有機碳源及溶解氧對污水脫氮除磷的影響

許文澧

1 概述

如何有效提高城市污水脫氮除磷效率是目前城市污水處理研究的難點和熱點之一，尤其是對我國普遍低碳、高氮磷的南方城市污水。目前，我國城市污水處理廠常用的生物脫氮除磷工藝主要有:A2O及其改進工藝、氧化溝工藝、SBR及其改進工藝等[1]。這些工藝中存在著一些影響脫氮除磷效率的普遍因素，包括:溶解氧、有機碳源、pH、溫度、污泥回流比等。其中，有機碳源濃度因水質不同差異較大，直接影響著工藝的選擇和脫氮除磷效果。溶解氧是決定脫氮除磷系統中微生物優勢種群及其活性的關鍵因素，有效調控溶解氧濃度和供氧模式不但能提高系統處理效果，還能節能降耗、節約運行成本。

2 生物脫氮除磷機理

2.1 傳統生物脫氮機理

在好氧條件下，水中好氧菌硝酸菌把氨態氮依次轉化為亞硝酸、硝酸;在缺氧條件下，反硝化菌將硝酸最終還原為氮氣釋放，從而達到脫氮效果。其中，硝化菌(亞硝酸菌、硝酸菌)為化能自養菌，以 CO2為碳源，NH+4為電子供體，1 g氨氮完全氧化需4.57 g O2;反硝化菌為異養型兼性厭氧菌，其生長環境要求DO＜0.5 mg/L[2]。

2.2 傳統生物除磷機理

在厭氧條件下，兼性菌通過發酵作用將溶解性有機物轉化為揮發性有機酸，聚磷菌將VFAs同化為胞內碳能源存貯物(PHB)，所需的能量少部分來自細胞內糖的酵解，大部分來自聚磷的水解，并導致磷酸鹽的釋放。在好氧條件下，PAO利用O2作為最終電子受體氧化細胞內PHB獲得能量，再從廢水中過量攝取磷酸鹽，并以高能聚磷酸鍵的形式存儲能量，通過排除富磷污泥達到去除磷的目的。

2.3 反硝化除磷機理

在厭氧/缺氧環境交替運行條件下，易富集一類兼性厭氧反硝化聚磷菌，該細菌可以在缺氧條件下，利用硝酸鹽作為電子受體氧化PHB，并從環境中攝磷，實現同時反硝化和超量攝磷。與傳統脫氮除磷工藝相比，對COD的需求可減少50%左右，氧的消耗和污泥產量可分別減少30%和50%[3]。

3 有機碳源及溶解氧對污水生物脫氮除磷的影響

3.1 有機碳源(C/N，C/P)

A2O工藝是我國城市污水處理中最常用的同步脫氮除磷工藝[1]。有學者研究了不同C/P對A2O工藝中總氮、總磷等變化的影響，C/N=6時，進水 C/P＜32，磷的去除效果隨C/P比降低而線性降低;C/P＞32，磷的去除效果穩定在90%～98%。但C/P比變化，對總氮去除的影響較小[4]。傳統A2O工藝內回流比(100%～400%)較高，導致運行費用提高。楊殿海等人采用改良型A2O工藝，通過設置后置反硝化而取消了內回流，以厭氧池部分碳源分流(0.4Q左右)提供反硝化碳源。進水COD≥300 mg/L，TN=40.3 mg/L，TP=3.82 mg/L時，對TN，TP及 COD的去除率分別可達70%，86%和88%;COD＜300 mg/L時，對 TP的去除效果較差，但對TN和COD的去除率仍分別可達60%和85%[5]。

此外，還有研究者采用外加有機碳源改變低碳源進水C/N，研究其對缺氧/厭氧/好氧工藝脫氮除磷效果的影響，結果發現在污泥回流比為120%條件下，C/N=7，C/P=75時，缺氧/厭氧/好氧工藝對TN，NH+4-N和TP的去除率最佳，分別可達67%，98%和95%以上;當進水C/N=4時，缺氧段基本無反硝化作用[6]。

Carrousel氧化溝工藝具有很高有機物去除能力，同時也具有部分脫氮除磷功能。有研究得到進水C/N=5～13時，C/N不影響系統對NH3-N的去除效果;C/N＜11時，TN，TP的去除率隨C/N的升高而快速大幅提高;C/N＞11時，氧化溝TN去除率提高幅度不大，但 TP去除率接近100%;此外，TP去除率與TN去除率具有較高的相關性[7]。

