目前，国内外水体富营养化现象越来越严重，因此为保护水资源，点源污水中的营养元素氮和磷必须去除[1]. 然而，污水生物脱氮除磷过程较复杂，其中涉及BOD降解、 硝化、 反硝化、 释磷以及吸磷等多个生化反应，且各个反应过程对微生物组成及含量、 底物类型及环境条件的要求均不相同[2]. 因此在连续流单污泥污水生物处理系统中实现同步脱氮和除磷，将不可避免地产生多种矛盾关系，其中以聚磷菌(phosphate-accumulating organisms，PAOs)和反硝化菌碳源竞争的矛盾最为突出[3]. 大量的研究和实际运行结果表明，连续流单污泥脱氮除磷系统运行的关键是缺氧段的反硝化过程，且对于处理低碳氮比污水的系统来说，该段的吸磷过程同样重要[4-11]. 因此，对于以连续流单污泥脱氮除磷系统为处理工艺主体的污水厂来说，为保证其运行效果，需具备以下3个条件：①可充分利用缺氧段反硝化潜力; ②可最大程度地刺激反硝化菌以聚β羟基丁酸为碳源进行硝酸盐呼吸; ③提高出水稳定性. 城市污水处理厂的运行实践表明，建立过程控制系统可保证出水的稳定性[12-15]. 因此，为满足上述3个条件，构建反硝化吸磷过程控制系统至关重要，这则要求开发可测、 可控的参数.
根据活性污泥反应动力学模型2d：
是缺氧段反硝化速率和吸磷速率方程式的开关函数，式中，SO2为主缺氧段溶解氧(dissolved oxygen，DO)浓度，SNO3为主缺氧段硝酸盐氮浓度，KO2为DO半饱和常数(IWA专家组推荐该值取0.2 mg ·L-1)，KNO3为硝酸盐氮半饱和常数(IWA专家组推荐该值取0.5 mg ·L-1)[16]. 由此开关函数可知，主缺氧段的反硝化速率受该段DO和硝酸盐氮浓度的影响.
在构建污水生物处理过程控制系统时，控制参数的可实时、 稳定、 准确地检测是至关重要的. 虽然主缺氧段硝酸盐氮浓度可作为连续流单污泥脱氮除磷系统运行控制参数[17,18]，但硝酸盐在线测定仪维护较困难，且检测精度有待提高. 而DO浓度是否可作为缺氧段反应过程的控制参数至今没有研究报道，且DO在线测定仪在低氧浓度条件下的灵敏度和准确度较差. 因此，硝酸盐在线测定仪和DO在线测定仪均不适合用作缺氧段反应过程控制系统的检测仪器. 而有研究结果表明，主缺氧段DO浓度和硝酸盐氮浓度可用氧化还原电位(oxidation reduction potential，ORP)间接表征，该值与硝酸盐浓度、 DO浓度之间存在着密切的相关关系[19]. ORP在线检测器具有在线检测、 响应快、 控制精度高、 便于接入计算机等优点，并已大量应用，尤其在间歇式活性污泥工艺中获得了最为广泛地应用[20-23]. 此外，从微生物生理生态学角度来说，ORP是表征污水生物处理过程氧化还原能力的变量，调节该值可控制细胞内氧化还原物质的含量进而改变物质的代谢途径[24-27]，且作为生态因子，每种微生物均具有适宜的ORP范围. 本研究考察了连续流单污泥脱氮除磷系统在不同的主缺氧段ORP(ORPm)条件下运行时的脱氮除磷性能，并基于物料平衡分析，揭示ORPm与氮磷转化的关系，通过评价用该参数调控脱氮除磷系统性能的可行性，以期为优化连续流单污泥污水脱氮除磷系统的运行提供理论基础. 1 材料与方法 1.1 试验装置
试验系统安装于实验室内，工艺流程及装置见图 1. 该系统由污水箱(L×B×H=70 cm×80 cm×50 cm)、 连续流单污泥脱氮除磷反应器(L×B×H=75 cm×30 cm×45 cm)、 沉淀池(其中沉淀区：直径Φ=40 cm，深度H=25 cm)以及自动控制系统4部分组成. 污水箱内装有搅拌器以保证污水水质均匀，并装有自动调温器以保持水温恒定. 连续流单污泥脱氮除磷反应器为双廊道矩形反应器，分为4个反应段，分别为厌氧段(L×B×H=30 cm×15 cm×45 cm，anaerobic stage，ANS)、 预缺氧段(L×B×H=15 cm×15 cm×45 cm，pre-anoxic stage，PAnS)、 主要缺氧段(L×B×H=30 cm×15 cm×45 cm，main anoxic stage，MAnS)、 好氧段(L×B×H=75 cm×15 cm×45 cm，aerobic stage，AS). 厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段中均设有搅拌器，以保证污泥和污水充分接触. 空气由鼓风机压缩至安装于好氧段的扩散器，供氧的同时搅拌混合液使活性污泥处于悬浮状态. 沉淀池中设有低速旋转的刮泥机.
