静置好氧缺氧序批式反应器SBR脱氮除磷效果研究

作者研究了不同进水氨氮浓度对静置/好氧/缺氧SBR脱氮除磷性能的影响，其中静置段代替了通常的厌氧段，实现脱氮除磷的目的，具有一定的特色。请考虑如下意见和建议。1.明确静置段和厌氧段的区别，虽然静置段不需要搅拌，节省能量，但可能引起传质速度慢，这样设置还有其他的理论和意义吗？2.静置阶段同样处于厌氧状态，存在大量的磷释放是正常的，如果单单把这一点作为创新尚需探讨，作者应该明确该流程的全面的优势和特点。另外作者如果能够比较厌氧搅拌条件下和静置条件下的释磷情况，则能够更好地说明该问题。3.作者提到“在BNR工艺中, 脱氮与除磷其实是一个相互影响的过程, 不同的进水氨氮浓度会影响除磷效果.而后置缺氧工艺中关于这方面的研究很少”，由于存在反硝化除磷，氨氮的浓度势必影响除磷，作者应该明确更详细的涵义，而且在SBR工艺中一般为后置缺氧段。 4.请解释好氧段为什么控制溶解氧浓度在较高水平(4~6 mg/L),这里的能量消耗可能远大于静置节省的能量。5.污泥絮体最好不要直接用絮凝体表示。

上面是另外一篇的审稿意见，原来有几个错别字

该论文研究了污水处理静置/好氧/缺氧序批式反应器（SBR）的脱氮除磷效果，分析了该工艺过程和传统的厌氧/好氧/缺氧序批式反应器（SBR）的脱氮除磷的区别，对于污水处理工艺的选择具有一定的参考价值。但是仍存在一些较严重的问题，建议修改后再审。主要建议如下：1. 一般来讲，在活性污泥法中多采用前置反硝化利用污水中的碳源，而在SBR系统中一般都采用后置反硝化过程，或者由于生物膜系统的反硝化作用，也可以采用后置反硝化。作者在介绍里面应该不要将这些工艺混合，给读者误导。

2. 作者观察到静置/好氧/缺氧序批式反应器（SBR）系统静置段有大量磷释放这是正常现象，静置段本身是一个厌氧段，最大的可能是物质传递变慢。作者采用1.8L的小反应器，污水和污泥的混合和物质的传递应该还比较有效，如果进一步放大反应器，静置段能否代替厌氧段，能否省略搅拌还不得而知。这些作者应该考虑到，并向读者说明。作者采用乙酸钠作为唯一碳源，可能也极大地简化了系统。

3. 对于PHA、PHB、PHV、PH2MV等，作者最好全部在第一次出现时给出中文名字。

4. 作者在反应过程中，得到R1和R2的脱磷效果类似，作者采用的是相同的反应条件、反应时间，实际上可能R2并不需要这么长的好氧阶段，可能正是这一原因使得后续R2存在磷的再次释放。

5. 作者的分析“由图3可知，好氧段内R1中亚硝酸盐积累量可达

6.31 mg/L，而R2亚硝酸盐积累量最多仅为2.40 mg/L，因而更多亚硝酸盐可能直接通过短程反硝化还原为氮气，而不必进一步氧化为硝酸盐再逐步还原为氮气。因此，R1同步硝化-反硝化更快。”似乎和实验数据矛盾，R2反应器亚硝酸盐积累量少，硝酸盐积累也少，应该是R2反应器有更多的硝态氮被还原，R2的同步硝化-反硝化更快。

6. 表4的数据表明R2出水的硝酸盐氮浓度更高，然而图3 中R2出水的硝酸盐氮浓度更低，相互矛盾。图4 关于总氮以其去除率的文字表述和图4矛盾，同样是R2的出水总氮浓度低于R1。因此R1并未表现出比R2更好的脱氮效果。

