摘要：通过试验发现生物系统用排除剩余污泥方式除磷的能力有限，当进水TP≥5mg/L时要保证出水TP≤0.5mg/L是困难的。采用活性污泥外循环方式对释磷的污泥进行回流，通过提高SBR系统污泥浓度的方式来提高除磷能力的试验表明：当MLSS=5g/L、循环污泥量=1/8系统污泥总量时，在进水TP≤11mg/L、TN=45mg/L的情况下仍能保证出水总磷达到一级排放标准，而且该系统出水NH3-N≤3.6mg/L，对总氮去除率≥86%，同时获得了最佳的除磷和脱氮效果。
关键词：活性污泥 污泥外循环 SBR系统 除磷 脱氮
目前生物除磷的效果不够理想，通过分析发现：①根据生物除磷理论，要获得好的除磷效 果通常需控制较短泥龄［1］，而目前城市污水的有机物浓度越来越低，在短泥龄的情况下生物系统MLSS也较低，从而导致排除的剩余污泥总量少，磷的绝对去除量难以提高。早在1959年Srinzth的研究就证明了除磷速率和污泥浓度有关，Finstein也认为当污泥 浓度较高时生物系统除磷效率更高，因此如何提高系统污泥浓度是一个值得关注的问题。②系统泥龄短、污泥浓度低的生物条件不利于硝化和反硝化反应的顺利进行，因此在生物系统 中尤其是SBR系统往往不可能同时获得最佳的除磷脱氮效果；③富磷污泥以及污泥浓缩池上清液的妥善处置还是一个亟待解决的问题。
笔者拟采用间歇进出水、间歇的SBR工艺，利用活性污泥外循环技术，通过提高污泥浓度的方式来提高系统的除磷能力，最终实现生物除磷脱氮效果最佳的目的。
1 试验装置和方法
1.1 试验装置及流程
SBR反应器是容积为20L的聚乙烯塑料容器，有效容积为16L。厌氧反应器也是聚乙烯塑料容器，容积为4L。试验采用间歇进、出水方式运行，通过自行研制的定时器实现、搅拌以及沉淀过程的自动切换。试验装置及流程见图1。
1.2 试验方法
①原水水质
试验所用人工配水的主要成分和水质指标见表1。
| 成 分 | 浓度(mg/L) | 水质指标 | 数 值 |
| 淀粉 | 70 | COD(mg/L) | 349～639 |
| 葡萄糖 | 170 | TN(mg/L) | 40～56 |
| 奶粉 | 160 | 氨氮(mg/L) | 33.6～43.8 |
| 尿素 | 50 | TP(mg/L) | 6.36～13.4 |
| KH2PO4 | 30 | pH | 6.5～7.5 |
| NH4Cl | 110 | 温度(℃) | 24～26.5 |
| Na2CO3 | 90 |
②运行工况
试验运行工况见表2。
| 运行方式 | 厌氧搅拌 | 好氧 | 缺氧搅拌 | 后好氧 | 沉淀、排水、闲置 | |
| 运行时间(h) | 3.5 | 4.0 | 2.5 | 1.0 | 1.0 | |
| 投加污水量(L) | 9.0 | 1.0 | (排水、排泥） | |||
| SBR反应器污泥路线 | 1# | 几乎不排泥，但每天因指标测试将导致SBR系统200～300mL混合液的损失，预计SRT=50 ～80d。 | ||||
| 2# | 按图1方式运行。沉淀排水后将反应器固体总量的1/8排至厌氧反应器 。在厌氧反应器中加入2L污水进行厌氧搅拌，泥水分离后的释磷污泥在SBR系统好氧阶段再循环回流到反应器，将富磷污水进行化学处理。 | |||||
| 3# | 沉淀排水后，将反应器固体总量的1/8作为剩余污泥外排。 | |||||
| 注：SBR反应器混合液的最大体积为16L。 | ||||||
③研究方法
将经实验室驯化后的污泥分装在3个SBR反应器中，按表2设计的工况运行。
3个反应器在初始条件完全相同的情况下启动运行，连续运转60d，追踪测定进水、出水氨氮、NO3-N、TP、COD以及好氧末期系统的SV30、MLSS等指标。
④分析方法
COD：美国HACH-COD测定仪(用重铬酸盐标准法GB11914进行校正)；氨氮：纳氏试剂比色法；NO3-N：戴氏合金还原—纳氏试剂比色法；TN：K2S2O8消解—紫外分光光度法；TP：抗坏血酸—钼酸铵比色法。
2 结果与分析
2.1 SBR系统处理效果比较
3个SBR反应器稳定运行时的处理效果见表3。
①对COD的去除
从表3可以看出，3个SBR反应器出水COD都达到了GB8978—1996一级排放标准的要求，说明在该试验条件下污泥停留时间、污泥循环方式对COD去除率的影响不显著。
②脱氮
从表3可以看出，3个反应器出水的氨氮都可以达到一级排放标准，相对而言3#反应器总氮去除效果较差，原因主要是该系统泥龄较短，MLSS浓度较低(见图3、表4)，这种反应条件既不利于世代时间长的硝化菌积累，也不利于反硝化反应的顺利进行［2］。2#反应器按SRT=8d的方式从SBR系统排泥，但经过释磷后又循环回到反应系统，因此污泥性质和1#反应器相似，属长泥龄系统，硝化菌含量相对较高，利于硝化、反硝化的顺利进行，具有理想的脱氮效果。
