侧流与主流磷回收工艺对比及调控因子分析

李 璐 ,张 玥 ,邵鸿渝 ,倪 敏 ,2,黄 勇 ,2,潘 杨 ,2*(.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏 苏州25009；2.城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室,江苏 苏州 25009；3.江苏省环境科学与工程重点实验室,江苏 苏州 25009)

磷是一种不可再生的矿产资源,目前世界上的磷矿储量仅够消耗百年[1].世界人口的不断增加使农业生产对磷肥的需求也日益增加,现有的磷矿资源将很难满足人类的发展需求.随着资源化概念的进一步深化,污水处理正逐渐由“污染物去除”向“资源回收”的理念转变,有研究表明,回收世界各地污水中的磷可以满足全球15%～20%的磷需求[1],因此,高效磷回收工艺的研发及应用已受到国内外学者的广泛关注[2].

目前,污水处理厂磷回收工艺主要为侧流磷回收模式,该模式基于强化生物除磷(EBPR)理论,首先通过A2O 或氧化沟等传统脱氮除磷工艺将污水中的磷富集到剩余污泥,再从富磷剩余污泥中回收磷.剩余污泥中的磷通过污泥厌氧消化释放,或焚烧得到灰分进而浸提得到磷溶液.从剩余污泥中回收磷的技术虽然已在国外污水处理厂中得到广泛应用[3],但仍存在工艺流程复杂、污泥产量大、磷回收效率低(40%～79%)、回收产物重金属含量高等缺点[4-6].另外,随着市政污水中磷酸盐浓度的降低[7],微生物仅通过同化作用便可去除污水中的磷酸盐,导致传统EBPR 工艺中污泥对磷的富集效果受到限制.同时,进水磷浓度过低将引起聚磷菌(PAOs)的代谢模式由聚磷代谢模式(PAM)向聚糖代谢模式(GAM)转变,或微生物群落由聚磷菌向聚糖菌(GAOs)转变[8],导致EBPR 系统除磷性能下降,阻碍了磷的高效回收.

另一种可行的磷回收模式为直接在液相中同步去除-富集磷的主流磷回收工艺[3].该工艺主要以生物膜工艺为主,具有工艺流程简单、污泥产量小、回收效率高等优势,更符合污水资源化的发展方向[3-4].表1 列举了生物膜磷回收工艺的运行条件及工艺性能,各研究获得了浓度范围为22～133mg/L 的磷回收液,证实了通过该类工艺在磷回收方面的可行性,但目前,大部分生物膜工艺均需通过投加高浓度碳源促进厌氧释磷,或通过延长厌氧水力停留时间来提高碳源利用率,因而增加了运行成本,限制了该工艺的产业化应用.

表1 生物膜磷回收工艺的研究现状Table 1 Research status of phosphorus recovery process in biofilms

近年来,潘杨课题组采用好氧/厌氧交替的生物膜序批式反应器(BSBR)富集城市污水中的磷酸盐,在碳源投加量仅为200mg/L 的情况下,获得了浓度高达220mg/L 的磷回收液,实现了总进水中约92%的磷回收效率[13].BSBR 工艺克服了生物膜磷回收工艺中面临的高碳源问题,有效地降低了磷回收成本,且相对于传统EBPR 工艺,具有更高的磷回收效率,因此有望成为将来城市污水磷回收领域新的技术方向.

由于侧流磷回收工艺与主流磷回收工艺在运行模式上的不同,主反应器对调控因子的响应也不尽相同.本文分别以传统A2O 工艺和BSBR 工艺为代表,在阐述两种工艺运行原理和模式异同的基础上,分析了各调控因子对PAOs 代谢的影响,分别总结了两种工艺的运行条件,以期为生物膜磷回收工艺的推广及应用提供参考.