静置/好氧/缺氧序批式反应器（SBR）脱氮除磷效果研究

许德超，陈洪波，李小明*，杨麒，曾恬静，罗冠，彭波，汪志龙，谢继慈

1. 湖南大学环境科学与工程学院，长沙，410082

2.湖南大学环境生物与控制教育部重点实验室，长沙，410082

收稿日期：xxxx-xx-xx 修回日期：xxxx-xx-xx 录用日期：xxxx-xx-xx

摘要：以静置段代替传统厌氧段，采用后置缺氧方式，与传统厌氧/好氧/缺氧序批式反应器（SBR）（R2）对比，考察静置/好氧/缺氧SBR（R1）的生物脱氮除磷（BNR）性能。结果表明，R1长期运行中磷的去除率与R2相当，分别为92.4%和92.1%，而总氮（TN）去除率则较R2高，分别为83.5%和77.0%。R1静置段省却搅拌但仍起厌氧段作用，为好氧快速摄磷奠定基础。且R1缺氧段发生反硝化摄磷，从而使出水磷降至0.91 mg/L，去除率达92.4%。好氧段内R1发生了同步硝化-反硝化

基金项目：国家自然基金资助项目(No. 51078128, 51278175)

Supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51078128, 51278175)

作者简介：许德超(1988-), 男，E-mail：dechaoxu@https://www.360docs.net/doc/626206122.html,；*通讯作者(*责任作者), E-mail：xmli@https://www.360docs.net/doc/626206122.html, Biography Xu Dechao (1988-), male，E-mail：dechaoxu@https://www.360docs.net/doc/626206122.html,；*Corresponding author, E-mail：xmli@https://www.360docs.net/doc/626206122.html,

（SND），贡献18.0%的TN去除量，而R2的SND脱氮量较少，仅为9.8%。R1和R2后置缺氧反硝化均以糖原驱动，反硝化速率分别为0.98，0.84 mg-N/(g-VSS·h)，出水TN分别为6.62，9.21 mg/L。静置段代替传统厌氧段后，可获得更好的脱氮效果，且工艺更为简化。

关键词：静置段；后置缺氧；生物脱氮除磷（BNR）；同步硝化-反硝化；糖原

文章编号：中图分类号：文献标识码：A

Biological nutrient removal in a sequencing static/aerobic/anoxic batch reactor

XU Dechao, CHEN Hongbo, LI Xiaoming*, Y ANG Qi, ZENG Tianjing, LUO Guan, PENG Bo, WANG Zhilong, XIE Jici

1. College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082

2. Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control, Ministry of Education, Hunan University, Changsha 410082 Abstract: With static phase as a substitute for conventional anaerobic stage and post-anoxic format, a sequencing batch reactor (SBR) (R1) was employed via static/aerobic/anoxic configuration to investigate biological nutrient removal (BNR) performance of R1, compared to anaerobic/aerobic/anoxic SBR (R2). The experimental results demonstrated that comparable phosphorus (P) removal was achieved in R1 (92.4%) with comparison to R2 (92.1%). However, total nitrogen (TN) elimination efficiency of R1 (8

3.5%) was superior to that of R2 (77.0%). Static phase of R1 still functioned as anaerobic phase without stirring, laying the foundation of rapid P uptake aerobically. Denitrifying P removal achieved effluent P of 0.91 mg/L, corresponding to 92.4% P removal rate. Simultaneous nitrification and denitrification (SND) was demonstrated in R1, obtaining 18.0% of TN elimination, much higher over that of R2 (9.8%). In the post-anoxic basins of R1 and R2 microorganisms utilized glycogen to drive denitrification, exhibiting denitrification rates (DNRs) of 0.98, 0.84 mg-N/(g-VSS·h) and 6.62, 9.21 mg/L of effluent TN ,respectively. Better nitrogen removal efficiency was obtained in R1 than R2 with anaerobic phase replaced by static phase, and the configuration was further simplified.