为了控制ORPm、 好氧段DO及pH值，试验系统设有过程控制系统. 该过程控制系统由计算机、 可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)、 在线测定仪以及电动调节阀组成，采用反馈控制结构对运行过程和环境进行控制. 其中检测器ORP在线测定仪安装于主缺氧段，DO在线测定仪和pH在线测定仪安装于好氧段.
1.模拟城市污水; 2.污水箱; 3.厌氧段; 4.预缺氧段; 5.主缺氧段; 6.好氧段; 7.沉淀池; 8.出水; 9.剩余污泥排放; 10.NaHCO3溶液贮池; 11.温度自动调节装置; 12.蠕动泵; 13.空气扩散器; 14. 电动磁力搅拌器; 15.ORP在线测定仪; 16.电动调节阀; 17.空气压缩机; 18.DO在线测定仪; 19.pH在线测定仪; 20.计算机; 21.可编程逻辑控制器; 22.混合液内循环; 23.硝化液内循环; 24.污泥回流图
1 试验系统流程示意
1.2 试验污水与污泥
试验以模拟城市污水为考察对象，污染物质成分与浓度参照长春市政污水处理系统生化池进水确定. 污水以全脂奶粉和啤酒废水为有机碳源. 全脂奶粉和啤酒废水是常见的人工配置污水的碳源[28-34]，二者混合后，所含有机物成分、 有机氮含量及其可生化性更接近于污水处理厂生化池进水(经水解酸化池预处理). 以氯化铵为氮源，以磷酸二氢钾为磷源; 为中和硝化反应释放的酸度而投加碳酸氢钠，其投加量由PLC控制系统自动调控; 为满足聚磷菌吸磷代谢过程中对镁离子和钙离子的需求而投加硫酸镁和氯化钙; 为满足活性污泥微生物生长繁殖的营养需要，投加微量营养元素液. 各药剂投加浓度及污水水质特性见表 1.
接种污泥取自长春市北郊污水处理厂，该厂以改良厌氧/缺氧/好氧(anaerobic/anoxic/aerobic，A2/O)工艺为主体，于2006年建成投产. 将接种污泥投加到连续流单污泥脱氮除磷系统中，启动运行. 20 d后，系统内混合液悬浮固体浓度(mixed liquor suspended solids，MLSS)基本保持不变，系统脱氮除磷效果较好且稳定，这说明活性污泥已培驯成熟，可开始取样跟踪测定，进行试验研究.
