磷是水生植物和藻类生长的主要限制因素，当水体中磷的质量浓度超过0.02mg/L时，即认为是水体富营养化，因此除磷是控制水体富营养化的关键。随着GB18918-2002的实施，有很多污水处理厂引入污水生物除磷技术，以满足严格的出水磷酸盐排放标准(GB18918-2002一级A要求出水TP的质量浓度小于0.5mg/L)。
但由于生物除磷技术的复杂性，因此很多情况下不得不辅助以化学除磷的措施，而化学除磷存在诸多弊端，如产生化学污泥，提高了出水盐度，大大增加了污水处理的运行成本，而且也不符合我国低碳经济的目标。因此研究低碳稳定的生物深度除磷技术意义重大。
在国内外有很多生物除磷工艺的研究报道，如PhoStrip工艺、UCT工艺、VIP工艺，改良Bardenpho工艺、BCFS工艺、厌氧-缺氧-好氧法(A2/O)工艺等。工程中普遍采用的是同步脱氮除磷工艺，但该工艺存在流程长、供氧量高、需要外加碳源、污泥产量高等先天性不足，尤其是同步脱氮除磷在污泥停留时间和碳源的需求上存在着很难调和的矛盾，导致N、P的去除不能兼顾，很难同时达到排放标准的要求。最具代表性的就是A2/O工艺，但是在除磷方面，A2/O工艺除磷效率低，在处理城市污水时除磷率在75%左右，这时需要投加化学药剂以保证除磷效果，成为A2/O工艺应用于废水生物除磷的关键制约点。
基于同步脱氮除磷之间的矛盾，张杰、李冬等人提出了污水再生全流程的理念，以低C/N的城市生活污水为处理对象，将厌氧-好氧法(A/O)活性污泥法生物除磷工艺与厌氧氨氧化生物自养脱氮工艺相结合，组成厌氧/好氧-短程硝化-厌氧氨氧化高效低耗型城市污水再生处理工艺[5-7]。
本试验的A/O除磷工艺作为全流程首端处理单元，重点进行生物除磷，并同步降解大部分有机物，但要求对污水中的氮素最大限度的保留，实现亚硝氮、硝氮的最小积累，为后续自养脱氮单元提供稳定的高氨氮进水。基于此，探究了无硝化连续流A/O强化生物除磷系统的高负荷分段进水的启动方法，研究了分段进水和负荷对无硝化生物除磷系统快速启动的影响。
1.材料与方法
1.1试验装置
A/O生物除磷试验装置如图1所示。
系统由反应池和二沉池2部分构成，长×宽×高为2m×0.6m×1m，有效容积1140L。其中反应池分为厌氧段(A段)和曝气段(O段)，体积比为1：2.5。厌氧池设置搅拌机，为完全混合式。好氧池为推流式，并且在好氧段添加穿孔隔板将其分为第1好氧段、第2好氧段、第3好氧段，可以通过调节曝气量来控制反应器废水中每段的溶解氧(DO)含量。二沉池为中心进水周边出水的竖流式沉淀池。
1.2原水水质
试验用水为北京市某家属区的化粪池出水，COD为255.8～555.4mg/L，BOD5为120～150mg/L，TP、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮的质量浓度分别为6.13～9.15、63.17～103.27、0～0.49、0～3.81mg/L，碱度(以CaCO3质量浓度计)为504.65～651.47mg/L。
1.3分析项目及方法
COD：5B-3B快速COD测定仪；BOD5：TS606-G/2-IBOD测定仪；PO43--P含量：钼酸铵分光光度法；MLSS含量：MODEL711；氨氮含量：纳氏试剂光度法；亚硝酸盐氮含量：N-(1-萘基)-乙二胺光度法；硝酸盐氮含量：紫外分光光度法；DO含量、pH、温度：WTWonline测定仪。
