磷是所有生物细胞的重要组成元素之一，也是人们生产生活中洗涤用品、肥料等必需品的原料，但若使用不当，会对人们的生活环境造成不利影响.诸多研究表明，大量含氮、磷废水排入地表水体会导致富营养化问题，而磷对藻类生长的影响更大，水中总磷浓度达到0.015 mg·L^-1就足以引起藻类大量繁殖^{[1, 2]}.因而，各国针对污水处理厂出水磷浓度制定了更为严格的污水综合排放标准.就目前研究的污水除磷工艺方面，强化生物除磷(enhanced biological phosphorus removal，EBPR)工艺被公认是一种经济有效的除磷技术，此工艺利用活性污泥系统中聚磷微生物(polyphosphate accumulating organisms，PAOs)厌氧释磷及好氧(或缺氧)超量吸磷的特性，在交替厌氧/好氧(或缺氧)运行环境下，通过排放富磷剩余污泥达到除磷目的^{[3, 4]}.

溶解氧(DO)浓度是影响生物除磷的重要因素^{[5, 6]}. EBPR系统中，DO浓度一般情况下控制在2~3 mg·L^-1，但实际污水处理厂中很多工艺尤其是间歇流工艺常常会在好氧末期出现DO过高的现象.有研究表明，DO浓度为5.5~7.0 mg·L^-1或过量曝气会导致聚磷菌体内聚β羟基丁酸盐(PHB)不足，引起污泥活性降低，从而影响除磷效果^{[7, 8]}.陈滢等^[9]的研究表明，在DO=0.55 mg·L^-1时PAOs依然具有良好的释、吸磷能力.尽管如此，对各DO尤其是超低DO条件下EBPR系统除磷性能的研究较为少见.此外，对实际运营污水处理厂的调研发现，曝气成本占污水厂总运营支出的50%~80%且大部分污水厂存在过量曝气现象^[10].因此，EBPR系统如能在低DO浓度下实现稳定运行，可大大节约污水生物除磷成本.

本研究通过对不同DO浓度下EBPR系统除磷及污泥沉降性能的考察，探究了超低DO条件下实现EBPR系统稳定高效除磷的可行性，并通过分析不同DO条件下系统的比吸磷速率，确定最经济有效的生物除磷所需溶解氧浓度.

实验用两个SBR反应器均由有机玻璃制成，分别标记为R₁(对照组)和R₂(实验组)，总有效容积均为5.4 L.在反应器壁上的垂直方向设置一排间距10 cm的取样口，用于取样和排水，底部设有排泥口; 以黏砂块作为微孔曝气器，采用鼓风机曝气，气量由转子流量计调节; R₂反应器进、出水、搅拌及好氧段的溶解氧浓度均采用带有Labview软件编程的计算机系统加以控制，R₁反应器除不控制DO外，其余同R₂.实验装置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

1.水箱；2.蠕动泵；3.搅拌装置；4.黏砂块曝气头；5.排泥口；6.pH探头；7.DO探头; 8.Multi 3420在线测定仪；9.电磁阀；10.流量计；11.空气压缩机；12.控制系统；13.计算机 图 1 SBR实验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of SBR experimental setup

两反应器每天共运行3个周期，每周期8 h，包括2 h厌氧，5 h好氧及1 h沉淀、排水、闲置.反应器排水比1/3，污泥龄均为15 d.两反应器运行工况见表 1，其中R₂溶解氧为理论控制值，实际DO浓度因控制系统的滞后性除0.1 mg·L^-1外均略高于控制值.

表 1 (Table 1)

表 1 两反应器运行工况1) Table 1 Experimental approach of the two reactors 对照组反应器(R1) 实验组反应器(R2) 编号 工况 运行时间/d T/℃ MLSS/mg·L-1 编号 工况 运行时间/d T/℃ MLSS/mg·L-1 Ⅰ 稳定运行阶段 1~65 22 2 482 Ⅰ DO=2.0mg·L-1 1~11 22 3 377 Ⅱ DO=1.0mg·L-1 12~28 22 3 085 Ⅱ 工艺性能恶化阶段 66~127 22 3 355 Ⅲ DO=0.5mg·L-1 29~47 22 2 321 Ⅳ DO=0.2mg·L-1 48~88 22 2 027 Ⅴ DO=0.1mg·L-1 89~127 22 2 683 1)表中MLSS为各工况下所有MLSS的平均值

