9]规定的标准方法进行测定。

活性污泥比氧速率（SOUR）的测定采用溶氧电极法，取500 mL反应器好氧段活性污泥置于烧杯中进行充氧，充氧至饱和后倒入装有搅拌子的溶氧瓶中，溶氧瓶中放入溶解氧仪探头并用橡皮塞塞好，密封好后放于磁力搅拌器上，待溶氧仪的读数稳定之后立即记录。每隔30 s读一个数值，持续10 min，绘制溶解氧-时间曲线，得到的直线斜率即为耗氧速率（OUR），根据公式SOUR=OUR/MLSS即可得到比耗氧速率。

2结果与讨论

2.1对生物除磷性能的影响分析

2.1.1停加—投加除磷剂对生物除磷的影响

为了解停加—投加除磷剂对生物除磷的影响，对3#实验组进行分析，考察了停加—投加除磷剂后厌氧和好氧末PO3-4-P浓度（质量浓度，下同）的变化情况，实验结果如图1所示。

停加除磷剂后的第1个周期厌氧末和好氧末PO3-4-P的浓度分别0.60和0.31 mg/L，可以看出原生化系统由于长期同步化学除磷，对生物除磷系统造成了一定的影响，导致没有明显的厌氧释磷和好氧吸磷现象。已有研究表明，除磷药剂对生物厌氧释磷和好氧吸磷均产生抑制作用，连续投加化学药剂一段时间后厌氧结束时TP的浓度几乎为0[10]。停加除磷剂后厌氧末和好氧末PO3-4-P的浓度逐渐上升，表明停加除磷剂后生物除磷性能可逐渐恢复，但是经过20个周期后，厌氧末PO3-4-P的浓度基本稳定在3.0～3.5 mg/L，厌氧释磷现象仍不太明显，其原因可能是因为进水C/N值较低，而厌氧段初始NO-3-N的浓度较高，反硝化菌和聚磷菌竞争碳源，造成厌氧释磷碳源不足，进而影响到厌氧释磷和好氧吸磷效果。开始投加除磷剂后，好氧末PO3-4-P的浓度逐渐降低，磷去除率逐渐升高，但同时厌氧末PO3-4-P的浓度逐渐降低，生物除磷性能逐渐减弱。

为了更加深入了解铁盐除磷剂对生物除磷过程的影响，对上述实验各个周期反应过程中PO3-4-P浓度的变化情况进行了研究，结果如图2所示。停加除磷剂后的第1个周期和第10个周期，均没有厌氧释磷现象，说明生物除磷受到明显的抑制，但是从第1个周期至第10个周期的过程，整体PO3-4-P浓度在上升，说明除磷剂对生物除磷的抑制作用在逐渐减弱，至第20个周期，在反应30 min时开始有轻微的厌氧释磷现象。开始投加铁盐除磷剂后，厌氧释磷现象再次消失，且随着反应的进行，整个反应过程中的PO3-4-P浓度呈现逐渐下降趋势。有研究表明，随着化学除磷的进行，系统污泥胞内的PHA含量减少、糖原含量增加，污泥中的聚磷菌（phosphorus accumulating organisms，簡称PAOs）相对数量下降而聚糖菌（glycogen accumulating organisms ，简称GAOs）相对数量显著增加，优势菌发生演替，长期投加除磷剂会削弱系统的内在生物除磷效力[11]。

2.1.2碳源、除磷剂对生物除磷的不同影响

为进一步了解碳源和除磷剂对生物除磷的影响，分别考察了空白组、投加乙酸钠碳源组、投加铁盐除磷剂组和同时投加乙酸钠碳源及铁盐除磷剂组不同药剂投加情况下的生物除磷过程，实验结果如图3所示。

