多因素影响下SUFR系统除磷效果研究

第５卷　第１０期环境工程学报Ｖｏｌ．５，Ｎｏ．１０２０１１年１０月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＯｃｔ．２０１１多因素影响下ＳＵＦＲ系统除磷效果研究张　园　罗固源　许晓毅（重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆４０００４５）摘　要　在进水ＣＯＤ浓度控制在３００～４００ｍｇ／Ｌ范围内，针对ＳＲＴ、Ｃ／Ｎ和Ｃ／Ｐ３个因素对ＴＰ的影响设计了正交实验，并在此基础上进行回归正交实验。实验结果显示：ＳＲＴ、Ｃ／Ｎ、Ｃ／Ｐ３个因素中ＳＲＴ对厌氧释磷和好氧吸磷速率的影响最大，随着ＳＲＴ的增大，系统除磷效率逐渐下降。Ｃ／Ｎ和Ｃ／Ｐ的增长使系统进水ＴＮ、ＴＰ浓度降低，对活性污泥的增殖有抑制作用，进而使厌氧释磷速率和好氧吸磷速率降低。Ｃ／Ｐ对ＳＵＦＲ系统ＴＰ去除率影响较大，但其主要通过进水ＴＰ浓度的改变而改变去除率的基数。关键词　ＳＵＦＲ系统　生物除磷　ＳＲＴ　Ｃ／Ｎ　Ｃ／Ｐ中图分类号　Ｘ５０５　　文献标识码　Ａ　　文章编号　１６７３９１０８（２０１１）１０２２４７０５ＳｔｕｄｙｏｎｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｓｏｆＳＵＦＲｐｒｏｃｅｓｓｕｎｄｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆａｃｔｏｒｓＺｈａｎｇＹｕａｎ　ＬｕｏＧｕｙｕａｎ　ＸｕＸｉａｏｙｉ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆｔｈｅＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＲｅｓｅｒｖｏｉｒＲｅｇｉｏｎ’ｓＥｃｏ?Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ　ＡｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｔｅｓｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆＳＲＴ，Ｃ／ＮａｎｄＣ／ＰｏｎｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｗｈｅｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔＣＯＤｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓ３００～４００ｍｇ／Ｌ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＳＲＴｗａｓｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅａｎｄｕｐｔａｋｅｒａｔｅｓ．ＴｈｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇＳＲＴ．ＴｈｅｇｒｏｗｔｈｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔＣ／ＮａｎｄＣ／ＰｉｎｈｉｂｉｔｅｄｔｈｅｐｒｏｌｉｆｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｂｙｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔＴＮａｎｄＴＰｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｂｙｉｎｈｉｂｉｔｅｄｔｈｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｌｅａｓｅａｎｄｕｐｔａｋｅｒａｔｅｓ．Ｃ／ＰａｌｓｏｇｒｅａｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅＴＰｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｏｆＳＵＦＲｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔｉｔｍａｉｎｌｙｃｈａｎｇｅｄｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｔｈｏｕｇｈｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔＴＰ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｓｐｉｒａｌｕｐｆｌｏｗｒｅａｃｔｏｒｐｒｏｃｅｓｓ；ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ＳＲＴ；Ｃ／Ｎ；Ｃ／Ｐ基金项目：科技部国际合作项目（２００７ＤＦＡ９０６６０）；重庆市科技攻关计划项目（ＣＳＴＣ，２００６ＡＡ７００３；ＣＳＴＣ，２００６ＢＢ７３０５）收稿日期：２０１０－０６－０１；修订日期：２０１０－０９－２６作者简介：张园（１９８２～），女，博士研究生，主要研究方向为水污染控制理论与技术。