碳磷比对厌氧/好氧/缺氧-序批式反应器工艺脱氮除磷性能的影响*

曲 红 郑少杰 聂泽兵 李清哲 谷靖颖 边德军,#

(1.长春工程学院吉林省城市污水处理重点实验室，吉林 长春130012；2.东北师范大学吉林省城市污水处理与水质保障科技创新中心，吉林 长春 130117)

随着我国工业化进程的持续加快和人民生活水平的不断提高，日益加剧的生态环境问题正在成为制约我国可持续发展的重要因素，其中水体富营养化更是不可忽视[1]。高效、经济的脱氮除磷技术成了环境工程领域研究的热点[2-4]。厌氧/好氧/缺氧(AOA)-序批式反应器(SBR)工艺是以反硝化除磷为核心的新工艺，继承了SBR占地面积小、工艺简单、经济灵活等优点，并通过对搅拌和曝气时间的控制实现在时间顺序上形成厌氧、好氧、缺氧3种功能，在缺氧时能利用内碳源进行反硝化脱氮除磷，可以缓解碳源紧张的问题，同时还可降低能耗、减少污泥产量。

传统的除磷方式是利用聚磷菌在厌氧/好氧条件下来实现水相磷酸根的吸收[5]，通过排放富磷污泥来达到除磷的目的[6]，而反硝化脱氮除磷则是利用厌氧释磷过程中贮存的聚羟基烷酸酯(PHA)为电子供体，用好氧阶段生成的硝态氮或亚硝态氮作为电子受体，实现同步脱氮除磷，相较于传统的脱氮方式又节省了外碳源。

目前针对AOA-SBR工艺的碳源、pH、温度等影响因素已有较充分研究[7-8]，而碳磷比(C/P)作为生物脱氮除磷的关键因素在AOA-SBR工艺中却鲜有关注。本研究尝试探索C/P对AOA-SBR工艺脱氮除磷性能的影响，分析了C/P对氮、磷的去除效果和周期规律，以期为AOA-SBR工艺的改进优化和推广应用提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置

AOA-SBR工艺的实验装置设计见图1。3组相同的AOA-SBR同时运行，其中反应器用有机玻璃柱制成，内径15 cm，高23 cm，有效容积3 L，侧壁设有出水管和排泥管，顶部连接pH计(PHSJ-4A)和DO仪(Oxi3310)；曝气使用电磁式空气压缩机(ACO-318)，通过转子流量计(LZB-4WB，量程为0～6 L/min)控制气量，通过曝气砂头扩散空气；厌氧、好氧、缺氧运行过程用磁力搅拌器(MS-H-S)进行泥水混合，转速控制为350 r/min。

图1 AOA-SBR工艺的实验装置

通过空气压缩机间歇运行的方式控制AOA模式运行，厌氧、好氧、缺氧和闲置时间分别控制为1、5、2、4 h，水温20 ℃、排水比50%、好氧曝气量0.18 L/min，每周排泥350 mL以控制水力停留时间(SRT)为60 d，反应器1天运行两个周期，共运行65 d。

1.2 实验用水、接种污泥及分析方法

实验用水采用人工配制：将0.37 g乙酸钠、0.60 g淀粉、0.35 g氯化铵、0.05 g牛肉膏、0.05 g蛋白胨和一定量磷酸二氢钾溶于3 L自来水中，控制C/P(以质量比计)为40、24、17，pH为6.95～7.42。

接种污泥来自长春市某污水处理厂的好氧池末端，具有良好的脱氮除磷性能，污泥混合液悬浮固体浓度(MLSS，以质量浓度计)为(4 300±200) mg/L，经100目筛网过滤后曝气使污泥恢复活性。

化学需氧量(COD)根据《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》(HJ 828—2017)测定；氨氮根据《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》(HJ 535—2009)测定；总氮(TN)根据《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)测定；总磷(TP)根据《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893—89)测定；硝态氮用离子色谱仪(ECO 925)测定。

