传统脱氮除磷工艺中脱氮和除磷对碳源竞争、对污泥龄要求不同等矛盾，使其难以达到稳定有效的脱氮除磷^[1]. 反硝化除磷利用硝酸盐、亚硝酸盐作为电子受体,在完成反硝化脱氮的同时完成过量除磷，解决了反硝化菌与聚磷菌竞争碳源的矛盾，并实现“一碳两用”节省碳源的目的^{[2, 3, 4]}. 此外，反硝化除磷还可降低运转费及污泥产量(50%)^{[5, 6, 7, 8, 9]}.

充足的优质碳源是厌氧释磷的重要保障. 挥发性脂肪酸(VFA)已经被发现是聚磷的主要基质^[10]，在厌氧阶段除磷菌(PAOs)只能吸收利用生活污水中的VFA^[11]. 利用厌氧折流板反应器(ABR)具有的微生物相分离的功能^{[12, 13, 14]}，有利于聚磷菌和硝化菌在不同隔室生长富集，可解决泥龄不同的矛盾^{[15, 16]}. 本课题组开展相关脱氮除磷性能研究^{[17, 18, 19]}，获得较好的效果. 本研究将ABR和MBR有机组合为CAMBR复合工艺，利用ABR提供优质碳源和膜生物反应器(MBR)短程硝化并强化反硝化除磷及同步硝化反硝化等作用^{[20, 21, 22]}，并通过调控运行条件，以期为反硝化除磷提供充足的优质碳源，从而实现高效的脱氮除磷.

试验所用CAMBR反应器是由6隔室ABR反应器和好氧MBR池组成(见图 1)，均采用有机玻璃制成，总有效容积为12 L，ABR反应器和好氧MBR池的有效容积分别为7.2 L和4.8 L. 好氧MBR池底部设有微孔曝气头，通过转子流量计控制曝气量为活性污泥供氧，实现厌氧、缺氧和好氧分离. 控制ABR第5隔室、好氧MBR的溶解氧(DO)分别为0.3~0.5 mg·L^-1和0.8~1.5 mg·L^-1.

图 1

Fig. 1

图 1 CAMBR反应器 Fig. 1 Schematic diagram of CAMBR

CAMBR复合工艺为实现反硝化除磷设置两个回流(R₁和R₂)，R₁(100%)回流至ABR第2隔室，实现厌氧短程反硝化脱氮及厌氧释磷; R₂(50%)回流至ABR第5隔室,创造缺氧环境，实现缺氧吸磷. 通过控制ABR上向隔室中上升流速，实现活性污泥在系统中循环流动，通过排泥来实现除磷. 整个装置采用可编程逻辑控制器(PLC)进行水位恒定和出水泵的启闭调控. MBR反应器间歇抽吸出水，抽吸周期为10 min(包括8 min抽吸和2 min停歇). 膜组件选用PVDF帘式中空纤维膜，膜孔径为0.2 μm，过滤面积为0.2 m²，采用真空压力表测跨膜压差(TMP)来反映膜的污染状况，当TMP增至30 kPa时对膜组件进行化学清洗. 控制好氧MBR池的pH在8.0~8.2之间，控制反应器内温度为(27±1)℃^{[23, 24]}. 本试验用水为某高校生活污水，其水质见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 生活污水水质指标 Table 1 Quality index of domestic sewage 水质指标 COD /mg·L-1 VFA /mg·L-1 TN /mg·L-1 TP /mg·L-1 数值范围 281~396 20.6~28.6 36.07~52.43 4.90~11.54

表 1 生活污水水质指标 Table 1 Quality index of domestic sewage

接种污泥取自苏州市污水处理厂. 控制泥龄在20 d左右，连续培养45 d、系统稳定运行15 d后进行正式试验.

研究期间保持进水条件不变，考察HRT对整个系统中反硝化除磷的影响. 控制ABR的HRT分别为7.2、6.0、4.8和3.6 h，4个阶段的运行时间均为两周左右.

研究中各常规分析指标均按国家标准方法测定^[25]，COD采用快速消解法; 溶解性PO₄^3--P采用钼锑抗分光光度法; TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法; NO₃^--N采用紫外分光光度法; NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法; NO₂^--N采用紫外分光光度法; MLSS采用烘干称重法; VFA采用分光光度法^[26].

