1　淹沒式生物膜法除磷工藝選擇

1.1　淹沒式生物膜法除磷的條件

在厭氧條件下，若廢水中沒有DO或氧化態(tài)氮(NO-X)，一般無聚磷能力的好氧菌及脫氮菌，不能產(chǎn)生ATP(三磷酸腺苷)，所以這類微生物不能攝取細(xì)胞外的有機(jī)物，即不能進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸。但是，另一類叫做除磷菌的細(xì)菌卻能分解細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽同時(shí)產(chǎn)生ATP，并利用ATP將廢水中的脂肪酸等有機(jī)物攝入細(xì)胞，以PHB(聚—β—羥基丁酸)及糖原等有機(jī)顆粒的形式儲存于細(xì)胞內(nèi)；同時(shí)將聚磷酸鹽分解所產(chǎn)生的磷酸鹽排出胞外，這時(shí)細(xì)胞內(nèi)還會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生相當(dāng)量的聚磷酸鹽激酶。一旦進(jìn)入好氧環(huán)境，除磷菌又可利用PHB氧化分解所釋放的能量來攝取廢水中的磷，并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽而儲存于細(xì)胞內(nèi)。微生物在增殖過程中，在好氧環(huán)境下所攝取的磷比在厭氧環(huán)境下所釋放的磷多，廢水的生物除磷正是利用了微生物的這一過程，并作為剩余污泥排走。

由生物除磷機(jī)理可見，若想采用淹沒式生物膜法除磷，必須解決四方面的問題：①必須滿足除磷菌習(xí)性，使生物膜交替處于厭氧、好氧的狀態(tài)，并逐步使除磷菌成為優(yōu)勢菌屬，實(shí)現(xiàn)其增殖；②供給必要的有機(jī)碳源(由廢水提供)；③最后的磷排出必須是以脫落污泥的形式，這就要求除磷菌為優(yōu)勢菌屬的生物膜生長要快，且應(yīng)在好氧狀態(tài)下能脫落，即需有足夠的曝氣強(qiáng)度和選擇合適的生物膜載體；④污泥沉淀后應(yīng)及時(shí)排出系統(tǒng)。

1.2　淹沒式生物膜法除磷工藝選擇

細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)含磷約2%(以質(zhì)量計(jì))，所以傳統(tǒng)的生物膜法最多只能去除污水中約20%的磷。對一般生物膜法來說，無論是A/O(厭氧/好氧)工藝還是A2/O(厭氧/缺氧/好氧)工藝，由于是在空間上造成A或O的狀態(tài)，微生物只能持續(xù)地處于A或O的單一狀態(tài)，而不能處于A/O交替的狀態(tài)，因此，不具備生物除磷的條件，也就達(dá)不到生物除磷的目的。而序批式生物處理工藝集曝氣、沉淀于一池，運(yùn)轉(zhuǎn)按進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水等幾個(gè)階段進(jìn)行，污水間歇而有序地進(jìn)入反應(yīng)池和排出反應(yīng)池。由于序批式工藝的特殊性，設(shè)計(jì)合理，可使生物膜在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài)，從而有望實(shí)現(xiàn)生物除磷的目的，同時(shí)，混合液也可在時(shí)間上交替處于A/O狀態(tài)，從而有望實(shí)現(xiàn)生物脫氮。

2　試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。

試驗(yàn)用反應(yīng)器是有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為15cm，反應(yīng)器內(nèi)有效容積為18L，其中沉淀池容積為2L。其試驗(yàn)進(jìn)水的TP平均為10.0mg/L，COD為370.0mg/L，溫度為25℃，好氧狀態(tài)的DO平均為5.5mg/L。

裝填密度是指生物膜與載體所占容積與整個(gè)反應(yīng)器容積之比。在分別做了最大裝填密度：37.5%、實(shí)用裝填密度：30%以及較低裝填密度：22.5%的對比試驗(yàn)后，確定較適宜的裝填密度為30%。此時(shí)，反應(yīng)器中的纖維載體的比表面積為2.66m2/L。

生物膜培養(yǎng)采用A/O交替運(yùn)行方式歷時(shí)3個(gè)月，菌種取自一般活性污泥工藝。在之后的工藝參數(shù)和影響因素的試驗(yàn)中，取運(yùn)行條件改變后2周的水樣進(jìn)行測定。