表 1 两反应器运行工况1) Table 1 Experimental approach of the two reactors

实验采用模拟废水，由碳源液、磷液、浓缩液及微量元素配制而成.碳源液由乙酸和丙酸组成(乙酸与丙酸量比为3 :1)，磷液由KH₂PO₄配制而成，其中溶解性正磷酸盐质量浓度为4 g·L^-1.浓缩液(1 L)由21 g NH₄Cl，45 g MgSO₄·7H₂O，80 g MgCl₂·6H₂O，21 g CaCl·2H₂O，10 g酵母浸膏，61 g蛋白胨和0.25 g硝化抑制剂(C₄H₈N₂S)组成，微量元素组成参照文献[11]. 1 L模拟废水加入磷液2 mL，碳源液乙酸0.26 mL、丙酸0.098 mL，浓缩液1 mL及微量元素液1 mL，由此得出，进水COD 400 mg·L^-1，PO₄^3--P 8 mg·L^-1，NH₄⁺-N 5.33 mg·L^-1，NO₂^--N 0.01 mg·L^-1，NO₃^--N 0.64 mg·L^-1.

实验所用污泥接种自兰州市七里河城市污水处理厂4号曝气池，该污水厂污泥具有一定脱氮除磷性能，污泥各项指标性能良好.

所有水样均采用定性滤纸过滤后测定，水质分析项目中PO₄^3--P采用钼锑抗分光光度法测定，COD采用COD快速测定仪测定，MLSS(混合液悬浮固体浓度)，MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)采用滤纸重量法测定，SV(污泥沉降比)采用30 min沉降法测定.温度、pH值和DO由德国Multi 3420在线测定仪在线监测.

图 2为不同DO条件下R₁、R₂系统PO₄^3--P、COD去除性能.

图 2(a1)中，未控制DO的R₁系统在稳定阶段(1~65 d)初期的除磷率有小幅波动，总磷去除率在95.9%以上，该阶段平均厌氧释磷量为33.1 mg·L^-1.在66~127 d内由于系统长期处于过曝气状态，反应器除磷性能开始下降并逐渐恶化，该阶段平均厌氧释磷量为19.6 mg·L^-1，97 d时出水磷浓度高于进水磷浓度，系统彻底失效.分析认为，当长期DO浓度较高时，氧能迅速穿透菌胶团，破坏菌胶团内部厌氧环境，不利于微生物释磷，因而释磷量下降.此外，过曝气量可能会将活性污泥中较大的菌胶团冲散，使菌胶团结构被破坏，系统生物除磷性能破坏，即系统失效.

图 2

Fig. 2

图 2 不同DO条件下系统PO43--P、COD去除性能 Fig. 2 PO43--P, COD removal performance of system under different DO levels

图 2(b1)中，控制DO分别为2、1、0.5、0.2、0.1 mg·L^-1的5个工况下，R₂系统的厌氧释磷量随DO浓度降低相应减小，但各工况下除磷率仅在改变DO浓度初期略有降低，之后快速回升至100%并实现磷的稳定去除.因此，逐渐降低DO浓度EBPR系统除磷率几乎不受影响，工艺除磷性能高效稳定. DO浓度长期处于超低状态，微生物代谢处于相对缓慢的状态，长时间的驯化进而影响同工况厌氧时期释磷量，Ⅰ阶段到Ⅴ阶段厌氧末期平均释磷量由45.5 mg·L^-1降至22.6 mg·L^-1，但除磷率均稳定，可见若有足够的好氧时间，在DO=0.1 mg·L^-1时便可将磷高效去除.还可看出，在超低溶解氧浓度下(DO=0.1 mg·L^-1)，除磷率最低为94.1%，对比DO分别为1、0.5、0.2 mg·L^-1的各条件，该工况除磷性能尤为稳定，说明EBPR系统在超低DO条件下仍能实现高效除磷，该结果与王荣昌等的相同^[12]，但与其给出的DO为0.5 mg·L^-1时系统便发生恶化并最终失效不同，分析认为，这与其采用的高磷负荷(进水磷为20 mg·L^-1)、低碳磷比(C/P=13)有关^[10].