Keywords: static phase; post-anoxic; biological nutrient removal (BNR); simultaneous nitrification and denitrification; glycogen

1引言（Introduction）

典型的生物脱氮除磷工艺有厌氧/缺氧/好氧工艺（A2/O工艺），University of Cape Town工艺（UTC工艺）及生物化学脱氮除磷工艺（BCFS工艺）（Smolders et al., 1995）。但这些工艺均是前置反硝化，即将缺氧段置于好氧段前。这种设置的优势是厌氧合成的内聚物聚羟基脂肪酸（PHA）等可直接进入缺氧段驱动反硝化而取得较好脱氮效果，但前置反硝化有其固有缺陷。根据生物脱氮理论，硝化段（好氧段）内氨氧化菌（AOBs）将氨盐氧化为亚硝酸盐后，亚硝酸盐氧化菌（NOBs）将亚硝酸盐氧化为硝酸盐；反硝化段（缺氧段）内反硝化菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐，并进一步还原为氮气（N2）（Zhou et al., 2011）。由于好氧段在缺氧段后，为实现反硝化，因而必须将混合液从好氧段回流至缺氧段。混合液回流会稀释进水有机质浓度；氧化态氮（NO-

）去除受制于混合液的回流速率，且完全脱氮不可能实现；混合液回流增加能量

x

消耗和工艺复杂度。因此，如何避免前置反硝化的缺陷成为研究者探索的问题。

缺氧段置于好氧段之后的后置缺氧反硝化方式，因省去了混合液回流而简化工艺流程，且能实现较好脱氮除磷而得到了大量研究。与前置反硝化相比，外碳源已在厌氧段或好氧段消耗，后置缺氧段反硝化菌以内碳源（糖原或PHA）为电子供体，以NO-

为电子受体驱动反硝化。Coats et al.（2011）和Winkler et al.

x

（2011）采用的后置缺氧序批式反应器（SBR）工艺，Bracklow et al.（2010）和V ocks et al.（2005）采用的连续流后置缺氧膜生物反应器（MBR）工艺均取得良好脱氮除磷效果。这些研究表明，后置缺氧段虽未外加碳源，微生物可利用胞内糖原或PHA驱动反硝化脱氮。此外，Xu et al.（2011）在后置缺氧反硝化的基础上将部分厌氧段混合液分配进缺氧段实现反硝化除磷，并在好氧段实现了同步硝化-反硝化。这种改进虽然实现了反硝化除磷，但又增加了工艺复杂程度。后置反硝化的厌氧/好氧/缺氧SBR工艺解决了混合液回流的问题，但该工艺是否有进一步改进的空间？

根据传统生物强化除磷（EBPR）理论，EBPR通过厌氧/好氧或厌氧/缺氧交替运行实现。这种条件为聚磷菌（PAOs）代谢生长提供选择性优势，使之能厌氧吸收挥发性脂肪酸（VFAs）合成为PHA，并好氧吸收磷酸盐（Coats et al., 2011）。PAOs厌氧吸收VFAs的能量来源于聚磷降解和糖原分解，而糖原分解为PHA合成提供还原力（Smolders et al., 1994）。在好氧或缺氧条件下，PAOs通过三羧酸循环（TCA）为自身生长、糖原储存、磷酸盐摄取和聚磷合成提供能量（Smolders et al., 1995）。EBPR系统中也存在聚糖菌（GAOs）。这种微生物除不能厌氧释磷和好氧摄磷外，其他代谢方式与PAOs相似，故能与PAOs形成竞争关系，影响除磷效果。因而，为达到聚磷菌释磷目的，活性污泥需经厌氧搅拌以充分接触污水中VFAs。聚磷菌通过聚磷分解供能吸收VFAs。但笔者研究厌氧/好氧/缺氧SBR工艺发现，进水后未厌氧搅拌而静置1 h然后直接曝气，静置期系统中仍可监测到磷酸盐大量释放，且曝气开始后磷酸盐仍能被快速过量吸收。同时，后置缺氧化段实现了反硝化脱氮，从而达到了脱氮除磷的目的。在未搅拌而静置阶段，虽未与