1 生物除磷机理及代谢模型

污水中磷酸盐的去除与富集主要基于EBPR理论,依靠PAOs 厌氧释磷、好氧超量吸磷的生物特性达到去除污水中磷酸盐的目的.在厌氧条件下,聚合磷酸盐(poly P)水解生成正磷酸盐(ortho P)释放到液相中,同时产生三磷酸腺苷(ATP).糖原通过糖酵解途径(EMP)或2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡糖酸途径(ED)降解生成还原型辅酶 I(NADH)和ATP.PAOs 利用产生的ATP 将外界的挥发性脂肪酸(VFAs)吸收至体内,进而转化为乙酰辅酶A,之后利用NADH 生成聚羟基脂肪酸(PHA)储存在体内(图1a).在好氧条件下,PHA 一部分转化为糖原,一部分分解产生乙酰辅酶A 用于微生物的合成代谢,一部分分解产生还原型辅酶Ⅰ(NADH),再通过电子传递磷酸化作用产生ATP,为PAOs 吸收污水中的正磷酸盐及合成聚合磷酸盐供能[15](图1b).

图1 PAOs 的代谢模型Fig.1 Metabolic model of PAOs

然而,随着对PAOs 的深入研究,人们发现各种环境因素通过影响PAOs 代谢,从而影响生物除磷系统的处理效果与稳定性.基于以上生物吸释磷代谢模型和原理,我们将对各个环境因子的影响结果和原理加以总结,并结合EBPR 侧流工艺与BSBR 工艺,对比两种工艺在调控方面的差异.

2 侧流及主流磷回收工艺模式的对比

EBPR 工艺和生物膜工艺均利用PAOs 厌氧释磷、好氧过量吸磷的特性实现磷的去除与富集,但两者的主要区别在于前者主要通过PAOs 的代谢和增殖、而后者主要通过PAOs 的代谢和胞外聚合物(EPS)的吸释磷作用实现磷的去除与富集,具体区别见表2.

表2 两种工艺的原理及调控策略对比Table 2 Comparison of principle and control strategy of the two processes

以A2O 为代表的侧流工艺基于活性污泥而运行,工艺流程如图2a所示,污泥在厌氧池释磷、好氧池吸磷,废水中的磷转移至污泥中,经沉淀池沉淀后泥水分离.富磷污泥可以在侧流增设的厌氧释磷池内释磷,释磷上清液经化学沉淀后得到磷回收产物,或将污泥脱水、干化、焚烧后,从灰分中通过强酸或强碱浸提得到含磷溶液[2,16],因此该工艺实现高效磷回收的前提是污泥中存在较高活性的PAOs.较短的污泥龄(SRT)有利于磷的高效去除,但是影响了A2O 工艺的脱氮性能,污水厂往往会优先选择较长的SRT 以保证出水氮达标,继而通过投加化学药剂的方式进一步去除污水中的磷,这使得该工艺整体磷回收效率只有20%～40%[17].而实现好氧充分吸磷的前提是厌氧阶段的充分释磷,为强化厌氧释磷,需要保证厌氧池较低的氧化还原电位(ORP),并保证充足的碳源[18],这增加了运行难度和成本.此外,由于细胞内PHA 合成及分解的局限性,仅靠细胞自身的超量吸磷及细胞的增殖所实现的磷富集效率十分有限.

图2 两种磷回收工艺的流程对比Fig.2 Comparison of two kinds of phosphorus recovery processes

以BSBR 为代表的主流工艺基于好氧/厌氧交替的生物膜运行,工艺流程如图2b所示,在好氧阶段,废水进入BSBR 反应器,经生物膜好氧吸磷后排出,废水中的磷转移至生物膜内;在厌氧阶段,回收液和碳源进入BSBR 反应器,经生物膜厌氧释磷后回流至回收罐,蓄积在生物膜中的磷转移至回收液中[14,19].经多个好氧/厌氧周期交替运行,污水中的磷被不断富集在回收液中.由于该过程除生物膜的自然脱落外,几乎不涉及微生物的增殖,因此大大降低了处理污泥的成本.

