0 引言
随着城市化进程的加快，污水处理厂的尾水已成为河湖内氮磷的主要来源，过量的营养盐(尤其是磷)易引发水体富营养化，破坏水生态平衡。为了提高水环境质量，污水处理厂目前普遍执行一级A(GB 18918—2006)或更严格的排放标准。与此同时，由于生产的季节性波动，以及部分区域管网建设滞后，造成污水厂进水水质波动较大(例如TP)，导致处理效果不稳定。而应急性的化学除磷不但成本高昂，而且产生固废。因此，在进水磷负荷冲击下，如何最大化依靠生物除磷实现达标排放，具有重要的现实意义。
目前有关进水碳磷比对活性污泥的影响主要表现为系统除磷性能，许多学者认为低碳磷比对活性污泥系统除磷性能的提高有一定的影响。王榕等[1]发现低碳磷比时活性污泥系统对TP的去除速率均优于高碳磷比，低碳磷比有利于富集聚磷菌(PAOs), 部分PAO能够利用NO3--N和NO2--N作为电子受体实现反硝化除磷；甄建园等[2]发现适当降低碳磷比可以提高反硝化除磷系统的除磷性能，当碳磷比为30时系统除磷性能最高；彭赵旭等[3]发现在磷浓度恒定时，系统除磷性能随着碳磷比增加而显著增强，在碳源浓度恒定时，低碳磷比有助于PAOs在和聚糖菌(GAOs)的竞争中取得优势。然而，生物除磷与脱氮之间存在碳源竞争，且与污泥沉降性关系密切，但目前关于进水磷冲击对脱氮除磷、污泥沉降性等方面综合影响的研究还鲜有报道。
鉴于此，本试验以序批式活性污泥反应器(SBR)为研究对象，通过改变进水碳磷比，在以往研究系统脱氮除磷表现的基础上，探讨了污泥沉降性变化，并进一步考察了活性污泥微生物的活性及系统pH值、ORP等参数的变化，为污水厂应对进水磷波动提供理论借鉴和技术指导。
1 材料与方法
1.1 试验用水来源与水质
试验采用人工合成废水,以CH3COONa·3H2O作为碳源，NH4Cl作为氮源，KH2PO4作为磷源，投加NaHCO3补充废水碱度，投加CaCl2·2H2O和MgSO4以满足活性污泥微生物生长所需的营养要求。合成废水成分及水质参数如表1所示。
表1 合成废水成分及水质
Table 1 Composition and quality of synthetic wastewater
投加药剂投加量/(mg·L-1)水质成分质量浓度/(mg·L-1)CH3COONa·3H2O663.80COD326.9NH4Cl166.90NH4+-N43.7KH2PO434.98～87.44PO43--P8.0～20.0NaHCO3375.00碱度400.0CaCl2·2H2O40.00MgSO480.00
注：质量浓度为投加药剂后水质成分的质量浓度。
1.2 试验装置及方法
采用SBR进行试验。反应器上部为圆柱体，下部为圆锥体，总有效容积为12 L(图1)。反应器垂直方向设置一排间隔10 cm的取样口，底部设有放空管。以曝气砂头作为微孔曝气器，由转子流量计调节曝气量，恒温加热器将温度控制在(21±1)℃，pH值、DO、ORP探头置于反应器内，在线监测各参数变化。好氧末期排放污泥混合液100 mL，以使混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度保持在1 800～2 700 mg/L。
1—pH测定仪；2—加热棒插头；3—pH探头；4—加热棒；5—转速调节器； 6—ORP测定仪；7—DO测定仪；8—DO探头；9—ORP探头；10—取样口； 11—曝气泵；12—转子流量计；13—曝气口；14—放空阀。
图1 SBR反应装置
Figure 1 SBR reaction equipment
1.3 技术路线
试验污泥取自中试规模厌氧-缺氧-好氧(AAO)反应器，处于丝状菌膨胀状态，其污泥容积指数(SVI)为335.38 mL/g, MLSS的质量浓度为2 773 mg/L。试验共运行4个阶段142个周期，在进水COD、NH4+-N浓度不变的情况下，通过调节PO43--P来改变碳磷比，进而考察了磷冲击对活性污泥系统的影响。具体方式如表2所示。每个周期的运行模式均为首先脉冲进水3 L，其次厌氧混合0.5 h,好氧曝气2 h,静置沉淀0.5 h,滗水排放1 h,闲置待机4 h。
