目前，國內(nèi)外水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，因此為保護(hù)水資源，點(diǎn)源污水中的營養(yǎng)元素氮和磷必須去除[1]. 然而，污水生物脫氮除磷過程較復(fù)雜，其中涉及BOD降解、 硝化、 反硝化、 釋磷以及吸磷等多個生化反應(yīng)，且各個反應(yīng)過程對微生物組成及含量、 底物類型及環(huán)境條件的要求均不相同[2]. 因此在連續(xù)流單污泥污水生物處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步脫氮和除磷，將不可避免地產(chǎn)生多種矛盾關(guān)系，其中以聚磷菌(phosphate-accumulating organisms，PAOs)和反硝化菌碳源競爭的矛盾最為突出[3]. 大量的研究和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵是缺氧段的反硝化過程，且對于處理低碳氮比污水的系統(tǒng)來說，該段的吸磷過程同樣重要[4-11]. 因此，對于以連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)為處理工藝主體的污水廠來說，為保證其運(yùn)行效果，需具備以下3個條件：①可充分利用缺氧段反硝化潛力; ②可最大程度地刺激反硝化菌以聚β羥基丁酸為碳源進(jìn)行硝酸鹽呼吸; ③提高出水穩(wěn)定性. 城市污水處理廠的運(yùn)行實(shí)踐表明，建立過程控制系統(tǒng)可保證出水的穩(wěn)定性[12-15]. 因此，為滿足上述3個條件，構(gòu)建反硝化吸磷過程控制系統(tǒng)至關(guān)重要，這則要求開發(fā)可測、 可控的參數(shù).
根據(jù)活性污泥反應(yīng)動力學(xué)模型2d：
是缺氧段反硝化速率和吸磷速率方程式的開關(guān)函數(shù)，式中，SO2為主缺氧段溶解氧(dissolved oxygen，DO)濃度，SNO3為主缺氧段硝酸鹽氮濃度，KO2為DO半飽和常數(shù)(IWA專家組推薦該值取0.2 mg ·L-1)，KNO3為硝酸鹽氮半飽和常數(shù)(IWA專家組推薦該值取0.5 mg ·L-1)[16]. 由此開關(guān)函數(shù)可知，主缺氧段的反硝化速率受該段DO和硝酸鹽氮濃度的影響.
在構(gòu)建污水生物處理過程控制系統(tǒng)時，控制參數(shù)的可實(shí)時、 穩(wěn)定、 準(zhǔn)確地檢測是至關(guān)重要的. 雖然主缺氧段硝酸鹽氮濃度可作為連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)[17,18]，但硝酸鹽在線測定儀維護(hù)較困難，且檢測精度有待提高. 而DO濃度是否可作為缺氧段反應(yīng)過程的控制參數(shù)至今沒有研究報道，且DO在線測定儀在低氧濃度條件下的靈敏度和準(zhǔn)確度較差. 因此，硝酸鹽在線測定儀和DO在線測定儀均不適合用作缺氧段反應(yīng)過程控制系統(tǒng)的檢測儀器. 而有研究結(jié)果表明，主缺氧段DO濃度和硝酸鹽氮濃度可用氧化還原電位(oxidation reduction potential，ORP)間接表征，該值與硝酸鹽濃度、 DO濃度之間存在著密切的相關(guān)關(guān)系[19]. ORP在線檢測器具有在線檢測、 響應(yīng)快、 控制精度高、 便于接入計算機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，并已大量應(yīng)用，尤其在間歇式活性污泥工藝中獲得了最為廣泛地應(yīng)用[20-23]. 此外，從微生物生理生態(tài)學(xué)角度來說，ORP是表征污水生物處理過程氧化還原能力的變量，調(diào)節(jié)該值可控制細(xì)胞內(nèi)氧化還原物質(zhì)的含量進(jìn)而改變物質(zhì)的代謝途徑[24-27]，且作為生態(tài)因子，每種微生物均具有適宜的ORP范圍. 