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　生物除磷工艺的性能受许多因素的影响，有研究表明，污水成分的组成如Ｃ／Ｎ和Ｃ／Ｐ是污水生物处理效果的关键［１］，其中Ｃ／Ｐ是影响聚磷菌和聚糖菌竞争的关键因素［２］，当Ｃ／Ｐ高于３２时，磷的去除效果可稳定在９０％～９８％［３］；进水Ｃ／Ｎ大于１１时，采用氧化沟处理的污水中ＴＰ去除率接近１００％［４］；当污泥龄较短时，系统会产生更多的剩余污泥，当污泥龄较长时，富磷污泥中的磷可能又会释放到溶液中造成二次污染，影响出水水质［５］。ＵＣＴ（ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣａｐｅＴｏｗｎ）工艺是由南非开普敦大学在Ａ２／Ｏ工艺的基础上研究开发，许多学者对ＵＣＴ工艺的研究都表明此工艺对氮磷都有较好的去除效果［６］，该工艺已有较为广泛的应用［７］。有研究表明在ＵＣＴ工艺中聚磷菌释磷和吸磷受Ｃ／Ｐ和Ｃ／Ｎ的影响较大，当Ｃ／Ｐ小于３３时，磷的去除率随Ｃ／Ｐ的增加而线型提高，同时对ＴＮ和ＣＯＤ的去除影响较小［８］；当Ｃ／Ｎ低于１１时，ＴＮ、ＴＰ的去除率随Ｃ／Ｎ的升高而快速大幅提高［４］；许多实验也证明了在ＵＣＴ工艺的聚磷污泥中存在反硝化聚磷菌［９，１０］；在较长泥龄下ＴＰ去除率随着泥龄的延长有一定的下降［１１］；此外，一些环境因素诸如溶解氧、温度、ｐＨ值等对除磷效果也有较大影响［１２］。螺旋升流式反应器系统（ｓｐｉｒａｌ?ｕｐｆｌｏｗｒｅａｃｔｏｒ，简称ＳＵＦＲ）是本课题组在ＵＣＴ工艺的基础上利用化工反应原理对单个反应器进行优化设计，开发出的新型污水处理反应器系统［１３，１４］（发明专利号：ＺＬ０３１１７３３５．８）。本研究采取正交设计进行实验，在环境工程学报第５卷进水ＳＲＴ、Ｃ／Ｎ和Ｃ／Ｐ３个因素的综合作用下，考察对ＳＵＦＲ系统除磷过程和效果的影响，为ＳＵＦＲ系统处理城市污水的技术应用提供一定的理论支撑。１　实验流程、装置与方法１．１　实验流程与装置实验采用螺旋升流式反应系统实现ＵＣＴ工艺，反应器总有效容积是８５Ｌ，其中厌氧反应器有效容积１６Ｌ，缺氧反应器有效容积２４Ｌ，好氧反应器有效容积４５Ｌ。进水流量为９Ｌ／ｈ，系统总水力停留时间ＨＲＴ为９ｈ，好氧反应器中上部溶解氧为３０～３５ｍｇ／Ｌ，缺氧反应器溶解氧为０５ｍｇ／Ｌ，污泥回流比控制在４０％～６０％，好氧反应器混合液回流比为２００％～２５０％，缺氧反应器混合液回流比为１００％～１５０％。工艺流程图见图１。本实验对ＳＲＴ、Ｃ／Ｎ和Ｃ／Ｐ对系统ＴＰ的去除效果和释磷、吸磷速率进行研究，实验中各反应器的进、出水均取自相应反应器的进、出水口。图１　ＳＵＦＲ系统流程图Ｆｉｇ１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆＳＵＦＲｐｒｏｃｅｓｓ１．２　实验水质与分析方法实验研究用水采用校园生活污水，加入奶粉、葡萄糖、碳酸氢钠、磷酸二氢钾和氯化铵，调节实验进水ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ浓度。实验污水中ＣＯＤ约为３００～４００ｍｇ／Ｌ，ＴＮ为１３８５～６６３６ｍｇ／Ｌ，ＴＰ为３１１～１７５８ｍｇ／Ｌ，ｐＨ为６５～７５。ＣＯＤ采用重铬酸钾法；ＴＰ采用过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法；ＴＮ采用过硫酸钾氧化?紫外分光光度法；氨氮采用钠氏试剂光度法；ｐＨ采用ＯＲＰ４３１型测定仪测定；释磷与吸磷速率通过测定各反应器进出水中磷酸盐浓度差与污泥浓度和停留时间计算得出。１３　实验方法实验考察的３个影响因素为ＳＲＴ、Ｃ／Ｎ和Ｃ／Ｐ，每个因素取５个水平，并根据因素及所选水平设计正交实验，通过分析实验结果得出各因素对ＴＰ去除的影响，结合系统运行稳定性确定各因素在回归正交实验中的上水平和下水平，设计回归正交实验，得出ＴＰ去除率和释磷、吸磷速率的回归方程，通过验证回归方程中各回归系数的显著性，分析各因素对ＴＰ去除效率的影响。