现有研究表明,EPS 在吸释磷过程中发挥了重要作用,正磷酸盐由于EPS 的吸附作用与污水中的金属离子形成络合物贮存于EPS 中[20],相比于絮状污泥及颗粒污泥,生物膜中EPS 含量更高,其在吸释磷中发挥的作用也更明显[21].蓄积在EPS 中的磷可达到生物膜总含磷量的69.2%～79.0%[22],这部分磷在厌氧阶段可通过膜与主体液相间的磷浓度差或EPS 分解而释放至回收液中[20,23],因此生物膜磷回收系统的碳源利用率较EBPR 系统更高.

在生物膜磷回收系统中,最终所获得的回收液浓度与生物膜蓄磷量(生物膜内磷的蓄积量)成正相关,只要保证磷在生物膜中的快速积累,就可以保证厌氧阶段的有效释放[14],因此对于生物膜工艺而言,实现高效磷富集的关键是通过强化好氧阶段的吸磷来提高生物膜蓄磷量,进而提高回收液磷浓度.

3 影响PAOs 代谢的环境因素

3.1 温度

温度是影响微生物种群结构及活性的重要因素.许多研究表明在15～20℃下,PAOs 比GAOs 更具竞争优势,系统除磷性能较好[20,24-25].且在此温度区间内,随温度的升高,PAOs 活性也越高,碳源吸收速率提高,PHA 合成量增加,为后续好氧阶段吸磷提供充足的能量,使系统除磷率也随之提高[26].另外有研究表明,中温条件下PAOs 可以通过三羧酸循环(TCA)和磷酸戊糖途径(HMP)弥补糖降解还原力和能量的不足[27].

当温度高于25℃时,GAOs 取代PAOs 成为优势种群,致使系统除磷性能恶化[28-30].同时,过高的温度抑制PAOs中酶的活性,导致除磷效果变差.李诚等[24]研究发现,在颗粒污泥系统中,高温条件下的微生物数量减少,使颗粒污泥解体,除磷率下降.生物膜除磷系统也表现出同样趋势,Ni 等[27]研究表明,在BSBR中,夏季(平均气温为 29℃)除磷性能最差,仅为45.74%,远低于春(20℃)、秋(21℃)和冬季(16℃)(85%以上),这是由于高温对PAOs 的生长有抑制作用,同时多聚磷酸盐激酶(PPK)和多聚磷酸盐水解酶(PPX)活性降低.高温对系统的影响还与碳源种类及微生物群落结构有关,Liu 等[31]研究发现在序批式反应器(SBR)中,当温度达到30℃时除磷率仍可达99%,该系统以酪蛋白水解物为碳源,可利用复杂碳源的PAOs Tetrasphaera 菌占据主导地位,而常见的Candidatus Competibacter 等GAOs 只能利用简单的碳源,因此在该系统中PAOs 更具竞争优势.

过低的温度同样不利于生物除磷,当温度低于10℃时,PAOs 的活性受到抑制[32].另外,对于生物膜系统,由于低温条件下微生物分泌更多的EPS 用以抵抗不利环境,导致生物膜结构紧凑,不易脱落与更新,较厚的生物膜不利于溶解氧(DO)的传递,从而抑制了PAOs 的除磷性能,使系统除磷效果恶化[32].

3.2 pH 值

pH 值影响了PAOs 和GAOs 的相对比例关系.李楠等[33]将SBR 的pH 值从6 提高至7 后,PAOs 占比从36.57%增加到64.3%,优势菌群由GAOs 转变为PAOs,表明低pH 值条件不利于PAOs 的富集与生长.pH 值<7.25 时,PAOs 吸收外源基质的速率小于GAOs[34-35],因此,为确保PAOs 的竞争优势,建议pH值>7.25.过高的pH 值同样不利于PAOs 的生长,Oehmen 等[36]将pH 值由7.5 提高至8.5 时,同样发现PAOs 活性降低,且伴随碳源吸收速率的降低.