2.2　原水和主要分析方法

原水用自來水加蛋白胨配制，同時(shí)還投加少量氯化銨、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、氯化鈣、氯化鈉等，配制后水質(zhì)如表1所示。

注：COD為重鉻酸鉀法；TN為過硫酸鉀—紫外分光光度法；NH+4-N為納氏試劑光度法；NO-3-N、NO-2-N為離子色譜法；TP為過硫酸鉀氯化亞錫還原光度法。 

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1厭氧時(shí)間段和好氧時(shí)間段的確定

為確定合適的厭氧所需時(shí)間，將厭氧時(shí)間延長到12 h，并測定了TP的變化過程(見圖2)。

由圖2可知，磷釋放主要集中在前3 h內(nèi)，之后的9 h，磷釋放現(xiàn)象雖有，但幅度很小。聚磷菌只有充分釋放磷后，才能很好地過量攝取磷，從而達(dá)到生物除磷的目的。另一方面，厭氧時(shí)間過長，將導(dǎo)致廢水在整個(gè)反應(yīng)器中的停留時(shí)間過長，很不經(jīng)濟(jì)。因此，依據(jù)試驗(yàn)曲線，確定厭氧段所需時(shí)間為3h。

為確定合適的好氧時(shí)間段，也將3h厭氧后的好氧段時(shí)間延長至17h，并測定了相應(yīng)TP和各種形態(tài)氮濃度的變化曲線(見圖3、4)。

由圖3可見，好氧聚磷在好氧開始后2h內(nèi)已近完成，但為保證硝化，筆者將好氧時(shí)間定為6h。由圖4知，在6h后的NH+4-N＜1mg/L，硝化基本完成，此時(shí)總氮的去除率達(dá)56.6%。

3.2　進(jìn)水COD負(fù)荷

試驗(yàn)中，采用4種COD進(jìn)水負(fù)荷考察COD、TP的變化規(guī)律(見圖5、6)。

由圖5可知，軟性填料序批式生物膜法可承受較高的COD負(fù)荷，且在厭氧段有較高的COD吸收速率。在進(jìn)水負(fù)荷為1.32kgCOD/(m3·d)(相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為496.8mg/L)時(shí)，厭氧段COD吸收值為212.5mg/L；而進(jìn)水負(fù)荷為1 kgCOD/(m3·d)(相應(yīng)進(jìn)水COD濃度為375.0mg/L)時(shí)，吸收值為203.1mg/L，這說明在進(jìn)水負(fù)荷為1kgCOD/(m3·d)時(shí)，厭氧段COD吸收值已趨于極大值，并表明了不是所有的有機(jī)物都可以作為細(xì)胞的合成物質(zhì)的。所以，筆者確定該工藝適宜進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27～1.32kgCOD/(m3·d)。

由圖6可知，COD負(fù)荷越高，磷釋放速率、磷吸收速率也就越快，出水的TP濃度也就越低。無論是低負(fù)荷［0.27kgCOD/(m3·d)］還是高負(fù)荷［1.32kg COD/(m3·d)］，該工藝均可使出水TP濃度低于1mg/L。同時(shí)，以上試驗(yàn)也說明了磷釋放所能達(dá)到的最大值與有機(jī)物的最大被吸收量有關(guān)，磷釋放量隨有機(jī)物吸收量的增加而增加。

3.3 基質(zhì)的影響

試驗(yàn)比較了在相同進(jìn)水COD負(fù)荷［1kgCOD/(m3·d)］時(shí)，分別以蛋白胨、葡萄糖、乙酸為基質(zhì)的TP變化情況(見圖7)。

由圖7可見，磷的釋放和吸收與基質(zhì)有關(guān)。以蛋白胨為基質(zhì)的放磷均速為1.37mg/(L·h)，而以葡萄糖為基質(zhì)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)時(shí)的1.8倍，以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以 葡萄糖為基質(zhì)時(shí)的1.4倍。這是由于乙酸容易被除磷菌吸收，用以合成PHB，同時(shí)分解的聚磷酸鹽也多，釋放磷量大，放磷速度就快；相反，蛋白胨的分子較大，在厭氧段酵解時(shí)速度較慢，許多中間代謝產(chǎn)物(有機(jī)酸、醇類、醛類等)不易被除磷菌吸收用以合成PHB，因而其體 內(nèi)聚磷酸鹽的分解就慢，故放磷速度就慢，而葡萄糖的代謝產(chǎn)物卻較有利于除磷菌的吸收。好氧吸磷速度的不同是由厭氧放磷速度不同引起的，厭氧段放磷速度快，磷釋放量大，合成的PHB就多，那么在好氧段時(shí)由于分解PHB而合成聚磷酸鹽的速度就快，所以表現(xiàn)出來的好氧吸磷速度也就快。