取进入稳定期后的反应器液面、出水管、排泥管处的活性污泥，混合均匀，量取12 mL于15 mL存样管中，1 ℃预冻24 h后转入-80 ℃超低温保存，送上海派森诺生物科技有限公司进行16S rRNA高通量测序。

2 结果与讨论

2.1 AOA-SBR工艺污水处理效果

2.1.1 COD去除效果

不同C/P条件下AOA-SBR工艺的COD去除效果见图2。当C/P分别为40、24、17时，AOA-SBR工艺出水的COD均值分别为36.32、35.36、32.34 mg/L，且比较稳定，去除率能达到90%左右，说明C/P对有机物的去除影响较小。对比厌氧、好氧、缺氧出水的COD浓度可以发现，COD在厌氧段就已大部分去除。综上所述，C/P对COD的去除影响较小，AOA-SBR工艺出水COD可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准(≤50 mg/L)。

图2 不同C/P条件下COD去除效果

2.1.2 氨氮去除效果

不同C/P条件下AOA-SBR工艺的氨氮去除效果见图3。C/P对氨氮的去除影响也不大。氨氮的去除主要依靠硝化反应，因此主要发生在好氧段，在厌氧段基本不会去除。但在好氧段刚结束的时候由于DO还处于较高水平，因此缺氧段初期硝化反应仍能进行一段时间。当C/P分别为40、24、17时，AOA-SBR工艺出水的氨氮均值分别为0.27、0.33、0.22 mg/L，去除率均达到99%左右。综合来看，氨氮与COD一样受C/P的影响较小；主要在好氧段硝化反应被去除，最终去除率能达到99%左右。

图3 不同C/P条件下氨氮去除效果

2.1.3 TN去除效果

不同C/P条件下AOA-SBR工艺的TN去除效果见图4。同样地，C/P对TN的去除影响也不大，不同C/P条件下的TN去除率平均在70%以上。由于反硝化菌世代周期较长，因此运行初期反硝化菌数量不足TN的去除效果不佳，30 d后TN去除率迅速上升。当C/P分别为40、24、17时，AOA-SBR工艺出水的TN均值分别为6.80、7.88、8.40 mg/L。由于TN包含各种形态的氮，因此在厌氧、好氧、缺氧段都会有一定程度的去除。由于在厌氧段TN的主要形态还是氨氮，未发生硝化反应，因此也无法进行反硝化脱氮，TN去除效果不佳。在好氧段初期由于可以同步硝化反硝化脱氮，因此该阶段TN去除效果较好。在缺氧段的TN下降主要是内源反硝化作用的结果。综合而言，C/P对于TN的去除影响总体不大，TN去除率可以达到70%以上，最终出水TN可以符合GB 18918—2002的一级A标准(≤15 mg/L)。C/P对于TN去除的影响主要体现在好氧段初期。

图4 不同C/P条件下TN去除效果

2.1.4 TP去除效果

不同C/P条件下AOA-SBR工艺的TP去除效果见图5。与COD、氨氮和TN不同，C/P对TP的去除有很大影响。C/P分别为40、24、17时，厌氧出水TP分别在49、57、61 mg/L左右。由此可以发现，厌氧段都进行了大量释磷，C/P越高(即磷含量越低)释磷量就越低。而根据2.1.1节的分析，不同C/P条件下COD去除量相差无几，可见C/P对厌氧释磷起着十分重要的作用。在缺氧段，当C/P为40时TP浓度几乎降至0 mg/L，可能存在反硝化除磷现象。C/P为40时TP去除率最高，稳定达到了99%，而随着C/P下降，去除率也大幅下降，在C/P为17时去除率均值仅为60.66%。

