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--> --> --> 目前，活性污泥法仍是应用最为广泛的污水处理技术。在我国城镇化和环境保护协同发展的趋势下，污水处理成为绿色发展理念下重要的一环，而剩余污泥的处理处置成为污水处理的一大难题。剩余污泥处理和处置所需的费用高达整个污水处理厂投资和运行费用的25%~65%[1]。在现有的污水处理厂中，为保证生化系统的脱氮除磷效果，污泥龄(sludge rentention time，SRT)一般控制在12~20 d[2-3]。然而，较短的SRT会产生大量的剩余污泥，预计在2020—2025年，我国污泥年产量将突破6×107 t[4]，这将给污水处理厂带来巨大的经济负担。近些年，污泥减量化已成为研究的热点，且其也是解决污泥问题的理想途径之一[5]。SRT作为处理工艺的重要参数，直接影响生化系统的脱氮除磷能力[6]。传统的研究观点[7-8]认为，较长的SRT不利于磷的去除。然而，左宁等[9]发现，SRT为50 d时，排富磷污水除磷的LSP和PNR系统可以同时获得良好的污泥减量[10]与除磷效果。韩玮等[2]研究了厌氧/好氧交替运行的SBR系统，SRT为48 d时仍能保证出水TP质量浓度长期稳定达标。这为延长SRT，减少剩余污泥的排放，并保证系统较高的脱氮除磷效果提供了可行性。但是，目前有关在超长SRT的条件下，如何使系统长期稳定运行以及如何保障系统脱氮除磷效果等研究还较少见报道。本研究采用微压内循环生物反应器[11-12](micro-pressure inner-loop bioreactor，MPR)开展了研究。MPR是一种新型多菌群生物反应器，与传统的SBR工艺相比，特殊的流态与传质特性使其溶解氧(dissolved oxygen，DO)由内向外逐渐升高，在单一池体内可实现同时具有中心厌氧、中部缺氧、外部好氧的生化反应环境。这丰富了系统微生物的种类，使多功能菌群分区，在协同作用下，为系统同步去除有机物和脱氮除磷提供了良好环境[13-15]，也为系统在高MLSS下的长期稳定运行提供有利条件。本研究以人工配置的模拟城市污水为研究对象，在不断减少剩余污泥排放的目标下，探究了MPR系统在超长SRT下长期运行的脱氮除磷效果及稳定性，以期为MPR工艺的实际工程应用及污泥减量化等研究提供参考。
1.1. 实验装置及运行方式
微压内循环生物相反应器(MPR)工艺原理及实验装置如图1所示。反应器材质为有机玻璃板。上部提升部分尺寸为130 mm×90 mm×400 mm的长方体，呈敞开式，起抬高水位和气体排出作用。下部主反应区尺寸为直径900 mm、高90 mm的圆柱体，提升部分使主反应区处于微小压力状态。反应器有效容积为40 L。底部单侧设置穿孔曝气管。单侧曝气延长了气泡的行程，使气泡与污水的接触时间变长，从而提高了氧的传质效率，增加了氧的利用率。在曝气驱动下，混合液在反应器内形成了稳定的循环流。由于污水与气泡主要在曝气侧和反应器顶部接触，因此,在曝气充氧、流速梯度和氧传质作用下，一定程度上可减少氧和其他基质的传质阻力，并使MPR系统形成较为稳定的DO分区。从外环区域到中心区域，DO浓度逐渐降低，形成外环好氧、中部缺氧、中心厌氧的3种氧环境。反应器通过空气压缩机进行曝气，利用转子流量计控制曝气量为1.6 L·min?1。pH计和DO仪的探头置于反应器内，实现反应过程中pH、DO及温度的实时监测。反应器进水温度为(19±1) ℃，通过调节室温控制进水温度。反应器等间距设有取样口(其中3为排水孔，4为测样孔，5为排泥孔)。
反应器采用间歇运行方式，在1 d内运行2个周期，每周期为12 h，由10 min进水、480 min曝气、180 min沉淀、10 min排水、40 min闲置组成。排水比为0.4，日处理水量32 L。在曝气停止前30 min，分别排泥800、570和445 mL，将SRT控制在50、70和90 d。实验接种的活性污泥来自长春市某污水处理厂。在实验运行前，活性污泥经过了约30 d的污泥驯化。反应器初始MLSS浓度控制为(4 000±200) mg·L?1。
1.2. 实验水质
本实验用水为人工模拟城市污水，通过投加淀粉、乙酸钠(CH3COONa)、氯化铵(NH4Cl)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、牛肉膏、蛋白胨、高岭土配置而成。实验进水中微量元素由牛肉膏、蛋白胨提供，进水水质见表1。1.3. 分析方法
COD采用重铬酸钾法，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，
2.1. 不同SRT对MPR中MLSS、SVI变化的影响