污水充分接触系统，活性污泥为什么能像传统厌氧段那样大量释磷？该阶段聚磷菌释磷与传统厌氧释磷有什么异同之处？由于并未搅拌静置段聚磷菌代谢方式会不会与传统厌氧段聚磷菌代谢方式有所不同？静置段的设置对好氧摄磷及缺氧反硝化脱氮影响有哪些影响？反硝化脱氮是不是也通过内聚物驱动，是通过糖原还是PHA或两者均有？若静置/好氧/缺氧SBR可达到与厌氧/好氧/缺氧SBR相当甚至更好的脱氮除磷效果，以静置段代替厌氧段而省却搅拌，将简化工艺并节省能量。这是在后置缺氧工艺上的进一步优化探索。众所周知，氮磷大量排放会引起水体富营养化，导致水质恶化，而传统生物脱氮除磷工艺运行成本高。因而，这种探索对于简化工艺，节约成本，防治水体富营养化具有重要的理论和实际意义，值得更深入地研究分析。

因此，本文以乙酸钠为单一碳源，考察静置/好氧/缺氧SBR长期运行中脱氮除磷性能，并设置厌氧/好氧/缺氧SBR以进行对比。由于本研究以静置段替代传统厌氧段，因而首先必须探究静置段聚磷菌代谢机理，以论述静置段与传统厌氧段的异同点及静置段在静置/好氧/缺氧SBR的地位作用。考察两系统释磷、好氧摄磷、同步硝化-反硝化及缺氧反硝化异同点。分析静置段替代厌氧段对系统摄磷，硝化及反硝化有哪些影响，以深入研究静置/好氧/缺氧SBR的脱氮除磷性能。最后，根据脱氮除磷效果，对静置/好氧/缺氧SBR可否替代厌氧/好氧/缺氧SBR作初步判断，以期为后置缺氧工艺的研发与应用提供新思路。

2 材料与方法（Materials and methods）

2.1试验装置与运行方法

试验在2个相同的SBR中进行，反应器有效体积为1.8 L。接种的活性污泥取自长沙市第一污水处理厂，起始活性污泥浓度约为4000 mg/L。R1运行方式如下：进水→静置（1 h）→曝气（2.5 h）→缺氧搅拌（3 h）→沉淀出水（0.5 h）→闲置（1 h）；R2运行方式如下：进水→搅拌（1 h）→曝气（2.5 h）→缺氧搅拌（3 h）→沉淀出水（0.5 h）→闲置（1 h）。好氧采用鼓风曝气，曝气量控制为1.5 L/min。控制污泥停留时间为20 d，整个过程中不控制pH。

2.2污水水质

两反应器进水采用合成废水，进水成分及浓度一致。乙酸钠（10.88 mmol-C/L）为单一碳源。氨氮采-N/L）。溶解性正磷酸盐（SOP）采用磷酸二氢钾（12 mg-PO3-4-P/L）。此外，CaCl2用氯化铵（40 mg-NH+

4

及MgSO4浓度皆为5 mg/L。微量元素溶液为0.5 mL，其组分及浓度见Wang et al.（2008）。

2.3分析方法

PHA：气相色谱法（Wang et al.,2008）；NO- 2-N: N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法（水和废水监测分析

-N：紫外分光光度法（水方法，2002）；SOP：钼锑抗分光光度法（水和废水监测分析方法，2002）；NO-

3

和废水监测分析方法，2002）；混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）：重量法（水和废水监测分析方法，2002）；NH+ 4-N：纳氏试剂分光光度法（水和废水监测分析方法，2002）；污泥中总磷（TP）：NaOH熔融钼锑抗分光光度法（Wang et al., 2009）；糖原（Glycogen）：苯酚-硫酸法（Wang et al., 2009）；废水总有机碳浓度（TOC）：TOC测定仪（ShimadzuTOC-500，日本）。

3结果与分析（Results and discussion）

3.1 静置段微生物代谢分析

由于静置段与传统厌氧段有所不同，而这种差异是否影响微生物代谢，进而影响生物强化除磷值得探讨。下面将从释磷、VFA摄取、糖原分解及PHA合成等方面分析。运行稳定阶段，R1和R2典型周期SOP、TOC、糖原和PHA（PHB+PHV+PH2MV）周期变化分别如图1所示。

S O P (m g /L )

T O C (m m o l -C /L ), P H B , P H V , P H 2M V , P H A , 糖原(m m o l -C /g V S S )