HRT是影响ABR水解酸化的重要因素. 图 2为不同HRT时溶解性PO₄^3--P在各个隔室的变化情况. 从中可知，ABR第2隔室出水溶解性PO₄^3--P浓度变大，发生了厌氧释磷. 细菌死亡后会向水体中释放磷，但细菌死亡释磷占的比例较小，主要以DPB厌氧释磷为主. 当HRT为7.2 h时，ABR第2隔室的平均释磷量为9.76 mg·L^-1，系统对磷的平均去除率为76%; 当HRT为6.0 h和4.8 h时，ABR第2隔室的平均释磷量分别为9.23 mg·L^-1和10.43 mg·L^-1，磷的平均去除率分别为88%和91%. HRT缩短至6.0 h后，ABR第2隔室释磷量有所下降，但磷的总去除率则有提高. 由于聚磷菌无论以NO₃^--N 、NO₂^--N为电子受体进行缺氧吸磷还是以O₂作为电子受体进行好氧吸磷，都需要氧化细胞内储存的PHB作为电子供体，而无效释磷对于DPB合成PHB没有贡献，无效释磷的出现影响缺氧吸磷，因此磷的去除率反而比较低. HRT为3.6 h时，ABR第2隔室的平均释磷量4.81 mg·L^-1，磷去除率为76%，这是因停留时间过短，DPB不足以完全利用VFA并转化为PHB储存在细胞内并进行厌氧释磷之故. Wang等^[27]研究表明，HRT过短会导致聚磷菌体内合成 PHB 的减少. 由此可知，HRT过短则影响VFA作为优质碳源的充分利用. 系统出水溶解性PO₄^3--P随着释磷量的增加而减少,而溶解性PO₄^3--P去除率则随着释磷量的增加而升高^[28]. 由图 3可知，HRT为4.8 h时，系统出水的溶解性PO₄^3--P浓度最低. 根据释磷情况可知第4隔室厌氧释磷量很小，对于碳氮的去除贡献也较小，考虑优化去除第4隔室.

图 2

Fig. 2

图 2 不同HRT时对溶解性PO43--P的去除 Fig. 2 Removal of soluble PO43--P at different HRT

图 3

Fig. 3

图 3 不同HRT各隔室溶解性PO43--P的变化 Fig. 3 Change of soluble PO43--P in various compartments at different HRT

在CAMBR复合工艺中，ABR第5隔室碳源不足，DPB利用在ABR第2隔室合成的PHB作为电子供体，以MBR回流液(R₂)中的NO^-x-N(NO₃^--N 和NO₂^--N)作为电子受体，进行缺氧反硝化吸磷. ABR第5隔室中缺氧吸磷量的多少与ABR第2隔室中厌氧吸磷量密切相关. ABR第5隔室存在明显的溶解性PO₄^3--P下降的现象，表明其污泥中存在了DPB.

结果表明：当HRT为7.2 h时，ABR第2隔室平均释磷量为9.76 mg·L^-1，ABR第5隔室平均吸磷量为11.1 mg·L^-1. 而HRT为6.0、4.8和3.6h时，ABR第2隔室平均释磷量为9.23、10.43 和4.81 mg·L^-1，ABR第5隔室平均吸磷量为11.23、12.35 和5.63 mg·L^-1，系统对溶解性PO₄^3--P的平均去除率76%、88%、91%和77%. 当HRT为7.2 h时，ABR第5隔室缺氧吸磷量并没有因为ABR第2隔室厌氧释磷量的增加而增加，此时对磷的去除率较HRT为6.0 h时低. 这是因HRT的延长，ABR第2隔室中的VFA被消耗完后，虽然DPB吸收VFA合成PHB储存在细胞内的过程已经基本停止，但微生物为维持基本生命活动，仍需不断水解细胞内聚磷酸盐以提供能量，发生了无效释磷. 因此，随着HRT的增长，虽然释磷总量增加，但单位释磷量所产生的吸磷能力将随着无效释磷的产生而降低. 当HRT为3.6 h时，ABR第5隔室缺氧吸磷量明显下降，这时因HRT过短，DPB不足以完全吸收VFA并合成PHB储存，因而导致ABR后续隔室缺氧段DPB无足够PHB作为电子受体. 当ABR第2隔室释磷量减少时，ABR第5隔室吸磷量相应减少. 而当HRT为4.8 h时，吸磷量最大，除磷效果较好，此时好氧MBR吸磷量为1.33 mg·L^-1.

