近年来我国水体富营养化问题频繁暴发，其中氮、 磷为主要因素，对此我国针对氮、 磷制定出了更为严格的排放标准.然而在实际工程中，污水生物除磷普遍面临碳源(COD)不足问题^[1~3]，导致EBPR(enhanced biological phosphorus removal)系统不能高效稳定运行，进而出水水质未能达标，另一方面，磷是人们日常生活中不可缺少的自然资源，但在自然界中磷是起始于陆地归于海洋的单向迁移^[4~6].在此情况下，把磷从污水中去除转变成回收利用已经受到国际社会的广泛关注.侧流磷回收将SBR反应器厌氧末期上清液按一定比例提取^[7~9]，剥夺EBPR系统中的磷等污染物，污泥系统中相应的COD/P比有所上升，一定程度缓解了除磷与脱氮在碳源上的竞争^[10]，并且化学反应后可溶性磷酸盐易于结晶析出，以纯化学污泥形式(金属沉淀物)排出系统，利于回收，且回收量大，将预防水体富营养化和磷回收两者结合一体.

溶解氧(DO)浓度是活性污泥法运行中的重要因素^{[11, 12]}，EBPR系统中，生物曝气是最大的耗能单元，调研结果表明曝气成本占实际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^[13]，此情况下不仅增加曝气成本，过曝气也容易引发系统失效^{[14, 15]}.若污水厂在低DO浓度条件下稳定达标运行，整个污水厂的能耗可降低10%左右^[16].若能将侧流磷回收与低好氧条件下的EBPR系统联合起来，则在预防水体富营养化和磷回收的基础上又可大大节约污水生物除磷成本.

本研究在低DO浓度(DO=1mg·L^-1)下的EBPR系统内提取不同侧流比(0、 1/4、 1/3、 1/2)厌氧上清液进行磷回收，通过分析实施侧流磷回收时主流系统的各项出水指标及其相应侧流比磷回收率，探究低DO条件下EBPR系统与侧流磷回收结合的可行性，并确定最佳侧流比.

实验所用SBR反应器由有机玻璃制成，总有效容积为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； 反应器好氧段的溶解氧浓度采用带有Labview软件编程的计算机系统加以控制.实验装置如图 1所示.

图 1

Fig. 1

1. 原水水箱； 2. 蠕动泵； 3. 搅拌装置； 4. 黏砂块曝气头； 5. 排泥口； 6.DO探头； 7.Multi 3420在线测定仪；8. 计算机； 9.控制系统； 10.空气压缩机； 11.流量计； 12.蠕动泵； 13. 水箱； 14.电磁阀 图 1 SBR实验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of SBR experimental setup

反应器每天共运行3个周期，每周期8 h，包括2 h厌氧(厌氧最后15 min静置沉淀，由此可将富磷上清液通过蠕动泵按比例精准抽出0、 1/4、 1/3、 1/2侧流比)，5 h好氧及1 h沉淀、 排水、 闲置.反应器排水比1/3，污泥龄为10 d，实验温度始终为16℃.厌氧末期聚磷菌充分释磷，磷浓度为原污水磷浓度的数倍，因此在厌氧末期提取上清液并引入旁路进行化学磷回收是一个有利的回收点，这与Kuba等^[17]的观点一致.引出上清液，配水中的钙、 镁离子浓度较高，投加NaOH调节pH(>9.0)后沉淀反应40 min可实现磷回收^[18].反应器运行工况见表 1，其中溶解氧为理论控制值，实际DO浓度因控制系统的滞后性略低于控制值.混合液悬浮固体浓度MLSS是系统的重要设计运行参数，MLSS太高说明生化池中的活性污泥过剩，超出生化处理的需求而影响出水水质，MLSS太低则说明生化池中的污泥负荷不够，出水各项指标将不达标，因此，MLSS只有在合理范围(2 500~4 000mg·L^-1)之内，系统才能正常运行.由表 1可得，MLSS随侧流比的增大不断减小，保持在2 700~3 600mg·L^-1之间，系统MLSS波动范围正常.

