溫度對MOSA工藝厭氧反應器物質釋放及磷回收的影響

劉貝 林玉姬 李安琪 孫連鵬 葉挺進

摘要：以MOSA工藝厭氧反應器為研究對象，以溫度為單一變量，構建25℃、30℃和35℃三套厭氧反應系統，通過定期監測反應器進出泥的相關指標，探究不同溫度條件下，污泥停留時間為5天的厭氧反應器中氮磷等物質的釋放規律，以確定鳥糞石法回收MOSA工藝厭氧反應器中氮磷的最佳反應溫度。結果表明，在SRT=5d條件下，NH3-N、PO43-、Mg2+釋放量均隨著溫度升高表現出不同程度的增長;Ca2+并未表現出明顯的相關性;從釋放量和物質間配比方面來看，30℃和35℃系統之間差別較小，更有益于高品質鳥糞石的生成，25℃系統無法滿足要求。綜合比對分析，30℃為最適合用于MOSA工藝厭氧反應器氮磷釋放并采取鳥糞石法回收的溫度。

關鍵詞：MOSA工藝;厭氧反應;溫度;鳥糞石

中圖分類號：X505 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）05-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.05.058

Abstract：Modified oxic-settling-anaerobic （MOSA） process was an efficient sludge reduction process， formed by inserting a side-steam anaerobic reactor. The study focused on the effect of temperature on anaerobic reactors， which operation mode was the same as that in MOSA process. Three sets of anaerobic reactors were built up in the lab， the temperature of which were 25℃， 30℃ and 35℃ severally. To determine the best temperature for nitrogen and phosphorus recovery in anaerobic reactor of MOSA process by struvite crystallization， indexes of sludge in and out of the anaerobic reactor were monitored regularly to investigate the matter release rules at different temperature when SRT was 5 days. The results showed that the release of NH3-N， PO43- and Mg2+ showed varying degrees of growth with temperature growing while the release of Ca2+， Al3+ and Fex+ showed no significant correlation. The three temperature levels were suitable for struvite crystallization from the respective of release amount and proportions while 30℃ and 35℃ were more beneficial for high quality struvite formation. By all accounts， 30℃was the most suitable temperature for matter release and phosphorus recovery by struvite crystallization in the anaerobic reactor of MOSA process.

Keywords：MOSA process;Anaerobic reaction;Temperature;Struvite

在市政污水處理中廣泛應用的活性污泥法會產生大量的剩余污泥，污泥若不經有效處理處置，極易造成二次污染，使污水處理設施的環境效益大大降低，但與此同時污泥中也含有大量可資源化利用的物質[1]。本研究基于MOSA工藝的厭氧反應器，通過改變厭氧反應溫度，探究SRT=5d時厭氧反應器內釋磷的最佳溫度條件，提高磷釋放量，便于后續采用鳥糞石法對其進行回收。采用本套工藝一方面回收了厭氧反應器中的磷素，創造了經濟價值;另一方面回收磷后減少了厭氧反應器回流至生化池中的磷素，減小了對主體污水處理工藝造成的沖擊。

1 材料與方法

1.1 實驗系統建立

設定25℃、30℃以及35℃三個溫度梯度，對不同溫度反應器進出泥的氮、磷的釋放變化情況進行系統的研究。系統通過計時器控制進泥泵和出泥泵，對厭氧反應器中的污泥定時進行交換。本實驗所采用的厭氧反應污泥樣品取自廣州市某污水處理廠A/A/O工藝二沉池，一天4次進出泥，每次120mL，污泥停留時間為5d。對進泥桶設置低速攪拌避免進泥桶內污泥自然沉降。

1.2 檢測指標及方法

對于厭氧污泥樣品的各項溶解性指標，采用如下步驟進行預處理：從反應器中取出污泥后立即進行10min的10，000 r/min 離心，上清液通過0.45μm 微孔濾膜過濾后按照《環境檢測》（第四版）[2]進行各指標檢測，其中NH3-N采用納氏試劑分光光度法，總氮采用微波消解、堿式過硫酸鉀分光光度法，PO43-采用鉬酸銨分光光度法，總磷采用微波消解、鉬銻抗分光光度法。

2 結果與討論

2.1 不同溫度下厭氧反應器各物質的釋放規律

2.1.1 不同溫度下磷元素的釋放規律

磷是衡量污泥性能的重要指標之一。一般認為，污泥中的磷依靠著聚磷菌的作用在固相與液相之間進行遷移。不同溫度下TP及PO43- 的變化趨勢如圖1～2所示。由圖可得，PO43-及TP的釋放量隨著溫度的升高而增加。這是由于剩余污泥在厭氧過程中胞內物質和胞外聚合物在水解作用下釋放到液相中，導致溶解性TP和PO43-增加。污泥細胞內磷等相關物質從固態釋放到液相中[3]。根據王建輝等[4]的研究，在25℃時聚磷菌仍具有一定的生長優勢，系統吸磷速率較高;在30℃和35℃時溫度過高，PAOs的代謝模式被破壞，釋磷速度提高。因此，30℃和35℃的系統出泥上清液的磷含量比20℃的要高。