ABR的HRT为4.8 h时，系统HRT为8.0 h，系统中NO₂^--N和NO₃^--N 两种电子受体共存[c(NO₃^--N) ∶ c(NO₂^--N)=1 ∶1.9]，缺氧吸磷量为12.35 mg·L^-1. 而唐旭光等^[29]研究中HRT为6 h，利用NO₂^--N缺氧吸磷量为9.1 mg·L^-1; 彭永臻等^[30]研究中HRT为5.5 h，利用NO₂^--N缺氧吸磷量为3.59 mg·L^-1; 张捍民等^[31]研究中HRT为18 h，利用NO₃^--N缺氧吸磷量为6.45 mg·L^-1. HRT的不同影响厌氧释磷量，而缺氧吸磷量与厌氧释磷量有着比较好的线性关系，缺氧吸磷量的不同还与厌氧释磷有关，各系统中的反硝化聚磷菌的不同也可能导致吸磷量的不同. 本研究中缺氧吸磷量较上述研究高，这与Lee等^[32]和解丽英等^[33]的研究结果一致，即反硝化聚磷菌对NO₂^--N的利用速率高于NO₃^--N. 另有研究表明^[8]，NO₃^--N较NO₂^--N是一种更容易利用的电子受体，因为一部分反硝化聚磷菌可以利用NO₃^--N作为电子受体，但不能利用NO₂^--N. 但本研究并没有体现这一点，DPB经过长期驯化对缺氧段初始NO₂^--N(12 mg·L^-1左右)的条件有了很好的适应.

自研究开始，系统的总吸磷量P_吸总是大于总释磷量P_释，并且随着P_释增加而增大. 释磷总量越大，说明ABR第1隔室为DPB提供充足优质碳源，在ABR第2隔室合成越多PHB，释磷越充分，ABR第5隔室的反硝化除磷效果越好. P_吸/P_释值总大于1，说明DPB的吸磷量随着释磷量的增加而增大，并能够过量吸磷，从而实现磷由溶解态向固态的转化，达到除磷的目的.

图 4为HRT为7.2、6.0、4.8和3.6 h时，在ABR中VFA的变化情况. 从中可知，进水VFA浓度在20.6~28.6 mg·L^-1，ABR第1隔室碳源充足，有机物水解酸化产生VFA，而当加入回流泥水混合液(R₁)后，ABR第2隔室进水VFA平均浓度为28.3、37.3、56.7和67.7 mg·L^-1，ABR第2隔室出水VFA浓度急剧降低，并趋于至0，这与VFA作为优质碳源被DPB利用合成PHB储存在细胞内而急剧减少有关. 此阶段DPB积累PHB的能量来源是聚磷酸盐的释放，溶液中PO₄^3--P浓度不断升高. ABR第5隔室碳源不足，DPB降解细胞内的PHB获得能量，用于反硝化吸磷所需，此阶段生物膜中的PHB含量以及溶液中PO₄^3--P、NO₃^--N和NO₂^--N浓度都不断减少.

图 4

Fig. 4

图 4 不同HRT隔室VFA的变化 Fig. 4 Change of VFA at different HRT

由图 4可知，当HRT为7.2、6.0、4.8和3.6 h时，ABR第2隔室消耗的VFA分别为27.9、36.8、56.1和66.9 mg·L^-1. ABR第2隔室平均释磷量为9.76、9.23、10.43和4.81 mg·L^-1. 吸收1 mg磷需要的VFA量分别为2.86、3.99、5.38和13.91 mg. 当HRT为7.2 h，存在无效释磷，利用VFA合成PHB释放的磷并没有9.76 mg·L^-1; 当HRT为4.8 h时，ABR第2隔室释磷量为10.43 mg·L^-1，ABR第5隔室吸磷量为12.35 mg·L^-1，吸磷量最大，反硝化除磷效果最好. 说明在HRT为4.8 h时，DPB利用VFA合成PHB的量最大，因此在ABR第5隔室段吸磷量最大; 当HRT为3.6 h时，吸收1 mg磷需要的VFA量为14.07 mg，这是因HRT过短，DPB不足以完全吸收VFA并合成PHB，存产甲烷菌、反硝化菌等消耗VFA，使得VFA在第2隔室出水趋于0，导致吸收1 mg磷需要的VFA量升高. 当HRT为4.8 h时，实际生活污水中每释放1 mg磷需要利用5.38 mg VFA，而在以往的研究中此值在1.401~4.76 mg不等. Hesselmann等^[34]的研究中此值为3.03 mg; McMahon等^[35]的研究中为 1.52 mg; Saito等^[36]和Pijuan等^[37]以乙酸为碳源的研究中此值分别为4.76 mg和3.45 mg. 本研究以实际生活污水作为处理对象，因而基质的不同对生物除磷影响有所不同. 如唐旭光等^[11]以实际生活污水中每释放1 mg磷需要利用1.401 mg VFA. ABR第2隔室存产甲烷菌、反硝化菌等利用VFA进行产甲烷反应、反硝化作用，使得本研究结果明显高于其它研究成果.

