近年來我國水體富營養化問題頻繁暴發，其中氮、 磷為主要因素，對此我國針對氮、 磷制定出了更為嚴格的排放標準.然而在實際工程中，污水生物除磷普遍面臨碳源(COD)不足問題，導致EBPR(enhanced biological phosphorus removal)系統不能高效穩定運行，進而出水水質未能達標，另一方面，磷是人們日常生活中不可缺少的自然資源，但在自然界中磷是起始于陸地歸于海洋的單向遷移.在此情況下，把磷從污水中去除轉變成回收利用已經受到國際社會的廣泛關注.側流磷回收將SBR反應器厭氧末期上清液按一定比例提取，剝奪EBPR系統中的磷等污染物，污泥系統中相應的COD/P比有所上升，一定程度緩解了除磷與脫氮在碳源上的競爭，并且化學反應后可溶性磷酸鹽易于結晶析出，以純化學污泥形式(金屬沉淀物)排出系統，利于回收，且回收量大，將預防水體富營養化和磷回收兩者結合一體.
溶解氧(DO)濃度是活性污泥法運行中的重要因素，EBPR系統中，生物曝氣是最大的耗能單元，調研結果表明曝氣成本占實際污水廠總運營支出的50%~80%且大部分污水廠存在過量曝氣現象，此情況下不僅增加曝氣成本，過曝氣也容易引發系統失效.若污水廠在低DO濃度條件下穩定達標運行，整個污水廠的能耗可降低10%左右.若能將側流磷回收與低好氧條件下的EBPR系統聯合起來，則在預防水體富營養化和磷回收的基礎上又可大大節約污水生物除磷成本.
本研究在低DO濃度(DO=1mg·L-1)下的EBPR系統內提取不同側流比(0、 1/4、 1/3、 1/2)厭氧上清液進行磷回收，通過分析實施側流磷回收時主流系統的各項出水指標及其相應側流比磷回收率，探究低DO條件下EBPR系統與側流磷回收結合的可行性，并確定最佳側流比.
1 材料與方法1.1 實驗裝置及運行
實驗所用SBR反應器由有機玻璃制成，總有效容積為5.4 L.在反應器壁上的垂直方向設置一排間距10 cm的取樣口，用于取樣和排水，底部設有排泥口; 以黏砂塊作為微孔曝氣器，采用鼓風機曝氣，氣量由轉子流量計調節; 反應器好氧段的溶解氧濃度采用帶有Labview軟件編程的計算機系統加以控制.實驗裝置如圖 1所示.
1. 原水水箱; 2. 蠕動泵; 3. 攪拌裝置; 4. 黏砂塊曝氣頭; 5. 排泥口; 6.DO探頭; 7.Multi 3420在線測定儀;8. 計算機; 9.控制系統; 10.空氣壓縮機; 11.流量計; 12.蠕動泵; 13. 水箱; 14.電磁閥
圖 1 SBR實驗裝置示意
反應器每天共運行3個周期，每周期8 h，包括2 h厭氧(厭氧最后15 min靜置沉淀，由此可將富磷上清液通過蠕動泵按比例精準抽出0、 1/4、 1/3、 1/2側流比)，5 h好氧及1 h沉淀、 排水、 閑置.反應器排水比1/3，污泥齡為10 d，實驗溫度始終為16℃.厭氧末期聚磷菌充分釋磷，磷濃度為原污水磷濃度的數倍，因此在厭氧末期提取上清液并引入旁路進行化學磷回收是一個有利的回收點，這與Kuba等[17]的觀點一致.引出上清液，配水中的鈣、 鎂離子濃度較高，投加NaOH調節pH(>9.0)后沉淀反應40 min可實現磷回收[18].反應器運行工況見表 1，其中溶解氧為理論控制值，實際DO濃度因控制系統的滯后性略低于控制值.混合液懸浮固體濃度MLSS是系統的重要設計運行參數，MLSS太高說明生化池中的活性污泥過剩，超出生化處理的需求而影響出水水質，MLSS太低則說明生化池中的污泥負荷不夠，出水各項指標將不達標，因此，MLSS只有在合理范圍(2 500~4 000mg·L-1)之內，系統才能正常運行.由表 1可得，MLSS隨側流比的增大不斷減小，保持在2 700~3 600mg·L-1之間，系統MLSS波動范圍正常.