表 1 试验模拟城市污水试剂及水质特性
1.3 试验方案
为了评价ORPm作为连续流单污泥脱氮除磷系统运行控制参数的可行性，分别在不同的ORPm设定值条件下进行试验研究. 根据研究报道，缺氧段ORP与该段DO和硝酸盐氮浓度密切相关，而DO和硝酸盐均通过硝化液内循环由好氧段回流至主缺氧段(硝化液内循环)，所以调节硝化液内循环流量可控制ORPm. 试验期间，ORPm采用自动控制系统调控. 该控制系统采用反馈控制结构，以硝化液内循环流量作为被控变量，以电动调节阀门为执行器，控制过程如下：安装于主缺氧段的ORP在线测定仪检测ORPm值并将其传输至计算机的数据采集卡后，转换成数字信号输入PLC内; 在PLC内将该值与ORPm设定值进行比例、 积分、 微分计算控制，然后给出输出值调节电动调节阀以改变硝化液内循环流量，进而控制ORPm. 根据自动控制系统ORPm设定值的不同，试验共分为6个阶段，每阶段该值分别为-143、 -123、 -105、 -95、 -72和-57 mV. 试验每阶段运行2~3个污泥龄(solid retention time，SRT)，共进行200 d. 试验期间，除改变ORPm设定值及硝化液内循环流量以外，其他运行参数保持不变. 进水流量为10 L ·h-1，水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)为9h; 混合液内循环流量(混合液由预缺氧段回流至厌氧段)为10 L ·h-1，污泥回流量为5 L ·h-1; MLSS、 COD (chemical oxygen demand)污泥负荷、 总氮(total nitrogen，TN) 污泥负荷以及总磷(total phosphorus，TP)污泥负荷分别维持为1.76g ·L-1(厌氧段)、 0.253 kg ·(kg ·d)-1、 0.049 kg ·(kg ·d)-1和0.006 kg ·(kg ·d)-1. 采用水力学方法控制污泥龄为12 d. 当气温较高时(夏秋季节)，试验在室温条件下进行，水温约为20~25℃; 当气温较低时(冬春季节)，则利用安装于污水箱内的温度自动调节装置将其升高至(20±1)℃. 1.4 分析方法
试验期间每天检测各项水质指标. 水样从连续流单污泥脱氮除磷系统的不同反应段收集，由离心机离心后取上清液测定. 检测指标包括：TN、 NH4+-N、 NO3--N、 TP、 COD、 五日生物化学需氧量(biochemical oxygen demand，BOD5)、 MLSS等. 上述指标均采用国家规定的标准方法检测. 采用WTW-pH/OXi340便携式在线测定仪检测厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段DO浓度.
为了评价氮磷物质去除性能，并揭示不同ORPm设定值条件下氮、 磷的物质转化规律，分别以厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段以及好氧段为系统边界，利用物料平衡原理，基于各段氮磷物质浓度的测定值计算各段物质转化量. 系统稳定运行时各反应段内物质的积累量为0，因此各段的物质反应量可按如下公式计算.
厌氧段：
预缺氧段：
主缺氧段：
好氧段：
式中，MARe,ANS、 MARe,PAnS、 MARe,MAnS、 MARe,AS分别表示厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段以及好氧段物质转化量，mg ·h-1; Q表示反应系统进水流量，L ·h-1; r表示从预缺氧段向厌氧段回流的混合液循环比; s表示污泥回流比; a表示从好氧段向主缺氧段回流的硝化液循环比; MAin、 MAANS、 MAPAnS、 MAMAnS、 MAAS、 MAEFF分别表示进水、 厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段、 好氧段以及出水物质的浓度，mg ·L-1. 因水样经离心机离心后测定，好氧段出水水质与沉淀池基本相同，所以将好氧段出水各水质指标浓度作为系统出水浓度，即MAEFF=MAAS. 2 结果与分析
试验期间，连续流单污泥脱氮除磷系统对COD和BOD5的去除率超过90%，且保持稳定，与ORPm设定值的变化无关，即调控ORPm对有机污染物质的降解过程影响较小，因此不进行讨论. 2.1 ORPm设定值与连续流单污泥脱氮除磷系统的脱氮性能
试验期间，不同ORPm设定值条件下，连续流单污泥脱氮除磷系统各段氨氮、 TN、 硝酸盐氮的变化规律见图 2~4. 从图 2中可以看出，在不同ORPm设定值条件下，出水氨氮浓度稳定在2.15 mg ·L-1左右，即ORPm对氨氮去除效果无影响. 从图 3和4中可以看出，ORPm设定值对出水硝酸盐氮和总氮浓度产生了明显的影响. 当ORPm设定值由-143 mV增加至-57 mV时，出水硝酸盐浓度分别为18.44、 17.07、 12.51、 11.17、 11.77和12.39 mg ·L-1，出水TN浓度分别为20.90、 19.54、 15.97、 13.70、 14.21和16.39 mg ·L-1，也就是说，对反硝化性能和脱氮性能来说，连续流单污泥脱氮除磷系统存在最佳的ORPm设定值.
