不同C/P 下低耗EBPR 的脱氮除磷及侧流磷回收性能

邓 颖，俞小军，2，3，蔡雨麒，马 娟，2，3

（1.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃省污水处理行业技术中心，甘肃兰州 730070；3.甘肃省黄河水环境重点实验室，甘肃兰州 730070）

磷（P）以化合态的形式大量存在于动植物体内，其占有人体1%的质量。此外，DNA 和RNA 中的主要化学成分也是磷，质量分数为9%，可见在生命活动中磷是不可缺少的〔1〕。再者，磷作为一种战略性资源，对全球粮食生产的贡献也具有不可替代的作用。磷主要以磷矿的形式贮存在地壳之中，是一种难以再生的非金属矿产资源〔2〕。据专家推测，以目前的速度开采地球上的磷矿，全球可经济开采的清洁磷矿将会在100 a 内消耗殆尽〔3〕。与此同时，因磷不具有挥发性，其在自然界的循环是从陆地到海洋的单向直线运动〔4〕。正是因为磷的单向流动特点，致使水体富营养化，淡水发生“水华”，海洋发生“赤潮”，造成了湖泊及海洋的严重污染，可用水资源储量严重下降。据调查，我国约75%的湖泊出现了不同程度的富营养化〔5-7〕。

就目前而言，一方面，各国专家为了提高污水中磷的去除不遗余力，但含磷废水排放导致的水体富营养化问题仍未得到根本解决；另一方面，当前全球磷资源储量大量减少，我国也即将与世界同步出现“磷荒”，全球正面临着可怕的“磷危机”。因此，要是能将污水中处理掉的多余磷回收并加以利用，既能减轻水体的纳污负担，还能延缓“磷危机”的到来。

厌氧侧流磷回收是在主流强化生物除磷（Enhanced biological phosphorus removal，EBPR）系统厌氧末期时，将其上清液按一定比例提取出来，通过侧流反应将系统中的磷去除并生成磷回收产物，之后将侧流反应上清液返回至主流系统中继续进行好氧反应。侧流反应中对磷的去除使得主流系统中m（COD）/m（P）（记作C/P）上升，这在一定程度上解决了进水碳源不足的问题〔8-9〕。此外，调研结果表明实际污水处理厂中最大耗能单元为曝气，若污水厂在低DO（Dissolved oxygen）条件下能实现稳定达标运行，则整个污水厂的能耗可降低10%左右〔10〕。因此，建立一种基于厌氧侧流磷回收技术的低耗EBPR系统，对我国实现碳达峰和碳中和目标具有一定的理论指导意义。有研究表明，进水磷源和碳源浓度直接影响聚磷菌（Polyphosphate accumulating organisms，PAOs）的释、吸磷性能乃至EBPR系统的稳定运行，因此，本研究基于一个低耗（DO=1 mg/L）下的EBPR 系统开展不同进水C/P（400/8、350/8、300/8、400/12）对系统除磷性能、侧流磷回收性能及污泥性能的影响研究，通过分析不同实验阶段各项污染物指标及相应的磷回收率，探究C/P 对主流EBPR 系统脱氮除磷效果及其相应的厌氧磷回收性能的影响。

1 材料及方法

1.1 实验用水及接种污泥

（1）进水是由碳源、氮源、磷源、浓缩液和微量元素组成的人工配水，其中碳、氮和磷源分别由CH3COONa、NH4Cl 和KH2PO4提 供。根 据 运 行 工 况的不同将实验分为4 个阶段，调整碳、磷浓度，设定碳、氮、磷质量浓度在Ⅰ阶段分别为400、40、8 mg/L，Ⅱ阶段分别为350、40、8 mg/L，Ⅲ阶段分别为300、40、8 mg/L，Ⅳ阶段分别为400、40、12 mg/L。浓缩液和微量元素在配水中体积分数均为1 mL/L。浓缩液配比为：MgCl2·6H2O 80 g/L、酵母浸膏10 g/L、蛋白胨61 g/L、CaCl2·2H2O 21 g/L、MgSO4·7H2O 45 g/L。微量元素配比为：苯甲酰胺基酯酸4.03 g/L、FeCl3·6H2O 3.03 g/L、H3BO30.5 g/L、CuSO4·5H2O 0.12 g/L、Na2MoO4·2H2O 0.06 g/L、KI 0.06 g/L、MnCl2·4H2O 0.24 g/L、CoCl2·6H2O 0.06 g/L、ZnSO4·7H2O 0.3 g/L、EDTA 10 g/L、柠檬酸5.51 g/L、NiCl2·6H2O 0.06 g/L。

（2）污泥接种于A2/O 反应器的二沉池，污泥除磷效果及各项监测指标均良好。

1.2 实验装置及运行模式

（1）本实验采用有效容积4.2 L 的序批式活性污泥反应器（Sequencing batch reactor，SBR）作为主反应器进行主流强化生物除磷反应，实验装置见图1。SBR 在整个实验阶段采用厌氧-好氧交替运行的模式。好氧阶段的溶解氧采用空气压缩机提供，曝气量通过转子流量计进行调节；计算机控制系统则将好氧阶段的DO 保持在1 mg/L。温度设定在（22±1）℃。采用WTW Multi-3420 在线测定仪对DO 和pH 进行实时监测。