图2为不同SRT下MPR中MLSS及SVI的变化情况。表2为不同SRT下污泥增长及排放情况。由图2(a)和图2(b)可知，随着SRT的增加，MLSS随之增加，系统的污泥负荷(Ns)降低。在3个阶段中，平均Ns分别为0.07、0.04、0.03 kg·(kg·d)?1，系统一直处于低负荷运行状态。由表2可知，在系统稳定期，3个阶段平均MLSS分别为5 128、9 215、13 252 mg·L?1，平均污泥增长速率分别为32.16%、90.39%、44.36%。SRT在70 d内，充足的营养物质供应，使微生物处于增殖期，MLSS增长较快。SRT在90 d内，平均Ns为0.03 kg·(kg·d)?1，内源呼吸和原位消化减弱了微生物的代谢作用，导致MLSS增长速率降低。对比一般污水厂控制的SRT(12~20 d)，MPR在3个阶段下分别运行了50、50、60 d，分别可减少60~127、72~138、93~173 L的剩余污泥排放。此外，由图2(a)可知，MPR系统中的SVI整体呈现出先下降后趋于稳定的趋势，在运行初期SVI值达到170 mL·g?1，在136 d后稳定在70 mL·g?1左右。这是因为，随着SRT的延长，MLSS有所增加，活性污泥不断成熟，形成紧而密实的较大污泥絮体，从而改善了系统的沉降性能。且反应器中较高的MLSS使微生物处于内源代谢期，活性污泥的活性难以处于较高的水平，这也有利于污泥沉降。詹咏等[17]发现，在一定范围内，SRT越长，污泥絮凝越好。沉降性能的提升可保证MPR系统的长期稳定运行。
2.2. MPR内不同区域的DO分布规律
图3为MPR不同氧分区的DO的历时变化。反应器在单侧曝气作用下，污泥混合均匀，逐渐稳定，形成明显的氧分区(厌氧、缺氧、好氧)环境。由图3可知，厌氧区的DO浓度一直保持在0.03 mg·L?1左右，这有利于厌氧细菌的生长繁殖。缺氧区的DO浓度在330 min前一直保持在0.02 mg·L?1左右，在330 min后出现拐点，此后逐渐上升，稳定在1.5 mg·L?1左右。缺氧区主要是缺氧型细菌在发挥作用。好氧区的DO浓度在300 min前一直保持在0.5 mg·L?1以下，300 min出现拐点，此后迅速上升，稳定在4.3 mg·L?1左右。这说明好氧区的DO较充足，能够满足好氧微生物的代谢活动。出口的DO浓度在300 min前一直保持在0.8 mg·L?1左右，300 min出现拐点，在450 min后稳定在4.9 mg·L?1。以上结果表明，MPR系统内存在明显的氧分区，DO由厌氧区到好氧区呈现递增的趋势，这不仅提高了氧的利用率，为保障系统较高的脱氮除磷效果提供了良好的环境，且丰富了系统微生物的种类，为系统长SRT、高MLSS下的稳定运行提供了有利条件。
2.3. 不同SRT对MPR中COD去除效果的影响
图4为不同SRT条件下MPR中COD的去除情况。3个运行阶段反应器的COD平均出水值分别为26.17、25.25、24.73 mg·L?1，相应的平均去除率分别为93.83%、93.99%、94.24%。随着SRT的增加，MLSS亦增加，Ns则有所降低[18]，MPR系统对COD的去除能力有所提升。当SRT为90 d时，微生物对有机物有了充分的利用，反应器出水达到最佳去除效果。这是因为，较高的MLSS使系统一直处于低负荷运行状态，一定程度上增强了系统微生物对耗氧有机物的分解代谢能力，为后续的脱氮除磷过程提供了物质保障。同时MPR独特的流态使活性污泥处于不同DO区域，耗氧有机物的降解主要发生在好氧区域，而对于难降解的有机物，可以在厌氧区或缺氧区域完成酸化水解，这保证了系统COD的去除率不受影响。此外，在整个实验运行期间，反应器进水COD值波动较大，但出水较为稳定，COD的平均去除率稳定维持在93%以上且有一定提升，这表明超长SRT有利于MPR工艺对COD的去除。
2.4. 不同SRT对MPR中$ {\bf{NH}}_4^ + $
-N去除效果的影响
图5为不同SRT下MPR对
2.5. 不同SRT对MPR中TN去除效果的影响
图6为不同SRT下MPR对TN去除效果的影响。TN平均出水浓度分别为11.23、7.09、6.99 mg·L?1，相应平均去除率分别为75.97%、83.38%、84.60%。由图6可知，当SRT为50 d时，TN的去除效果较差。由于反硝化反应所需的反硝化菌数量较少，系统滞留了大量
2.6. 不同SRT对MPR中TP去除效果的影响
