活性污泥外循環系統的生物除磷能力
摘要：通過試驗發現生物系統用排除剩余污泥方式除磷的能力有限，當進水TP≥5mg/L時要保證出水TP≤0.5mg/L是困難的。采用活性污泥外循環方式對釋磷的污泥進行回流，通過提高SBR系統污泥濃度的方式來提高除磷能力的試驗表明：當MLSS=5g/L、循環污泥量=1/8系統污泥總量時，在進水TP≤11mg/L、TN=45mg/L的情況下仍能保證出水總磷達到一級排放標準，而且該系統出水NH3-N≤3.6mg/L，對總氮去除率≥86%，同時獲得了最佳的除磷和脫氮效果。
生物除磷的效果不夠理想，通過發現：①根據生物除磷，要獲得好的除磷效果通常需控制較短泥齡［1］，而目前城市污水的有機物濃度越來越低，在短泥齡的情況下生物系統MLSS也較低，從而導致排除的剩余污泥總量少，磷的絕對去除量難以提高。早在1959年Srinzth的就證明了除磷速率和污泥濃度有關，Finstein也認為當污泥濃度較高時生物系統除磷效率更高，因此如何提高系統污泥濃度是一個值得關注的。②系統泥齡短、污泥濃度低的生物條件不利于硝化和反硝化反應的順利進行，因此在生物系統中尤其是SBR系統往往不可能同時獲得最佳的除磷脫氮效果；③富磷污泥以及污泥濃縮池上清液的妥善處置還是一個亟待解決的問題。
擬采用間歇進出水、間歇曝氣的SBR工藝，利用活性污泥外循環技術，通過提高污泥濃度的方式來提高系統的除磷能力，最終實現生物除磷脫氮效果最佳的目的。
1 試驗裝置和
1.1 試驗裝置及流程
SBR反應器是容積為20L的聚乙烯塑料容器，有效容積為16L。厭氧反應器也是聚乙烯塑料容器，容積為4L。試驗采用間歇進、出水方式運行，通過自行研制的定時器實現曝氣、攪拌以及沉淀過程的自動切換。
將經實驗室馴化后的污泥分裝在3個SBR反應器中，3個反應器在初始條件完全相同的情況下啟動運行，連續運轉60d，追蹤測定進水、出水氨氮、NO3-N、TP、COD以及好氧末期系統的SV30、MLSS等指標。
④分析方法
COD：美國HACH-COD測定儀(用重鉻酸鹽標準法GB11914進行校正)；氨氮：納氏試劑比色法；NO3-N：戴氏合金還原—納氏試劑比色法；TN：K2S2O8消解—紫外分光光度法；TP：抗壞血酸—鉬酸銨比色法。
2 結果
2.1 SBR系統處理效果比較
①對COD的去除
結果顯示，3個SBR反應器出水COD都達到了GB8978—1996一級排放標準的要求，說明在該試驗條件下污泥停留時間、污泥循環方式對COD去除率的不顯著。?
②脫氮
結果表明，3個反應器出水的氨氮都可以達到一級排放標準，相對而言3#反應器總氮去除效果較差，原因主要是該系統泥齡較短，MLSS濃度較低(見圖3、表4)，這種反應條件既不利于世代時間長的硝化菌積累，也不利于反硝化反應的順利進行［2］。2#反應器按SRT=8d的方式從SBR系統排泥，但經過釋磷后又循環回到反應系統，因此污泥性質和1#反應器相似，屬長泥齡系統，硝化菌含量相對較高，利于硝化、反硝化的順利進行，具有理想的脫氮效果。
③除磷
結果表明，1#反應器除磷效果明顯低于2#、3#反應器，盡管3#反應器總磷去除率可以達到89.1%，但不能保證處理出水能長期穩定達到一級排放標準。值得關注的是2#反應器(活性污泥外循環系統)不僅脫氮效果好，而且除磷效果也好，在試驗過程中發現2#反應器排出水中溶解性磷酸鹽的含量常和空白值處于同樣水平，總磷≤0.30mg/L，甚至進水TP濃度高達9～11mg/L時出水總磷可以穩定達到GB8978—1996一級排放標準的要求。
2.2系統某些指標的歷時變化
①出水總磷
3個反應器在初始條件完全相同的情況下啟動，經過2個月的運行后除磷效果差異很大(見圖2)。啟動初期10d內這種差異并不顯著，隨著運行時間的增加，則越來越明顯。當進水TP濃度控制在6～8mg/L時，1#反應器出水TP在2～4mg/L變化，并呈增加的趨勢；3#反應器出水TP≤0.88mg/L且相對穩定。當進水TP濃度控制在9～11mg/L，1#反應器出水TP基本維持在5～6.5mg/L，3#反應器出水TP在2～3.5mg/L波動。2#反應器出水TP自始至終都小于0.3mg/L，且不具有上升的趨勢。
②污泥濃度
3個反應器在活性污泥濃度相同的條件下啟動，隨著運行時間的增加，其污泥濃度出現了很大的差異。
由于系統按照厭氧—好氧—缺氧的方式運行，污泥產率較常規活性污泥系統低［3］，而3#反應器一直按照SRT=8d的方式外排富磷污泥，致使系統增加的污泥量小于外排污泥量，導致試驗初期污泥濃度急劇下降直至穩定，此時該系統MLSS維持在1.1g/L的低濃度水平。
