活性污泥系統(tǒng)是目前應用最為廣泛的廢水生物處理系統(tǒng)〔1〕，在實際運行過程中，為了保持系統(tǒng)較快的反應速率，常使系統(tǒng)中的溶解氧高于2 mg/L，使得好氧反應能耗很高〔2〕，通常情況下鼓風曝氣系統(tǒng)的能耗占到水處理廠總能耗的40%~50%〔3〕。厭氧系統(tǒng)不需要曝氣，但前期的基建費用較高，而且厭氧處理速度較慢，出水還需要后續(xù)處理才能達標〔4〕。因此，在保障高處理效率的同時，研究如何降低供氧造成的運行成本在廢水生物處理領域具有很實際的意義，研究和探索高效率、低能耗的新型廢水處理技術(shù)迫在眉睫。

　　傳統(tǒng)觀點認為，好氧反應和厭氧反應是不能在同一個培養(yǎng)環(huán)境中共存的，在廢水生物處理系統(tǒng)中，好氧過程和厭氧過程常常都是分開考慮。但近年來的研究表明，好氧反應和厭氧反應這2個反應過程可在同一個體系中共存〔5, 6〕。D. H. Zitomer〔7〕報道，在微氧條件下，好氧反應和產(chǎn)甲烷過程可以在同一個污泥系統(tǒng)中完成，該過程良好地結(jié)合了好氧反應和厭氧反應的優(yōu)點，出水COD低，污泥產(chǎn)量小。近年來，微氧系統(tǒng)因其所具有的獨特性受到研究者的廣泛關(guān)注，但對于微好氧廢水處理系統(tǒng)方面的研究非常欠缺，對于微氧系統(tǒng)的運行特征以及與好氧系統(tǒng)的差異有待進一步深入研究。

　　1 材料與方法

　　1.1 接種污泥和實驗配水

　　取河流底泥、腐爛樹葉下表面土壤、污水處理廠活性污泥樣品各2 g，混合后加水100 mL，然后放入盛有玻璃珠的三角瓶中振蕩20 min，將土樣徹底打碎以釋放出其中的微生物。靜置1 min后，取50 mL上清液作為接種污泥接入反應器。

　　為便于分析，實驗采用人工配制廢水作為進水。模擬廢水中用食品級葡萄糖、硫酸銨、KH2PO4來模擬COD、TN和TP，添加量分別為3.5、0.7、0.2 g/L，即COD、TN、TP分別為(3 472±65)、(154±6)、(41±2)mg/L。

　　1.2 實驗裝置

　　實驗采用2個相同的連續(xù)小試實驗裝置平行運行，單個裝置結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

?圖 1 處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

　　反應器為圓形有機玻璃柱，底部為漏斗狀，高100 cm，內(nèi)徑10 cm，有效容積為6.3 L。沿柱高每隔20 cm處設一個取樣孔，取樣孔直徑1 cm，長度5 cm。曝氣頭安置在反應器底部，通過空氣流量計控制氣體流量進行曝氣，進水通過計量泵從底部泵入。

　　1.3 運行條件

　　在批量培養(yǎng)階段，先將培養(yǎng)液加到反應柱半高處，加入接種污泥進行培養(yǎng)。控制好氧對照系統(tǒng)(aerobic control system，ACS)DO在2.5~4.0 mg/L，上升流式微氧污泥床反應器(upflow microaerobic sludge blanket reactor，UMSB)系統(tǒng)DO在0.5~0.9 mg/L，調(diào)整系統(tǒng)pH在6.5~7.5。每天檢測系統(tǒng)COD，待COD去除率達到90%以后，按照HRT=96 h連續(xù)進水，溫度保持在25~28 °C。

　　批量培養(yǎng)結(jié)束后，連續(xù)進水，HRT為25 h。在連續(xù)運行過程中，先后考察了3個COD負荷水平3.2~3.5、4.5~5.1、1.3~1.5 kg/(m3·d)。ACS和UMSB各階段運行條件如表 1所示。在第1階段獲得穩(wěn)定運行的情況下，第2階段考察了沖擊負荷對系統(tǒng)運行的影響，而第3階段考察了較低負荷對系統(tǒng)運行的影響。

　　1.4 水質(zhì)分析方法

　　COD的測定采用重鉻酸鉀法(GB 11914—1989);TN的測定采用紫外分光光度法(GB 11894—1989);TP的測定采用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)。pH采用HI 8424 型電子 pH 檢測儀進行測定;DO采用HI 9143 型電子自動溶解氧檢測儀進行測定。

　　2 結(jié)果與討論

　　3種COD負荷條件下UMSB和ACS系統(tǒng)穩(wěn)定期的運行特征如表 2所示。

　　2.1 UMSB和ACS的COD去除效果對比分析

　　由表 2可知，在第1階段穩(wěn)定期，當進水COD負荷為3.2~3.5 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的COD去除率分別為(91±3)%、(94±2)%，二者之間無顯著性差異(P=0.804>0.05)。在第2階段，當進水COD負荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的COD去除率分別降低到(88±5)%和(93±2)%，二者之間有顯著性差異(P=0.00 < 0.05)。在第3階段，當進水COD負荷降低至1.3~1.5 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的COD去除率分別穩(wěn)定在(94±1)%、(95±1)%，二者之間無顯著性差異(P=0.780>0.05)。