误差棒长度表示±1.03乘以标准方差 (n=20,P=0.68)图 2 试验期间NH4+-N变化规律
误差棒长度表示±1.03乘以标准方差 (n=20,P=0.68)图 3 试验期间NO3--N变化规律
误差棒长度表示±1.03乘以标准方差 (n=20,P=0.68)图 4 试验期间TN变化规律
2.2 ORPm设定值与连续流单污泥脱氮除磷系统的除磷性能
图 5给出了试验期间各段TP浓度的变化规律. 从中可以看出，厌氧段TP浓度最高，从预缺氧段开始下降，直至好氧段降至最低. 从中还可以看出，出水TP浓度随ORPm设定值增加而改变. 当ORPm设定值由-143 mV增加至-57 mV时，出水TP浓度分别为3.14、 2.30、 0.64、 0.50、 0.65以及0.86 mg ·L-1，也就是说，对除磷性能来说，连续流单污泥脱氮除磷系统存在最佳的ORPm设定值.
误差棒长度表示±1.03乘以标准方差 (n=20,P=0.68)图 5 试验期间TP变化规律
3 讨论
3.1 ORPm设定值与硝化性能
从图 2中还可看出，氨氮浓度降低主要发生在主缺氧段和好氧段. 由于硝化液内循环对氨氮产生了明显的稀释、 混合作用，导致主缺氧段氨氮浓度大幅降低. 而氨氮的转化则在好氧段内通过自养菌的硝化反应完成. 出水较低的氨氮浓度说明在好氧段发生了明显的硝化反应，这说明，在本试验条件下，连续流单污泥脱氮除磷系统具备了硝化细菌生长繁殖的生态条件：①进水中的COD一部分被聚磷菌的释磷反应利用，另一部分被预缺氧段和主缺氧段的反硝化反应利用，所以进入好氧段的COD浓度较低. ②好氧段pH值由自动控制系统调控为7.0±0.5，硝化反应所需碱度充足. 好氧段pH值自动控制系统与ORPm自动控制系统相同，也采用反馈控制结构，pH设定值为7.0，被控变量为NaHCO3投加量. ③好氧段DO浓度由自动控制系统控制为(2.0±0.5)mg ·L-1，硝化反应所需电子受体充足. 好氧段DO自动控制系统与OPRm、 pH值自动控制系统相同，采用反馈控制结构，DO设定值为2.0mg ·L-1，被控变量为空气压缩机的供气量. 试验结果表明，ORPm设定值对好氧段的硝化性能基本无影响. 3.2 ORPm设定值与反硝化性能
为揭示系统中氮的物质转化规律，对出水各形态氮的百分含量进行了计算，并以厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段以及好氧段为系统边界，利用公式(1)~(4)，
对TN进行物料平衡计算，结果分别见图 6和图 7. 从图 6中可以看出，出水中的氮主要以硝酸盐氮为主，TN浓度变化由硝酸盐氮引起. 从图 7中可以看出，试验期间，TN在主缺氧段的去除量最大，且不同ORPm设定值条件下，该段TN去除量差别明显，当ORPm设定值为-95 mV时，达到最大值.
图 6 出水中各种形态氮所占比例
图 7 各反应段 TN转化量
根据生物脱氮基本原理，污水中氮的去除由3个反应过程共同完成：氨化作用、 硝化作用、 反硝化作用，其中氨化作用和硝化作用改变了氮的存在形态，而反硝化作用则将氮从污水中去除，也就是说，氮的去除主要在主缺氧段实现，因此主缺氧段硝酸盐氮的转化量将决定TN的去除量. 为进一步阐明TN去除量与硝酸盐氮转化的关系，分别以厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段以及好氧段为系统边界，利用公式(1)~(4)，对硝酸盐氮的转化量进行了计算，结果见表 2. 从中可以看出，主缺氧段硝酸盐氮的转化量随着ORPm设定值的升高而变化. 当ORPm设定值由-143 mV增加至-57 mV时，该反应量分别为214.40、 235.16、 241.16、 244.02、 240.90以及233.65 mg ·h-1，即当ORPm设定值较低时，硝酸盐氮转化量随着该值的升高而升高，当ORPm设定值增加至一定值时(-95 mV)时，硝酸盐氮反应量达到峰值，其后，即使ORPm设定值再升高，硝酸盐氮转化量也保持稳定，甚至稍有降低，这与TN的变化规律相似. 试验结果说明，对连 续流单污泥脱氮除磷系统的反硝化性能来说，主缺氧段存在最佳的ORPm设定值.