２　实验结果及分析２．１　正交实验实验中３因素本实验选用Ｌ２５（５３）的正交表［１５］设计正交实验，因素水平表见表１，正交实验结果见表２。表１　因素水平表Ｔａｂｌｅ１　Ｆａｃｔｏｒａｎｄｌｅｖｅｌ水　平因　素ＳＲＴ（ｄ）（Ａ）Ｃ／Ｎ（Ｂ）Ｃ／Ｐ（Ｃ）１８５２０２１５１０４０３２０１５６０４２５２０８０５３０２５１００表２　实验结果Ｔａｂｌｅ２　Ｒｅｓｕｌｔｏｆｔｅｓｔ序　号ＡＢＣＴＰ去除率（％）厌氧释磷速率（ｍｇ／（ｇ·ｈ））好氧吸磷速率（ｍｇ／（ｇ·ｈ））１８５４０９２．９９３３．８６３．３８２１５５１００９９．５５２７．１２３．７２３２０５８０９４．８２２３．０１３．０２４２５５２０５９．７５１９．１５３．０５５３０５６０８５．３３１６．０５２．９４６８１０６０９７．８６３６．８６３．５５７１５１０４０８３．９５２９．６１３．２６８２０１０１００９３．２５２３．４３２．７７９２５１０８０９１．３４１７．９７２．７２１０３０１０２０５４．４１１６．０５２．７１１８１５２０６１．０１３２．２２３．４６８４２２第１０期张　园等：多因素影响下ＳＵＦＲ系统除磷效果研究续表２序　号ＡＢＣＴＰ去除率（％）厌氧释磷速率（ｍｇ／（ｇ·ｈ））好氧吸磷速率（ｍｇ／（ｇ·ｈ））１２１５１５６０９５．７２８．５６２．８７１３２０１５４０７８．５１２２．７５２．６４１４２５１５１００８８．９６１７．６１２．４７１５３０１５８０８３．１４１５．３６２．３２１６８２０８０９７．３８３２．０８３．０１１７１５２０２０５７．７９２７．７８３．２２１８２０２０６０９４．２９２３．５９２．９１１９２５２０４０８２．６２１７．８４２．８２２０３０２０１００８６．６４１７．９７２．３８２１８２５１００９７．３９３２．３５２．９４２２１５２５８０９５．２２８．５３２．８６２３２０２５２０５４．２８２３．６６２．９４２４２５２５６０８７．６６１７．４６２．６９２５３０２５４０６９．０２１５．３９２．４８△ＫＴＰ去除率６８．０９２８．８９１７８．５５△ＫＴＰ去除率为各水平导致ＴＰ去除率之和的极差△Ｋ厌氧释磷速率８６．５５７．４２５．５７△Ｋ厌氧释磷速率为各水平导致释磷速率之和的极差△Ｋ好氧吸磷速率３．５２２．３５１．４４△Ｋ好氧吸磷速率为各水平导致吸磷速率之和的极差　　由表２的实验结果可知，随着ＳＲＴ的升高，释磷和吸磷的速率均有明显下降。在实验中，ＳＲＴ为８ｄ时污泥产率和污泥浓度都较低，且去除率与１５ｄ时相差不大，因此取因素ＳＲＴ的下水平和上水平为１５ｄ和２０ｄ；当Ｃ／Ｎ为５时，系统内微生物增殖速度过快，镜检发现有大量游离纤毛虫，结合去除率和系统稳定性，取因素Ｃ／Ｎ的下水平和上水平分别为１０和１５。结合ＴＰ去除率和释磷、吸磷速率，因素Ｃ／Ｐ下水平和上水平分别取６０和８０。２．２　回归正交实验通过上述正交实验，已经得出３个因素对系统除磷效率的影响和系统能够稳定高效运行的水平范围，为进一步得到影响因素与处理效果之间的关系，在此基础上设计回归正交实验。回归正交实验的设计及实验结果见表３和表４。表３　回归正交实验因素水平表Ｔａｂｌｅ３　Ｆａｃｔｏｒａｎｄｌｅｖｅｌｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｒｅｇｒｅｓｓｔｅｓｔ标准变量（ｘｉ＝（Ｚｉ－Ｚ０ｉ）／Δ）原变量ＳＲＴ（Ｚ１）（ｄ）Ｃ／Ｎ（Ｚ２）Ｃ／Ｐ（Ｚ３）下水平ｘ１ｉ＝－１１５１０６０上水平ｘ２ｉ＝１２０１５８０变化振幅Δ２．５２．５１０零水平ｘ０ｉ＝０１７．５１２．５７０表４　回归正交实验设计及实验结果Ｔａｂｌｅ４　Ｐｌａｎａｎｄｒｅｓｕｌｔｏｆｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｒｅｇｒｅｓｓｔｅｓｔ序号Ｘ０Ｘ１Ｘ２Ｘ３Ｘ１Ｘ２Ｘ１Ｘ３Ｘ２Ｘ３ＴＰ去除率（％）（Ⅰ）厌氧释磷速率（ｍｇ／（ｇ·ｈ））（Ⅱ）好氧吸磷速率（ｍｇ／（ｇ·ｈ））（Ⅲ）１１－１－１－１－１－１－１９４．２２２８．９２３．１６２１－１－１１－１１１９５．６４２８．６５３．２１３１－１１－１１－１１９５．７２２７．７２３．０９４１－１１１１１－１９６．７４２８．１３３．１８５１１－１－１１１－１９２．３６２３．２６２．９２６１１－１１１－１１９４．２８２３．４７２．９６７１１１－１－１１１９３．２５２２．８９２．７９８１１１１－１－１－１９４．６２２３．６２２．８５ⅠＦ值２７１１６５２１４５９８３３２４０显著性高度显著显著高度显著不显著不显著不显著ⅡＦ值１５９０７１４７４５８８２５５６显著性高度显著不显著不显著不显著不显著不显著ⅢＦ值３１３６２８９１４４４９４９显著性高度显著显著不显著不显著不显著不显著９４２２环境工程学报第５卷　　根据表４中所列Ｆ值可以看出对ＳＲＴ、Ｃ／Ｎ和Ｃ／Ｐ对ＴＰ去