③除磷
从表3可以看出，1#反应器除磷效果明显低于2#、3#反应器，尽管3#反应器总磷去除率可以达到89.1%，但不能保证处理出水能长期稳定达到一级排放标准。值得关注的是2#反应器(活性污泥外循环系统)不仅脱氮效果好，而且除磷效果也好，在试验过程中发现2#反应器排出水中溶解性磷酸盐的含量常和空白值处于同样水平，总磷≤0.30mg/L，甚至进水TP浓度高达9～11mg/L时出水总磷可以稳定达到GB8978—1996一级排放标准的要求。
| 水质指标 | 进水(mg/L) | 反应器 | 出水 | |||
| 浓度 | 均值 | 浓度(mg/L) | 均值(mg/L) | 平均去除率(%) | ||
| COD | 349～639 | 463 | 1# | 10～38 | 18 .6 | 96.0 |
| 2# | 10～39 | 17.9 | 96.1 | |||
| 3# | 11～47 | 21.9 | 95.3 | |||
| 氨氮 | 33.6～43.8 | 37.8 | 1# | 0.2～1.84 | 0.64 | 98.3 |
| 2# | 0.23～3.6 | 0.86 | 97.7 | |||
| 3# | 1.68～9.92 | 4.19 | 88.9 | |||
| TN | 40～56 | 45.4 | 1# | 4.2～7.3 | 6.1 | 86.6 |
| 2# | 5.7～8.31 | 6.3 | 86.1 | |||
| 3# | 13.2～17.8 | 14.6 | 67.8 | |||
| TP | 6.36～13.4 | 8.04 | 1# | 1.24 ～7.85 | 4.74 | 41.0 |
| 2# | 0.02～0.29 | 0.12 | 98.5 | |||
| 3# | 0.05～3.38 | 0.88 | 89.1 | |||
2.2系统某些指标的历时变化
①出水总磷
3个反应器在初始条件完全相同的情况下启动，经过2个月的运行后除磷效果差异很大(见图2)。启动初期10d内这种差异并不显著，随着运行时间的增加，则越来越明显。当进水TP浓度控制在6～8mg/L时，1#反应器出水TP在2～4mg/L变化，并呈增加的趋势；3#反应器出水TP≤0.88mg/L且相对稳定。当进水TP浓度控制在9～11mg/L，1#反应器出水TP基本维持在5～6.5mg/L，3#反应器出水TP在2～3.5mg/L波动。2#反应器出水TP自始至终都小于0.3mg/L，且不具有上升的趋势。
②污泥浓度
3个反应器在活性污泥浓度相同的条件下启动，随着运行时间的增加，其污泥浓度出现了很大的差异(见图3)。
由于系统按照厌氧—好氧—缺氧的方式运行，污泥产率较常规活性污泥系统低［3］，而3#反应器一直按照SRT=8d的方式外排富磷污泥，致使系统增加的污泥量小于外排污泥量，导致试验初期污泥浓度急剧下降直至稳定，此时该系统MLSS维持在1.1g/L的低浓度水平(见表4)。
| SRT(d) | 8 | 12 | 20 | 30 | 50 |
| MLSS(g/L) | 1.1 | 1.6 | 2.6 | 3.8 | 5.0 |
| 污泥净产率(gMLSS/gCOD) | 0.275 | 0.260 | 0.248 | 0.238 | 0.186 |
就排泥来说，2#和1#反应器在本质上相同(未进行有计划的排泥)，随着运转时间增加，系统的污泥浓度逐渐增加并趋于平缓(见图3)，且维持在较高的污泥浓度。笔者发现在本试验条件下泥龄直接影响生物处理系统稳定运行时的污泥浓度，泥龄越短则稳定运行时系统的污泥浓度越低(见表4)。
④厌氧释磷和好氧吸磷
系统运行过程中某一周期内磷的释放和吸收过程见图4。
从图4可以看出，磷的释放和吸收都经历了一个从快速到缓慢的过程，厌氧初期30min和好 氧初期50min的时间段为快速转化过程。
3个反应器释磷和吸磷的比较见表5。
| 项 目 | SBR1# | SBR2# | SBR3# |
| 释磷总量(mg) | 858 | 682 | 532 |
| 比释磷速率［mgP/(gMLSS·h)］ | 4.46 | 4.40 | 6.75 |
| 吸磷总量(mg) | 876 | 860 | 574 |
| 比吸磷速率［mgP/(gMLSS·h)］ | 3.99 | 3.99 | 6.38 |
| 超量吸磷量(mg) | 18 | 178 | 42 |