以上分析可推知，生物除磷與基質(zhì)有關(guān)，實(shí)質(zhì)上是與厭氧階段易為除磷菌所吸收的有機(jī)物(COD)濃度有關(guān)。

3.4 硝態(tài)氮(NO-X)的影響

試驗(yàn)中實(shí)行半池出水、半池進(jìn)水，使上一周期中產(chǎn)生的硝化液與新進(jìn)原水混合，混合后NO-X濃度為13.42mg/L，COD濃度為268.46mg/L，TP濃度為4.81 mg/L。此時(shí)的厭 氧變成了缺氧,除磷菌可從NO-X中獲取氧來進(jìn)行缺氧吸磷。因此在缺氧段，在進(jìn)行反硝化的同時(shí)，仍可繼續(xù)吸磷(見圖8)。

 缺氧開始后3 h內(nèi)吸磷均速為0.70mg/(L·h)，約為好氧吸磷均速的1/6，這是由于無氧呼吸的代謝速率和產(chǎn)能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有氧呼吸。由此可看出，該工藝如果再加上缺氧段進(jìn)行反硝化 ，控制合適的C/N比，則可望實(shí)現(xiàn)軟性纖維載體淹沒式生物膜法同步除磷脫氮。

3.5 DNP(2，4-二硝基苯酚)的影響
原水COD平均為370.0mg/L，TP平均為10.0 mg/L。做投加DNP和不投加DNP試驗(yàn)。DNP投加量為20.0 mg/L，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

由圖9可見，投加DNP后厭氧段的放磷量比不投加時(shí)增加了，而好氧段卻沒有磷的吸收。因此，DNP對厭氧放磷是有利的，而對好氧吸磷卻有抑制作用。這是因?yàn)镈NP是一種解偶聯(lián)試劑，它對氧化呼吸鏈以外的磷酸化無抑制作用，只破壞利用O2或NO-X而進(jìn)行的呼吸過程，從而抑制由電子傳遞而發(fā)生的ATP的形成。在厭氧段聚磷酸鹽的分解代謝中ATP的產(chǎn)生是由于底物水平磷酸化，DNP對其無抑制作用，故有PO3-4的釋放和PHB的合成；而在好氧段時(shí)，在有氧的條件下PHB將分解，并通過呼吸作用進(jìn)行電子傳遞而產(chǎn)生能量，但由于DNP的存在，破壞了ATP的生成，所以PO3-4不能與ADP結(jié)合產(chǎn)生ATP，也就產(chǎn)生不了聚磷酸鹽，廢水中的PO3-4不能被吸收，也就得不到去除。

以上試驗(yàn)結(jié)果說明，序批式生物膜除磷反應(yīng)器中磷的去除是生物作用的結(jié)果。

4　結(jié)論

①淹沒序批式生物膜法除磷工藝是行之有效的。該工藝除磷所適合的載體裝填密度為30%，水力停留時(shí)間為9 h(其中厭氧3 h、好氧6 h)。在上述工藝參數(shù)下，進(jìn)水COD負(fù)荷為0.27kgCOD/(m3·d)～1.32kgCOD/(m3·d)時(shí)均可使除磷率達(dá)90%以上。COD負(fù)荷越高，除磷速率越快。

②生物除磷與基質(zhì)類型有關(guān)，以乙酸為基質(zhì)的放磷均速是以葡萄糖為基質(zhì)的1.4倍，而以葡萄糖為基質(zhì)的放磷均速是以蛋白胨為基質(zhì)的1.8倍。生物除磷取決于厭氧放磷量，而厭氧放磷速度取決于溶液中可快速吸收的有機(jī)物的含量。

③該工藝可同時(shí)去除56%左右的總氮，NO-X可影響磷的釋放。在缺氧段仍可繼續(xù)實(shí)現(xiàn)生物吸磷，只是吸磷速度較好氧吸磷速度明顯降低，約為其1/6。因此，該工藝加缺氧段，控制合適的C/N，可望實(shí)現(xiàn)同步除磷脫氮。

④DNP可抑制好氧吸磷，這說明該工藝除磷是生物除磷作用的結(jié)果。