　　從UMSB和ACS的運行特征來看，當用葡萄糖作為碳源時，在一定的COD負荷范圍內(nèi)(≤3.5kg/(m3·d))，UMSB和ACS的COD去除率沒有顯著性差異。由此可見，在一定的COD負荷范圍內(nèi)，在較低的DO水平下，UMSB可依然保持較高的有機物去除能力。此研究結(jié)果與S. B. He 等〔8, 9〕的報道相一致。與ACS相比，UMSB在低DO水平下運行可以節(jié)約曝氣量，降低運行成本。

　　2.2 UMSB和ACS的TN、TP去除效果對比分析

　　由表 2可知，在3個階段穩(wěn)定期，UMSB的TN去除率均低于ACS，且二者之間均存在顯著性差異(P=0.00 < 0.05)。這是由于所用廢水中存在葡萄糖，不適合硝化菌的生存，導致UMSB在TN去除方面不存在優(yōu)勢。在負荷較低的第1和第3階段，UMSB的TP去除率顯著高于ACS，二者之間均存在顯著性差異(P=0.00 < 0.05)。在第2階段，當進水COD負荷升高至4.5~5.1 kg/(m3·d)時，UMSB和ACS的TP去除率分別為(55±4)%、(56±4)%，二者基本一致，不存在顯著性差異(P=0.14>0.05)。由此可以看出，在UMSB中，COD負荷對TP的去除具有很大影響。

　　傳統(tǒng)的高效生物除磷(enhanced biological phos-phorus removal，EBPR)系統(tǒng)效率很高，但EBPR的良好運行需要進水中有大量的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)〔10〕，需要一個前置厭氧區(qū)，工藝比較復雜，而且很多因素都會造成系統(tǒng)運行不正常。因此，在廢水處理領域開發(fā)經(jīng)濟高效的除磷系統(tǒng)勢在必行。A. Mullan等〔11〕報道，與傳統(tǒng)的EBPR處理系統(tǒng)相比，單級好氧除磷系統(tǒng)具有獨特優(yōu)勢：(1)處理效率高;(2)能夠耐受高濃度NO3-(傳統(tǒng)EBPR工藝的厭氧段對NO3-很敏感);(3)可降低對廢水濃度的依賴性;(4)VFAs濃度較低時也可以正常運行。本研究中在較低COD負荷條件下，UMSB的TP去除率顯著高于ACS，這說明生物除磷可以在微氧條件下運行的單級活性污泥系統(tǒng)中實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的EBPR處理系統(tǒng)相比，該工藝可極大地簡化處理流程。此外，本研究中UMSB的曝氣量遠低于ACS(見表 1)，說明過多的曝氣量不利于生物除磷系統(tǒng)發(fā)揮作用，此現(xiàn)象與D. Brd-janovic 等〔12〕的報道一致。L. K. Ju 等〔13〕報道在微氧條件下，微生物可能可以同時進行好氧呼吸和厭氧呼吸或者發(fā)酵，因此，在此條件下可能同時存在好氧和厭氧微環(huán)境，所以，微氧系統(tǒng)可能可以發(fā)揮好氧/厭氧交替運行系統(tǒng)的功能。除了磷，微氧處理系統(tǒng)或許可以作為厭氧/好氧處理系統(tǒng)的延伸和補充來處理很多污染物。

　　根據(jù)近年來的文獻報道，EBPR的整體性質(zhì)是微生物群體功能上相互補充、相互依賴共同表現(xiàn)出來的綜合特征，并不完全是某一類微生物在起作用。由于EBPR系統(tǒng)中微生物種類多樣，隨著研究和認識的深入，聚磷菌的定義也應當相應改變，一切能夠超過自身生長所需過量吸收磷的微生物都可以稱為聚磷菌，而且厭氧階段合成聚羥基脂肪酸將不再是必要條件〔14, 15〕。應當認識到，盡管與傳統(tǒng)定義的聚磷菌代謝不完全一致，許多從活性污泥中分離出的菌種都具有聚磷的功能，只是需要在合適的環(huán)境條件和運行條件下才能展現(xiàn)出來。運行結(jié)果表明，在負荷較低的第1和第3階段，UMSB的TP去除率顯著高于ACS，說明在UMSB的運行條件下，其中的微生物群落可以展現(xiàn)出TP去除方面的優(yōu)勢。具體參見污水技術(shù)資料更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)在一定的較低COD負荷范圍內(nèi)(≤3.5kg/(m3·d))，UMSB和ACS的COD去除率沒有顯著性差異。可見，在一定的較低COD負荷范圍內(nèi)，在較低的DO (0.5~0.9 mg/L)水平下，UMSB依然能保持較高的有機物去除能力(COD去除率>90%)。相比于ACS，采用UMSB運行，可以節(jié)約曝氣量，降低運行成本。

　　(2)在較低COD負荷條件下，UMSB在單級反應器中就可以實現(xiàn)有機物和磷的同步去除。與傳統(tǒng)的EBPR處理系統(tǒng)相比，該工藝簡化了處理流程，減小了常規(guī)工藝反應器構(gòu)筑物的占地面積。此項研究可為新的廢水處理工藝的開發(fā)和構(gòu)筑物設計提供理論參考。