pH 值对除磷性能的影响主要表现为对微生物能量代谢的影响,pH 值改变了细胞膜两侧的电势差,从而影响了运输基质所需的能量[37].由于PAOs在厌氧条件下水解聚合磷酸盐产生的H+被排到细胞质膜外,使膜内外形成电势差.若保持基质的吸收速率不变,pH 值越高,将基质主动运输至胞内所需的能量就越多[38].pH值<6.5时,吸收和运输基质所需的能量较少,因此无需分解大量聚合磷酸盐来产生更多的能量,导致释磷速率和释磷量相对较低[33].当pH>8.5时,虽然有大量的聚合磷酸盐分解,且产生了大量能量,但由于吸收和运输基质需要更多能量,致使聚合磷酸盐分解产生的能量只有小部分被用于PHA 的合成,导致PHA 的合成量过低,继而导致好氧阶段吸磷效果变差[33].此外,当pH≥8.5 时,水中Ca2+、Mg2+等金属离子易与磷酸根离子生成沉淀致使磷无法被PAOs 吸收和释放,不利于PAOs 生存[39].因此,将pH 值保持在7.25～8.00 之间有利于生物除磷系统稳定运行,在该pH 值下不仅保证了释磷量,还保证了PHA 的合成,且不易产生沉淀[33,38,40].

3.3 水力停留时间

水力停留时间(HRT)通过影响PHA 的合成与分解从而影响系统除磷性能.厌氧阶段HRT 过短,聚合磷酸盐分解不完全导致PAOs 释磷量低;同时,碳源分解不完全导致PHA 合成量低,后续吸磷动力不足,除磷效果变差[41].好氧阶段HRT 过短无法营造较强的氧化环境,PHA 分解不完全,无法为吸磷提供足够能量[42].有研究表明,可通过延长HRT 提高PAOs 的除磷性能[42-43].王悦等[42]研究发现,在SRT 为3d、HRT 为4h 时,活性污泥系统中PAOs 的相对丰度不足2%,除磷率仅为22.42%,而当HRT 延长至16h时,PAOs 的相对丰度超过8%,除磷率可达到94.90%,这表明延长HRT 可以缓解短泥龄系统不稳定的特性,利于提高除磷功能菌的相对丰度,从而改善除磷性能.

但过长的HRT 同样不利于磷的去除.厌氧HRT过长,系统除磷性能恶化,这可能与PAOs 的二次释磷有关[41,44-46].二次释磷是指在厌氧条件下不伴随有机物吸收和多聚物合成的磷释放[47],其原因为过长的厌氧HRT 导致碳源耗尽,此时,PAOs 继续分解聚合磷酸盐产生能量以维持细胞自身生长.由于厌氧阶段没有合成足量的PHA,因此无法在好氧阶段提供足够的能量以吸收这部分二次释放的磷,致使出水水质变差,除磷率降低[47];另外,由于厌氧HRT过长,细胞需要持续分解聚合磷酸盐和糖原以维持自身活动,在聚合磷酸盐和糖原含量降低后,PAOs只能通过消耗PHA 以维持内源呼吸,导致好氧阶段缺乏PHA,继而除磷性能下降[44].在好氧阶段,长HRT和高DO 导致过量消耗PHA,使系统无法长期维持较好的除磷性能[44].另外,有研究发现HRT 延长导致除磷性能下降还与生物量浓度有关,HRT 延长会导致生物量成比例减少[44-45],这是由于在固定SRT下,HRT 越大,反应器内每单位时间内供微生物生长的营养物越少,微生物繁殖越慢,生物量越小;并且提供的有机负荷越小,使PAOs 厌氧阶段储存的PHA越少,导致后续好氧吸磷性能下降[45].

在好氧阶段,传统EBPR 系统中好氧HRT 一般在8～12h[48],而在生物膜系统中,吸磷过程可在4h 内完成[49-50],这是由于EBPR 系统需要完成COD 的分解、氨氮的氧化以及磷的吸收等多重功能,而生物膜系统仅需完成磷的吸收,此外,生物膜系统具有更高的PAOs 丰度与活性,使生物膜系统HRT 更短.在厌氧阶段,EBPR 系统厌氧HRT 为1～2h[48],生物膜系统为1.5～2h[7,51],两系统在厌氧阶段的HRT 接近.因此,生物膜磷回收系统在总HRT 方面具有明显优势.