本研究考察了連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)在不同的主缺氧段ORP(ORPm)條件下運(yùn)行時的脫氮除磷性能，并基于物料平衡分析，揭示ORPm與氮磷轉(zhuǎn)化的關(guān)系，通過評價用該參數(shù)調(diào)控脫氮除磷系統(tǒng)性能的可行性，以期為優(yōu)化連續(xù)流單污泥污水脫氮除磷系統(tǒng)的運(yùn)行提供理論基礎(chǔ). 1 材料與方法 1.1 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)系統(tǒng)安裝于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，工藝流程及裝置見圖 1. 該系統(tǒng)由污水箱(L×B×H=70 cm×80 cm×50 cm)、 連續(xù)流單污泥脫氮除磷反應(yīng)器(L×B×H=75 cm×30 cm×45 cm)、 沉淀池(其中沉淀區(qū)：直徑Φ=40 cm，深度H=25 cm)以及自動控制系統(tǒng)4部分組成. 污水箱內(nèi)裝有攪拌器以保證污水水質(zhì)均勻，并裝有自動調(diào)溫器以保持水溫恒定. 連續(xù)流單污泥脫氮除磷反應(yīng)器為雙廊道矩形反應(yīng)器，分為4個反應(yīng)段，分別為厭氧段(L×B×H=30 cm×15 cm×45 cm，anaerobic stage，ANS)、 預(yù)缺氧段(L×B×H=15 cm×15 cm×45 cm，pre-anoxic stage，PAnS)、 主要缺氧段(L×B×H=30 cm×15 cm×45 cm，main anoxic stage，MAnS)、 好氧段(L×B×H=75 cm×15 cm×45 cm，aerobic stage，AS). 厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段中均設(shè)有攪拌器，以保證污泥和污水充分接觸. 空氣由鼓風(fēng)機(jī)壓縮至安裝于好氧段的擴(kuò)散器，供氧的同時攪拌混合液使活性污泥處于懸浮狀態(tài). 沉淀池中設(shè)有低速旋轉(zhuǎn)的刮泥機(jī).
為了控制ORPm、 好氧段DO及pH值，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)有過程控制系統(tǒng). 該過程控制系統(tǒng)由計算機(jī)、 可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、 在線測定儀以及電動調(diào)節(jié)閥組成，采用反饋控制結(jié)構(gòu)對運(yùn)行過程和環(huán)境進(jìn)行控制. 其中檢測器ORP在線測定儀安裝于主缺氧段，DO在線測定儀和pH在線測定儀安裝于好氧段.
1.模擬城市污水; 2.污水箱; 3.厭氧段; 4.預(yù)缺氧段; 5.主缺氧段; 6.好氧段; 7.沉淀池; 8.出水; 9.剩余污泥排放; 10.NaHCO3溶液貯池; 11.溫度自動調(diào)節(jié)裝置; 12.蠕動泵; 13.空氣擴(kuò)散器; 14. 電動磁力攪拌器; 15.ORP在線測定儀; 16.電動調(diào)節(jié)閥; 17.空氣壓縮機(jī); 18.DO在線測定儀; 19.pH在線測定儀; 20.計算機(jī); 21.可編程邏輯控制器; 22.混合液內(nèi)循環(huán); 23.硝化液內(nèi)循環(huán); 24.污泥回流圖
?1 試驗(yàn)系統(tǒng)流程示意
1.2 試驗(yàn)污水與污泥
試驗(yàn)以模擬城市污水為考察對象，污染物質(zhì)成分與濃度參照長春市政污水處理系統(tǒng)生化池進(jìn)水確定. 污水以全脂奶粉和啤酒廢水為有機(jī)碳源. 全脂奶粉和啤酒廢水是常見的人工配置污水的碳源[28-34]，二者混合后，所含有機(jī)物成分、 有機(jī)氮含量及其可生化性更接近于污水處理廠生化池進(jìn)水(經(jīng)水解酸化池預(yù)處理). 以氯化銨為氮源，以磷酸二氫鉀為磷源; 為中和硝化反應(yīng)釋放的酸度而投加碳酸氫鈉，其投加量由PLC控制系統(tǒng)自動調(diào)控; 為滿足聚磷菌吸磷代謝過程中對鎂離子和鈣離子的需求而投加硫酸鎂和氯化鈣; 為滿足活性污泥微生物生長繁殖的營養(yǎng)需要，投加微量營養(yǎng)元素液. 各藥劑投加濃度及污水水質(zhì)特性見表 1.