微生物聚β羟基丁酸(PHB)染色、异染颗粒染色参照文献进行[4，8-9]：
PHB染色：
(1)初染，按常规制成涂片，用质量分数0.3%的苏丹黑染10min，水洗、吸干；
(2)脱色，用二甲苯冲洗涂片至无色素洗脱；
(3)复染，用质量分数0.5%的番红复染1～2min，水洗、吸干、镜检。PHB颗粒呈蓝黑色，菌体呈红色。
异染颗粒染色：
(1)按常规制成涂片，用异染颗粒甲液染5min，水洗；
(2)滴加乙液，染色1min，水洗、吸干、镜检。异染颗粒呈黑色，其他部分呈暗绿色或浅绿色。
其他项目测定参照文献进行。试验期间水质状况较为稳定，每天检测进出水TP含量、COD、氮素含量等，每天通过在线检测系统检测厌氧池pH、电导率、氧化还原电位(ORP)以及好氧池各段DO含量；每天测定污泥沉降比(SVI)、污泥含量。
1.4启动策略与步骤
系统接种污泥取自北京市某污水处理厂A2/O工艺的回流污泥。该工艺主要为脱氮工艺，除磷性能较差，污泥呈黄棕色，菌胶团发育良好，具有良好沉降性能，取泥后厌氧12h，开始接种，接种污泥的质量浓度5g/L，污泥容积指数为120mL/g。
启动初期，考虑到试验进水水质与城市污水处理厂的进水水厩存在一定的差异，为使污泥更快适应本试验的运行环境，接种后前3d，控制COD污泥负荷为0.56kg/(kg.d)，好氧段各段DO的质量浓度为2～3mg/L，通过排沈量控制泥龄为6～7d，初期污滩叫流体积比100%。反应器运行至第4天后，先通过l_好氧段分流体积分数45%的进水抑制硝化反硝化，再通过取消分段进水，增加厌氧段进水负荷进行强化除磷。
2.结果与讨论
2.1脱氮细菌的抑制试验接种的A2/O叫流污淝中，硝化反硝化细菌占有绝对优势，聚磷菌处于劣势地位。试验启动期问进出水氢化牢、硝化牢变化如图2所示。
由图2可知，前3d污泥适应期内反硝化反应严重，出水氨化率高为99.14%、硝化率为24.02%，同时检测到碱度损失率为73.12%。期间有大块污泥漂浮于二沉池上随出水流失，同时回流污泥带回的高含量硝酸盐，使厌氧池内反硝化细菌在厌氧条件下以硝酸盐为电子受体发生反硝化反应消耗大量的碳源，这使得聚磷菌处于竞争碳源的劣势，无法合成PHB，池内释磷率基本为0，进而导致聚磷菌在好氧段难以过量吸磷。另外，好氧段硝化细菌占绝对优势，加之高氨氮含量进水，氧气充足的有利条件发生硝化反应。此时，在厌氧好氧交替的环境下，聚磷菌的富集十分困难。
为抑制硝化细菌和反硝化细菌，反应器运行至第4天调整运行策略，提高进水COD污泥负荷至1.1kg/(kg.d)，同时采用分段进水，向好氧段前端分流体积分数45%的进水，同时降低好氧段DO含量，控制第1、2、3好氧段DO的质量浓度分别为1.5、1.0、1.0mg/L，使硝化细菌在高基质含量、低DO含量环境中被抑制，从而使异养菌占优势。为控制反硝化，使得较少的硝酸盐回流至厌氧池，降低回流体积比为70%。
由于硝化细菌是一类自养菌，有机基质的含量并不是它的生长限制性因素，相反，当硝化菌所处的生长环境中的有机物质含量过高时(BOD5>20mg/L)会使得生长速率较高的异养菌迅速繁衍，争夺DO，从而使自养菌的生长速率缓慢，在环境中失去竞争优势，进而达到抑制硝化的作用。本试验利用硝化细菌的这一特性，向好氧段分流部分进水，抑制氨氮的硝化，硝化作用减小后，通过回流带回到厌氧池的硝酸盐浓度就得到降低，大部分为兼性异养菌的反硝化菌在缺氧的条件下缺少了电子受体———硝酸盐，进而抑制反硝化细菌的增殖，最终达到淘汰硝化反硝化细菌的作用。