图1 SBR 实验装置Fig.1 SBR Experimental setup diagram

（2）该SBR 反应器以每天3 个周期的模式运行，每周期8 h，控制进水和排水时间为6 min，厌氧反应120 min 后接好氧反应300 min，沉淀54 min。污泥龄（Solid retention time，SRT）控制在21 d，水力停留时间（Hydraulic retention time，HRT）为24 h。当SBR反应器具备EBPR 功能且系统趋于稳定后，进行侧流回收磷操作，具体操作为：厌氧末期充分释磷后停止搅拌，然后提取1/3 的厌氧释磷上清液并添加MgCl2·6H2O 或MgSO4·7H2O 进 行 化 学 沉 淀，期 间 不停地搅拌，且用1 mol/L 的NaOH 溶液调节pH 至8.5～9.5，沉淀生成后的上清液返回至主流系统进行好氧反应。

实验4 个阶段反应器运行工况见表1。

表1 反应器运行工况Table 1 Operation conditions of the reactor

1.3 分析项目与检测方法

1.4 侧流磷回收率计算公式

采用式（1）对侧流磷回收率进行计算。

式中：P1——侧流反应上清液中磷酸盐质量浓度，mg/L；

P2——主流系统厌氧末期磷酸盐质量浓度，mg/L。

1.5 磷达标率计算公式

采用式（2）对磷达标率进行计算。

式中：R1——运行达标天数；

R2——运行总天数。

2 结果与讨论

2.1 不同进水C/P 下磷回收对主流EBPR 系统脱氮除磷性能的影响

进水C/P 波动下，厌氧侧流磷回收对低耗主流SBR 反应器脱氮除磷性能的影响见图2。

由图2（a）可见，系统出水TN 在4 个实验阶段中变化不大，均值分别为9.42、9.27、9.73、8.16 mg/L，且平均TN 去除率在整个实验周期无明显变化，分别为76.5%、76.8%、75.6%、79.4%，说明由COD 和P 浓度变化导致的C/P 波动对系统TN 的去除影响不大，依据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002），其均能满足一级A 排放标准（TN≤15 mg/L）。

图2 SBR 反应器脱氮除磷性能的变化Fig.2 Changes of nitrogen and phosphorus removal performance in SBR reactor

由图2（b）可知，在反应器运行的前3 个阶段，进水C/P 为400/8、350/8、300/8 时，系统厌氧末期释磷量随进水C/P 的降低而减少，均值分别为31.1、22.9、20.2 mg/L。同时，系统平均除磷率也呈相同趋势，由阶段Ⅰ的96.7%降至阶段Ⅲ的87.7%。李萍等〔13〕进行此类相关研究，得到TP 去除率随进水COD 减小而降低的结论，这与本实验研究结论相一致。在阶段Ⅳ中，进一步降低进水C/P 至400/12，厌氧释磷量均值迅速升高为43.7 mg/L，平均除磷率回升至95.9%。结合前3 个实验阶段的结果，分析得到进水碳源浓度和磷源浓度是影响聚磷菌释磷性能的主要因素，而与C/P 关系不大，除磷效率的提升归因于系统厌氧释磷能力的提高，当进水P 源丰富，可满足聚磷菌代谢需求的条件下，真正导致系统性能发生变化的原因是进水碳源是否充足。

2.2 不同阶段EBPR 系统出水磷达标分析

不同阶段SBR 反应器内出水TP 见图3。

图3 不同阶段SBR 反应器内出水TPFig.3 Effluent TP concentration in SBR reactor under different stages

依据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的规定，一级A 排放标准中TP≤0.5 mg/L。由图3 可见，从阶段Ⅰ至阶段Ⅲ，随着进水C/P由400/8 降至300/8，出水磷一级A 排放标准的达标率分别为93.3%、40.0%、30.0%。在阶段Ⅳ中，进一步降低进水C/P 为400/12，出水磷的达标率回升至69.2%。分析认为，阶段Ⅳ较阶段Ⅰ进水磷浓度增加而COD 不变，PAOs 在厌氧释磷时利用相同量的COD 合成等量聚-β-羟基丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB），故在好氧阶段分解PHB 所得的ATP 不足以吸收多余的磷导致磷达标率下降。结合图2 进一步表明聚磷菌释/吸磷性能受进水碳源及磷源浓度影响较大，而与C/P 无关。