接種污泥取自長春市北郊污水處理廠，該廠以改良厭氧/缺氧/好氧(anaerobic/anoxic/aerobic，A2/O)工藝為主體，于2006年建成投產(chǎn). 將接種污泥投加到連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)中，啟動運(yùn)行. 20 d后，系統(tǒng)內(nèi)混合液懸浮固體濃度(mixed liquor suspended solids，MLSS)基本保持不變，系統(tǒng)脫氮除磷效果較好且穩(wěn)定，這說明活性污泥已培馴成熟，可開始取樣跟蹤測定，進(jìn)行試驗(yàn)研究.
表 1 試驗(yàn)?zāi)M城市污水試劑及水質(zhì)特性
1.3 試驗(yàn)方案
為了評價ORPm作為連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)運(yùn)行控制參數(shù)的可行性，分別在不同的ORPm設(shè)定值條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究. 根據(jù)研究報道，缺氧段ORP與該段DO和硝酸鹽氮濃度密切相關(guān)，而DO和硝酸鹽均通過硝化液內(nèi)循環(huán)由好氧段回流至主缺氧段(硝化液內(nèi)循環(huán))，所以調(diào)節(jié)硝化液內(nèi)循環(huán)流量可控制ORPm. 試驗(yàn)期間，ORPm采用自動控制系統(tǒng)調(diào)控. 該控制系統(tǒng)采用反饋控制結(jié)構(gòu)，以硝化液內(nèi)循環(huán)流量作為被控變量，以電動調(diào)節(jié)閥門為執(zhí)行器，控制過程如下：安裝于主缺氧段的ORP在線測定儀檢測ORPm值并將其傳輸至計算機(jī)的數(shù)據(jù)采集卡后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入PLC內(nèi); 在PLC內(nèi)將該值與ORPm設(shè)定值進(jìn)行比例、 積分、 微分計算控制，然后給出輸出值調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥以改變硝化液內(nèi)循環(huán)流量，進(jìn)而控制ORPm. 根據(jù)自動控制系統(tǒng)ORPm設(shè)定值的不同，試驗(yàn)共分為6個階段，每階段該值分別為-143、 -123、 -105、 -95、 -72和-57 mV. 試驗(yàn)每階段運(yùn)行2~3個污泥齡(solid retention time，SRT)，共進(jìn)行200 d. 試驗(yàn)期間，除改變ORPm設(shè)定值及硝化液內(nèi)循環(huán)流量以外，其他運(yùn)行參數(shù)保持不變. 進(jìn)水流量為10 L ·h-1，水力停留時間(hydraulic retention time，HRT)為9h; 混合液內(nèi)循環(huán)流量(混合液由預(yù)缺氧段回流至厭氧段)為10 L ·h-1，污泥回流量為5 L ·h-1; MLSS、 COD (chemical oxygen demand)污泥負(fù)荷、 總氮(total nitrogen，TN) 污泥負(fù)荷以及總磷(total phosphorus，TP)污泥負(fù)荷分別維持為1.76g ·L-1(厭氧段)、 0.253 kg ·(kg ·d)-1、 0.049 kg ·(kg ·d)-1和0.006 kg ·(kg ·d)-1. 采用水力學(xué)方法控制污泥齡為12 d. 當(dāng)氣溫較高時(夏秋季節(jié))，試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，水溫約為20~25℃; 當(dāng)氣溫較低時(冬春季節(jié))，則利用安裝于污水箱內(nèi)的溫度自動調(diào)節(jié)裝置將其升高至(20±1)℃. 1.4 分析方法
試驗(yàn)期間每天檢測各項水質(zhì)指標(biāo). 水樣從連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的不同反應(yīng)段收集，由離心機(jī)離心后取上清液測定. 檢測指標(biāo)包括：TN、 NH4+-N、 NO3--N、 TP、 COD、 五日生物化學(xué)需氧量(biochemical oxygen demand，BOD5)、 MLSS等. 上述指標(biāo)均采用國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法檢測. 采用WTW-pH/OXi340便攜式在線測定儀檢測厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段DO濃度.
