摘要：以SBR系统反硝化除磷污泥为对象，利用氧化还原电位、溶解氧和磷酸盐微电极定量研究了污泥聚集体内除磷菌的原位除磷活性及有机物浓度的影响。结果发现，厌氧初期污泥聚集体内最大净体积释磷速率为3.29mg·（cm3·h）~1，是缺氧初期最大净体积吸磷速率的3倍左右；厌氧末期释磷速率明显降低，最大净体积释磷速率仅为厌氧初期的一半。在缺氧末期，最大净体积吸磷速率降至0.14mg·（cm3·h）~1，且在1800μm以下深层区域发生了“二次释磷”现象。随着COD浓度由350 mg·L-1降至250 mg·L-1和150 mg·L-1，反硝化除磷菌的最大净体积释磷速率由3.27 mg·（cm3·h）~1降至2.44 mg·（cm3·h）~1和2.01 mg·（cm3·h）~1，且快速吸磷区域整体向污泥聚集体表层收窄。


反硝化除磷是指在缺氧条件利用NOx-氧化胞内聚合物，同时完成反硝化脱氮和除磷的生物过程。因可“一碳两用”，具有节省碳源、降低曝气量和污泥产量的优点，成为本领域的研究热点之一。研究者通过试验研究获得了反硝化除磷的影响因素及运行参数，但大部分停留在反应器去除效能等宏观层面。


微生物活性是反应器去除效能的决定因素，有研究者利用尖端细小的微电极测定污泥基团（污泥聚集体或生物膜等）内部物质浓度的空间分布特征，获得了原位生物活性，从而为污水处理问题诊断或优化提供依据。目前，研究对象多针对脱氮系统，对除磷污泥聚集体原位生物活性的研究尚少见报道。Lee等利用磷酸盐微电极，测定了厌氧条件下污泥内的磷浓度的空间分布特性，首次揭示了除磷菌的原位生物活性。吕永涛等研究获得了污水厂A2/O工艺沿程处理单元除磷菌活性的变化规律，为污水处理参数的优化提供了一定依据。


本文在SBR系统中实现了反硝化除磷的启动与稳定运行。在此基础上，利用微电极定量研究了厌氧和缺氧段污泥聚集体内的原位除磷生物活性以及有机物浓度对释磷活性的影响，通过揭示反硝化除磷的原位生物活性，以期为系统的优化提供一定的依据。


1、材料与方法


1.1试验装置


采用圆柱形SBR反应器，内径15 cm，高34 cm，有效容积5 L，排水比为0.6.采用磁力搅拌器使泥水混合均匀，通过PLC自动控制反应器的连续运行。


1.2运行操作


反应器每天运行3个周期，单周期运行时间为8 h，具体包括：厌氧进水（3 L）5 min，厌氧搅拌164 min，沉淀排水（3 L）47 min，缺氧进水（3 L）5 min，缺氧搅拌216 min，沉淀排水（3 L）47 min.


1.3接种污泥与试验用水


反应器所用污泥取自西安某污水处理厂，接种后初始污泥浓度约为4000 mg·L-1，稳定运行期间控制SRT为15 d，污泥浓度维持在（3700±200）mg·L-1，SVI约为52.5 mL·g-1.


进水基质人工配置，厌氧段主要为乙酸钠和NaHCO3，其中COD 200——330mg·L-1，NH4+-N 10——30mg·L-1，NaHCO3200mg·L-1.缺氧段主要为KH2PO4、KNO3和NaHCO3，其中NO3--N 19.9——58mg·L-1，PO43--P 19——26mg·L-1，NaHCO3200mg·L-1.另外，每升进水中加入1 mL的微量元素，成分按文献配制。


1.4化学分析方法


氨氮采用纳氏试剂分光光度法，化学需氧量采用重铬酸钾法，亚硝氮采用N-（1-萘基）~乙二胺比色法，硝氮采用盐酸~氨基磺酸比色法，磷酸盐采用钼酸盐分光光度法，溶解氧采用哈希便携式溶氧仪。


1.5微电极系统与测试方案


1.5.1微电极及性能


采用氧化还原电位、溶解氧和磷酸盐微电极均为课题组自制。其中，氧化还原电位、溶解氧微电极尖端直径小于25μm，响应时间在65 s内，标准曲线的R2=0.995±0.002.磷酸盐微电极尖端直径约为20μm，标准曲线的R2＞0.992，响应时间小于90 s.


1.5.2微电极测试装置与方法


采用升流式测试槽，通过开启蠕动泵将厚度约为5000μm的污泥悬浮在丝状网上。30 min后，待传质稳定后开始测量。由于污泥层中的物质浓度呈对称分布，所以本试验测定0——2500μm的上层深度。


1.5.3试验方案


（1）反硝化除磷污泥聚集体的原位生物活性分别在厌氧初期（反应初始1 min）、厌氧末期（反应最后1 min）、缺氧初期（反应初始1 min）、缺氧末期（反应最后1 min）各取100 mL泥水混合液，放置在微电极测试槽里，使污泥悬浮在丝状网上，30 min后开始测定环境及物质的空间浓度。


（2）COD浓度对厌氧释磷原位活性影响厌氧反应初始1 min取泥水混合液100 mL，完成泥水分离后置于丝状网上，测试槽中分别配置COD为150、250和350 mg·L-1的基质进行微电极测试。


每个样品利用每种微电极分别测量3次，试验结果取3次试验平均值。


1.6净体积产生/消耗速率计算


根据污泥聚集体内PO43--P的空间浓度，利用Fick第二定律，计算除磷菌的净体积产生/消耗速率。其中，负值表示产生速率，正值表示消耗速率。