表 1 反應器運行工況
1.2 實驗水質及接種污泥
本實驗采用模擬廢水，由碳源液、 磷液、 氮液、 濃縮液及微量元素配制而成，模擬廢水pH平均值為6.760.無水乙酸鈉為碳源(COD=400mg·L-1)，磷酸二氫鉀(PO3-4-P=8mg·L-1)、 氯化銨(NH4+-N=40mg·L-1)、 濃縮液(1 L)由45 g MgSO4·7H2O、 80 g MgCl2·6H2O、21 g CaCl·2H2O、 10 g酵母浸膏、 61 g蛋白胨組成，微量元素組成參照文獻[19].為滿足微生物生長需要，1 L模擬廢水加入1 mL濃縮液及1 mL微量元素液.
實驗所用污泥接種自蘭州市七里河城市污水處理廠4號曝氣池，該污水廠采用A2/O工藝，污泥具有一定脫氮除磷性能，污泥各項指標性能良好.
1.3 分析項目及方法
所有水樣均采用定性濾紙過濾后測定，水質分析項目中PO3-4-P采用鉬銻抗分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，COD采用COD快速測定儀測定，MLSS(混合液懸浮固體濃度)采用濾紙重量法測定.溫度、 ORP(氧化還原電位)值和DO由德國Multi 3420在線測定儀在線監測.
2 結果與討論2.1 不同側流比條件下EBPR系統COD、 NH4+-N的去除性能
圖 2為不同側流比條件下系統COD、 NH4+-N去除性能.控制DO=1mg·L-1，在提取側流比為0、 1/4、 1/3、 1/2的4個階段監測日常運行時反應器進、 出水COD、 NH4+-N濃度及其去除率.圖 2(a)中，反應器在Ⅰ階段與Ⅱ階段對COD的去除率均高于81.9%，出水COD濃度平均值為24.1mg·L-1，COD得以穩定去除.但在后兩個階段，COD出水濃度與去除率有所波動，Ⅲ、 Ⅳ階段中，COD最低去除率均為79.7%，出水COD的殘余量達到81.3mg·L-1.與文獻給出的側流除磷對COD去除效果幾乎無影響不同，分析認為，郝曉地等[18]的研究表明，在不斷增大側流比時，生物除磷所需最低COD/P值會不斷下降(側流比從0增大至20%時，所需最低COD/P值隨之由20降至15)，即側流比不斷增大時，整個生物反應過程所需COD不斷減小，本實驗COD/P值并未隨相應的COD/P有所降低且始終為50，因此在Ⅲ階段與Ⅳ階段出水有些許COD殘留.
圖 2 不同側流比條件下系統COD、 NH4+-N去除性能
由圖 2(b)中可得，各階段下NH4+-N去除率僅在改變不同側流比初期略有降低，之后快速回升至100%并實現氨氮的穩定去除.反應器在整個實驗階段(110 d)對NH4+-N去除率均值為98.1%，出水NH4+-N濃度平均值為0.8mg·L-1，工藝去除NH4+-N性能高效穩定，說明反應器中NH4+-N去除不受側流比影響，類似的研究結論也有報道.且此時反應器在低好氧(DO=1mg·L-1)的情況下，證明側流比磷回收與低DO濃度(DO=1mg·L-1)條件下的EBPR系統結合運行對去除NH4+-N影響甚微.