间(h)时a

S O P (m g /L )

b

T O C (m m o l -C /L ), P H B , P H V , P H 2M V , P H A , 糖原(m m o l -C /g V S S )

间(h)时图 1 R1（a ）和R2（b ）典型周期内SOP 、糖原和PHA 的变化（AN:厌氧段，ST:静置段，AE:好氧段，AX:缺氧段） Fig.1 V ariations of SOP, glycogen, PHA during a typical cycle (R1: a, R2: b. AN: anaerobic phase, ST: static phase, AE: aerobic

phase, AX: anoxic phase)

R2厌氧段迅速释磷，释磷量为74.34 mg/L ，释磷速率为24.11 mg-P/(g-VSS·h)。R1静置段释磷量相对较少，但仍有38.67 mg/L ，释磷速率为12.86 mg-P/(g-VSS·h)。Montil et al.（2005）和Manais et al.（1992）认为传统EBPR 工艺厌氧磷酸盐释放速率分别为5~30 mg-P/(g-VSS·h)和7~20 mg-P/(g-VSS·h)。虽然R1释磷量仅为R2一半，但与传统厌氧段释磷速率相比，R1静置段释磷速率在其变化范围内且偏高。这表明进水后虽未搅拌活性污泥，但R1中聚磷菌可较快分解聚磷以迅速吸收水中VFA ，故其静置释磷速率仍较高。可见，R1系统内虽无传统厌氧段，聚磷菌仍能优势生长。与R2厌氧段一致，R1静置段也会发生糖原分解及PHA 合成。R1厌氧段和R2静置段释磷量（P rel ）、VFA 摄取量（VFA up ）、PHA 合成量（PHA syn ）及糖原降解量（Gly deg ）之间的转化比例和PHA 各组分百分比与文献报道传统厌氧段的数据比较见表1。 由表1可知，R1静置段PHA 合成量、糖原分解量及释磷量在传统厌氧段的变化范围内，表明PAOs 静置段内的代谢方式与传统厌氧代谢相似。由表1可知，R1和R2的Gly deg /PHA syn 分别为0.65，0.60 mmol-C/mmol-C 。Arun et al.（1988）和Carvalho et al.（2007）认为该比例在0.28~0.36之间或更高时预示EBPR 运行成功。表1中试验均以乙酸钠为碳源。当P rel /VFA up 较小（0.15~0.45），而Gly deg /VFA up 较高（0.67~0.78）时，PHV 占PHA 比重（PHV/PHA ）明显偏高（20.0~28.6%）；相反，当P rel /VFA up 较高（0.48~0.96），而Gly deg /VFA up 较低（0.46~0.53）时，PHV 占PHA 比重（PHV/PHA ）明显偏低（6~12%）。乙酸钠作为碳源被PAOs 吸收后，直接转化为乙酰-CoA ，后者将聚合成PHB 。但PAOs 能通过还原性三羧酸循环（TCA ）+琥珀酸-丙酸途径生成丙酰-CoA ，进而与乙酰-CoA 合成PHV （Kortstee et al., 2000）。本研究中R1和R2 的P rel /VFA up 偏低，而Gly deg /VFA up 和PHV 占比偏高。某些聚磷菌可能更多地依赖糖原降解，而还原性TCA 可平衡源于糖酵解产生的还原力（Oehmen et al., 2010）。据此推断，聚磷菌更多依赖糖原降解提供能量，产生较多还原力，因而为了平衡还原力，PAOs 通过该途径合成较多的丙酰-CoA ，进而合成较多的PHV 。以上分析表明，静置段起厌氧段作用而省却了搅拌，聚磷菌能优势生长并快速释磷，为好氧迅速摄磷奠定基础。

表 1 传统厌氧段与静置段的化学计量数及PHA 组分百分比的比较（以乙酸钠为碳源）

Table 1 Comparisons of stoichiometries and percentages of PHB, PHV and PH2MV in PHA between the static period and

conventional anaerobic period (acetate as carbon source)

试验 Gly deg /VFA up (mmol-C/mmol

-C)

PHA syn /VFA up (mmol-C/mmol

-C)