表 2 各反应段硝酸盐氮和总磷的反应量
ORP 是表征污水处理系统环境条件的参数. 从微观角度来说，活性污泥微生物群落结构、 优势菌群的动态变化与其生存环境的ORP密切相关，即活性污泥中特定的优势微生物有其适宜ORP 范围[27]. 另有研究表明，调控ORP值可使微生物新陈代谢过程中的NADH/NAD+和NADPH/NADP+的含量发生改变，并激活某些关键酶，进而改变物质的代谢网络，促使微生物沿着目标代谢途径完成同化反应和异化反应[27]. 结合试验结果，当ORPm设定值为-95 mV时，主缺氧段硝酸盐氮和TN转化量均达到峰值，说明该ORPm设定值在反硝化细菌适宜ORP范围内，在此氧化还原条件下，硝酸盐还原酶活性可得到最大程度地激活. 该值与Peng等的研究成果基本一致[19].
从宏观角度来说，主缺氧段ORPm设定值与该段DO浓度、 硝酸盐浓度密切相关[19]. 试验期间主缺氧段DO浓度检测结果见图 8. 从中可以看出，主缺氧段DO浓度在0.08~0.09 mg ·L-1范围内，变化较小. 因此，ORPm设定值在一定程度上反映了硝酸盐氮的水平，即硝酸盐氮浓度越高，则ORPm也越高，这从图 3中也可以看出. 王晓玲等[17]和Musvoto等[18]的研究表明，连续流单污泥脱氮除磷系统主缺氧段的反硝化作用受硝酸盐氮浓度的影响. 为最大程度地利用主缺氧段的反硝化潜力，需保证该段含有充足的硝酸盐氮，但硝酸盐氮浓度不宜过低或为零也不宜过高，即存在最佳的硝酸盐氮浓度值，相应地ORPm也将存在最佳值. 若该段硝酸盐氮浓度控制在大于零的较低值范围内变化，即ORPm设定值在-140~-95 mV之间时，随着ORPm设定值的升高，主缺氧段反硝化过程越来越充分，脱氮性能逐渐增强; 但当硝酸盐氮浓度较高，即ORPm设定值大于-95 mV时，为达到该值所需的硝化液内循环流量增大，则使：①进入主缺氧段的DO量升高消耗更多的碳源(即使缺氧段DO浓度未发生变化); ②混合液在主缺氧段的实际水力停留时间缩短. 这终将导致反硝化作用不能充分实现.
误差棒长度表示±1.03乘以标准方差 (n=20,P=0.68)图 8 试验期间DO浓度变化规律
综上分析可知，在连续流单污泥脱氮除磷系统中，必将存在适宜的ORPm使系统具有最佳的脱氮性能. 在本试验条件下，该设定值为-95 mV. 3.3 ORPm设定值与释磷过程
有研究结果表明，厌氧释磷反应是生物除磷的关键过程，除磷效果由其决定. 根据研究报道，硝酸盐氮若进入厌氧段，反硝化菌和聚磷菌则将竞争污水中的有机碳源，且聚磷菌在竞争中处于劣势[35]，这将直接导致被聚磷菌吸收、 贮存的有机碳源减少，使系统的除磷容量大大降低. 为了分析和评价不同ORPm设定值条件下连续流单污泥脱氮除磷系统的除磷性能，基于物料平衡原理，分别以厌氧段、 预缺氧段、 主缺氧段、 以及好氧段为系统边界，利用公式(1)~(4)，对TP的转化量进行了计算，结果见表 2. 活性污泥中的磷以两种状态存在：一种为细胞物质组成成分，另一种为聚磷菌体内贮存的聚磷. 根据活性污泥微生物细胞物质经验分子式，在细胞物质中，磷(不包括聚磷)的含量约为1.5%~2.0%[36]，因此在物料平衡分析过程中忽略用于合成细胞物质的磷量.