从图2中的氮素变化情况可以看出，从第4天调整运行策略后，预期效果显著，氨化率、硝化率迅速降低，运行至第7天，出水氨化率降至26.82%，硝化率降至8.98%，出水硝酸盐氮的质量浓度为8.16mg/L，并且，二沉池污泥上浮现象消失；继续运行，至第11天，出水氨化率降至22.97%、硝化率降至2.80%，出水硝酸盐氮的质量浓度为2.18mg/L；稳定运行至第15天，出水氨化率降至19.39%、硝化率降至0.72%，从宏观运行结果可以分析认为系统内硝化反硝化菌已经得到控制。
由此可以说明，无硝化A/O生物强化除磷系统启动初期采用分段进水的策略能有效抑制硝化反硝化作用，有利于系统快速淘汰硝化反硝化细菌，富集聚磷菌。
碱度的高低是硝化反硝化作用的指示参数，碱度的高低直接影响硝化反硝化的速率，因此试验连续监测了系统的沿程碱度和pH的变化趋势，结果如图3所示。
由图3碱度和pH的变化可以看出，未调整前碱度损失严晕，反应器内沿程的pH全部呈现下降趋势，分析是反应器内发生了硝化反应所致；调整后碱度损失率迅速下降.pH迅速升高，从侧而说明在抑制硝化反应方而，分段进水的运行策略是有效的。
2.2除瞬细菌的强化
从第16天开始，进入强化除磷阶段，取消分段进水，增加厌氧段除磷负荷。继续保持叫流体积比70%，同时控制第1、第2、第3好氧段DO的质量浓度分别为1.5、1.0、1.0mg/L，严格控制厌氧段DO含量为0。运行效果如图4和图5所示。
由图4和图5可知，从第4天开始抑制硝化反硝化阶段，TP的去除效果逐渐提高，出水TP含量逐渐降低，运行至第10天，TP去除率70.83%，出水TP的质量浓度为2.092mg/L，A段释磷率只有71.05%。出水COD基本稳定在50mg/L左右。之后至第15天TP的去除效果基本维持稳定，没有升高的趋势。此结果说明，一方面通过抑制硝化反硝化作用，聚磷菌竞争基质和DO的能力不断提高，另一方面，由于控制泥龄在有利于聚磷菌时代周期内(3～7d)，对脱氮细菌进行不断淘汰，达到不断富集聚磷菌的作用，但是由于分流了45%的进水到好氧段，降低了厌氧段进水的磷负荷，使得磷的去除效果难以进一步提高。当取消分段进水后，增加了厌氧段磷的负荷，使得聚磷菌在厌氧段得到强化，因而在好氧段的竞争优势不断得到强化，好氧段的硝化作用明显减弱(如图2所示的硝酸盐出水变化趋势)，进而通过回流作用带回到厌氧段的硝酸盐就逐渐减少，反硝化也得到抑制。因此，聚磷菌在厌氧好氧的交替过程中不断强化。
由图4和图5还可以看出，启动过程中，初期系统的COD去除率呈现逐渐升高的趋势，后期基本稳定在85%，系统的除磷菌和脱氮菌的种群优势的变化，对COD的去除效果影响不大，这也说明，除磷菌和脱氮菌需要有机底物的能力是相当的，无论哪种菌占据优势，都需要消耗一定的有机物作为能量，因此要强化聚磷菌在系统的优势，可以通过外加手段，抑制脱氮菌的生长，再通过控制泥龄、DO含量等常规指标进一步强化聚磷菌。通过8d的强化运行，第24天时，TP去除率92.93%，出水TP的质量浓度为0.47mg/L，A段释磷率达到176.1%，实现了快速系统高效除磷。
2.3除磷细菌的染色
在活性污泥法中，聚磷菌是生物除磷的主要完成者，许多研究者都发现聚磷菌体内能聚集PHB和聚磷颗粒(即Poly-p)。本试验通过对活性污泥直接染色，观测活性污泥细胞的PHB和聚磷颗粒的变化，从而判断生物除磷效果。启动试验过程PHB染色和异染颗粒染色结果如图6所示。