当进水COD、PO₄^3--P和NH₄⁺-N浓度分别为360、6.00和37 mg·L^-1左右时，在最佳HRT为4.8 h，MBR的HRT为3.2 h的条件下，CAMBR复合工艺NO₃^--N、NO₂^--N、PO₄^3--P以及NH₄⁺-N的浓度变化如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 CAMBR复合工艺中短程硝化反硝化除磷效果 Fig. 5 Shortcut nitrosation-dentrifying phosphorus removal in CAMBR

由图 5可知，该工艺中ABR出水PO₄^3--P含量为 1.67 mg·L^-1左右，COD降为52 mg·L^-1左右，NH₄⁺-N浓度为19.36 mg·L^-1，NH₄⁺-N主要由于稀释作用减少; 经过在好氧MBR硝化后，NH₄⁺-N浓度降低到1.50 mg·L^-1左右，NO₃^--N和NO₂^--N分别为6.67 mg·L^-1和12.65 mg·L^-1，PO₄^3--P浓度有少量降低,COD降到30 mg·L^-1左右，好氧MBR中COD降幅较少，主要用于维持好氧异养菌的新陈代谢^[38]. 短程硝化液回流(R₂)到ABR第5隔室进水，NO₃^--N和NO₂^--N由缺氧初期的2.50 mg·L^-1和4.75 mg·L^-1左右，经过ABR第5隔室的缺氧环境后，基本趋于0，说明硝化反应产生的NO₃^--N和NO₂^--N作为电子受体进行了反硝化除磷. 缺氧初期NO^-x-N为7.25 mg·L^-1，ABR第5隔室吸磷量为11.69 mg·L^-1，每吸收1 mg PO₄^3--P需要0.62 mg NO^-x-N. 刘建广等^[39]研究中缺氧段消耗1 mg NO₃^--N可吸收1 mg PO₄^3--P; 李志勇等^[40]得到的单位NO₃^--N反硝化吸磷的比例为0.80 mg·mg^-1; 而邹华等^[41]得到的缺氧PO₄^3--P吸收量与NO₃^--N消耗量的比值是1.51. 由此，据单位NO₃^--N反硝化吸磷为0.80~1.51 mg PO₄^3--P计算可得，本研究中利用硝酸盐吸磷量为2.00~3.78mg·L^-1,利用亚硝酸盐吸磷量为7.91~9.69 mg·L^-1，每吸收1 mg PO₄^3--P需要1.67~2.04 mg NO₂^--N. 刘晖等^[42]研究利用亚硝酸盐的反硝化除磷菌及影响因素得出最佳N/P为4; 张少辉等^[43]得到缺氧段消耗单位亚硝酸盐的吸磷量为1.39 mg. 本试验单位NO₂^--N反硝化吸磷量与以往研究不同，这与上述文献的硝化液为单一的NO₂^--N或NO₃^--N为主，而本研究硝化液为NO₃^--N和NO₂^--N的混合液[c(NO₃^--N) ∶ c(NO₂^--N)=1 ∶1.9]，并且可能与本研究中反硝化菌与反硝化除磷菌的比例不同以及发生外加碳源反硝化有关.

进水COD为300~400 mg·L^-1，PO₄^3--P为4~12 mg·L^-1，TN为33~59 mg·L^-1，NO₂^--N为0.05mg·L^-1左右,NO₃^--N为0.61 mg·L^-1左右，当ABR的HRT为4.8 h，MBR的HRT为3.2h时，经1个月的运行，其结果如图 6所示. 其中：出水COD浓度平均为30 mg·L^-1，平均去除率为91%; 出水溶解性PO₄^3--P浓度平均为0.55 mg·L^-1，平均去除率为93%; 出水TN浓度平均为7.15 mg·L^-1，平均去除率为84%. 综上可知，应用CAMBR复合工艺可获得稳定高效的反硝化除磷效果.

图 6

Fig. 6

图 6 TN、溶解性PO43--P和COD去除效果 Fig. 6 Removal effect of TN, soluble PO43--P and COD

(1)当ABR的HRT为4.8 h，有机COD负荷为0.9~1.2 kg·(m³·d)^-1时，CAMBR工艺中ABR可提供足够的优质碳源，而获得较好的反硝化除磷效果.

(2)在ABR最优HRT时，其第2隔室内减少的VFA全部转化为PHB，消耗VFA的量为56.1 mg·L^-1，其相应的释磷量为10.43 mg·L^-1，释放1 mg PO₄^3--P所需 VFA的量为5.38 mg. 短程硝化除磷过程中，吸收1 mg PO₄^3--P所需NO^-x-N的量为0.62 mg，吸收1 mg PO₄^3--P所需NO₂^--N的量为1.67~2.04 mg.

(3)CAMBR复合工艺处理实际生活污水不仅可获得高效的反硝化除磷效果，且其最终出水COD、TN和溶解性PO₄^3--P平均浓度分别稳定在30、7.15和0.55mg·L^-1，去除率分别为91%、84%和93%.