為了評價氮磷物質(zhì)去除性能，并揭示不同ORPm設(shè)定值條件下氮、 磷的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，分別以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用物料平衡原理，基于各段氮磷物質(zhì)濃度的測定值計算各段物質(zhì)轉(zhuǎn)化量. 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時各反應(yīng)段內(nèi)物質(zhì)的積累量為0，因此各段的物質(zhì)反應(yīng)量可按如下公式計算.
厭氧段：
預(yù)缺氧段：
主缺氧段：
好氧段：
式中，MARe,ANS、 MARe,PAnS、 MARe,MAnS、 MARe,AS分別表示厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段物質(zhì)轉(zhuǎn)化量，mg ·h-1; Q表示反應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)水流量，L ·h-1; r表示從預(yù)缺氧段向厭氧段回流的混合液循環(huán)比; s表示污泥回流比; a表示從好氧段向主缺氧段回流的硝化液循環(huán)比; MAin、 MAANS、 MAPAnS、 MAMAnS、 MAAS、 MAEFF分別表示進(jìn)水、 厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段、 好氧段以及出水物質(zhì)的濃度，mg ·L-1. 因水樣經(jīng)離心機(jī)離心后測定，好氧段出水水質(zhì)與沉淀池基本相同，所以將好氧段出水各水質(zhì)指標(biāo)濃度作為系統(tǒng)出水濃度，即MAEFF=MAAS. 2 結(jié)果與分析
試驗(yàn)期間，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)對COD和BOD5的去除率超過90%，且保持穩(wěn)定，與ORPm設(shè)定值的變化無關(guān)，即調(diào)控ORPm對有機(jī)污染物質(zhì)的降解過程影響較小，因此不進(jìn)行討論. 2.1 ORPm設(shè)定值與連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的脫氮性能
試驗(yàn)期間，不同ORPm設(shè)定值條件下，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)各段氨氮、 TN、 硝酸鹽氮的變化規(guī)律見圖 2~4. 從圖 2中可以看出，在不同ORPm設(shè)定值條件下，出水氨氮濃度穩(wěn)定在2.15 mg ·L-1左右，即ORPm對氨氮去除效果無影響. 從圖 3和4中可以看出，ORPm設(shè)定值對出水硝酸鹽氮和總氮濃度產(chǎn)生了明顯的影響. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時，出水硝酸鹽濃度分別為18.44、 17.07、 12.51、 11.17、 11.77和12.39 mg ·L-1，出水TN濃度分別為20.90、 19.54、 15.97、 13.70、 14.21和16.39 mg ·L-1，也就是說，對反硝化性能和脫氮性能來說，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)存在最佳的ORPm設(shè)定值.
誤差棒長度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 2 試驗(yàn)期間NH4+-N變化規(guī)律
誤差棒長度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 3 試驗(yàn)期間NO3--N變化規(guī)律
誤差棒長度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 4 試驗(yàn)期間TN變化規(guī)律
2.2 ORPm設(shè)定值與連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的除磷性能
圖 5給出了試驗(yàn)期間各段TP濃度的變化規(guī)律. 從中可以看出，厭氧段TP濃度最高，從預(yù)缺氧段開始下降，直至好氧段降至最低. 從中還可以看出，出水TP濃度隨ORPm設(shè)定值增加而改變. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時，出水TP濃度分別為3.14、 2.30、 0.64、 0.50、 0.65以及0.86 mg ·L-1，也就是說，對除磷性能來說，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)存在最佳的ORPm設(shè)定值.