表 1 (Table 1)

表 1 反应器运行工况 Table 1 Operation conditions of the reactor 编号 溶解氧(DO)/mg·L-1 工况 运行时间/d MLSS/mg·L-1 Ⅰ 1.0 无侧流比 1~22 3 597 Ⅱ 1.0 1/4侧流比 23~65 3 441 Ⅲ 1.0 1/3侧流比 66~91 2 825 Ⅳ 1.0 1/2侧流比 92~110 2 758 1) 表中MLSS为各工况下所有MLSS的平均值

表 1 反应器运行工况 Table 1 Operation conditions of the reactor

本实验采用模拟废水，由碳源液、 磷液、 氮液、 浓缩液及微量元素配制而成，模拟废水pH平均值为6.760.无水乙酸钠为碳源(COD=400mg·L^-1)，磷酸二氢钾(PO^3-₄-P=8mg·L^-1)、 氯化铵(NH₄⁺-N=40mg·L^-1)、 浓缩液(1 L)由45 g MgSO₄·7H₂O、 80 g MgCl₂·6H₂O、21 g CaCl·2H₂O、 10 g酵母浸膏、 61 g蛋白胨组成，微量元素组成参照文献^[19].为满足微生物生长需要，1 L模拟废水加入1 mL浓缩液及1 mL微量元素液.

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，该污水厂采用A²/O工艺，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PO^3-₄-P采用钼锑抗分光光度法测定，NH₄⁺-N采用纳氏试剂分光光度法，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，COD采用COD快速测定仪测定，MLSS(混合液悬浮固体浓度)采用滤纸重量法测定.温度、 ORP(氧化还原电位)值和DO由德国Multi 3420在线测定仪在线监测.

图 2为不同侧流比条件下系统COD、 NH₄⁺-N去除性能.控制DO=1mg·L^-1，在提取侧流比为0、 1/4、 1/3、 1/2的4个阶段监测日常运行时反应器进、 出水COD、 NH₄⁺-N浓度及其去除率.图 2(a)中，反应器在Ⅰ阶段与Ⅱ阶段对COD的去除率均高于81.9%，出水COD浓度平均值为24.1mg·L^-1，COD得以稳定去除.但在后两个阶段，COD出水浓度与去除率有所波动，Ⅲ、 Ⅳ阶段中，COD最低去除率均为79.7%，出水COD的残余量达到81.3mg·L^-1.与文献^[20]给出的侧流除磷对COD去除效果几乎无影响不同，分析认为，郝晓地等^[18]的研究表明，在不断增大侧流比时，生物除磷所需最低COD/P值会不断下降(侧流比从0增大至20%时，所需最低COD/P值随之由20降至15)，即侧流比不断增大时，整个生物反应过程所需COD不断减小，本实验COD/P值并未随相应的COD/P有所降低且始终为50，因此在Ⅲ阶段与Ⅳ阶段出水有些许COD残留.

图 2

Fig. 2

图 2 不同侧流比条件下系统COD、 NH4+-N去除性能 Fig. 2 COD,NH4+-N removal performance of the system under different side stream ratios

由图 2(b)中可得，各阶段下NH₄⁺-N去除率仅在改变不同侧流比初期略有降低，之后快速回升至100%并实现氨氮的稳定去除.反应器在整个实验阶段(110 d)对NH₄⁺-N去除率均值为98.1%，出水NH₄⁺-N浓度平均值为0.8mg·L^-1，工艺去除NH₄⁺-N性能高效稳定，说明反应器中NH₄⁺-N去除不受侧流比影响，类似的研究结论也有报道^{[21, 22]}.且此时反应器在低好氧(DO=1mg·L^-1)的情况下，证明侧流比磷回收与低DO浓度(DO=1mg·L^-1)条件下的EBPR系统结合运行对去除NH₄⁺-N影响甚微.

