反硝化除磷理論與工藝研究進展

朱洪山

0 引言

20世紀80年代中期，Comeau等［1］發現聚磷菌能夠在缺氧環境中以NO－3作為電子受體進行吸磷的現象。1993年，荷蘭Delft科技大學的Kuba等［2］在試驗中亦觀察到:在厭氧/缺氧交替運行的條件下，易富集一類兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厭氧微生物，這類微生物能利用氧氣或者硝酸鹽作為電子受體進行吸磷。

反硝化除磷由于可以利用硝酸鹽(或亞硝酸鹽)作為電子受體，且在缺氧環境下反硝化脫氮的同時進行吸磷;另外，污水中的碳源起到“一碳雙用”的作用，可在有限碳源條件下提高脫氮除磷的效果，簡化了工藝流程;同時，反硝化除磷工藝可節省好氧吸磷過程中的溶解氧需求，節省了曝氣量。反硝化除磷理論及工藝已成為當前污水脫氮除磷的研究熱點。

1 反硝化除磷理論研究進展

針對反硝化除磷現象的出現，研究者們對生物除磷系統中的聚磷菌(PAOs)提出如下假說:

1)兩類菌屬學說［3］，即生物除磷系統中的PAOs可分為兩類菌屬，一類PAOs只能以氧氣作為電子受體，一類則既能以氧氣又能以硝酸鹽作為電子受體［4］，后一類聚磷菌在缺氧環境下能在進行反硝化脫氮的同時進行吸磷。

2)一類菌屬學說［5］，即在生物除磷系統中只存在一類PAOs，它們在一定程度上都具有缺氧吸磷能力，其能否表現出來的關鍵在于厭氧/缺氧這種交替環境是否得到了強化。只有給PAOs創造特定的厭氧/缺氧交替環境以誘導出其體內具有反硝化除磷作用的酶，才能使其具有反硝化除磷能力。

傳統除磷工藝中的聚磷菌(PAOs)體內含有PHB，其硝酸鹽還原性為陰性，不能進行反硝化脫氮，但能厭氧釋磷、好氧過量吸磷。這類細菌包括不動桿菌屬和部分棒狀桿菌屬等。而傳統脫氮工藝中的專職反硝化細菌，硝酸鹽還原性為陽性，可進行反硝化脫氮，但菌體內不含PHB，不能厭氧釋磷、好氧超量吸磷。這類細菌包括葡萄球屬和部分微球菌屬等。

有學者認為，從細菌的生化特性來看，硝酸鹽還原性和體內含有PHB是兩種并不沖突的生化特性，細菌既可以獨立擁有其中一種特性又可以同時擁有這兩種特性，即該細菌硝酸鹽還原性為陽性，且菌體內含有PHB，既能反硝化脫氮又能厭氧釋磷、在好氧(O2)或缺氧(NO－3)狀況下超量吸磷。目前研究發現，這類細菌包括假單胞菌屬、莫拉氏菌屬、腸桿菌科細菌、氣單胞菌屬和部分棒狀桿菌屬等。

當前大量的實驗研究表明，兩類菌屬學說已經得到了廣泛的認同。

2 反硝化除磷工藝研究進展

基于反硝化除磷理論開發出的脫氮除磷工藝主要分為單污泥工藝和雙污泥工藝兩種。兩者的主要區別在于在單污泥工藝中，反硝化除磷菌和硝化細菌同時存在于一個污泥系統中，共同經歷厭氧，缺氧和好氧的環境，而雙污泥工藝中反硝化除磷菌和硝化細菌獨立存在于不同的反應器中。雖然在兩種工藝中都可以發現反硝化除磷的現象，然而研究表明，雙污泥系統更有優勢［6］。

