研究背景

反硝化除磷菌(denitrifying polyphosphate accumulating organisms, DNPAOs)以硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮作為電子受體，細胞內聚羥基烷酸(PHAs)為電子供體。相對于傳統的好氧生物處理，DNPAOs理論上可節約50%的碳源、減少30%的曝氣量，同時減少50%的剩余污泥產量。

王建龍等以厭氧-好氧-缺氧-好氧模式運行SBR反應器，成功實現了反硝化除磷；王曉蓮等通過控制部分運行參數在A2/O反應器中成功富集了反硝化除磷菌。但無論是SBR還是A2/O工藝都屬于單污泥系統，系統中的功能微生物如硝化菌、反硝化除磷菌等在碳源、HRT和SRT等因素上存在競爭，很難在一個系統中同時實現氮磷的高1效去除。而ABR具有微生物相分離等特征，且在生物產氫-產甲烷方面具有顯著優勢，馬天楠等采用Andrews模型建立了ABR處理效能與能量回收率之間的內在聯系。MBR反應器具有良好的截流作用，可保留世代周期較長的微生物，實現對污水的深度凈化。通過反硝化除磷“一碳兩用”的特性將厭氧ABR與好氧MBR耦合起來，可實現低耗經濟的脫氮除磷。

近年來，通過ABR-MBR耦合工藝實現反硝化除磷的研究，雖然都取得了良好的脫氮除磷效果，但由于在ABR中主動回流污泥，并通過攪拌等措施使污泥在ABR中循環流動，喪失了ABR相分離的優點。同時，由于ABR自身良好的水利條件，使得系統內易于形成顆粒污泥，但回流污泥采用的蠕動泵及攪拌等措施，會對顆粒污泥的形成造成不利影響，而顆粒污泥因其內外層存在溶氧梯度，硝態氮可由顆粒污泥外部擴散進入顆粒內使得DPAOs積聚磷酸鹽。故污泥回流影響了ABR自身具有的許多優勢。

本研究在不回流污泥的情況下，維持ABR自身的特點，探究系統在該狀態下的氮、磷及COD的去除規律，以及反硝化除磷的影響因素和機理。

摘 要

采用ABR-MBR耦合工藝，調控MBR以好氧硝化運行，考察耦合工藝穩定運行狀態下的除碳及反硝化除磷的去除效果及其影響因素，并分析了該耦合條件下的除磷機理。結果表明：在容積負荷為0.9kg/(m3·d)及硝化液回流比為200%的情況下，耦合工藝對COD、總氮、磷酸鹽的去除率分別為90%、70%和67%，反硝化除磷率隨硝化液回流比增大呈現出先增大后減小的趨勢，但隨著系統容積負荷的增加，ABR的第3格室出現了亞硝積累的情況，影響了反硝化除磷效果，運行過程中ABR逐漸形成的顆粒污泥也對耦合系統的除磷具有積極作用。

01 試驗部分

1.研究裝置

試驗裝置如圖1所示，反應器總有效容積為14.8 L，進水先經ABR后進入好氧MBR，其中ABR和MBR的有效容積比約為2∶1，ABR的5個格室依次稱為A1至A5格室。反應器溫度控制在31 ℃左右。采用可編程邏輯控制器(PLC)控制膜組件出水泵和反沖洗泵的啟閉，一個周期為10 min(8 min出水，2 min反沖洗)。采用真空壓力表來測量跨膜壓差(TMP)以表征膜的污染狀況，當TMP增加至30 kPa時，對膜組件進行清洗。

2.進水和接種污泥

試驗用水采用生活污水進行人工配制，見表1所示。接種的污泥取自蘇州城市污水處理廠的A2/O工藝的二沉池污泥。經悶曝24 h后接種至反應器中，ABR反應器各格室接種高濃度污泥至ρ(MLSS)約為30000 mg/L，MBR反應器中接種污泥至ρ(MLSS)約為4000 mg/L。

3.試驗方案

研究運行共分為3個階段：第1階段為污泥適應期，待ABR實現高1效去碳，MBR穩定硝化后開始回流硝化液至ABR；第2階段通過提升硝化液回流比的方式來富集反硝化除磷菌；第3階段在上階段研究的優情況下，提升負荷，考察對反應器去碳及脫氮除磷效能的影響，各階段具體的運行參數見表2所示。