图 3为不同侧流比条件下系统的除磷性能.《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≤0.5mg·L^-1.由图 3可见，反应器Ⅰ阶段(无侧流比)出水磷的达标率为52.9%，该阶段初期系统因刚启动出水有3 d不稳定，之后除磷率最低为82.3%，平均除磷率89.4%； Ⅱ、 Ⅲ阶段(侧流比分别为1/4、 1/3)中，平均除磷率分别为98.5%和99.0%，出水磷达标率均远远优于Ⅰ阶段，尤其是Ⅲ阶段只有初期第一天未达到一级A标准，出水达标率为93.3%，说明侧流比升高至1/3，除磷效果也随之上升，出水PO₄^3--P浓度逐渐下降； Ⅳ阶段中除磷率不断波动，除磷率最低为65.4%，出水磷的达标率仅为45.5%，在1/2侧流比时，提取较多厌氧放磷上清液进行化学磷回收，此时聚磷菌在厌氧释磷和好氧吸磷的动态平衡被严重破坏，生物性能逐渐恶化，因此在1/2侧流比时抑制低好氧EBPR系统的除磷性能.说明低好氧EBPR系统在1/4、 1/3侧流比条件下于回收磷的同时EBPR系统可更加高效节能稳定运行.

图 3

Fig. 3

图 3 不同侧流比条件下系统的除磷性能 Fig. 3 Phosphate removal performance of the system under different side stream ratios

图 4为不同侧流比条件下典型周期内PO^3-₄-P、 ORP和DO的浓度变化规律.从中可知，在DO=1mg·L^-1条件下，依次提取侧流比0、 1/4、 1/3、 1/2后厌氧段释磷量呈递减趋势，对应厌氧末期磷浓度分别为32.8、 26.0、 20.1、 18.7mg·L^-1.分析原因为: ①提取侧流比即人为剥夺生物反应过程中厌氧释磷量，随着不断的磷剥夺，聚磷菌胞内聚磷颗粒含量减少，厌氧释磷能力逐渐减弱^[20]； ②从图 4中可以看出，厌氧阶段反硝化初期，氧化态的NO_x^--N被还原成N₂，反应器中ORP不断下降，随后反应过程中氧化还原状态的变化幅度减小，ORP下降速率变小并逐渐趋于平缓，厌氧段末期ORP最终分别为-258.9、 -233.7、 -231.4、 -217.8 mV.王晓玲等^[23]研究表明，在低ORP情况下，相对ORP值越高则NO₃^--N含量越大，即各阶段中厌氧段后期NO₃^--N含量依次升高.随着厌氧段NO₃^--N含量升高，反硝化菌与聚磷菌在污水中竞争能力逐渐增强，聚磷菌处于劣势，导致聚磷菌释磷量减少^[24].

图 4

Fig. 4

图 4 不同侧流比条件下典型周期内PO3-4-P、 ORP和DO的浓度变化规律 Fig. 4 Variation of PO3 -4- P,ORP and DO concentration during typical cycles under different side stream ratios

由图 4还可以看出，随着侧流比不断增大，对应吸磷时间逐渐延长，系统Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ阶段的吸磷过程分别可以在120、 150、 180 min内完成，对应好氧吸磷速率变慢，但同时发现Ⅳ阶段(1/2侧流比)吸磷过程并未完成，在好氧末期系统磷浓度为0.6mg·L^-1.综合分析表明，提取侧流比逐渐增大，聚磷菌的厌氧释磷与好氧吸磷能力均逐渐减弱，且Ⅳ阶段(1/2侧流比)之前均可实现除磷效果，说明在1/4、 1/3侧流比条件下EBPR系统可实现磷的高效去除，从节约能耗与磷回收方面考虑，低好氧条件下生物除磷与侧流磷回收结合具有可行性.

图 5为不同侧流比条件下磷回收、 生物除磷性能.由图 5(a)可得，在将侧流比变为1/4时，系统聚磷菌总释磷量明显下降，由侧流前的39.9mg·L^-1下降至23.4mg·L^-1，在1/3侧流比时降低幅度较小，在1/2侧流比时又加速下降； EBPR系统生物除磷量与总释磷量趋势几乎吻合，亦发现在1/2侧流比时两者差值最大，分析原因与图 4分析结果相同，但侧流比磷回收量却不断上升.由图 5(b)可得，EBPR系统生物除磷率呈先增加后减小的趋势，在1/3侧流比阶段时生物除磷率最高，可达到99.0%，侧流比磷回收率呈现直线上升趋势.分析认为，与无侧流比相比，提取1/4、 1/3侧流比进行侧流比磷回收对生物除磷具有一定的强化作用，这与Barat等^[25]的模拟评价相似，但侧流比为1/2时，生物除磷率迅速下降，应该存在一个最佳侧流比，实现了经济的磷回收与高效低耗生物除磷的有效结合.其中偏差棒为各个工况对应数据的偏差，由图 5中所有阶段的各种指标可以明显看出，在1/3侧流比时所有指标偏差值均为最小值，而1/2侧流比时所有指标偏差值均为最大值，即在1/3侧流比时EBPR系统除磷性能与磷回收性能均为最稳定高效，反之1/2侧流比抑制EBPR系统除磷性能.