表2 不同试验阶段的运行模式
Table 2 Operation mode of different test stages
阶段碳磷比运行周期/个1330/81～392330/1240～723330/1673～1054330/20106～142
1.4 检测分析项目
COD、MLSS、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLVSS(混合液挥发性悬浮固体浓度)、SV(污泥沉降比)、SVI、和PO43--P等均采用国家标准方法测定，利用WTW Multi 340i DO仪监测系统厌氧和好氧阶段的DO、pH和ORP，利用光学显微镜OLYMPUS BX51观察微生物形态。比释磷量和比吸磷量分别按照式(1)、(2)进行计算，比释磷(比吸磷)速率按照式(3)计算：
(1)
(2)
(3)
式中：Kr为比释磷量，mg/g；Ka为比吸磷量，mg/g；c1为厌氧初混合液磷质量浓度，mg/L；c2为厌氧末混合液磷质量浓度，mg/L；c3为好氧初混合液磷质量浓度，mg/L；c4为好氧末混合液磷质量浓度，mg/L；V为混合液体积，L；c(MLSS)为混合液污泥质量浓度，mg/L；Ur/a为比释磷(比吸磷)速率，mg/(g·min)；T为释磷(吸磷)时间，min。
反硝化和厌氧释磷消耗COD的量为
CH2O+0.5CH10/6O5/6+(0.25+αPAOs)HPO3+(αPAOs-0.617)H2O→(0.25+αPAOs)H3PO3+1.33CH1.5O0.5+0.167CO2。
反硝化1 g硝酸盐为N2需要2.86 g COD，考虑到同化作用，实际需要8.67 g COD。转化1 g亚硝酸盐为氮气，考虑到同化作用实际需要5.20 g COD[4]。
2 结果与讨论
2.1 磷冲击负荷对污泥沉降性能的影响
试验中SVI的平均变化速率随碳磷比的降低而减小(图2)。相关性分析发现，好氧段的比吸磷量与SVI平均变化速率呈极显著负相关(R2为-0.985)。SVI平均变化速率降低意味着污泥沉降性趋于稳定，聚磷菌(PAOs)活性较高，可以更好地进行释磷和吸磷，因此好氧段的比吸磷量呈增加趋势[5]。
图2 不同碳磷比下反应器SVI值
Figure 2 SVI in the reactor at different carbon-phosphorus ratios
2.2 磷冲击负荷对脱氮除磷的影响
生物除磷系统中除PAOs以外，还存在代谢过程与PAOs类似的聚糖菌(GAOs)，但GAOs的代谢过程中没有磷参与[6]，仅消耗外界碳源，因此GAOs的存在会与PAOs竞争进水中的碳源[7]，从而导致PAOs的生长及活性受到限制。不同的碳磷比会影响PAOs和GAOs的竞争关系，进而影响污水生物处理系统的稳定性和污染物去除效果。图3为不同碳磷比下反应器比释磷(比吸磷)量。当碳磷比分别为330/8、330/12、330/16、330/20时，厌氧段比释磷量分别为4.157、5.779、7.882、8.074 mg/g，好氧段比吸磷量分别为9.502、11.701、11.001、17.764 mg/g。在外界碳源含量相同时，系统中释磷量和吸磷量均随着碳磷比降低呈升高趋势。在第3到第4阶段，厌氧段释磷量的少量上升就会引起好氧段吸磷量的大量增加。研究表明，系统中磷负荷越高，PAOs相对GAOs在系统中越占据竞争优势，除磷效果也越好[8]。本试验中随着碳磷比降低，PAOs富集且活性增强，在厌氧阶段能竞争到更多的外部能量用于合成体内的PHA，使好氧阶段可利用的PHA较多，从而为大量吸磷提供了能量保证，最终表现为较高的除磷效率。
图3 不同碳磷比下反应器比释磷/比吸磷量
Figure 3 Phosphorus release and phosphorus absorption in the reactor at different carbon-phosphorus ratios