誤差棒長度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 5 試驗(yàn)期間TP變化規(guī)律
3 討論
3.1 ORPm設(shè)定值與硝化性能
從圖 2中還可看出，氨氮濃度降低主要發(fā)生在主缺氧段和好氧段. 由于硝化液內(nèi)循環(huán)對氨氮產(chǎn)生了明顯的稀釋、 混合作用，導(dǎo)致主缺氧段氨氮濃度大幅降低. 而氨氮的轉(zhuǎn)化則在好氧段內(nèi)通過自養(yǎng)菌的硝化反應(yīng)完成. 出水較低的氨氮濃度說明在好氧段發(fā)生了明顯的硝化反應(yīng)，這說明，在本試驗(yàn)條件下，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)具備了硝化細(xì)菌生長繁殖的生態(tài)條件：①進(jìn)水中的COD一部分被聚磷菌的釋磷反應(yīng)利用，另一部分被預(yù)缺氧段和主缺氧段的反硝化反應(yīng)利用，所以進(jìn)入好氧段的COD濃度較低. ②好氧段pH值由自動控制系統(tǒng)調(diào)控為7.0±0.5，硝化反應(yīng)所需堿度充足. 好氧段pH值自動控制系統(tǒng)與ORPm自動控制系統(tǒng)相同，也采用反饋控制結(jié)構(gòu)，pH設(shè)定值為7.0，被控變量為NaHCO3投加量. ③好氧段DO濃度由自動控制系統(tǒng)控制為(2.0±0.5)mg ·L-1，硝化反應(yīng)所需電子受體充足. 好氧段DO自動控制系統(tǒng)與OPRm、 pH值自動控制系統(tǒng)相同，采用反饋控制結(jié)構(gòu)，DO設(shè)定值為2.0mg ·L-1，被控變量為空氣壓縮機(jī)的供氣量. 試驗(yàn)結(jié)果表明，ORPm設(shè)定值對好氧段的硝化性能基本無影響. 3.2 ORPm設(shè)定值與反硝化性能
為揭示系統(tǒng)中氮的物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律，對出水各形態(tài)氮的百分含量進(jìn)行了計算，并以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用公式(1)~(4)，
對TN進(jìn)行物料平衡計算，結(jié)果分別見圖 6和圖 7. 從圖 6中可以看出，出水中的氮主要以硝酸鹽氮為主，TN濃度變化由硝酸鹽氮引起. 從圖 7中可以看出，試驗(yàn)期間，TN在主缺氧段的去除量最大，且不同ORPm設(shè)定值條件下，該段TN去除量差別明顯，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時，達(dá)到最大值.
圖 6 出水中各種形態(tài)氮所占比例
圖 7 各反應(yīng)段 TN轉(zhuǎn)化量
根據(jù)生物脫氮基本原理，污水中氮的去除由3個反應(yīng)過程共同完成：氨化作用、 硝化作用、 反硝化作用，其中氨化作用和硝化作用改變了氮的存在形態(tài)，而反硝化作用則將氮從污水中去除，也就是說，氮的去除主要在主缺氧段實(shí)現(xiàn)，因此主缺氧段硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化量將決定TN的去除量. 為進(jìn)一步闡明TN去除量與硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化的關(guān)系，分別以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用公式(1)~(4)，對硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化量進(jìn)行了計算，結(jié)果見表 2. 從中可以看出，主缺氧段硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化量隨著ORPm設(shè)定值的升高而變化. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時，該反應(yīng)量分別為214.40、 235.16、 241.16、 244.02、 240.90以及233.65 mg ·h-1，即當(dāng)ORPm設(shè)定值較低時，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化量隨著該值的升高而升高，當(dāng)ORPm設(shè)定值增加至一定值時(-95 mV)時，硝酸鹽氮反應(yīng)量達(dá)到峰值，其后，即使ORPm設(shè)定值再升高，硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化量也保持穩(wěn)定，甚至稍有降低，這與TN的變化規(guī)律相似. 試驗(yàn)結(jié)果說明，對連 續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的反硝化性能來說，主缺氧段存在最佳的ORPm設(shè)定值.
表 2 各反應(yīng)段硝酸鹽氮和總磷的反應(yīng)量
ORP 是表征污水處理系統(tǒng)環(huán)境條件的參數(shù). 從微觀角度來說，活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)、 優(yōu)勢菌群的動態(tài)變化與其生存環(huán)境的ORP密切相關(guān)，即活性污泥中特定的優(yōu)勢微生物有其適宜ORP 范圍[27]. 另有研究表明，調(diào)控ORP值可使微生物新陳代謝過程中的NADH/NAD+和NADPH/NADP+的含量發(fā)生改變，并激活某些關(guān)鍵酶，進(jìn)而改變物質(zhì)的代謝網(wǎng)絡(luò)，促使微生物沿著目標(biāo)代謝途徑完成同化反應(yīng)和異化反應(yīng)[27]. 結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時，主缺氧段硝酸鹽氮和TN轉(zhuǎn)化量均達(dá)到峰值，說明該ORPm設(shè)定值在反硝化細(xì)菌適宜ORP范圍內(nèi)，在此氧化還原條件下，硝酸鹽還原酶活性可得到最大程度地激活. 該值與Peng等的研究成果基本一致[19].