P rel /VFA up (mmol-P/mmol

-C)

Gly deg /PHA syn (mmol-C/mmol

-C)

PHB/PHA (%) PHV/PHA (%) PH2MV/PHA

(%)

R1 0.77 1.18 0.37 0.65 70.6 28.1 1.3 R2

0.68 1.13 0.31 0.60 72.9 25.3 1.8 Pereira et al.(1996) 0.69 1.47 0.16 0.47 71.4 28.6 0 Liu et al.(1997) 0.78 1.47 0.45 0.53 75.8 20.0 <4.2 Winkler et al.(2011) 0.71 1.11 0.15 0.64 75.6 24.4 0 Smolders et al.(1994) 0.50 1.33 0.48~0.71 0.38 90 10 0 Lu et al.(2006) 0.46 1.26 0.62 0.37 94 6 0 Filipe et al.(2001) 0.53 1.30 0.57 0.41 88 12 0 Y agci et al.(2003)

0.48

1.24

0.96

0.39

89

9

2

3.2 R1和R2除磷性能比较

PAOs 在两系统好氧段均迅速吸收废水中的磷酸盐。R1，R2中SOP 分别从好氧段初46.67，82.34 mg/L 下降到好氧段末2.32, 0.93 mg/L 。其磷酸盐的平均吸收速率分别为5.90，9.53 mg-P/(g-VSS·h)，R2高于R1。R2厌氧段聚磷菌释磷更充分，因而摄磷速度更快，好氧段末SOP 即在1 mg/L 以下；而R1静置段释磷较R2少，摄磷速度亦相对较慢。从好氧代谢看，与R2相同，随着磷的摄取R1好氧段发生PHA 降解与糖原补充，但R2的Gly syn /PHA o xi 较R1小（表2），其原因可能是在R2厌氧段释磷更多的情况下，R2中聚磷菌氧化PHA 所获能量较多地用于SOP 摄取及聚磷合成，而用于糖原补充则相对较少，故Gly syn /PHA o xi 较小。虽然R1好氧段末SOP 较高，为2.32 mg/L ，但随着反硝化进行，SOP 逐渐吸收，从而使SOP 在缺氧结束时降至0.91 mg/L 。因此推断，R1中存在反硝化聚磷菌（DPAOs ），以NO -

x 为电子受体摄取SOP （Xu et al., 2011）。反硝化摄磷速率为0.18 mg-P/(g-VSS·h)。脱氮的同时使SOP 浓度进一步降低，与R2达到相当的除磷效果。R1和R2长期运行过程中除磷效果见图2。由图2可知，R1和R2长期运行过程中，除磷效果

稳定良好，平均出水浓度分别为0.91和0.93 mg/L ，平均去除率为分别为92.4%和92.1%。与设厌氧段的R2相比，设静置段的R1具有相当的除磷效果。这表明与厌氧/好氧/缺氧SBR 相比，静置/好氧/缺氧SBR 能在长期运行过程中取得与之相当的良好除磷效果。

出水S O P (m g /L )

间(d)S O P 去除率(%)

运行时图2 R1和R2长期运行的除磷效果 Fig.2 Phosphorus removal efficiencies in R2 and R1 over long-term operation

表2好氧段和后置缺氧段微生物代谢

Table 2 Aerobic and post-denitrification metabolic transformation

运行时段 参数 单位

试验

R1

R2 Coats [1]等 Winkler [6]等

好氧段

Gly syn

mmol-C/g-VSS

1.88

2.29

0.67

-

PHA oxi mmol-C/g-VSS 1.66 2.76 0.42 - Gly syn /PHA oxi

mmol-C/mmol-C 1.17 0.83 1.60 - 缺氧段

NO -

x -N red mg-N/g-VSS 3.31 2.85 1.80 0.32 Gly req mmol-C/g-VSS 0.27 0.23 0.16 0.03 Gly uti mmol-C/g-VSS

