短程硝化—反硝化聚磷菌脫氮除磷技術的研究與應用進展

趙 娜

短程硝化—反硝化聚磷菌脫氮除磷技術的研究與應用進展

趙 娜

（沈陽市給排水勘察設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110021）

短程硝化—反硝化聚磷菌脫氮除磷工藝的出現，有效地克服了傳統生物脫氮除磷工藝的諸多缺點，是一種節能、高效、運行費用低的新型生物脫氮除磷工藝。介紹反硝化聚磷菌的反應機理、綜述了國內外研究進展，并指出了該工藝目前存在的主要問題。

A2N-SBR工藝；短程硝化；反硝化脫氮除磷；亞硝化細菌；反硝化聚磷菌

近年來，隨著水體富營養化現象日益嚴重，我國于2002年頒布的《城鎮污水廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中規定排入收納水體中的出水 TP小于0.5 mg/L，TN小于15 mg/L（一級A排放標準），這對氮、磷排放標準限制的更加嚴格，因此對于現有污水處理廠面臨著升級改造的問題，而新建污水處理廠需要考慮對污水增加深度脫氮除磷工藝。傳統生物脫氮除磷工藝在實際運行過程中存在著諸多不足，例如反硝化細菌和聚磷菌對有機物的競爭以及兩者污泥齡之間的矛盾，使得出水中氮、磷濃度很難同時達到排放標準[1]。在城市污水中C/N和C/P比值過低的情況下，反硝化細菌和聚磷菌爭奪有機碳源的現象更加明顯，因此需要額外投加有機物，增加了污水廠的運行投資費用。

近年來，國內外學者針對傳統生物脫氮除磷工藝實踐中出現的一系列問題進行了大量的研究，提出了一些新的觀點和方法，其中短程硝化—反硝化脫氮除磷工藝有效地克服了傳統生物脫氮除磷技術存在的諸多弊端，為城市污水提供了一種全新的脫氮除磷途徑。該工藝具有以下顯著優勢[2-3]：（1）對有機碳源的需求量少，利用反硝化聚磷菌同時完成脫氮和除磷兩個過程，適合用來處理碳氮比偏低的城市生活污水；（2）在不同的反應器中分開培養亞硝化細菌和反硝化聚磷菌，使其各自在最佳的環境條件下生長，避免了兩者之間的相互影響，有利于各自性能的發揮；（3）剩余污泥量降低了50%，短程硝化階段還節省了30%的曝氣量。

1 反硝化聚磷菌的發現及除磷機理

1977年Nicolls和Osborn[4]在硝酸鹽異化還原試驗中發現了能快速吸收磷的現象，說明有些反硝化細菌也能吸收磷。1978年Nichollos和Osborn通過對活性污泥進行間歇試驗，證明缺氧和好氧條件下污泥斗可以吸收磷，但好氧時的吸磷速率要高于缺氧的。1987年Vlekke[5]通過試驗表明可以誘導培養出以硝酸鹽為電子受體的聚磷菌。1987年，中國市政工程華北設計院也在中試試驗中發現了反硝化脫氮除磷的現象[1]。1993年Kuba[6]發現，在缺氧和厭氧交替的條件下，易獲得一種以O2或NO3–為電子受體的微生物，且其代謝機理與傳統聚磷菌相似，能超量吸磷且同時具有反硝化和除磷作用，由于這種細菌的特性，人們將其稱之為反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphorus Accumulation Organisms，DPAOs ）。

反硝化除磷機理與厭氧/缺氧交替運行條件下利用聚磷菌除磷機理相似，厭氧時兩者的釋磷過程是基本一致的，只是在缺氧時反硝化聚磷菌不是以O2而是利用NO3–為電子受體，利用厭氧時貯存在體內的PHB來產生能量。大部分能量用來合成自身細胞，還有一部分用來吸收污水中的磷酸鹽，并將吸收的磷以多聚磷酸鹽的形式貯存在體內，同時把NO3–還原為N2。通過反硝化聚磷菌實現同時脫氮除磷的效果，解決了傳統脫氮除磷工藝中反硝化細菌和聚磷菌爭奪碳源的問題，具有“一碳兩用”的優點。