有研究表明，為完成充分的硝化而設置的較長好氧區間對最佳的反硝化除磷來說是不適宜的。在長時間的好氧區間里，大量的細胞貯存物質PHB會被反硝化除磷菌氧化，導致較少的細胞內COD(PHB)剩下來用于反硝化除磷，采用雙污泥系統時，雖然增加了額外的反應單元，但反硝化除磷菌暴露于氧氣及好氧COD的消耗問題得以解決，工藝的優化設計也存在更多的可能性［7］。

下面簡要介紹具有代表性的單污泥工藝BCFS和雙污泥工藝A2N工藝及A2NSBR工藝。

2.1 BCFS工藝

BCFS工藝實際是UCT工藝的改進型工藝。雖然UCT工藝的設計原理是對聚磷菌所需絕對厭氧環境條件的強化，但是在實踐中依然發現該工藝存在相當一部分的DPB細菌［8，9］。為了更好地從工藝角度富集DPB細菌，荷蘭的Delft科技大學開發了該工藝，其工藝流程圖見圖1。

圖1 BCFS工藝流程圖

由圖1可知，BCFS工藝比UCT工藝增加了兩個反應池。分別是在厭氧池和缺氧池之間的接觸池以及在缺氧池和好氧池之間的混合池。接觸池的作用在于能吸附剩余的COD并使來自回流污泥中的硝酸鹽能夠反硝化去除，也可較好的抑制絲狀菌的繁殖。混合池的作用在于形成低氧環境而保證在混合池中實現完全的反硝化。同時，該工藝也增設了離線沉淀化學除磷單元，解決了泥齡過長，進水中COD過低的問題。在荷蘭已經有若干污水處理廠采用了BCFS工藝，污水處理廠的出水 TP＜0.2 mg/L，TN＜5 mg/L，同時較低而穩定的SVI值也使得該工藝具有非常穩定的處理水質。

2.2 A2 N 工藝

近年來，A2N工藝作為典型的連續流雙污泥反硝化除磷工藝在國內得到了廣泛的研究。該工藝采用活性污泥法和生物膜法相結合的雙泥系統［10］，其工藝流程見圖2。

圖2 A2N工藝流程圖

在該工藝中，原水先進入厭氧池，反硝化除磷菌在厭氧池吸收有機底物并以PHB的形式貯存在胞內，同時快速釋放磷。隨后泥水混合液經過中間沉淀池的快速分離后，富含氨氮和磷的上清液流入好氧生物膜硝化池，進行硝化反應并去除剩余的有機物;沉淀下來的污泥直接進入缺氧池，污泥中的反硝化聚磷菌以體內的PHB作為電子供體，以硝化池中的硝酸鹽作為電子受體完成反硝化脫氮和除磷作用。后置的快速曝氣池的設計主要是為了使未被完全吸收的磷能夠以氧作為第二電子受體被去除。在整個工藝中，厭氧和缺氧的交替運行可以使反硝化聚磷菌形成穩定的優勢菌種。

A2N工藝具有常規脫氮除磷工藝無法比擬的優點。首先由于采用了反硝化除磷的原理，解決了碳源不足的問題;其次由于硝化細菌和聚磷菌的獨立培養，解決了兩者之間泥齡不同的問題，保證了出水較低的氮磷質量濃度。彭永臻等［10］應用A2N工藝處理COD/N值僅為3.94的生活污水時，就可以達到92.87%的TP去除效果，出水TP為0.41 mg/L，已經達到了國家一級排放標準，TN的去除率也達到了80.9%;當進水的COD/N值提高到6.49時，TN和TP的去除率可以分別達到92.7%和97.95%，出水TN和TP的質量濃度分別為4.18 mg/L和0.12 mg/L。然而，如果超越污泥中含有一部分的氨氮，被直接送入缺氧段后，由于得不到有效的硝化和反硝化，將導致出水氨氮含量較高，此外缺氧段的硝酸鹽如果不能被完全去除，回流至厭氧池后，依然會對厭氧段的釋磷產生不利影響。