好氧段平均DO质量浓度与好氧段比吸磷速率、厌氧段比释磷速率及好氧段比硝化速率之间也呈负相关，R2分别为-0.832、-0.950、-0.890，如图4所示。随着系统磷含量增加，微生物活性增强，耗氧量相应增加，造成溶解氧下降。PAOs好氧吸磷速率是由厌氧释磷速率决定的，厌氧阶段释磷速率高，磷释放量较大，聚磷菌体内合成的PHB增多，那么在好氧阶段由于分解PHB而合成的聚磷酸盐速率就较高[9]。而当PAOs富集后生物除磷利用了更多的有机物，为自养硝化菌的生长创造了更好的环境，因此，比硝化速率也随之增加[10]。
图4 不同碳磷比下反应器脱氮除磷速率变化
Figure 4 Changes of nitrogen and phosphorus removal rate at different carbon-phosphorus ratios
2.3 磷冲击负荷对去除有机物的影响
反硝化过程是反硝化菌将硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气。反硝化菌是一类化能异养兼性厌氧细菌，在无氧时可利用有机物做电子供体进行反硝化作用[11]。分别计算反硝化和释磷消耗的COD，发现进水碳磷比与比厌氧释磷消耗的COD呈线性相关，如图5所示，表明增加进水磷含量将提升厌氧段释磷所消耗的COD，废水中有机物也消耗得越充分。且在系统中由厌氧释磷消耗的COD远高于由反硝化消耗的COD，这说明大部分的COD在厌氧阶段被用来除磷，这与王文琪等[12]的研究结果一致。
图5 不同碳磷比下反应器消耗COD的量
Figure 5 COD utilization in the reactor at different carbon-phosphorus ratios
2.4 磷冲击负荷对pH值、ORP、DO的影响
在厌氧阶段，系统中的pH值持续缓慢下降，在厌氧期末达到谷点，如图6(a)所示，主要是由聚磷酸盐在厌氧条件下释放PO43--P和有机物水解酸化所致。经相关性分析，pH值的下降速率与厌氧段比释磷速率密切相关(R2为0.667)。好氧阶段初期PAOs吸磷，且异养菌好氧呼吸产生的CO2不断被吹脱，pH值持续上升，随后由于硝化过程消耗碱度，pH值上升趋势减缓，并在好氧段末期保持稳定[13]。在厌氧阶段，DO曲线趋近于零，如图6(b)所示，好氧阶段前期DO质量浓度仍未上升，主要原因是曝气后DO被吸附的有机物消耗了。好氧阶段中后期吸附的有机物完成分解，DO质量浓度逐渐上升。ORP曲线在厌氧阶段下降速率先快后慢，如图6(c)所示，分别对应了反硝化和释磷过程。至厌氧结束时ORP降至谷点，释磷量达到最大[14]。随后在好氧阶段由于DO含量升高，ORP曲线不断上升，并且上升途中形成2个平台期。在好氧初期，因异氧菌降解吸附的有机物，DO质量浓度难以升高，导致ORP缓慢增加形成小平台期。当吸附的有机物被降解完，耗氧速率下降，DO质量浓度加速升高，ORP曲线也随之跃迁形成大平台。由此可见，厌氧段在线监测ORP有利于严格控制厌氧释磷条件[15]。
图6 不同碳磷比下pH值、DO质量浓度和ORP值
Figure 6 Values of pH，DO and ORP at different carbon-phosphorus ratios
3 结论
(1)进水COD恒定，磷浓度升高引起碳磷比下降时，厌氧(好氧)运行的活性污泥系统会强化厌氧释磷对有机物的吸收，进而提高PAOs活性，改善污泥沉降性。同时好氧段较少的有机物为自养硝化菌创造了良好生长环境，提高比硝化速率。
(2)通过分析pH值、ORP、DO曲线的变化趋势，能够间接掌握系统脱氮除磷进程。厌氧阶段pH值的下降速率与聚磷菌释磷速率相关，ORP下降的最低点与释磷量最高点对应。好氧阶段ORP曲线出现2个平台期，中间的过渡段与DO突跃期对应，指示耗氧物质降解结束。
(3)本研究集中于进水磷浓度长期冲击对系统的综合影响，短期间歇性冲击的影响特点，还需要进一步研究。
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