2 反硝化聚磷菌的國內外研究進展

1992年Takahiro[7]利用SBR反應器進行試驗研究，在缺氧和厭氧交替的條件下篩選出了以NO3--N為電子受體的反硝化聚磷菌。隨后又有類似的試驗研究表明，微生物依次經過厭氧、缺氧、好氧階段后， 反硝化聚磷菌可以占到總聚磷菌的50%左右[8]。鄒華[9]通過模擬廢水和A/O工藝中的污泥進行試驗研究，發現NO3--N的確可以作為反硝化聚磷菌電子受體，只是其吸磷效率比以氧氣為電子受體時下降了24%左右。李勇智[10]利用厭氧/缺氧SBR反應器研究反硝化聚磷菌，發現運行穩定后反應結束時出水中磷的濃度小于1 mg/L，去除率大于89%。羅寧[11]采用雙污泥系統處理合成廢水，從中分離出了反硝化聚磷菌并建立了數學模型。楊慶娟[12]采用A2N工藝處理小區生活污水，通過適當的條件控制培養出反硝化聚磷菌，COD、TN和TP去除率分別可達90.3%、90%和99.6%，獲得了較好的脫氮除磷效果。

大量研究表明，反硝化聚磷菌的生長與溫度、pH值、DO濃度、水力停留時間、碳氮比等因素有關。陳曉旸[13]研究表明，在A/O/A膜生物反應器中，溫度在（25±1）℃、SRT=15 d，DO=3.97 mg/L時，對氮、磷的去除效果最好。張超[14]使用人工配水，在SBR反應器內以A/O/A/O方式運行，當控制SRT=15 d，MLSS=3 200 mg/L，DO=2.5 mg/L時，TN、TP、COD去除率分別達到96.26%、99.87%、90.46%

NO3--N作為反硝化聚磷菌的電子受體已得到廣大學者的認同和接受，但對于以NO2--N作為反硝化聚磷菌的電子受體還存在爭議。Keren[15]在試驗中發現當NO3--N消耗完后，污水中雖然還存在大量NO2--N，但并未發生吸磷現象，由此得出NO2--N不能作為反硝化聚磷菌的電子受體。但近年來，許多的研究成果認為只要合理的控制NO2--N濃度，NO2--N是可以作為反硝化聚磷菌的電子受體的。Meinhold[16]認為NO2--N濃度在4~5 mg/L時可以作為電子受體，只有當NO2--N濃度大于8 mg/L時才會對反硝化聚磷菌的活性產生抑制作用。彭永臻得出NO2--N濃度在5.5~9.5 mg/L時，反硝化聚磷菌可以進行吸磷反應，只有NO2--N濃度達到15 mg/L時才會抑制反硝化吸磷現象。李捷[17]得出NO2--N濃度小于65 mg/L時反硝化聚磷菌可以進行脫氮除磷，濃度大于95 mg/L時會導致反硝化聚磷菌釋磷現象再次發生。王愛杰[18]得出NO2--N濃度為35 ± 5 mg/L時取得的反硝化除磷效果最好。J.Y.Hu[19]通過間歇試驗得出NO2--N作為電子受體的上限濃度可以高達115 mg/L。張曉潔[20]通過批次試驗研究得出在NO2--N濃度低于80 mg/L時不會對反硝化聚磷菌的吸磷現象產生抑制作用。