3.4 DO

DO 是影响好氧阶段吸磷效果的直接因素.在好氧阶段,PAOs 吸收废水中的磷,需要DO 作为电子受体来降解体内的PHA 以获取能量.在一定范围内,吸磷速率和除磷率随DO 的升高而升高[52-53],但过低或过高的DO 均会使系统吸磷效果恶化.当DO 过低(<0.6mg/L)时,氧在污泥内部的扩散受到抑制,形成内部厌氧环境,使微生物活性降低,故PAOs 吸磷速率和吸磷量下降,聚合磷酸盐合成量较低,导致厌氧阶段无法产生足够的ATP 供细胞吸收VFAs,只能通过分解糖原来代替聚合磷酸盐产生能量,PAOs 的代谢方式逐渐由聚磷代谢模式(PAM)转为聚糖代谢模式(GAM)[52].但是,当系统中存在反硝化聚磷菌(DPAOs)时则不受低DO 的限制,Luo 等[54]采用连续流缺氧-好氧(AO)反应器,控制好氧阶段DO 为0.5mg/L,磷去除率高达82.5%.

当DO 过高(>4mg/L)时,PHA 将快速被消耗殆尽,此时,PAOs 将通过分解糖原以维持自身生长,导致厌氧阶段可利用的糖原减少,合成PHA 的还原力不足,由此形成恶性循环[55].另外,有研究表明长期处于高DO 条件下,GAOs 将取代PAOs 成为优势种群,由于厌氧阶段胞内糖原所提供的还原力只能合成少量PHA,致使PAOs 吸收的碳源减少,失去竞争优势[44].同时,维持高DO 需要消耗更多能源,经济成本较高.

综上,合适的DO 浓度是除磷系统稳定运行的重要因素之一.通常,在EBPR 工艺中,好氧阶段DO保持在2mg/L 左右即可达到很好的磷去除效果[42].而对于生物膜除磷系统,需考虑氧在液相到生物膜内的传质过程,故在好氧阶段需要更高的DO[19].在BSBR 工艺中,DO 为4～6.5mg/L 时,除磷效果较好[14,19].

3.5 碳源

厌氧阶段的碳源是PAOs 生长和繁殖的营养来源,为PAOs 厌氧释磷提供电子供体[15].碳源的种类和浓度直接影响厌氧释磷过程,是生物除磷系统的重要影响因素.

3.5.1 碳源种类 根据PAOs 种类的不同,可利用的碳源有VFAs、蛋白质、多糖等.VFAs 是大多数PAOs 可以利用的碳源,包括乙酸、丙酸、异丁酸、戊酸、异戊酸、正丁酸等,其中以乙酸作为碳源的EBPR 系统呈现出较好的除磷性能[56],且与其他碳源相比,乙酸系统在高温(25～30℃)下,PAOs 群落相对稳定[57].然而,一些研究表明以丙酸作为碳源时的除磷性能优于乙酸[24,58-60],这可能是因为PAOs 可以立即吸收丙酸且对其代谢更快,而GAOs 对丙酸的消耗并不明显,使丙酸系统中的PAOs 占据竞争优势[58,61].

另外,有一些学者探究了糖类、氨基酸等作为生物除磷碳源的可行性.王杰等[62]研究发现以蔗糖作为颗粒污泥系统的碳源时,更有利于快速合成PHA,使除磷性能提高,同时减少污泥膨胀的发生.Shen等[59]、王杰等[62]研究发现在EBPR 系统中采用葡萄糖作为碳源会导致系统除磷效果恶化,可能是由于该系统中的优势菌种为GAOs,无法参与磷的吸收与释放.Rey-Martínez 等[63]采用谷氨酸作为EBPR 系统的碳源,除磷率可达97%,该体系中的优势种群为Thiothrix 菌,该菌可以消耗谷氨酸积累聚合磷酸盐,但系统中的Prel/Cupt(每消耗单位质量的COD所释放的磷)为(0.32±0.14)mol-P/mol-C,低于乙酸和丙酸系统[57],表明以谷氨酸作为碳源并非经济的选择.除此之外,工业生产中产生的废弃物,如淀粉、1:1 的甘油:VFA 也可作为碳源用于除磷系统[64-65].