2.2 不同側流比條件下EBPR系統的除磷性能
圖 3為不同側流比條件下系統的除磷性能.《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)規定一級A標準中總磷(以P計)排放應≤0.5mg·L-1.由圖 3可見，反應器Ⅰ階段(無側流比)出水磷的達標率為52.9%，該階段初期系統因剛啟動出水有3 d不穩定，之后除磷率最低為82.3%，平均除磷率89.4%; Ⅱ、 Ⅲ階段(側流比分別為1/4、 1/3)中，平均除磷率分別為98.5%和99.0%，出水磷達標率均遠遠優于Ⅰ階段，尤其是Ⅲ階段只有初期第一天未達到一級A標準，出水達標率為93.3%，說明側流比升高至1/3，除磷效果也隨之上升，出水PO43--P濃度逐漸下降; Ⅳ階段中除磷率不斷波動，除磷率最低為65.4%，出水磷的達標率僅為45.5%，在1/2側流比時，提取較多厭氧放磷上清液進行化學磷回收，此時聚磷菌在厭氧釋磷和好氧吸磷的動態平衡被嚴重破壞，生物性能逐漸惡化，因此在1/2側流比時抑制低好氧EBPR系統的除磷性能.說明低好氧EBPR系統在1/4、 1/3側流比條件下于回收磷的同時EBPR系統可更加高效節能穩定運行.
圖 3 不同側流比條件下系統的除磷性能
2.3 不同側流比條件下EBPR系統典型周期磷的變化規律
圖 4為不同側流比條件下典型周期內PO3-4-P、 ORP和DO的濃度變化規律.從中可知，在DO=1mg·L-1條件下，依次提取側流比0、 1/4、 1/3、 1/2后厭氧段釋磷量呈遞減趨勢，對應厭氧末期磷濃度分別為32.8、 26.0、 20.1、 18.7mg·L-1.分析原因為: ①提取側流比即人為剝奪生物反應過程中厭氧釋磷量，隨著不斷的磷剝奪，聚磷菌胞內聚磷顆粒含量減少，厭氧釋磷能力逐漸減弱[20]; ②從圖 4中可以看出，厭氧階段反硝化初期，氧化態的NOx--N被還原成N2，反應器中ORP不斷下降，隨后反應過程中氧化還原狀態的變化幅度減小，ORP下降速率變小并逐漸趨于平緩，厭氧段末期ORP最終分別為-258.9、 -233.7、 -231.4、 -217.8 mV.王曉玲等研究表明，在低ORP情況下，相對ORP值越高則NO3--N含量越大，即各階段中厭氧段后期NO3--N含量依次升高.隨著厭氧段NO3--N含量升高，反硝化菌與聚磷菌在污水中競爭能力逐漸增強，聚磷菌處于劣勢，導致聚磷菌釋磷量減少.
圖 4 不同側流比條件下典型周期內PO3-4-P、 ORP和DO的濃度變化規律
由圖 4還可以看出，隨著側流比不斷增大，對應吸磷時間逐漸延長，系統Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ階段的吸磷過程分別可以在120、 150、 180 min內完成，對應好氧吸磷速率變慢，但同時發現Ⅳ階段(1/2側流比)吸磷過程并未完成，在好氧末期系統磷濃度為0.6mg·L-1.綜合分析表明，提取側流比逐漸增大，聚磷菌的厭氧釋磷與好氧吸磷能力均逐漸減弱，且Ⅳ階段(1/2側流比)之前均可實現除磷效果，說明在1/4、 1/3側流比條件下EBPR系統可實現磷的高效去除，從節約能耗與磷回收方面考慮，低好氧條件下生物除磷與側流磷回收結合具有可行性.