2.3 A2NSBR 工藝

A2N工藝還有一種以SBR形式所運行的工藝，即A2NSBR工藝。該工藝作為雙污泥工藝中的序批式工藝，還同時具有控制方便，成本較低的特點，該工藝流程見圖3。

圖3 A2NSBR工藝流程圖

該工藝主要由厭氧/缺氧(A2-SBR)SBR和硝化(N-SBR)SBR兩段組成。A2-SBR的主要功能為去除有機物和反硝化除磷，在N-SBR則主要起硝化作用將氨氮轉化為硝酸鹽氮。兩個反應器相互獨立，僅交換各自的上清液。

研究表明該工藝由于采用雙污泥系統，硝化菌和聚磷菌之間的泥齡矛盾也得到解決，具有良好的脫氮除磷效果，且非常適用于有機物濃度較低污水的處理。同時王亞宜等［11］在實驗室中應用A2NSBR處理實際生活污水時，該工藝表現出良好的脫氮除磷效果，COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別可以達到85.89%，82.3%，88.99%，84.56%，同時該工藝對水質的波動也具有良好的適應性。

3 展望

反硝化除磷使得脫氮和除磷能夠在同一個反應器中同時發生，這使其具有傳統脫氮除磷工藝無法比擬的優點。首先，DPB能夠以硝酸鹽作為電子受體，這就大大的減少了氧的消耗量，節省了許多充氧曝氣的費用;其次，硝酸鹽作為DPB體內貯存有機物的氧化電子受體，可以使反硝化在不需要大量外加碳源的條件下順利進行，這樣就節省了進水中有機物的消耗，也從根本上減少了CO2氣體的排放;同時污水中未被消耗的COD可以通過沉淀以剩余污泥的方式去除，這部分污泥可以通過水解酸化的方式來產酸或產甲烷，這樣不僅有效的降低了系統中剩余污泥的產量，而且還可以獲得相當一部分能量。有文獻表明，應用反硝化除磷機理，可以使污水處理工藝中所需的COD量減少50%，充氧量減少30%，剩余污泥產量降低50%。因此，反硝化處理理論及工藝具有較為廣闊的研究前景。

［1］ Kuba T.，Van Loosdrecht M.C.M..Phosphorus removal from wastewater by anaerobic/anoxic sequencing batch reactor［J］.War Sci Tech，1993，27(5):241-252.

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［3］ Baker P S，Dold P L.Denitrification behavior in biological excess phosphors removal activated sludge system［J］.WatRes，1996(30):769-780.

［4］ 王亞宜，王淑瑩，彭永臻.反硝化除磷的生物化學代謝模型［J］.中國給水排水，2006(3):4-7.

［5］ Smolders G.J.F.，Van Der Meij.J.，Van Loosdrecht M.C.M.，et al..Stoichiometric model of the aerobic metabolism of the biological phosphorus removal process［J］.Biltechol.Bioeng，1994，44(7):837-848.

［6］ Bortone G，Saltarelli R.Biological anoxic phosphorus removalthe dephanxo process［J］.Water Science Technology，1998，34(1):119-128.

［7］ 張 杰，劉 婧，李相昆，等.新型雙污泥反硝化除磷工藝的初步研究［J］.黑龍江大學自然科學學報，2008(2):1-4.

［8］ Kuba T，Van Loosdrecht M C M，Brandse F A，et al..Occurrence of denitrifying phosphorus removing bacteria in modified UCT-type wastewater treatment plants［J］.Water Research，1997，31(4):777-786.

［9］ Ostgarrd K，Christensson M，LIE E，et al..Anoxic Biological phosphorus removal in a full-scale UCT process［J］.Water Research，1997，31(11):2719-2726.

［10］ 彭永臻，王亞宜，顧國維，等.連續流雙污泥系統反硝化除磷脫氮特性［J］.同濟大學學報(自然科學版)，2004(7):933-938.

［11］ 王亞宜，彭永臻，殷芳芳，等.雙污泥SBR工藝反硝化除磷脫氮特性及影響因素［J］.環境科學，2008(6):1526-1532.