除了单一碳源外,污泥发酵液也可以作为经济环保的碳源[59].污泥中的大分子有机物可通过厌氧发酵或水热反应转化为 VFAs 作为碳源使用.Chen等[66]研究表明剩余活性污泥(WAS)碱性发酵(pH=10)下产生的 VFAs 量显著高于酸性发酵(pH=5),但是碱性发酵产生的蛋白质含量显著高于酸性发酵,而蛋白质属于难降解有机物,不宜直接作为除磷系统的碳源.为解决这一问题,Wang 等[67]在WAS 中添加硫酸盐还原菌(SRB),通过SRB 和WAS中的原有菌群共同作用加强蛋白质向VFAs 转化,同时,SRB 的加入在一定程度上抑制了甲烷的产生,进一步提高了VFAs 的产生.近年,He 等[68]提出了一种通过调控阳离子以提高WAS 厌氧发酵VFAs 产量的“阳离子交换树脂(CER)预处理耦合Na+调控处理”方法.该方法通过CER 诱导污泥溶解,Na+引发WAS 二次水解,产生的VFAs 占发酵液中有机成分的75.7%,且以乙酸(39.3%)和丙酸(20.1%)为主,可作为除磷系统的碳源.

此外,水热液中存在乙酸和丙酸,同样可作为碳源供生物除磷系统使用.Shanableh 等[69]将污泥水热液回收至SBR 中,使系统内可溶性COD、乙酸和VFAs 浓度分别增加了100、45 和55mg COD/L,吸磷量和释磷量分别提高了71 和61mg/L,进一步证实了污泥水热液作为生物除磷系统碳源的可行性.

目前,虽有大量研究证实了污泥发酵液和污泥水热液作为碳源的可行性,但仍存在以下不足:由于污泥中的有机物难以直接被微生物利用,故需要对污泥进行预处理,因此不可避免地提高了运行成本;在污泥处理过程中,污泥中的磷也释放出来,带来了额外的磷负荷[66].如何通过厌氧发酵、水热处理等技术经济高效地将WAS 中的大分子转化为VFAs 已经成为碳源研究方面亟待解决的问题.

3.5.2 碳源浓度 主体液相中的C/P 比对除磷系统中PAOs 和GAOs 的竞争有重要影响,C/P 比过高时GAOs 取代PAOs 占主导地位,系统除磷性能恶化[70-71].以往的研究发现C/P 比为20～30 时有利于EBPR 系统高效稳定运行[71].但有研究表明碳源及磷源浓度是影响除磷效果的主要因素,在进水磷浓度满足PAOs 代谢需求时,COD 浓度是影响除磷系统性能的关键因素[72].当进水COD 浓度保持在200～450mg/L 时,EBPR 除磷性能较好[73-74],COD 浓度不足(<200mg/L)则导致PAOs 释磷不完全,PHA 合成量少,从而使系统后续吸磷动力不足,除磷性能差[75].而过高的COD 浓度(>500mg/L)导致好氧阶段内残留的COD 增加,使直接吸收COD 用于自身生长的普通异养菌成为优势菌群,PAOs失去竞争优势,导致系统除磷效果差[71,74].

BSBR 工艺通过EPS 参与的吸释磷机制降低了碳源需求.Chen 等[50]以BSBR 工艺为研究对象,发现EPS 中的磷占生物膜总磷含量的83%～87%,显著高于 Zhang 等[76](1.5%～7.2%)、Long 等[23](61.7%～70.8%)和方振东等[77](69.4%～72.5%)在EBPR 中絮状污泥的研究结果.表明在BSBR 工艺中,EPS 对磷的吸收和释放起到了很大的促进作用.在好氧阶段,由于83%的正磷酸盐被蓄积在EPS 中,只有小部分正磷酸盐转变为聚合磷酸盐存储在细胞中,故PHA分解量相对较少,对厌氧段碳源需求量小.在C/P 比为20 时,BSBR 系统中Prel/Cupt为1.47P-mmol/C-mmol[50],远高于 Zeng 等[78]的 0.75P-mmol/Cmmol.