图 5

Fig. 5

图 5 不同侧流比条件下磷回收、生物除磷性能 Fig. 5 Phosphate recovery,biological phosphate removal performance under different side stream ratios

综合图 5可得，1/3侧流比为最佳侧流比，实现了经济的磷回收与高效低耗生物除磷的有效结合.主要原因有: ①在1/3侧流比阶段时生物除磷最为稳定高效，去除率平均值为99.0%； ②虽然侧流比磷回收率呈现直线上升趋势，但图 5(a)中可以看出，侧流比磷回收量依次为10.5、 17.6、 17.7mg·L^-1，1/2与1/3侧流比仅仅相差0.1 mg·L^-1，可见1/2侧流比时对于磷的资源再利用能力已经逐渐减缓.

图 6为不同侧流比条件下EBPR系统各形态氮的去除性能.从中可知，各阶段出水NO₃^--N浓度平均值依次为10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L^-1.同时可见，系统在Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ阶段时TN去除率较为稳定并逐渐下降，各阶段TN去除率平均值分别为73.6%、 69.8%、 68.1%； Ⅳ阶段(1/2侧流比)TN去除率最小降至50.9%.由图 2(b)可知，系统所有阶段去除NH₄⁺-N性能高效稳定，可见TN去除率降低主要是由于NO₃^--N去除降低.同时由图 3可得，Ⅳ阶段(1/2侧流比)除磷率最低为65.4%，综合证明，系统在1/2侧流比时，生物反应过程中脱氮除磷效果均有所下降.

图 6

Fig. 6

图 6 不同侧流比条件下各形态氮的去除性能 Fig. 6 Removal performance of various forms of nitrogen under different side stream ratios

反应器采用厌氧/好氧方式运行，出水NO₃^--N浓度来源于厌氧段未被完全反硝化的残留硝态氮与好氧段硝化反应的产物硝态氮.本实验各阶段NH₄⁺-N去除率稳定后均可达到100%，反应器好氧段发生明显的硝化反应.进水NH₄⁺-N浓度始终为40mg·L^-1，但随着侧流比增大厌氧末期逐渐剥夺更多NH₄⁺-N，进入好氧阶段进行硝化反应的NH₄⁺-N浓度逐渐减小，碳源充足的条件下各阶段产物硝态氮含量逐渐下降.由图 6可知，各阶段出水NO₃^--N浓度平均值依次为10.0、 11.4、 11.5、 14.2mg·L^-1，分析结果可知，厌氧末期残留硝态氮的变化导致出水NO₃^--N浓度变化(由图 4已知残留硝态氮含量依次升高).

(1) 低好氧EBPR系统中，侧流比对NH₄⁺-N去除影响甚微，但随着侧流比的增大且系统进水COD保持初始浓度400mg·L^-1，引发出水COD稍有波动.

(2) 提取侧流比不断增大，则厌氧释磷量逐渐减小，出水磷浓度逐渐升高，在1/2侧流比时，除磷性能不断恶化.

(3) 低好氧EBPR系统中最优工况为提取1/3侧流比，此时低好氧EBPR系统与侧流磷回收的结合兼顾了高效低耗除磷与磷资源回收利用，大大提高了经济与环境效益.

(4) 系统在0、 1/4、 1/3侧流比时，TN去除率较为稳定并逐渐下降，但在1/2侧流比时，厌氧末期不完全反硝化导致TN去除率迅速下降至50.9%.