从图6可以看出，系统启动前，厌氧段的PHB蓝黑色颗粒仅有少量的小粒径的、外形模糊的蓝色小点零星的分布于菌胶团内，对应好氧段的聚磷酸盐颗粒也是零星、少量的散布于菌胶团内，结合系统较强的脱氮效果和微弱的除磷能力，可以说明，系统内菌胶团主要是以硝化菌和反硝化菌构成，聚磷菌不占优势。
当启动成功后，厌氧段有大量的蓝黑色聚合体产生，说明厌氧条件下发生了明显的合成PHB的反应，在好氧段，大量的黑色密实聚磷颗粒，细胞群落清晰可见。此时，结合系统的氮磷去除效果，分析认为，聚磷菌已经成为系统的主导菌群。
综上所述，通过直接将活性污泥制成切片染色，观察厌氧段PHB、好氧段异染颗粒的方法简单快捷，而且能够较好地反映系统内聚磷菌的生长状态，从微观角度证实了通过分段进水以及负荷的调控有利于系统快速的富集除磷微生物。
2.4分段进水对污泥性状的影响
为考察分段进水对除磷系统污泥性状的影响，本试验在启动过程中连续监测了系统MLSS含量、SV、SVI等污泥性状指示参数，如图7所示。
由图7可知，在运行期间，监测到污泥的性状发生了恶化，导致SVI持续升高，污泥沉降性能下降；在分段进水期间，SVI持续增加，运行至第15天，SVI增加速率加快，使得SVI突增至527.8mL/g。分析认为，由于分段进水增加了好氧段可降解的有机物的含量，丝状菌会直接吸收这部分有机物用来增殖，并且其对DO的亲和力高于菌胶团细菌，导致其实际增殖速率比菌胶团细菌的增殖速率高，从而导致丝状菌膨胀。
为进一步验证此结论，后期取消分段进水后，继续观察SVI的变化趋势。7d后，SVI下降至336.9mL/g，之后不但停止下降而有上升的趋势；到第30天时，SVI高达569.8mL/g，进一步分析认为，由于启动初期采用的是高负荷启动，污泥负荷较高为1.1kg/(kg.d)，在厌氧区有机物被聚磷菌等菌胶团细菌利用后还有大量的可被微生物利用的有机物剩余，并且这部分有机物经过厌氧发酵后大部分都转化成低分子有机物，丝状菌会直接吸收这部分有机物用来增殖，并且其对DO的亲和力高于菌胶团细菌，导致其实际增殖速率比菌胶团细菌的增殖速率高，聚磷菌的竞争优势变弱，从而导致丝状菌膨胀。可以认为此时的膨胀与分段进水时发生膨胀的原因都是因为过高的有机物质进入好氧区造成的，因此，从图7可以看到，调整到低负荷运行后，SVI迅速下降，至反应器运行第60天，SVI降低到85.25mL/g。
本试验结果可以说明，在启动过程中采用分段进水的方法有利于抑制硝化反硝化菌进而富集聚磷菌，尽管分段进水需要较高的进水负荷来保证厌氧段磷的负荷，这样会使得过高的有机物质进入好氧段而导致污泥膨胀，但是取消分段进水并降低负荷后，污泥膨胀短期内即可恢复，对系统的运行影响较小。
3.结论
在常温(20～24℃)条件下，可以通过向好氧段分流体积分数为45%的进水和负荷等参数快速启动A/O生物除磷系统；控制负荷和分段进水有利于实现无硝化A/O生物除磷系统的快速启动。系统启动，运行24d后可实现TP去除率为90%，出水TP的质量浓度为0.5mg/L以下。
无硝化A/O生物强化除磷系统启动初期采用分段进水的策略能有效抑制硝化反硝化作用，有利于系统快速淘汰脱氮细菌，富集聚磷菌。
分段进水会而导致过高的有机负荷进入好氧段而引起丝状菌污泥膨胀，取消分段进水并降低负荷后，污泥膨胀短期内即可恢复，对系统的运行影响较小。