0.90 0.75 0.55 0.17 Gly req /Gly uti

%

30.4

31.2

29.3

17.0

注: Gly syn 和PHA oxi 分别表示好氧段糖原合成和PHA 氧化量；NO -

x -N red 、Gly req 及Gly uti 分别表示缺氧段 NO -

x 还原量、相应理论糖原量及 实际糖原消耗量

3.3 R1和R2脱氮性能比较

图3为R1和R2典型周期内NH + 4-N 、NO - 2-N 和NO -

3-N 的变化情况。

N H +

4-N , N O 3-

-N (m g /L )

间(h)时 N O 2-

-N (m g /L )

a

N H +

4-N , N O -3-N (m g /L )

N O 2-

-N (m g /L )

b

时间(h)

图 3 R1（a ）和R2（b ）典型周期内NH + 4

-N 、NO - 2

-N 和NO - 3

-N 的变化 Fig.3 V ariations of NH + 4-N, NO - 2-N and NO -

3-N during a typical cycle (R1: a, R2: b)

由图3可知，好氧段内两系统中的氨氮几乎被完全氧化，至好氧段末R1和R2中氨氮浓度分别为0.27,0.19 mg/L ，去除率分别为99.3%和99.5%。氨氮被氧化成硝氮或亚硝氮，但由图3可知，好氧段氨氮减少量与NO -

x 生成量差距较大，因此，可考虑好氧段是否发生同步硝化-反硝化。好氧段氨氮主要有三个去向:氧化成NO -

x ，同步硝化-反硝化为N 2及细胞同化为生物氮。生物氮可以细胞分子式 C 5H 7NO 2计算（N 占比12%）（Bruce et al., 2001）。 因反应器中总生物量处于平衡状态，则每个周期排放的污泥量应相当于该周期新增的生物量。每周期混合液排放量为30 mL ，再由MLVSS 和生物氮占比可计算每周期同化生物氮量。同步反硝化脱氮量（SDN ）由被氧化的氨氮扣除生成的NO -

x 和同化的生物氮而得。经计算，R1和R2同步反硝化脱氮量为4.84，2.62 mg/L ，分别占进水总氮的18.0%，9.8% （见表3）。好氧段发生同步反硝化原因可能是活性污泥絮凝体从表面到内核，氧的分布并不均匀。外层为好氧区，进行硝化反应；内层为缺氧区，进行反硝化反应。Satoh et al.（2003）发现硝化和反硝化能在絮凝体的不同区域同时进行。此外，也有可能存在好氧反硝化菌（Kim et al., 2005）。虽然进水氨氮浓度相同，但R1同步反硝化脱氮量比R2多，可能由于R1中氨氧化菌（AOBs ）相对亚硝酸盐氧化菌（NOBs ）更多，从而亚硝酸积累量更多。由图3可知，好氧段内R1中亚硝酸盐积累量可达6.31 mg/L ，而R2亚硝酸盐积累量最多仅为2.40 mg/L ，因而更多亚硝酸盐可能直接通过短程反硝化还原为氮气，而不必进一步氧化为硝酸盐再逐步还原为氮气。因此，R1同步硝化-反硝化更快。

R2外碳源在厌氧段已完全消耗，而R1外碳源静置段结束时虽有剩余，但曝气后则立即吸收，即R1和R2缺氧段已无外碳源。由图1和图3分析，R1和R2缺氧段内NO -

x 逐渐下降，且此时PHA 保持平稳并未下降，而糖原则逐渐下降，因此可推断，R1和R2在缺氧段发生了以NO -

x 为电子受体，以胞内糖原为电子供体的后置反硝化反应，这与Coats et al.（2011）和Winkler et al.（2011）报道一致。微生物内源性衰解驱动反硝化速率为0.2~0.6 mg-N/(g-VSS·h)（Kujawa et al., 1999）。R1和R2后置反硝化速率分别为0.98和0.84 mg-N/(g-VSS·h)。Coats et al.（2011）和Winkler et al.（2011）测得后置反硝化速率分别为0.67~0.88和0.31~0.95mg-N/(g-VSS·h)（20℃校正，校正公式见V ocks et al.（2005））。可见，R1和R2后置反硝化速