空白组基本没有厌氧释磷现象，整个过程的PO3-4-P浓度呈轻微下降趋势，出水磷PO3-4-P浓度约3 mg/L，其原因可能是进水碳源不足，导致生物除磷效果较差;投加乙酸钠碳源组，呈现出了明显的厌氧释磷和好氧吸磷现象，厌氧末PO3-4-P浓度达到7.51 mg/L，好氧末PO3-4-P浓度为0.34 mg/L，说明投加乙酸钠碳源可以提高生物除磷效果，且仅通过该投加量的乙酸钠碳源即可实现磷的达标排放;投加铁盐除磷剂组，可以实现出水磷达标，但完全没有厌氧释磷现象，整个过程PO3-4-P浓度保持在较低水平，且持续降低，其原因可能是由于化学除磷对生物厌氧释磷带来了影响，也可能是残存的铁离子和形成的络合物沉淀吸附了一部分PO3-4-P;同时投加碳源和除磷剂组，有轻微的厌氧释磷现象，厌氧段最大PO3-4-P浓度由仅投加碳源时的7.56 mg/L降至2.27 mg/L，投加碳源减轻了除磷剂对生物除磷的抑制程度。不同药剂投加组表现出了明显的差异，有研究表明，厌氧释磷受到抑制主要与PAOs体内的聚羟基烷酸（polyhydroxyalkanoates，简称 PHA）达到饱和或污泥内部聚磷、糖原含量不足有关[12]，而这些又与碳源和除磷剂的投加具有直接关系。

2.1.3不同碳源投加条件下除磷剂对生物除磷的影响

为进一步探究碳源及除磷剂投加模式对生物除磷的影响，分别考察了长期投加乙酸钠碳源（连续投加碳源45个周期）及初始投加乙酸钠碳源2种不同条件下投加铁盐除磷剂后的生物除磷过程，实验结果如图4所示。

可以看出，在相同的铁盐除磷剂投加量下，长期投加碳源组，厌氧段最大PO3-4-P浓度达到2.27 mg/L，而开始投加碳源组，厌氧段最大PO3-4-P浓度为1.56 mg/L，可以看出长期投加碳源组厌氧释磷量要高于初始投加碳源组，且好氧吸磷量也更大，表明长期投加碳源增强了生物除磷性能，生物除磷性能受除磷剂抑制程度降低。

2.2碳源、除磷剂对生物脱氮性能的影响分析

一般情况下投加碳源会提高反硝化效果，过量投加情况下对硝化有一定不利影响，而投加铁盐除磷剂对硝化、反硝化的影响没有统一的结论。本部分系统考察了不同药剂投加条件对反硝化及硝化反应的影响，其中反硝化实验结果如图5所示。

空白实验组的初始硝氮浓度较高，整个反硝化阶段硝氮浓度（质量浓度，下同）由19.7 mg/L降至13.8 mg/L，硝氮去除量仅为5.9 mg/L，其跟碳源不足造成反硝化效果较差有直接关系;投加乙酸钠碳源组的整体总氮去除效果增加，初始硝氮浓度降低，且反硝化效果较好，反硝化速率较快，30 min时反硝化反应已基本进行完全，硝氮浓度由初始的9.2 mg/L降至1.86 mg/L;投加铁盐除磷剂组的反硝化速率同空白组相近，但整体硝氮浓度有所下降，硝氮去除率由29.9%提高至36.3%，这与PINTATHONG等[13]研究结果一致。其原因可能是投加除磷剂后减少了释磷阶段对碳源的需求，使碳源可以更多的被反硝化反应利用[14]，或因为铁是微生物生长必需的重要微量元素之一，能提高脱氮酶的活性，可以加速电子传递速率，从而强化反硝化脱氮效果[15]，但是由于本身碳源不足，所以反硝化效果较投加乙酸钠碳源组相差较大;同时投加乙酸钠碳源和鐵盐除磷剂组的反硝化效果同投加乙酸钠碳源组相近，说明在碳源充足的条件下铁盐除磷剂对反硝化影响不大。综合4个实验组可以看出，乙酸钠碳源对反硝化过程具有重要影响，碳源不足的条件下，投加铁盐除磷剂可适当提高反硝化效果，碳源充足的条件下，投加铁盐除磷剂对反硝化影响不大。

另外，在上述各种药剂投加情况下的氨氮去除率均在99%以上，证明该药剂投加量下对硝化反应没有造成明显影响。

2.3对活性污泥理化性能的影响分析

投加碳源及除磷剂后活性污泥性质的变化如表2所示。

投加乙酸钠碳源组，MLVSS/MLSS值由0.56提高至0.63，SVI由64.24 mL/g提高至72.4 mL/g，SOUR由8.7 mg/（g·h）提高至10.1 mg/（g·h）;而投加铁盐除磷剂组MLVSS/MLSS值降至0.52，SVI降至58.9 mL/g，SOUR提高至10.4 mg/（g·h）。