图7为不同SRT下MPR中TP去除情况。根据生物除磷的原理，生物除磷主要通过微生物的同化作用和PAOs的过量吸磷，再经过剩余污泥排放完成除磷。传统观点认为，SRT越长，反应器污泥系统富集的磷越多，去除效果会越差[20]。各阶段TP的平均出水浓度分别为0.07、0.08、0.07 mg·L?1，平均去除率分别为97.54%、97.53%、97.83%。在SRT由50 d提升至90 d的过程中，系统一直处于低负荷运行状态，但TP的去除效果未受到影响，MPR工艺对磷仍可保持高效的去除率。结合图2可知，MLSS升高，PAOs数量亦随之增加，使系统PAOs体内的β-PHA(聚羟基烷酸)总量增加，得到了更多的吸磷驱动力[2]，聚磷能力增强。此外，随着MLSS的升高，单位有机质浓度有所升高，排放单位体积的剩余污泥的TP浓度亦随之增加，系统的除磷能力增强。同时，MPR工艺单一池体形成的独特生化反应环境也有利于磷的去除。以上结果表明，在超长SRT下，MPR工艺可保证TP稳定高效的去除。
2.7. 不同SRT下MPR中COD和DO的历时变化
不同SRT条件下MPR典型周期内COD历时和DO历时变化见图8。由图8可知，曝气60 min后，COD值便达到50 mg·L?1以下，随后持续缓慢降低，表明MPR工艺对COD有较强的去除能力。3个历时阶段，出水COD浓度整体呈现降低趋势，SRT为90 d的出水COD值低于70 d，70 d低于50 d。其原因有2方面：一方面是污泥吸附与稀释作用，在未曝气时，3个阶段系统COD分别从422.9、429.5、439.4 mg·L?1降至246.8、179.1、87.29 mg·L?1，这表明MLSS随着SRT的延长而升高，微生物量有所增加，导致污泥吸附作用变强；另一方面，曝气初期，微生物处于饥饿状态，MLSS越高，微生物量越大，对耗氧有机污染物(以COD计)的降解能力越强。从DO历时来看，在0~330 min内，对于3个运行阶段，其DO浓度分别由0.51、0.56、0.48 mg·L?1升至1.42、0.98、0.71 mg·L?1，均在330 min时发生DO的突跃，完成了对耗氧有机污染物(以COD计)的降解。以上结果表明，在超长SRT下，随着SRT的增加，系统DO利用率亦增加，对耗氧有机污染物(以COD计)的降解能力得到增强。
2.8. 不同SRT下MPR内各形态氮的转化历时
不同SRT下MPR典型周期内各形态氮的转化历时见图9。MPR运行的3个阶段，在前300 min均有TN的去除：当SRT为50 d时，在前180 min内，
2.9. 不同SRT下MPR中TP历时
不同SRT下MPR典型周期内TP历时变化见图10，磷的释放与吸收率见表3。结合图8和图9可知，在0~60 min内，MPR系统处于低溶解氧状态(<0.5~0.6 mg·L?1)，系统发生释磷作用。在60~330 min内，MPR系统处于好氧状态(>0.5 mg·L?1)，系统同时发生了有机物的降解、硝化反硝化、好氧吸磷。MPR工艺具有良好的同步去除有机物和脱氮除磷效果[21]。本实验中，当SRT为50 d时，曝气60 min时系统污泥中释磷含量为12.8 mg·L?1，当SRT为70 d和90 d时，曝气30 min时系统污泥中释磷含量分别为15.2 mg·L?1和13.2 mg·L?1。3个阶段磷的释放量与进水TP浓度的比值分别为3.41、4.23、4.20，当SRT为70 d和90 d时，磷的释放量较多，此时系统的PAOs具备较强的储磷能力。当SRT为50 d时，在60~180 min内，DO浓度由0.62 mg·L?1升至0.86 mg·L?1，相应的TP浓度由12.8 mg·L?1降低至0.065 mg·L?1，于180 min基本完成吸磷；当SRT为70 d时，在30~210 min内，DO浓度由0.58 mg·L?1升至0.83 mg·L?1，相应的TP浓度由15.2 mg·L?1降低至0.16 mg·L?1，于300 min完成吸磷(TP浓度为0.09 mg·L?1)；当SRT为90 d时，在30~330 min内，DO浓度由0.46 mg·L?1升至0.71 mg·L?1，相应的TP浓度由13.2 mg·L?1降低至0.09 mg·L?1，于330 min基本完成吸磷。在3个运行阶段中，MPR系统的吸磷速率分别为6.37、5.01和2.62 mg·(g·h)?1。以上结果表明，在超长SRT下，随着SRT的增加，反应过程中DO浓度下降，好氧吸磷完成的时间延后，吸磷速率降低。MPR系统长期处于低负荷运行状态，影响了PAOs细胞内聚β-PHB(聚羟基丁酸)的含量，使磷的吸收速率下降[22]。而较高的MLSS维持了PAOs的数量，保证了磷的去除效果不受影响。
2)当SRT由50 d提升至90 d时，MLSS升高，Ns降低，耗氧有机污染物(以COD计)的降解能力增强，同时MPR独特的工艺构造使DO转移效率增强，
3) MPR系统中磷的释放量与进水TP浓度的比值随着SRT的延长而升高，系统的PAOs具备较强的储磷能力，同时随着MLSS的升高，排放单位体积的剩余污泥的TP浓度增加，系统的除磷能力增强，对TP的去除效果影响不显著，平均去除率可稳定保持在97%以上。
参考文献