| 出水PO43-(mg/L) | 3.21 | 0.01 | 0.64 |
| 出水TP(mg/L) | 3.92 | 0.09 | 0.88 |
| 注： 进水COD=478 mg/L、TP=7.73 mg/L；MLSS1#=3.65 g/L、2#=3.87 g/L、3#=1.50 g/L。 | |||
从表5可以看出，3#反应器比释磷、吸磷速率最快，可以认为在这种情况下聚磷菌的活性最高，但由于系统污泥浓度低，总的释磷量、吸磷量仍然很低，除磷效果并不理想，而1#、2#反应器则刚好相反。由于污泥的外循环使2#反应器的外排污泥在厌氧池释磷却在SBR反应器好氧段参与吸磷，从而导致2#SBR系统超量吸磷量远大于1#、3#反应器，出水水质明显提高。
2.3 除磷能力分析
①长泥龄系统
从图4可以看出，长泥龄系统(1#反应器)在厌氧—好氧条件下同样具有吸磷和释磷现象，该系统好氧结束时污泥含磷率比其他2个反应器还高(可达5.12%～7.22%)，经3.5h厌氧释磷 后溶液中具有更高的磷浓度(62mg/L)，但从好氧段磷的变化曲线好氧段可以看出，长泥龄系统好氧吸磷平衡时溶液中残留的磷酸盐浓度也较高(超量吸磷现象很弱，不足以使溶液中磷酸盐降到较低的程度)。可以预测，这种长泥龄系统随着运行时间的增长，生物系统中将积累越来越多的磷，出水中磷酸盐浓度也会越来越高。
②外排富磷污泥系统
3#反应器以SRT=8d的方式从SBR系统外排富磷污泥以达到除磷的目的。该系统除磷量可以用下式表示： A=B×P×1000 (1)
式中 A——除磷总量，mg/d
B——排除的富磷污泥总量，g/d(3#反应器运行稳定时B=2.2g/d)
P——好氧吸磷污泥含磷率(当进水TP=9～11mg/L时P=4.09%～5.85%)
通过式(1)可以计算出，3#反应器在进水TP=9～11mg/L时可通过排除富磷污泥的方式从SBR系统去除(90～130mg/d)，显然该值低于进水磷的引入量，可以预测此时系统除磷效果不佳(实际出水TP=2～3.5mg/L，见图2)。因此在反应器处理污水量为20L/d、进水TP≥5mg/L时，要获得良好的除磷效果是不现实的。
③活性污泥外循环系统
2#反应器以SRT=8d的方式从系统排除富磷污泥，然后将它们放置在厌氧反应器中进行有效的磷释放，泥水分离后在好氧阶段将释磷污泥循环至SBR系统的这种活性污泥外循环系统除磷效果和下列因素有关：
A=B×(P1-P2)×1000 (2)
式中 B——排除的富磷污泥总量，g/d(2#反应器运行稳定时B=10g/d)
P1、P2——好氧吸磷、厌氧释磷污泥含磷率(当进水TP=9～11mg/L时，2#反应器的P1为4.22%～5.94%，P2为2.3%～3.3%)
按照式(2)可以计算出2#反应器通过活性污泥外循环方式的除磷量为192～264mgTP/d，远大于外排富磷污泥(3#反应器)所带走的磷量，因此活性污泥外循环系统具有更好的除磷效果。在试验过程中经常发现该系统出水TP浓度＜0.01mg/L，可以认为出水总磷主要是由出水中SS引起的。
3 结论
①在常规生物除磷系统中，通过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。试验结果表明，在SBR系统中泥龄较短，相应地污泥浓度也较低，系统除磷能力有限；当进水TP≥5mg/L时，要保证出水总磷能稳定达到一级排放标准是困难的。
②在活性污泥外循环系统中除磷能力与循环污泥量以及好氧污泥和释磷污泥的含磷率有关。试验结果表明，在活性污泥外循环系统中通过对释磷污泥的再循环利用提高了系统的污泥浓度，系统的除磷能力大大提高。当MLSS=5g/L、循环污泥量=1/8系统污泥总量、进水TP≤11mg/L时仍能保证出水总磷达到一级排放标准。
③活性污泥外循环系统的除磷效果和剩余污泥的排放量没有直接的关系，该系统的泥龄可以通过硝化和反硝化效果来确定。试验结果表明，活性污泥外循环系统可以同时获得最佳的除磷和脱氮效果。
④活性污泥外循环技术将富磷污泥的处理和系统密切联系起来，有效地解决了常规生物除磷系统处理大量富磷污泥的难题，可以降低系统的运行成本。
参考文献
［1］郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.
［2］王城信.活性污泥硝化系统的泥龄［J］.中国给水排水，1992，8(5)：41-43.
［3］Copp J B，Dold P L.Comparing sludge production under aerobic and anoxic condition［J］.Wat Sci Tech，1998，38(1)：285-294.