就排泥來說，2#和1#反應器在本質上相同(未進行有計劃的排泥)，隨著運轉時間增加，系統的污泥濃度逐漸增加并趨于平緩，且維持在較高的污泥濃度。筆者發現在本試驗條件下泥齡直接影響生物處理系統穩定運行時的污泥濃度，泥齡越短則穩定運行時系統的污泥濃度越低。
④厭氧釋磷和好氧吸磷
磷的釋放和吸收都經歷了一個從快速到緩慢的過程，厭氧初期30min和好氧初期50min的時間段為快速轉化過程。
3#反應器比釋磷、吸磷速率最快，可以認為在這種情況下聚磷菌的活性最高，但由于系統污泥濃度低，總的釋磷量、吸磷量仍然很低，除磷效果并不理想，而1#、2#反應器則剛好相反。由于污泥的外循環使2#反應器的外排污泥在厭氧池釋磷卻在SBR反應器好氧段參與吸磷，從而導致2#SBR系統超量吸磷量遠大于1#、3#反應器，出水水質明顯提高。
2.3 除磷能力分析
①長泥齡系統
長泥齡系統(1#反應器)在厭氧—好氧條件下同樣具有吸磷和釋磷現象，該系統好氧結束時污泥含磷率比其他2個反應器還高(可達5.12%～7.22%)，經3.5h厭氧釋磷后溶液中具有更高的磷濃度(62mg/L)，但從好氧段磷的變化曲線好氧段可以看出，長泥齡系統好氧吸磷平衡時溶液中殘留的磷酸鹽濃度也較高(超量吸磷現象很弱，不足以使溶液中磷酸鹽降到較低的程度)。可以預測，這種長泥齡系統隨著運行時間的增長，生物系統中將積累越來越多的磷，出水中磷酸鹽濃度也會越來越高。
②外排富磷污泥系統?
3#反應器以SRT=8d的方式從SBR系統外排富磷污泥以達到除磷的目的。
3#反應器在進水TP=9～11mg/L時可通過排除富磷污泥的方式從SBR系統去除(90～130mg/d)，顯然該值低于進水磷的引入量，可以預測此時系統除磷效果不佳(實際出水TP=2～3.5mg/L，見圖2)。因此在反應器處理污水量為20L/d、進水TP≥5mg/L時，要獲得良好的除磷效果是不現實的。
③活性污泥外循環系統
2#反應器以SRT=8d的方式從系統排除富磷污泥，然后將它們放置在厭氧反應器中進行有效的磷釋放，泥水分離后在好氧曝氣階段將釋磷污泥循環至SBR系統的這種活性污泥外循環系統除磷效果和下列因素有關：
A=B×(P1-P2)×1000(2)?
式中B——排除的富磷污泥總量，g/d(2#反應器運行穩定時B=10g/d)
P1、P2——好氧吸磷、厭氧釋磷污泥含磷率(當進水TP=9～11mg/L時，2#反應器的P1為4.22%～5.94%，P2為2.3%～3.3%)
按照式(2)可以計算出2#反應器通過活性污泥外循環方式的除磷量為192～264mgTP/d，遠大于外排富磷污泥(3#反應器)所帶走的磷量，因此活性污泥外循環系統具有更好的除磷效果。在試驗過程中經常發現該系統出水TP濃度＜0.01mg/L，可以認為出水總磷主要是由出水中懸浮物SS引起的。
3 結論
①在常規生物除磷系統中，通過外排富磷剩余污泥的方式除磷，除磷能力和排泥量以及好氧污泥含磷率呈正比。試驗結果表明，在SBR系統中泥齡較短，相應地污泥濃度也較低，系統除磷能力有限；當進水TP≥5mg/L時，要保證出水總磷能穩定達到一級排放標準是困難的。
②在活性污泥外循環系統中除磷能力與循環污泥量以及好氧污泥和釋磷污泥的含磷率有關。試驗結果表明，在活性污泥外循環系統中通過對釋磷污泥的再循環利用提高了系統的污泥濃度，系統的除磷能力大大提高。當MLSS=5g/L、循環污泥量=1/8系統污泥總量、進水TP≤11mg/L時仍能保證出水總磷達到一級排放標準。
③活性污泥外循環系統的除磷效果和剩余污泥的排放量沒有直接的關系，該系統的泥齡可以通過硝化和反硝化效果來確定。試驗結果表明，活性污泥外循環系統可以同時獲得最佳的除磷和脫氮效果。
④活性污泥外循環技術將富磷污泥的處理和污水處理系統密切聯系起來，有效地解決了常規生物除磷系統處理大量富磷污泥的難題，可以降低污水處理系統的運行成本。
1］鄭興燦，李亞新.污水除磷脫氮技術［M］.北京：建筑出版社，1998.
2］王城信.活性污泥硝化系統的泥齡［J］.中國給水排水，1992，8(5)：41-43.
3］CoppJB，DoldPL.Comparingsludgeproductionunderaerobicandanoxiccondition［J］.WatSciTech，1998，38(1)：285-294
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