综上所述,温度、pH 值、DO、碳源的种类和浓度均会影响除磷系统的种群结构,如表3所示,其中,温度直接影响PAOs 和GAOs 的竞争关系,而pH 值、DO、碳源种类和浓度则通过改变除磷系统的PAOs的代谢(如影响PHA的合成量)间接改变微生物种群结构.此外,HRT 同样通过改变PAOs 代谢对除磷系统产生影响.

表3 环境因素对除磷系统的影响Table 3 Influence of environmental factors on phosphorus removal system

基于以上环境因素对PAOs 吸释磷性能的影响,总结出EBPR 工艺与BSBR 工艺常用的运行条件,如表4所示.相比之下,BSBR 工艺所需的HRT 更短,碳源浓度更低,但需要较高的DO,但BSBR工艺好氧运行时由于污水中的大部分有机物已被去除,因此更容易达到较高的DO 水平.

表4 EBPR 工艺与BSBR 工艺的运行条件Table 4 Optimal operation conditions of EBPR process and BSBR process

3.6 蓄磷量

蓄磷量是指生物膜中每单位质量的污泥所含有的总磷(单位为mg-P/g-SS)[51].现有研究表明,在BSBR工艺中,提高蓄磷量有利于提高生物膜释磷量,从而获得高浓度磷回收液[14,53,76].而在A2O 工艺中,由于污泥在进入好氧池之前已在厌氧池中释磷,使系统中的污泥无法保持较高的蓄磷量[79].高蓄磷量是BSBR 工艺获得高回收液浓度的关键.Yang 等[14]、陈越等[19]采用BSBR工艺同步去除和富集磷酸盐时,发现在一个收割周期内(从更换回收液起到再次更换回收液止),回收液磷浓度和蓄磷量呈现正相关,但随着回收液磷浓度的增加,生物膜释磷阻力加大,释磷量减少,回收液磷浓度逐渐趋于平稳;当收割末期生物膜接近磷饱和状态时,吸磷量减少,蓄磷量同样接近趋于平缓[53,80].

另外,提高蓄磷量不仅有利于提高回收液磷浓度,而且有利于降低碳源消耗,从而减少运行成本[80].Yang 等[14]在研究中发现低蓄磷量(67.4mg/g)、高碳源浓度(1000mg/L)与高蓄磷量(124mg/g)、低碳源浓度(200mg/L)的释磷效果接近.温林霄等[51]研究发现蓄磷量提高3.6倍使释磷速率和释磷量提高了1.9 倍;而碳源浓度提高4 倍,释磷速率和释磷量仅提高了1.79 倍.由此可知,在BSBR 工艺中,高浓度碳源并非是促进厌氧释磷的唯一途径,通过提高蓄磷量来实现磷酸盐的高倍富集是一种更为经济有效的手段.

4 总结与展望

4.1 温度和pH 值对EBPR 和BSBR 工艺运行效果的影响差别不大,适宜温度均为15～20℃,适宜pH 值均为7.25～8.00.

4.2 HRT 和DO 对两种工艺的影响较大:由于生物膜系统具有更高的PAOs 丰度与活性,因此比活性污泥系统需要更短的HRT;EBPR 工艺的DO 保持在2mg/L 左右即可,而由于氧气由液相进入生物膜内的传质阻力较絮状污泥更大,故BSBR 工艺的DO 需提高至4～6.5mg/L.

4.3 相对于EBPR,生物膜磷回收系统可适应更低的C/P比;EPS对吸释磷过程的参与降低了生物膜磷回收系统的碳源需求.

4.4 蓄磷量是BSBR 工艺获得高浓度磷酸盐溶液的关键因素.高浓度碳源并非是促进厌氧释磷的唯一途径,可通过提高蓄磷量促进厌氧释磷,从而降低碳源消耗,进而减少运行成本.