图5 不同C/P条件下TP去除效果

2.2 AOA-SBR工艺典型污染物周期分析

2.2.1 TP周期分析

C/P对厌氧释磷起着十分重要的作用，因此对TP进行周期分析，结果见图6。当C/P分别为40、24、17时，厌氧段的TP最高分别达到53.23、62.66、66.05 mg/L，符合低C/P可以加大厌氧段释磷量的规律[9]。当C/P分别为24、40的厌氧段最高释磷量相差9.43 mg/L，而C/P分别为17、24时相差只有3.39 mg/L，这是由于C/P为17时进水TP浓度过高导致碳源短缺所致。甄建园等[10]研究发现，适当降低C/P有利于提高系统内部聚磷菌的竞争优势，但过低的C/P反而会降低厌氧释磷速率和好氧吸磷速率，这是因为聚磷菌和聚糖菌之间存在竞争关系[11]。在缺氧段，当C/P分别为40、24、17时，TP去除量分别为0.05、6.37、7.73 mg/L，此时的TP去除量为反硝化除磷量。总体来看，降低C/P有利于提高释磷量，但会影响最终的TP去除量，需要综合考虑。

图6 不同C/P条件下TP周期变化

2.2.2 氮周期分析

虽然C/P对于氮的去除影响不大，但氮的形态复杂，因此以C/P为40时为例分析氮在周期内的形态变化，结果见图7。在厌氧段，由于缺乏DO而无法发生硝化反应，各形态氮的浓度几乎没有发生变化。在好氧段，氨氮大量转化为硝态氮，曝气4 h后，氨氮几乎全部发生了转化，而硝态氮也在好氧段末期达到了峰值。进入缺氧段，硝态氮又会被反硝化去除。

图7 不同C/P条件下氮周期变化

2.3 微生物分析

不同C/P条件下AOA-SBR工艺中微生物在门水平的组成和相对丰度分布见图8。优势菌主要在变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、放线菌门、杆菌门，与很多活性污泥一样[12-13]。随着C/P的下降，变形菌门的相对丰度下降，绿弯菌门的相对丰度上升，这两个门的相对丰度占有绝对主导地位。有研究表明，聚磷菌很多来自变形菌门[14]。变形菌门在生物脱氮及诸多污染物降解过程中起有重要作用[15]。

图8 微生物在门水平的组成和相对丰度分布

不同C/P条件下AOA-SBR工艺中微生物在属水平的组成和相对丰度分布见表1。检出的相对丰度在1%以上的属有Kouleothrix、伯克氏菌、不动杆菌、假单胞菌、Tetrasphaera、Saccharimonadales、Candidatus_Competibacter、Gilliamella、气单孢菌、Dechloromonas10个。其中Kouleothrix在接种污泥中本身不存在，而随着C/P的降低，其相对丰度升高，C/P分别为40、24、17时相对丰度分别为29.24%、34.55%、36.52%，说明TP的增加会刺激Kouleothrix生长从而影响沉降性。假单胞菌、Tetrasphaera和气单孢菌随着C/P的降低呈下降趋势，它们都有良好的除磷效果[20]。值得注意的是，假单胞菌、气单孢菌除了能够聚磷外，还具有同化污水中的有机物合成PHA并储存在细胞内的功能，也具有一定的反硝化能力。此外，Candidatus_Competibacter和假单胞菌被证实具有强内源反硝化作用，其中Candidatus_Competibacter随着TP的增加相对丰度上升。可以发现，低C/P条件下聚糖菌会逐渐取代聚磷菌。综合而言，AOA-SBR工艺中存在着明显的聚磷菌和反硝化聚磷菌聚集现象，但随着C/P的降低，聚糖菌增加，除磷方式会由聚磷菌单一除磷演替为聚磷菌与反硝化聚磷菌协同除磷。

表1 属水平的优势微生物

3 结 论

(1) C/P对AOA-SBR工艺去除COD和氨氮的影响较小且COD、氨氮去除率高。C/P对TN的去除有一定影响，主要体现在好氧段初期。而C/P对TP的影响较大，C/P的降低使得去除率大幅下降，C/P对厌氧释磷起着十分重要的作用。

(2) 适当降低C/P有利于提升释磷量，但可能会降低最终的TP去除量。在好氧段，氨氮会大量转化为硝态氮；在缺氧段，硝态氮被反硝化去除。

(3) AOA-SBR工艺中存在着明显的聚磷菌和反硝化聚磷菌聚集现象，但随着C/P的降低聚糖菌会增加，除磷方式会由聚磷菌单一除磷演替为聚磷菌与反硝化聚磷菌协同除磷。