2.1.2 不同溫度下總氮和氨氮的釋放規律

由圖可見，TN及NH3-N的釋放量隨著溫度的上升而增加。各溫度系統中出泥TN中絕大部分以NH3-N形式存在，25℃、30℃及35℃系統NH3-N占TN的82%、87%和93%，因此，以NH3-N作為氮素的代表性指標來對三個系統進行分析。從圖4中可發現，不同溫度系統出泥的NH3-N含量具有明顯的梯度，溫度越高NH3-N釋放量越大。原泥的NH3-N含量較低，穩定在5mg/L左右。25℃系統在運行初期NH3-N相對較低，在運行45d之后有明顯上升趨勢，與PO43-的變化趨勢一致。30℃和35℃系統的NH3-N與PO43-一樣，從運行初期就保持較高濃度并且不斷增長。總的來說，溫度對NH3-N的釋放影響明顯。

2.1.3 不同溫度下金屬元素的釋放規律

由于一般情況下，污泥中Mg2+和Ca2+的濃度相對較高，且會對鳥糞石生成會產生影響，因此對污泥上清液中Mg2+和Ca2進行檢測，檢測結果見圖5～6所示。

系統未達到穩定時的Mg2+濃度都各自保持在一個穩定的水平;經過一段時間的培養后，三者Mg2+濃度升高后下降，其中30℃和35℃Mg2+濃度基本相等，而經過較長時間的培養，穩定后25℃系統的Mg2+濃度接近其他兩套系統，相差4mg/L。而Ca2+相比于Mg2+來說并未顯現出規律性，每個溫度系統下其相應濃度都在波動，而且彼此之間沒有確定的大小關系。因此可以認為溫度對Ca2+的釋放沒有顯著影響。Ca2+對鳥糞石生成反應所造成的影響是不可忽視的。Ca2+是鳥糞石回收法中重要的雜質離子，如不加以抑制，它帶來的副產物對鳥糞石的產量和純度造成嚴重影響[5]。

3 鳥糞石回收磷可行性分析

從組成上看，鳥糞石的生成理論上需要NH3-N/PO43-摩爾比（簡稱N/P）等于1，但一方面，上清液中存在的Ca2+、Mg2+會與PO43-發生各種副反應，所以有必要選擇較高的N/P以促進PO43-向生成鳥糞石的方向轉化;另一方面，因鳥糞石反應是一個消耗堿度的過程，提高NH3-N的濃度，保持一定的緩沖能力，有利于鳥糞石生成反應的進行[6]。所以，N/P需保證大于1。25℃、30℃、35℃各系統出泥上清液的N/P見圖7所示。可以看出，30℃和35℃系統的出泥上清液N/P大于1，25℃系統的N/P最低值為0.89，接近于1基本滿足實際的反應需求。

和N/P一樣，鳥糞石的生成反應理論需要的Mg2+/PO43-摩爾比（簡稱Mg/P，下同）為1，但提高Mg2+的濃度能促進鳥糞石的生成反應;然而若Mg2+含量過高，副產物諸如Mg3（PO4）2、Mg（OH）2等又會降低鳥糞石的純度[6]。研究表明，Mg/P達到1.2時磷的回收率可以達到95% [18]。25℃、30℃、35℃各系統出泥上清液的Mg/P見圖8，前期25℃系統的Mg/P波動大，后期漸趨穩定;所有系統的Mg/P都穩定在0.5的范圍內。

結合圖6中Ca2+的變化情況，可以看出三個系統中的Ca2+/PO43-摩爾比較高，不利于鳥糞石的生成[7]。但30℃和35℃系統中N/P均超過1，因此可以在保證N/P值較高的條件下，投加Mg使得Mg/P稍大于1，即可在Ca2+濃度較高的條件下依然獲得更優質的鳥糞石[8-9]。

綜上，對25℃而言，其PO43-低于其他兩套系統，對充分回收剩余污泥中的磷元素是不理想的;對30℃和35℃而言，其在PO43-的釋放濃度和Mg/P兩個指標上水平相當，而且它們的N/P都能滿足要求。因此，30℃系統和35℃系統在以回收鳥糞石為目的時，其在5天厭氧條件下物質釋放的效果沒有區別。但考慮實際生產中溫度越高，實際操作越困難及成本越高，因此最適宜應用于生產中的溫度為30℃。

4 結論

（1）溫度對NH3-N的釋放有明顯影響，不同溫度條件下NH3-N釋放量具有明顯的梯度，溫度越高NH3-N釋放量越大;溫度對PO43-的影響相對較小，30℃和35℃條件下的PO43-釋放量幾乎不存在差別。金屬離子方面主要受溫度影響的是Mg2+，隨著溫度升高釋放量略有增長;但Ca2+隨溫度變化不表現出規律性;（2）在以鳥糞石法為回收手段、以盡可能回收剩余污泥中磷元素為目的時，25℃系統無法達到理想的回收效果;在30℃和35℃兩個溫度條件下，氮磷釋放效果及物質間配比較為接近，均可達到較理想的鳥糞石回收效果。考慮運行成本及可操作性，30℃更適宜于在實際生產中應用。

參考文獻

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收稿日期：2019-02-16

作者簡介：劉貝（1989-），女，漢族，研究生學歷，工程師，研究方向為水環境治理。