2.4 不同側流比條件下EBPR系統生物除磷與磷回收的相互作用
圖 5為不同側流比條件下磷回收、 生物除磷性能.由圖 5(a)可得，在將側流比變為1/4時，系統聚磷菌總釋磷量明顯下降，由側流前的39.9mg·L-1下降至23.4mg·L-1，在1/3側流比時降低幅度較小，在1/2側流比時又加速下降; EBPR系統生物除磷量與總釋磷量趨勢幾乎吻合，亦發現在1/2側流比時兩者差值最大，分析原因與圖 4分析結果相同，但側流比磷回收量卻不斷上升.由圖 5(b)可得，EBPR系統生物除磷率呈先增加后減小的趨勢，在1/3側流比階段時生物除磷率最高，可達到99.0%，側流比磷回收率呈現直線上升趨勢.分析認為，與無側流比相比，提取1/4、 1/3側流比進行側流比磷回收對生物除磷具有一定的強化作用，這與Barat等的模擬評價相似，但側流比為1/2時，生物除磷率迅速下降，應該存在一個最佳側流比，實現了經濟的磷回收與高效低耗生物除磷的有效結合.其中偏差棒為各個工況對應數據的偏差，由圖 5中所有階段的各種指標可以明顯看出，在1/3側流比時所有指標偏差值均為最小值，而1/2側流比時所有指標偏差值均為最大值，即在1/3側流比時EBPR系統除磷性能與磷回收性能均為最穩定高效，反之1/2側流比抑制EBPR系統除磷性能.
圖 5 不同側流比條件下磷回收、生物除磷性能
綜合圖 5可得，1/3側流比為最佳側流比，實現了經濟的磷回收與高效低耗生物除磷的有效結合.主要原因有: ①在1/3側流比階段時生物除磷最為穩定高效，去除率平均值為99.0%; ②雖然側流比磷回收率呈現直線上升趨勢，但圖 5(a)中可以看出，側流比磷回收量依次為10.5、 17.6、 17.7mg·L-1，1/2與1/3側流比僅僅相差0.1 mg·L-1，可見1/2側流比時對于磷的資源再利用能力已經逐漸減緩.
2.5 不同側流比條件下EBPR系統各形態氮的去除性能
圖 6為不同側流比條件下EBPR系統各形態氮的去除性能.從中可知，各階段出水NO3--N濃度平均值依次為10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L-1.同時可見，系統在Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ階段時TN去除率較為穩定并逐漸下降，各階段TN去除率平均值分別為73.6%、 69.8%、 68.1%; Ⅳ階段(1/2側流比)TN去除率最小降至50.9%.由圖 2(b)可知，系統所有階段去除NH4+-N性能高效穩定，可見TN去除率降低主要是由于NO3--N去除降低.同時由圖 3可得，Ⅳ階段(1/2側流比)除磷率最低為65.4%，綜合證明，系統在1/2側流比時，生物反應過程中脫氮除磷效果均有所下降.
圖 6 不同側流比條件下各形態氮的去除性能
反應器采用厭氧/好氧方式運行，出水NO3--N濃度來源于厭氧段未被完全反硝化的殘留硝態氮與好氧段硝化反應的產物硝態氮.本實驗各階段NH4+-N去除率穩定后均可達到100%，反應器好氧段發生明顯的硝化反應.進水NH4+-N濃度始終為40mg·L-1，但隨著側流比增大厭氧末期逐漸剝奪更多NH4+-N，進入好氧階段進行硝化反應的NH4+-N濃度逐漸減小，碳源充足的條件下各階段產物硝態氮含量逐漸下降.由圖 6可知，各階段出水NO3--N濃度平均值依次為10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L-1，分析結果可知，厭氧末期殘留硝態氮的變化導致出水NO3--N濃度變化(由圖 4已知殘留硝態氮含量依次升高).具體參見污水寶商城資料或http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1) 低好氧EBPR系統中，側流比對NH4+-N去除影響甚微，但隨著側流比的增大且系統進水COD保持初始濃度400mg·L-1，引發出水COD稍有波動.
(2) 提取側流比不斷增大，則厭氧釋磷量逐漸減小，出水磷濃度逐漸升高，在1/2側流比時，除磷性能不斷惡化.
(3) 低好氧EBPR系統中最優工況為提取1/3側流比，此時低好氧EBPR系統與側流磷回收的結合兼顧了高效低耗除磷與磷資源回收利用，大大提高了經濟與環境效益.
(4) 系統在0、 1/4、 1/3側流比時，TN去除率較為穩定并逐漸下降，但在1/2側流比時，厭氧末期不完全反硝化導致TN去除率迅速下降至50.9%.