4.分析測定方法

水樣經過0.45 μm中性濾紙過濾，以去除懸浮物的影響。試驗中檢測項目及其分析方法詳見表3。

02 結果與討論

1.污泥適應期對碳氮去除特性

反應運行1～20 d為接種污泥的適應階段，ABR的HRT設置為16 h，MBR為8 h，為避免由于回流造成的局部水力停留時間縮短，使得ABR尚未去碳完全就進入MBR，影響MBR內的自養硝化，先不進行回流。污水流經ABR第1和第2格室，經水解酸化以及在產酸菌的作用下，將污水中的復雜大分子有機物分解為VFAs，為反硝化除磷提供***碳源, 系統啟動初期COD的去除情況見圖2a。系統進水ρ(COD)為350 mg/L左右，因接種的污泥為污水廠性能良好的A2/O二沉池污泥，啟動初期系統出水COD去除率可達70%左右。適應期后，系統出水的COD去除率穩定在90%左右。ABR第2格室的出水ρ(COD)從初期的250 mg/L以下降到了一百 mg/L左右，為后續除磷提供了足夠的***碳源的同時，也避免了硝化液回流后，COD與硝態氮優先發生反硝化反應，消耗反硝化除磷所需的電子供體。適應期末期，第5格室的出水ρ(COD)穩定在50 mg/L以下，ABR反應器對有機物的高1效去除，保證了后端MBR硝化過程的順利進行，為硝化菌生長富集提供條件。韋佳敏等的研究也指出ABR后段對殘余COD的去除，可保證反硝化除磷菌處于佳的富集條件，有利于DPBs淘汰異養反硝化菌成為優勢菌群。

2.各運行工況下ABR-MBR耦合系統脫氮除磷去除特性

所有運行工況下ABR-MBR系統對磷的去除特性見圖3a，系統進水的磷酸鹽質量濃度為7～10 mg/L，在污泥適應期A工況下，污泥具有一1定的吸磷能力，說明該接種污泥中就含有一1定量的PAOs。隨著在B工況下開始進行硝化液回流，回流比為一百%時，PAOs中反硝化除磷菌活性增強，磷酸鹽的去除率得到一1定提高，但此時因有機負荷較低，可供DPBs利用的碳源有限。在第二階段，將負荷提升到0.9 kg/(m3·d)時，除磷效率穩定在20%左右。運行一段時間后A4、A5格室出現了磷反釋現象，根據Comeau等的研究，ρ(NO-3-N)>5 mg/L時可抑制磷反釋的現象。故在D階段將回流比提高至200%，保證A5格室ρ(NO-3-N)>5 mg/L，系統穩定后出水的磷濃度下降到2 mg/L左右，去除率穩步提升至65%以上。隨后進一步提升了回流比至300%，除磷效果出現了下降，分析是由于過高的回流比攜帶了大量的溶解氧至ABR中，影響了ABR中厭氧缺氧環境，導致DPBs活性的下降。

整個運行期間系統對氮的去除情況見圖3b。啟動初期，MBR就具有良好的氨氮去除率，A工況后期，出水的氨氮基本維持在1～2 mg/L左右，出水的TN基本以NO-3-N的形式存在，啟動初期出水TN的去除是依靠MBR內部存在的DO濃度梯度，通過同步硝化反硝化去除的。在工況B下回流硝化液后，因啟動初期DPBs尚未在系統中處于優勢地位，在硝酸鹽與碳源同時存在的情況下，會存在異養反硝化的情況，使得TN去除率進一步提升至50%左右。隨著負荷的提升，TN去除率稍有下降，在工況D下取得了優的TN去除率，約為65%左右，繼續提升回流比時，由于磷的去除受到了影響，導致DPBs的活性受到了抑制，TN去除率也呈下降趨勢。

3.影響因素分析

3.1 不同硝化液回流比對磷去除效能的影響

將MBR的硝化液，回流至ABR的第2格室的出水區，并以不同回流比（1.00%、200%、300%）考察反應器除磷效果的影響（見圖4）。可知，當硝化液回流比為200%時效果1佳。回流比較低時，反硝化除磷可利用的電子受體較少。當回流比上升至200%時，硝態氮濃度的增加刺激了反硝化除磷菌的代謝活性。王聰等對A2/O-BCO工藝中硝化液回流比對反硝化除磷特1效的影響研究中，也發現隨著回流比的增加，總磷的去除率呈現出上升。然而當回流比繼續增加至300%時，可能將MBR中大量的溶解氧帶入到了缺氧段，破壞了ABR中缺氧（厭氧）環境，抑制了DPB的缺氧吸磷能力，同時過高的硝態氮濃度也抑制了反硝化除磷菌的生長代謝。回流比的增大，間接使得缺氧段負荷增加，水力停留時間縮短。楊小梅等通過對A2/O-MBBR工藝反硝化除磷下的研究也發現，缺氧吸磷量會隨著硝化液回流比的增大呈現出先上升后下降的趨勢。