2.3 不同阶段SBR 反应器内典型周期污染物浓度的变化

不同实验阶段典型周期污染物浓度的变化见图4。

由图4可知，各不同阶段EBPR系统均可在1.5 h内将大部分有机物吸收利用。前3个阶段随着进水C/P由400/8 降至300/8，厌氧末期磷质量浓度从29.1 mg/L 降至19.6 mg/L，说明进水碳源是否充足是导致聚磷菌释磷能力变化的主要因素，进一步降低进水C/P至400/12时，厌氧末期磷质量浓度提升至42.5 mg/L。EBPR系统中聚磷菌的好氧吸磷时间随进水COD的不断降低而延长，第Ⅱ阶段较第Ⅰ阶段吸磷时间延长了120 min，第Ⅲ阶段直至反应结束系统内还残留将近1 mg/L 的系统除磷能力逐步下降。分析原因可能是，PAOs 在厌氧阶段进水碳源充足时能合成较多的PHB，因此，在好氧阶段利用PHB 降解产生的能量高效吸磷，而当进水COD 匮乏时由于聚磷菌活性降低导致系统除磷效果不佳。在第Ⅳ阶段，此时进水碳源充足，系统厌氧释磷量大，且由于进水磷浓度相比阶段Ⅰ更高，聚磷菌需要更长的时间完成吸磷，最终系统于300 min 吸磷结束。

图4 不同阶段典型周期污染物浓度变化Fig.4 Variation of pollutant concentration in a typical cycle at different stages

2.4 SBR 反应器内污泥的吸磷和释磷能力

实验总结了主流EBPR 系统在4 个实验阶段的吸磷能力及释磷能力，结果见图5。

由图5 可知，从阶段I 至阶段Ⅲ随C/P 逐步降低，释磷量与吸磷量均呈下降趋势，与图2 除磷性能下降趋势相吻合。分析原因是碳源不足导致释磷下降，后续好氧阶段因PHB 提供给系统吸磷的能量不足，PAOs 活性下降以致吸磷量下降。在第Ⅳ阶段由于碳源及磷源充足，磷释放和磷吸收量均是最高的。单位VSS 最大厌氧释磷速率、最大好氧吸磷速率分别和释磷量、吸磷量呈相同趋势。

图5 SBR 反应器内污泥释/吸磷能力Fig.5 Phosphorus release/uptake ability of sludge in SBR reactor

2.5 进水C/P 波动下侧流磷回收分析

进水C/P 波动下侧流磷回收性能的变化见图6。

图6 进水C/P 波动下侧流磷回收性能Fig.6 Side-stream phosphorus recovery performance under influent C/P ratio fluctuation

由图6 可知，从阶段Ⅰ至阶段Ⅲ随着进水C/P 的逐步降低，侧流磷回收率呈下降趋势，均值分别为61.5%、48.9%、45.3%。结合图2 分析原因，推测为由于厌氧末期释磷量下降导致可回收的磷减少，磷回收率下降。随后将进水C/P 进一步降至400/12，侧流磷回收率立刻升高至62.6%，偏差最小且运行最稳定。依据侧流磷回收原理来看，系统厌氧释磷量越高，用于进行化学磷回收操作的磷则越多。由此表明，除碳源浓度外，磷源浓度同样是影响化学磷回收的重要因素。

2.6 进水C/P 波动下侧流磷回收对低耗主流EBPR 系统污泥性能的影响

不同阶段污泥性质变化见图7。

图7 不同阶段污泥性质变化Fig.7 Change ofsludge characteristics in different stages

由图7 可知，MLSS 及MLVSS 在整个实验过程中始终保持稳定，MLSS 均值和MLVSS 均值在4 个实验阶段都分别保持在（3 270±100）mg/L 和（2 600±100）mg/L。污泥SVI 在实验运行的4 个阶段平均值分别为109.4、89.5、75.8、58.0 mL/g，均在50～120 mL/g 的范围内，表明污泥具有良好的活性。由图7 还可以看出，从阶段Ⅰ至阶段Ⅲ，poly-P 质量浓度平均分别为181.8、165.0、154.7 mg/L，呈缓慢下降的趋势，与图2 中系统除磷性能从阶段Ⅰ至阶段Ⅲ逐渐下降的趋势相吻合。而在Ⅳ阶段由于进水磷浓度的提高，PAOs 体内的poly-P 含量随之升高。

3 结论

（1）当进水C/P 由400/8 逐步降低至300/8 时，主流系统厌氧末期释磷量及除磷率逐渐降低，侧流系统磷回收率随之下降。进一步降低C/P 至400/12 时，尽管比值降低，由于碳源浓度和磷源浓度的增加而获得了最高除磷率及最高磷回收率，可见C/P 与主流系统除磷性能和侧流系统磷回收性能之间无必然联系。

（2）在进水C/P 波动下，主流EBPR 系统TN 去除性能在整个实验阶段变化不大。

（3）在整个实验阶段，污泥胞内poly-P 含量与污泥除磷性能变化趋势一致，污泥沉降性能一直较佳，MLSS 及MLVSS 始终保持稳定。说明进水C/P 的改变对污泥性质影响不大。

（4）影响聚磷菌释/吸磷性能的主要因素是进水碳源浓度和磷源浓度，而与C/P 关系不大。当进水P 源丰富，可满足聚磷菌代谢需求的条件下，真正导致系统性能发生变化的原因是进水碳源浓度的改变。