SBR工藝交替進行進水、缺氧攪拌、厭氧攪拌、曝氣和沉淀潷水，高效、經濟，適用于中小型污水處理廠。趙慶等采用厭氧/缺氧/好氧方式運行SBR，研究不同C/P與C/N對系統脫氮除磷的影響，結果表明C/P＞23，C/N＞5時，磷、氮及碳的去除率均在90%以上，其中反硝化聚磷的比重高達60%～70%。進一步提高C/P，C/N，對除磷的影響不顯著，但對反硝化速率的影響相對明顯[8]。Kuba等在研究厭氧/缺氧SBR工藝的運行特征時發現C/N值為3.4時，磷的去除率幾乎達到100%[9]。

由此可見，為達到較好的生物脫氮除磷效果，A2O工藝及其改良工藝相比Carrousel，SBR工藝需要更高的有機碳濃度，其中C/N≥6，C/N≥32。而后兩種工藝，可能因為系統更利于反硝化聚磷作用，而該機理已被證實具有節約碳源的特點。

3.2 溶解氧

溶解氧影響著生物脫氮除磷系統中微生物優勢菌種及其活性，從而影響了系統的脫氮除磷效果。有效調控溶解氧濃度和供養模式還可以達到節約碳源、節能降耗的效果。

對于A2O工藝，好氧池中DO濃度對氨氮的去除起著關鍵作用，而過低、過高的DO濃度對總氮的去除都不利。有研究得出當DO＜3.0 mg/L時，氨氮去除率隨DO增大而升高，DO=1.5 mg/L～2.5 mg/L時，總氮去除效果最佳[10]。好氧池DO過高會增加內回流至缺氧區的DO濃度，抑制反硝化作用，從而降低總氮去除率。王曉蓮和王佳偉等[3，11]的研究一致表明好氧池過度曝氣還會降低生物除磷能力，其原因為過量曝氣消耗了聚磷菌內部儲存的PHB，導致放磷率和吸磷率的不平衡，致使磷的去除率下降。但也有研究者發現總磷去除效果幾乎不受好氧池DO的影響，但對厭氧池和缺氧池的釋磷、吸磷過程影響較大，其解釋為回流污泥中過量硝酸鹽氮會抑制聚磷菌利用碳源合成PHB，進而影響磷的釋放[10]。此外，該研究還發現通過在好氧段末端設置20 min～30 min的非曝氣區，使得DO降低至 2 mg/L～3 mg/L，當內回流比為400%時可節約碳源 28 mg/L～41 mg/L。

還有研究者對SBR生物脫氮除磷工藝供氧模式進行了研究。有研究發現采用厭氧/缺氧/好氧模式，通過逐步增加缺氧段運行時間可以提高污泥的反硝化除磷性能。對于含碳量低，碳、氮、磷濃度比例失調的城市污水，厭氧運行 30 min、缺氧運行3 h、好氧運行1 h可保證對磷的穩定高效去除，出水TP＜1 mg/L[13]。

以上研究表明間歇曝氣和低氧運行可以有效實現生物脫氮除磷效果，它不但能節約碳源，還能降低能耗，對低碳、高氮磷特點的城市污水處理具有良好的應用前景，但我國這方面的研究目前主要是針對Carrousel，SBR工藝。

4 結語

隨著我國對城市污水處理廠出水排放標準的提高，對城市污水脫氮除磷的要求更加嚴格。有機碳源、溶解氧是影響城市污水脫氮除磷效果的關鍵因素，目前，最為常用的城市污水脫氮處理工藝中A2O工藝及其改良工藝相比Carrousel，SBR工藝需要更高的有機碳濃度，其中C/N≥6，C/N≥32，過高、過低的溶解氧濃度都會降低A2O工藝脫氮除磷效果，其中氧化溝溶解氧濃度一般控制在 2 mg/L～3 mg/L較為理想。對于 Carrousel，SBR工藝已有間歇曝氣、低氧脫氮除磷方面的研究，并獲得了良好的脫氮除磷效果。

反硝化除磷、間歇曝氣、低氧脫氮除磷技術具有節約碳源、節能降耗的優點，這些技術在現有常用工藝上的研究及應用將有助于解決我國南方城市低碳、高氮磷的城市污水生物脫氮除磷難題。

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