3.2 反硝化除磷與反硝化之間的競爭

傳統的反硝化除磷工藝將厭氧與缺氧區域分隔開，故污水中的***碳源先在厭氧區通過DPB轉化為PHB等，以內碳源的方式貯存在細胞內，避免了發生在硝化液回流位置與異養反硝化菌競爭碳源的情況。本研究并未設置污泥回流，故反硝化菌與反硝化除磷菌存在競爭碳源的情況。但有研究指出，當碳源足夠時，反硝化除磷菌比反硝化菌更占優勢，故本研究了考察了3個有機負荷下有機物的沿程變化情況。通過調節水力停留時間，將系統進水容積負荷控制在0.5，0.9，1.3 kg/(m3·d)，考察了3個工況下有機物、磷的去除及亞硝態氮生成情況。由圖***可知，當負荷為0.5 kg/(m3·d)時，A1格室對系統COD的去除貢獻占到了70%左右，同時由圖5b可知，經過第1第2格室后，剩余的可生化降解的有機物已經很少，可供發生反硝化反應利用的碳源已經很有限，亞硝態氮積累量處在較低的水平，同時也受碳源限制，磷的去除也僅有1 mg/L左右。隨著負荷的提升，水力停留時間縮短，有機物的去除開始向后面格室推移，0.9 kg/(m3·d)時A1格室的去除較第1階段有所下降，A2格室對COD去除貢獻率較第1階段下明顯提升，A3格室對COD的去除占比約為20%左右。該階段中，磷的去除效果也較好，且亞硝態氮的積累量在1 mg/L以下。在此負荷下，碳源大部分被反硝化除磷菌吸收為內碳源貯存在細胞體內，反硝化反應也較適宜。

3.3 顆粒污泥的形成及強化處理效能

反應器內污泥性狀的變化見圖6，在顯微鏡下觀察接種污泥，基本呈現絮狀。運行40 d后，取A3格室反硝化除磷功能區的污泥進行觀察，發現絮狀污泥中有顆粒污泥出現，但較細小，形狀不規則；第90 d時，A3格室的污泥呈亮黑色，粒徑在0.2 mm以上，且部分顆粒聚集在一起，小顆粒正逐漸聚合成大顆粒。反硝化除磷的污泥顆粒化，不僅能實現反硝化除磷低耗的特點，還能利用顆粒污泥內外環境差異強化系統厭氧缺氧環境，進一步提高了反應器處理效能。

4.除磷機理分析

從整體上看，本工藝只存在ABR厭氧和MBR好氧兩個狀態，但當考察局部單個格室ORP時如圖7所示，底部的ORP數值穩定在-200 eV左右，明顯大于格室內中部的ORP，推測是因為硝化液回流附帶了一1定的溶解氧，在ABR內形成了下部缺氧中部厭氧微環境，同時由于水力沖刷、產氣擾動作用以及重力沉降等使得污泥在厭氧缺氧區域內循環流動，此環境中反硝化除磷菌實現厭氧釋磷，缺氧吸磷。在微觀上，ABR易于形成顆粒污泥，顆粒污泥內外存在溶解氧梯度，也強化了這種厭氧缺氧交替的環境。隨著顆粒污泥的逐漸形成，在一1定程度上促進了反硝化除磷效能的提高。反硝化除磷顆粒污泥除了生物除磷作用外，還具有磷酸鹽固化于污泥顆粒方式除磷。因ABR具有良好的相分離特性，保證了微生物的多樣性，使得微生物在各自適宜的環境中生存。故在A3格室反硝化除磷功能區也可能存在適宜該類環境而可直接除磷的新型PAOs，未來還需通過高通量測序等分子生物學手段對此進行進一步論證。

03 結 論

1)采用低C/N生活污水為研究對象，考察了ABR-MBR耦合工藝脫氮除磷的可行性。控制容積負荷為0.9 kg/(m3·d)，MBR中溶解氧為1～2 mg/L，在硝化液回流比為200%的情況下，磷及總氮的去除率近70%。

2)硝化液回流比對磷的去除有顯著影響，硝化液回流比從百1分之百逐漸增加至300%時，ABR缺氧吸磷量呈現出先增大后減小的趨勢，A3格室平均缺氧吸磷量分別為1.12，3.19，2.23 mg/L。

3)本研究證明了在無污泥回流情況下，利用ABR-MBR耦合工藝實現了反硝化除磷。宏觀上，硝化液回流為ABR創造了厭氧缺氧的環境，同時又由于水力、微生物產氣、重力等綜合作用使得活性污泥在厭氧缺氧環境中循環流動；微觀上，逐漸形成的顆粒污泥內外存在著溶解氧梯度，進一步強化了厭氧缺氧的微環境。