率高于微生物内源性衰解反硝化速率，而与文献报道的后置反硝化速率相当。每还原一定量硝氮则需相应

一定量糖原。2.86 mg-COD/mg-NO - 3-N 表示每还原1 mg NO -

3理论上需2.86 mg COD

（Winkler et al., 2011）。据此计算，每还原1 mg NO -

2-N 则需1.14 mg COD 。为更好探讨糖原驱动后置反硝化脱氮，统计硝氮与糖原之间的定量关系数据见表2。从表2可见，R1和R2缺氧还原硝氮理论所需糖原分别占缺氧实际消耗糖原的30.4%和31.2%，与Coats et al.（2011）研究结果相当，而较Winkler et al.（2011）研究结果高。缺氧段不到一半糖原用于硝氮还原，剩余糖原可能通过糖酵解为微生物供能以维持生长。R1缺氧消耗糖原较R2多，其硝氮还原量亦较多（见表2）。R1反硝化速率高于R2，可能就是由于R1缺氧段分解的糖原量（0.90 mmol-C/g-VSS ）较R2分解的（0.75 mmol-C/g-VSS ）多（见表2）。至于为何R1缺氧糖原分解量较R2多，其原因可能是R2好氧段氧化PHA 所获能量更多地用于SOP 摄取及储存，用于糖原补充则相对较少，从而导致缺氧段糖原分解较少。由表 2知，R1中Gly syn /PHA oxi 较R2小。R1和R2缺氧段反硝化速率（DNR ）如表4所示。

表 3 R1，R2好氧段同步硝化-反硝化

Table 3 Simultaneous nitrification and denitrification in aerobic phases of R1, R2

反应器 MLVSS (mg/L) 氮平衡分析 (mg/L)

SND/TN (%) NH + 4-N

氧化量

NO -

x 生成量 生物氮量 SND (N 2) R1 3007 26.81 16.01 6.01 4.84 18.0 R2

3083

26.72

17.93

6.17

2.62

9.8

表 4 R1，R2缺氧段反硝化速率

Table 4 Denitrification rates in anoxic stages of R1, R2

试验 出水SOP (mg/L) 出水氮浓度 (mg/L)

后置DNR 20 (mg-N/(g-VSS·h))

SOP 去除率

(%)

NH +

4-N 去除率

(%)

TN 去除率(%) NH + 4-N

NO - 2-N

NO - 3-N

R1 0.91 0.57 0 6.05 0.98 92.4 99.3 83.5 R2

0.93

0.54

8.67

0.84

92.1

99.5

77.0

综合对比R1和R2好氧段和缺氧段脱氮性能发现，设置静置段的R1比设置厌氧段的R2有更高的同步硝化-反硝化脱氮量和反硝化速率，故在氨氮氧化量几乎相同情况下，R1硝氮出水浓度较R2低（见表4）。因而具有更好的脱氮效果。R1和R2长期运行过程中脱氮效果见图4。由图4可知，长期运行过程中R1和

R2脱氮效果稳定，平均出水TN 分别为6.62和9.21 mg/L ，平均脱氮率分别为83.5%和77.0%。可见，R1脱氮效果好于R2。

运行时出水T N (m g /L )

间(d)T N 去除率(%)

图 4 R1和R2长期运行的脱氮效果

Fig.4 TN removal efficiencies in R2 and R1 over long-term operation

4 结论（Conclusions ）

1）静置段可起厌氧段作用，为生物强化除磷奠定基础；

2）静置/好氧/缺氧SBR 的 SOP 和TN 去除率分别为92.4%和83.5%。厌氧/好氧/缺氧SBR 的SOP 和TN 去除率分别为92.1%和77.0%；

3）以静置段代替厌氧段的静置/好氧/缺氧SBR 可达相当的除磷效果，而脱氮效果则更好。该设置在

避免污泥回流的基础上省却厌氧搅拌而简化工艺，降低了处理成本。

责任作者简介：李小明*（1966-），男，工学博士，教授，博士生导师，主要从事水污染控制工程、环境生物技术、固体废弃物资源化等方面的研究。E-mail: xmli@https://www.360docs.net/doc/626206122.html,.

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