从表 2中可以看出，当ORPm设定值分别为-143 mV和-123 mV时，因系统出水硝酸盐氮浓度较高，所以随污泥回流至预缺氧段的硝酸盐氮较多，以致超过了该段的反硝化潜力，使得该段出水中含有硝酸盐氮，并随混合液回流至厌氧段，最终对该段的释磷量(该量分别为214.12 mg ·h-1和228.64 mg ·h-1)产生明显影响. 当ORPm设定值分别为-105、 -95、 -72和-57 mV时，出水硝酸盐氮浓度较低，进入预缺氧段的硝酸盐氮量低于该段的反硝化潜力，所以该段出水硝酸盐氮浓度为0，对厌氧段的释磷过程不产生影响，释磷量有所提高，分别为-259.26、 -264.54、 -256.92和-252.84 mg ·h-1. 试验和物料平衡计算结果说明，ORPm设定值对厌氧释磷过程也产生了一定的影响，但该影响是间接产生的. 3.4 ORPm设定值与缺氧吸磷性能
从表 2中还可以看出，总吸磷量的变化规律与释磷量相同. 当ORPm设定值由-143 mV增加至-57 mV时，总吸磷量分别为252.15、 275.85、 332.25、 338.10、 336.15以及324.30 mg ·h-1. 试验结果和物料平衡分析表明，当ORPm设定值为-95 mV时，连续流单污泥脱氮除磷系统可获得最佳的除磷性能.
不同ORPm设定值条件下好氧吸磷量、 缺氧吸磷量的物料平衡计算结果也在表 2中表示. 从中可以看出，缺氧吸磷量随着ORPm设定值的变化而改变. 当ORPm设定值由-143 mV增加至-57 mV时，缺氧吸磷量分别为30.27、 62.14、 124.58、 154.41、 150.41以及138.30 mg ·h-1. 分析试验结果可知，连续流单污泥脱氮除磷系统中，大部分COD在厌氧段被聚磷菌转化成聚β羟基丁酸贮存[37]，再加上预缺氧段活性污泥中的反硝化菌也利用COD进行硝酸盐呼吸，所以进入主缺氧段的COD量较低，因此该段反硝化过程的主要供氢体是聚β羟基丁酸，即反硝化聚磷菌的反硝化作用占有优势，在还原硝酸盐氮的同时，大量的磷也被吸收. 从表 2中可以看出，当ORPm设定值为-95 mV时，硝酸盐反应量达到最高值244.02 mg ·h-1，该段的吸磷量也达到最大值154.41 mg ·h-1，系统的反硝化吸磷性能达到最佳.
综上，在ORPm设定值为-95 mV的缺氧环境条件下，反硝化菌以聚β羟基丁酸为碳源进行硝酸盐呼吸的活性最高.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
4 结论
(1) ORPm对氨氮去除没有影响，而对出水硝酸盐和TN浓度的影响较大，在ORPm设定值为-95 mV时，氨氮、 TN、 TP的去除效果均最佳.
(2)主缺氧段ORPm设定值对该段TN去除量和硝酸盐反应量影响较大，在ORPm设定值为-95 mV时，两者均达到最大值.
(3)在ORPm设定值控制为-95 mV的缺氧环境状态下，反硝化菌具有最佳的吸磷性能，该菌以聚β羟基丁酸为碳源进行新陈代谢反应.
(4) ORPm设定值可作为连续流单污泥脱氮除磷系统的控制参数，并可以其为控制变量建立缺氧段反应过程控制系统.(来源及作者：吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室 王晓玲、宋铁红、吉林建筑大学市政与环境工程学院 殷宝勇、李静文、李紫棋 、余勇)