由图 2(a2)与2(b2)中可得，R₁与R₂反应器在整个实验阶段(127 d)对COD去除率均高于80.9%，出水COD浓度平均值为23.8 mg·L^-1，说明不同DO浓度对COD的去除影响甚微，类似的研究结论也有报道^[13].由图 2(a2)发现，R₁反应器厌氧末期COD浓度从稳定阶段到恶化阶段未发生明显变化，但图 2(a2)中却发现，R₂反应器厌氧末期COD浓度随着DO浓度的下降逐渐上升，由此可得，不同DO浓度下，COD最终去除影响较小，但COD厌氧阶段的降解速率随DO浓度下降而下降.

图 3为不同DO条件下系统的出水TP浓度.《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)规定一级A标准中总磷(以P计)

排放应≤0.5 mg·L^-1.由图 3(a)可见，对照组反应器R₁在其稳定阶段出水磷的达标率为92.0%，该阶段初期系统因刚启动出水有4 d未达标; 恶化阶段，R₁出水总磷均远远大于0.5 mg·L^-1，表明此时聚磷菌在好氧阶段过量吸磷特性大大减弱，结合Patel等^[14]的研究，分析认为在长期过曝气状态下，聚磷菌内PHB消耗殆尽，微生物处于饥饿状态，吸磷停止，该工况有53 d未达标，达标率仅为7.0%.由图 3(b)可见，控制DO分别为2、1、0.5、0.2、0.1 mg·L^-1的5个工况下，实验组反应器R₂不达标天数仅为6 d，达标率为94.6%.其中超低DO浓度(DO=0.1 mg·L^-1)100%达标，除磷效果高效稳定.说明EBPR系统在长期过曝气状态下会逐渐失效，但在低DO条件下可以长期高效稳定运行.

图 3

Fig. 3

图 3 不同DO条件下系统的出水TP浓度 Fig. 3 Effluent TP concentration under different DO levels

图 4为不同DO条件下典型周期内COD、PO₄^3--P和DO的浓度变化规律.从中可知，稳定阶段的R₁系统和DO=2 mg·L^-1 (阶段Ⅰ)时的R₂系统内有机物在厌氧段(2 h)内均消耗完毕.随着DO浓度分别降低至1、0.5、0.2、0.1 mg·L^-1，COD降解速率逐渐变慢且厌氧段释磷量呈递减趋势，对应厌氧末期磷浓度分别为40.5、40.5、38.7、25.9、22.2 mg·L^-1.尤其是DO=0.1 mg·L^-1的工况下，厌氧30 min时系统内COD仍有225.8 mg·L^-1残留.分析认为，降低DO，聚磷菌的氧利用速率降低，经过一段时间驯化后其活性随之降低，进而导致厌氧段释磷速率减小，而聚磷菌以利用COD为底物进行释磷活动，因此COD消耗量逐渐减少，最终导致释磷量降低.

图 4

Fig. 4

图 4 不同DO条件下典型周期内COD、PO43--P和DO的浓度变化规律 Fig. 4 Variations of COD, PO43--P and DO concentration during typical cycles under different DO levels

由图 4还可以看出，随着DO浓度降低，对应吸磷时间逐渐延长，R₁系统稳定阶段和R₂系统Ⅰ阶段的吸磷过程可在60 min内完成，R₂系统Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段的吸磷时间则分别为90、150、180、270 min，对应好氧吸磷速率变慢.此外，在好氧末期R₁系统稳定阶段和R₂系统Ⅰ至Ⅴ阶段磷均得以完全去除(出水TP=0 mg·L^-1)，说明在不同DO条件下EBPR系统可实现磷的高效去除，从节约能耗方面考虑，超低DO浓度生物除磷具有可行性.

图 5为不同DO条件下EBPR系统的比吸磷速率.其中比吸磷速率为典型周期内每半小时中最大比吸磷速率，偏差棒为各个工况比吸磷速率的偏差. DO浓度为0.2 mg·L^-1时，其比吸磷速率最不稳定，这与图 3(b)中的出水情况吻合; DO浓度在1 mg·L^-1左右，偏差最小，比吸磷速率较稳定.对不同DO条件下的比吸磷速率整理分析，发现比吸磷速率可能遵循Monod方程.该Monod方程用以描述EBPR系统好氧条件下的比吸磷速率, 如下式：

(1)