投加乙酸钠碳源组MLVSS/MLSS值增加，其原因为投加碳源使微生物活性和数量增加，有机物质量增加;投加铁盐除磷剂组MLVSS/MLSS值降低，其原因可能是铁与污水中的磷发生反应，生成难溶盐FePO4，Fe-P-OH等无机化合物，这些无机化合物不断积累并附着在活性污泥上，增加了活性污泥的无机组分，从而降低了单位污泥浓度的微生物活性。

投加乙酸钠碳源组SVI升高，其原因可能是投加碳源，会使丝状菌型污泥膨胀更易发生，高春娣等[16]的研究也表明投加乙酸钠后SVI会逐步上升，且发现了大量的Thiothrix型丝状菌。另一方面，也可能是投加碳源后微生物代谢碳源并分泌出亲水性多糖物质覆盖在菌胶团表面，发生非丝状菌膨胀[17]。投加铁盐除磷剂组的SVI下降，说明加入铁盐使污泥沉降性得到改善，其原因一方面可能是铁盐与带负电荷的EPS组分结合，一定程度上促进了生物絮凝，加强了絮体保持微粒与胶体颗粒的能力，直接促进活性污泥絮凝沉降性能的提高;另一方面，铁盐与微生物的结合可能引起微生物生理及生态的变化，间接改善活性污泥的沉降性能。有研究表明，投加铁盐后ZETA点位下降，污泥沉降性能得到改善[18]，还有人认为投加铁盐可造成丝状菌数量的下降并提高沉降性[19]，另有研究表明，铁的存在可能刺激细胞分泌物的产生从而引起EPS总量的增加，同时还提高了EPS中蛋白质与多糖含量的比值，活性污泥的沉降性能也随之提高[20]。

氧吸收速率是评价废水处理过程中污泥微生物代谢活性的一个重要指标。活性污泥比好氧速率一般为8～20 mg/（g·h）。投加乙酸钠碳源和铁盐除磷剂组的SOUR均有所提高，说明2种药剂的投加均提高了污泥活性。投加除磷剂组的SOUR提高可能是因为铁是微生物生长所必需的元素，能够促进微生物的电子传递、酶的合成等，提高微生物活性。

3结语

本文通过SBR系统分别考察了连续投加乙酸钠碳源和铁盐除磷剂对污水处理效果和污泥性状的影响，结果如下。

1）碳源不足的情况下，长期投加除磷剂将造成完全没有厌氧释磷现象，停加除磷剂后，生物除磷效果会逐渐恢复，但生物除磷效果受碳源是否充足影响很大;投加250 mg/L乙酸钠碳源和70 mg/L铁盐除磷剂均能明显提高除磷效果，使出水总磷达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放标准，其中投加乙酸钠碳源能提高生物除磷效果，而投加铁盐除磷剂会削弱生物除磷效果;投加乙酸钠碳源可减轻除磷剂对生物除磷的抑制，长期投加乙酸钠碳源对减轻除磷剂对生物除磷的抑制更加有利。

2）投加250 mg/L乙酸钠碳源可明显提高反硝化效果和反硝化速率;碳源不足的情况下，投加铁盐除磷剂对反硝化具有一定的促进作用，但不明显;碳源充足的情况下，投加铁盐除磷剂对反硝化反应无影响;在该药剂投加量下，投加碳源和除磷剂均对硝化反应没有影响。

3）投加250 mg/L乙酸钠碳源可提高活性污泥的MLVSS/MLSS值，微生物活性和数量增加，同时会造成SVI上升，存在污泥膨胀风险;投加70 mg/L铁盐除磷剂后MLVSS/MLSS值降低，表明活性污泥中无机组分增加，同时SVI降低，说明适量投加除磷剂可以改善活性污泥的沉降性能;该药剂投加量下，投加乙酸钠碳源和铁盐除磷剂均会提高SOUR，对污泥活性具有一定的促进作用。

该研究从污水处理厂实际运行出发，同时考察了投加碳源和除磷剂2种药剂对污水处理厂生化系统的影响，可为污水处理厂工艺调控提供科学实用的指导依据。今后还将继续研究不同条件下微生物群落结构的变化情况，为污水处理厂工艺运行提供更深入的技术参考。

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