3 A2N-SBR工藝的應用進展

短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝也稱為連續流雙污泥SBR工藝（A2N-SBR），該系統由厭氧/缺氧反應器（A2-SBR）和好氧反應器（N-SBR）組成。A2-SBR系統用來富集反硝化聚磷菌，去除有機物同時進行反硝化脫氮除磷反應；N-SBR系統用來富集亞硝化細菌，并為A2-SBR系統提供亞硝化液。兩個SBR反應器中的優勢菌種是完全分開培養的，彼此之間只是在沉淀后相互交換上清液，因此有利于兩類細菌分別在各自適宜的環境下生長。在N-SBR內，NH4+只被氧化至NO2-而非NO3-，N-SBR系統的出水進入A2-SBR。在A2-SBR內，以NO2--N為電子受體的反硝化聚磷菌利用NO2--N進行反硝化吸磷，從而實現同步脫氮除磷的目的。工藝流程如圖1所示。

圖1 短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝流程圖

近年來A2N-SBR工藝逐漸成為研究熱點。Kuba[21]通過試驗驗證了A2N-SBR工藝的可行性，并且證明了其與單污泥工藝相比脫氮除磷效果更好。HAO[22]將A2N-SBR工藝和UCT工藝進行了對比，結果表明前者對氮的去除率更高，同時曝氣量節省了35%，混合液回流量節省了85%，占地面積減少了30%。王亞宜[23]得出A2N-SBR工藝對C/N為4~7的生活污水處理效果更佳，這個比值與我國生活污水的C/N較符合，有機物、TN和TP去除率分別可達95%、92.6%和98%。羅固源等[24]對A2N-SBR工藝進行了較系統的研究，取得了較好的脫氮除磷效果，指出該工藝適合處理低C/P的污水，并且建立了數學模型。李勇智[25]采用A2N-SBR工藝處理實際生活污水，脫氮和除磷效率分別達到95%和98%。

4 展望

短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝的開發有效地解決了傳統脫氮除磷工藝中存在的弊端，可以節省50%的有機物消耗量和30%的供氧量、減少了20%的大氣CO2排放量以及50%的剩余污泥量，具有廣泛的應用前景。近年來該工藝逐漸成為研究熱點，其理論受到廣泛重視及其工藝得到普遍認可。反硝化脫氮除磷理論雖然在上個世紀80年代就已經被提出，但是目前還存在以下問題有待于進一步解決：（1）反硝化聚磷菌的影響因素較多，目前對于影響因素的研究雖有了一定認識但還不夠充分，理論解釋還需要進一步補充，眾學者得出的結論說法不一。特別是NO2-對反硝化聚磷菌的影響還需要深入研究。（2）現階段，反硝化聚磷菌的研究還處于初級階段，菌群的特性還沒有完整的定論。反硝化脫氮除磷理論相應用到短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝中的技術尚不成熟。該工藝連續運行后，會受到水質等各種影響因素的干擾，容易出現運行不穩定的現象，因此需要研究確定工藝運行的最佳控制參數。

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Research Progress and Application of Denitrification and Phosphorus Removal Technology With Shortcut Nitrification and Denitrifying Phosphorus Accumulating Bacteria

（Shenyang Water Supply＆Drainage Prospecting Design Research Institute Co.,Ltd., Liaoning Shenyang 110021, China）

The denitrification and dephosphorization process with short-cut nitrification and denitrifying phosphorus accumulating bacteria effectively overcomes the shortcomings of the traditional biological nitrogen and phosphorus removal process, and it is a new biological nitrogen and phosphorus removal process with energy saving, high efficiency and low running cost . In this paper, the mechanism of denitrifying polyphosphate accumulating bacteria was introduced. The research progress was summarized, and the main problems of the process were pointed out.

A2N-SBR process, shortcut nitrification, denitrifying denitrification and dephosphorization, nitrite bacteria, denitrifying phosphorus accumulating bacteria

2016-11-25

趙娜（1982-）,女，碩士研究生，工程師，遼寧沈陽人，研究方向：水源工程、給水及污雨水泵站、給水處理廠、污水處理廠、中水回用、城市輸配管網、給排水管道等給排水工程設計。E-mail：zhaoyayatong@126.com。

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1004-0935（2017）01-0099-04