式中，K_O为氧饱和常数，mg·L^-1，是比吸磷速率为最大比吸磷速率一半时的DO浓度; S_O为DO浓度，mg·L^-1; V为比吸磷速率(以VSS计)，mg·(g·h)^-1; V_max为最大比吸磷速率(以VSS计)，mg·(g·h)^-1.其中，V_max与K_O值不能直接确定，采用参数优化方法计算可得：V_max=1.954 19 mg·(g·h)^-1，K_O=0.247 13 mg·L^{-1[15, 16]}.与所得Monod方程计算数据比较得出，比吸磷速率基本遵循Monod动力模型.此外，DO浓度为2 mg·L^-1以下时，系统的好氧吸磷速率逐渐上升，尤其是0.5 mg·L^-1以下的DO对比吸磷速率影响较大; 而DO=2 mg·L^-1时比吸磷速率接近最大值，DO越高对吸磷速率几乎无影响.

图 5

Fig. 5

图 5 不同DO条件下比吸磷速率 Fig. 5 Specific phosphate uptake rate under different DO levels

图 6为不同DO条件下EBPR系统污泥沉降性能的影响.由图 6(a)可知，R₁系统在稳定阶段时SVI较为稳定，SVI平均值为70 mL·g^-1; 恶化阶段SVI逐渐降至23.4 mL·g^-1.由图 6(b)可知，R₂系统在DO浓度分别为2、1、0.5、0.2 mg·L^-1时，SVI基本稳定不变，平均值为61.5 mL·g^-1，污泥沉降性能良好.当DO=0.1 mg·L^-1，SVI持续上升至193.9 mL·g^-1，但排水澄清，污泥发生微膨胀^{[17, 18]}.污泥沉降性能直接影响工艺稳定高效运行，当前50%污水厂运行受污泥膨胀的制约^{[19, 20]}.王建芳等^[21]研究发现，低DO浓度(0~0.7 mg·L^-1)和低进水磷浓度(2.8 mg·L^-1)两种因素综合作用会引发非丝状菌膨胀，另有部分学者研究表明，低DO浓度或低温(12℃)单因素条件下会引起丝状菌膨胀^{[22, 23]}.本研究中，反应器R₂降至超低DO=0.1 mg·L^-1，发现R₂污泥微膨胀，分析得R₂污泥因此而发生丝状菌微膨胀.本实验证明超低溶解氧工况微膨胀情况下，既保证反应器低耗运行效果也防止污泥流失，可实现污水节能处理，因此超低溶解氧工况具有可行性，与彭永臻等^[24]提出的低溶解氧污泥微膨胀节能理论与方法相同.

图 6

Fig. 6

图 6 不同DO条件下EBPR系统污泥沉降性能的影响 Fig. 6 Sludge sedimentation performance of the EBPR under different DO levels

正常污泥的f值应在0.5~0.7，f越大即污泥中有机性固体组分比重越大. Lu等^[25]的研究表明，f值可表征活性污泥微生物中的含磷量，f值越大表示微生物含磷量越小.由图 6(a)可知，对照组反应器R₁稳定阶段f的平均值为0.66，污泥活性较好; 恶化阶段f值持续上升，表明污泥中微生物体内含磷量逐渐降低，即微生物的聚磷能力在逐渐降低，进而除磷性能逐渐恶化.由图 6(b)可知，实验组反应器R₂在控制DO分别为2、1、0.5、0.2、0.1 mg·L^-1的5个工况下，f平均值为0.66且波动较小.分析结果可知，逐渐降低DO浓度对于污泥活性几乎无影响.

(1) EBPR系统中，DO对COD去除影响甚微，但是好氧段DO浓度越低，COD利用速率也随之降低，从而引起污泥厌氧释磷量下降.

(2) 当DO=2 mg·L^-1，比吸磷速率接近最大值，之后升高DO对比吸磷速率几乎无影响; 而DO低于2 mg·L^-1，尤其是低于0.5 mg·L^-1条件下对比吸磷速率影响较大，因此，将EBPR系统DO控制在1~2 mg·L^-1可兼顾高效吸磷及避免过量曝气，为最优工况.

(3) 长期高DO浓度会导致EBPR系统除磷性能恶化，而逐渐降低DO浓度不影响系统的稳定除磷，即使降至超低DO浓度(0.1 mg·L^-1)引发污泥微膨胀，出水总磷仍能100%达到一级A排放标准，因此，微好氧条件下的EBPR系统节能除磷具有可行性.