2结果与讨论


2.1 SBR系统反硝化除磷的启动与运行性能


通过逐步提升进水COD、PO43-及NO3-的浓度，实现了反硝化除磷的启动，具体见图1.从中可见，随着驯化时间的增长，除磷效率逐渐增加。第1 d，除磷量为2.70mg·L-1，表明接种污泥中存在一定的反硝化聚磷菌。第2——10 d，除磷量由1.90mg·L-1增至8.63mg·L-1;之后，逐渐升至14.91mg·L-1，并趋于稳定，反应器具备较高的除磷能力。

图1启动阶段SBR反应器缺氧段吸磷和NO3--N去除率变化情况


NO3-的去除几乎与除磷效果同步变化，前10 d，NO3--N进水浓度为20——26mg·L-1，出水NO3--N浓度在0.16——4.82mg·L-1间波动。为进一步满足除磷所需电子供体，第10 d至15 d，进水NO3--N浓度提高至30mg·L-1，去除率由82.52%逐渐提高至92.23%;第18 d起，NO3--N浓度升至35mg·L-1，去除率逐渐稳定在97.00%以上，获得了稳定的反硝化除磷效果。


2.2反硝化除磷污泥聚集体原位除磷活性


2.2.1厌氧段污泥聚集体内释磷的原位生物活性


厌氧段污泥聚集体内释磷原位生物活性的变化规律见图2.由图2（a）可见，厌氧初始1 min，DO和ORP随深度增加均呈降低的趋势，其中，DO由0.28mg·L-1降至0.05mg·L-1，ORP由~67.58 mV降至~128.41 mV，可知污泥聚集体内部为厌氧环境。PO43--P浓度呈逐渐升高的趋势，最大值为47.18mg·L-1.经计算，其最大释磷速率发生在表层500μm左右，达到3.30 mg·（cm3·h）~1.


（a）厌氧初始1 min;（b）厌氧末期1 min

图2厌氧段污泥聚集体内浓度空间分布及净体积释磷速率


由图2（b）可见，厌氧末期1 min，DO与ORP的变化趋势同厌氧初期，ORP最低降至~215.46 mV，表明随着反应进行，反应器ORP进一步降低；PO43--P浓度由15.88mg·L-1升至31.32mg·L-1，最大净体积释磷速率发生在表层400μm处，为1.60mg·（cm3·h）~1.


综上所述，相比于厌氧初期，末期的最大净体积释磷速率大大减小，仅为初期的一半左右。污泥深层区域（>1000μm），厌氧末期的释磷反应基本停止。此外，最大净体积释磷速率均发生在表层400——500μm处，此处的ORP分别为~93.62 mV（初期）和~201.63 mV（末期），说明，碳源充足条件下，只要ORP低于~93.62 mV均可获得最高释磷速率。与宏观试验发现ORP能指示厌氧释磷的结果相一致。另外，当污泥聚集体（生物膜或颗粒污泥）厚度超过500μm，可能会因传质受限影响释磷速率。


2.2.2缺氧段污泥聚集体内吸磷的原位生物活性


缺氧段污泥聚集体内吸磷速率，结果见图3.由图3（a）可见，缺氧初始1 min，污泥聚集体内DO浓度变化不大，由0.17mg·L-1降至0.03mg·L-1;ORP迅速降低，由表层的~115.76 mV降至~156.46 mV;PO43--P浓度呈下降趋势，由15.88mg·L-1降至2.80mg·L-1.经计算，最大净体积吸磷速率发生在200μm处，为1.10mg·（cm3·h）~1。

（a）缺氧初始1 min;（b）缺氧末期1 min

图3缺氧段污泥聚集体内浓度分布及吸磷净体积速率


由图3（b）可见，缺氧末期1 min，DO浓度分布与初期几乎一样；ORP较初期更低，由~273.68 mV降至~285.49 mV，PO43--P浓度呈减小的趋势，从污泥表层的1.32mg·L-1降至0.10mg·L-1.经计算，最大净体积吸磷速率发生在表层300μm，仅为0.14mg·（cm3·h）~1.此外，在1800μm以下的深层区域，PO43--P浓度略有上升，发生轻微的释磷现象。


综上，污泥聚集体内反硝化吸磷的最大净体积速率为1.10mg·（cm3·h）~1，仅为最大释磷速率的1/3左右。因此，缺氧段需要更多的反应时间。缺氧末期吸磷反应很微弱，且在污泥聚集体深处发生了“二次释磷”现象，与宏观研究结果相一致。笔者推测可能是由于缺氧末期电子受体NO3-不足发生了内源释磷。因此，为保证除磷效果反应器应严格控制缺氧段的运行时间。


2.3 COD浓度对污泥聚集体内原位释磷活性的影响


在厌氧初始1 min取样，研究不同COD浓度对污泥聚集体内原位释磷活性的影响，结果见图4.从中可知，3组试验中DO变化值较小，均为0.07——0.09mg·L-1.随着COD浓度（mg·L-1）由350降至250和150，ORP在整个污泥聚集体中的变化值呈降低趋势，分别为68.00、44.07和34.56 mV，最大释磷净体积速率分别由3.27 mg·（cm3·h）~1降至2.44 mg·（cm3·h）~1和2.01 mg·（cm3·h）~1.表明高浓度的COD，同时降低了ORP并提高了释磷速率。此外，随着初始COD浓度的降低，快速释磷区域向污泥聚集体的表层收窄，原因是低COD浓度导致传质减弱，使污泥整体释磷活性降低。

（a）COD浓度为350 mg·L-1;（b）COD浓度为250 mg·L-1;（c）COD浓度为150 mg·L-1

图4 COD浓度对污泥聚集体内浓度分布及净体积释磷速率的影响


3结论


（1）反硝化除磷污泥聚集体内部，原位释磷活性远高于吸磷活性，最大释磷速率是吸磷速率的3倍。


（2）厌氧和缺氧段末期，虽然污泥聚集体内的ORP均进一步降低，但因浓度降低导致基质受限，其释磷、吸磷速率仅为初期的1/2和1/8左右。


（3）随着COD浓度的降低，反硝化除磷污泥聚集体内净体积释磷速率呈降低趋势，且快速释磷区域向表层收窄。