從宏觀角度來說，主缺氧段ORPm設(shè)定值與該段DO濃度、 硝酸鹽濃度密切相關(guān)[19]. 試驗(yàn)期間主缺氧段DO濃度檢測結(jié)果見圖 8. 從中可以看出，主缺氧段DO濃度在0.08~0.09 mg ·L-1范圍內(nèi)，變化較小. 因此，ORPm設(shè)定值在一定程度上反映了硝酸鹽氮的水平，即硝酸鹽氮濃度越高，則ORPm也越高，這從圖 3中也可以看出. 王曉玲等[17]和Musvoto等[18]的研究表明，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)主缺氧段的反硝化作用受硝酸鹽氮濃度的影響. 為最大程度地利用主缺氧段的反硝化潛力，需保證該段含有充足的硝酸鹽氮，但硝酸鹽氮濃度不宜過低或?yàn)榱阋膊灰诉^高，即存在最佳的硝酸鹽氮濃度值，相應(yīng)地ORPm也將存在最佳值. 若該段硝酸鹽氮濃度控制在大于零的較低值范圍內(nèi)變化，即ORPm設(shè)定值在-140~-95 mV之間時，隨著ORPm設(shè)定值的升高，主缺氧段反硝化過程越來越充分，脫氮性能逐漸增強(qiáng); 但當(dāng)硝酸鹽氮濃度較高，即ORPm設(shè)定值大于-95 mV時，為達(dá)到該值所需的硝化液內(nèi)循環(huán)流量增大，則使：①進(jìn)入主缺氧段的DO量升高消耗更多的碳源(即使缺氧段DO濃度未發(fā)生變化); ②混合液在主缺氧段的實(shí)際水力停留時間縮短. 這終將導(dǎo)致反硝化作用不能充分實(shí)現(xiàn).
誤差棒長度表示±1.03乘以標(biāo)準(zhǔn)方差 (n=20,P=0.68)圖 8 試驗(yàn)期間DO濃度變化規(guī)律
綜上分析可知，在連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)中，必將存在適宜的ORPm使系統(tǒng)具有最佳的脫氮性能. 在本試驗(yàn)條件下，該設(shè)定值為-95 mV. 3.3 ORPm設(shè)定值與釋磷過程
有研究結(jié)果表明，厭氧釋磷反應(yīng)是生物除磷的關(guān)鍵過程，除磷效果由其決定. 根據(jù)研究報道，硝酸鹽氮若進(jìn)入?yún)捬醵危聪趸途哿拙鷦t將競爭污水中的有機(jī)碳源，且聚磷菌在競爭中處于劣勢[35]，這將直接導(dǎo)致被聚磷菌吸收、 貯存的有機(jī)碳源減少，使系統(tǒng)的除磷容量大大降低. 為了分析和評價不同ORPm設(shè)定值條件下連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的除磷性能，基于物料平衡原理，分別以厭氧段、 預(yù)缺氧段、 主缺氧段、 以及好氧段為系統(tǒng)邊界，利用公式(1)~(4)，對TP的轉(zhuǎn)化量進(jìn)行了計算，結(jié)果見表 2. 活性污泥中的磷以兩種狀態(tài)存在：一種為細(xì)胞物質(zhì)組成成分，另一種為聚磷菌體內(nèi)貯存的聚磷. 根據(jù)活性污泥微生物細(xì)胞物質(zhì)經(jīng)驗(yàn)分子式，在細(xì)胞物質(zhì)中，磷(不包括聚磷)的含量約為1.5%~2.0%[36]，因此在物料平衡分析過程中忽略用于合成細(xì)胞物質(zhì)的磷量.
從表 2中可以看出，當(dāng)ORPm設(shè)定值分別為-143 mV和-123 mV時，因系統(tǒng)出水硝酸鹽氮濃度較高，所以隨污泥回流至預(yù)缺氧段的硝酸鹽氮較多，以致超過了該段的反硝化潛力，使得該段出水中含有硝酸鹽氮，并隨混合液回流至厭氧段，最終對該段的釋磷量(該量分別為214.12 mg ·h-1和228.64 mg ·h-1)產(chǎn)生明顯影響. 當(dāng)ORPm設(shè)定值分別為-105、 -95、 -72和-57 mV時，出水硝酸鹽氮濃度較低，進(jìn)入預(yù)缺氧段的硝酸鹽氮量低于該段的反硝化潛力，所以該段出水硝酸鹽氮濃度為0，對厭氧段的釋磷過程不產(chǎn)生影響，釋磷量有所提高，分別為-259.26、 -264.54、 -256.92和-252.84 mg ·h-1. 試驗(yàn)和物料平衡計算結(jié)果說明，ORPm設(shè)定值對厭氧釋磷過程也產(chǎn)生了一定的影響，但該影響是間接產(chǎn)生的. 3.4 ORPm設(shè)定值與缺氧吸磷性能
從表 2中還可以看出，總吸磷量的變化規(guī)律與釋磷量相同. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時，總吸磷量分別為252.15、 275.85、 332.25、 338.10、 336.15以及324.30 mg ·h-1. 試驗(yàn)結(jié)果和物料平衡分析表明，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)可獲得最佳的除磷性能.
不同ORPm設(shè)定值條件下好氧吸磷量、 缺氧吸磷量的物料平衡計算結(jié)果也在表 2中表示. 從中可以看出，缺氧吸磷量隨著ORPm設(shè)定值的變化而改變. 當(dāng)ORPm設(shè)定值由-143 mV增加至-57 mV時，缺氧吸磷量分別為30.27、 62.14、 124.58、 154.41、 150.41以及138.30 mg ·h-1. 分析試驗(yàn)結(jié)果可知，連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)中，大部分COD在厭氧段被聚磷菌轉(zhuǎn)化成聚β羥基丁酸貯存[37]，再加上預(yù)缺氧段活性污泥中的反硝化菌也利用COD進(jìn)行硝酸鹽呼吸，所以進(jìn)入主缺氧段的COD量較低，因此該段反硝化過程的主要供氫體是聚β羥基丁酸，即反硝化聚磷菌的反硝化作用占有優(yōu)勢，在還原硝酸鹽氮的同時，大量的磷也被吸收. 從表 2中可以看出，當(dāng)ORPm設(shè)定值為-95 mV時，硝酸鹽反應(yīng)量達(dá)到最高值244.02 mg ·h-1，該段的吸磷量也達(dá)到最大值154.41 mg ·h-1，系統(tǒng)的反硝化吸磷性能達(dá)到最佳.
綜上，在ORPm設(shè)定值為-95 mV的缺氧環(huán)境條件下，反硝化菌以聚β羥基丁酸為碳源進(jìn)行硝酸鹽呼吸的活性最高.具體參見 污水處理技術(shù)資料或污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。
4 結(jié)論
(1) ORPm對氨氮去除沒有影響，而對出水硝酸鹽和TN濃度的影響較大，在ORPm設(shè)定值為-95 mV時，氨氮、 TN、 TP的去除效果均最佳.
(2)主缺氧段ORPm設(shè)定值對該段TN去除量和硝酸鹽反應(yīng)量影響較大，在ORPm設(shè)定值為-95 mV時，兩者均達(dá)到最大值.
(3)在ORPm設(shè)定值控制為-95 mV的缺氧環(huán)境狀態(tài)下，反硝化菌具有最佳的吸磷性能，該菌以聚β羥基丁酸為碳源進(jìn)行新陳代謝反應(yīng).
(4) ORPm設(shè)定值可作為連續(xù)流單污泥脫氮除磷系統(tǒng)的控制參數(shù)，并可以其為控制變量建立缺氧段反應(yīng)過程控制系統(tǒng).(來源及作者：吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王曉玲、宋鐵紅、吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院 殷寶勇、李靜文、李紫棋?、余勇)
