短程反硝化技術(shù)在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用與展望

趙麗芬 李偉 劉俊 楊洋 楊志 王靜 張瑞

摘要：指出了傳統(tǒng)污水處理技術(shù)存在運行復(fù)雜、能耗高、脫氮除磷效果差等問題，難以在廣大農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。針對這一問題，介紹了短程反硝化的原理及相關(guān)工藝發(fā)展，探討了短程反硝化方法作為一種穩(wěn)定、高效的新型生物處理技術(shù)，用以解決農(nóng)村污水處理問題，實現(xiàn)我國水生態(tài)文明及水資源可持續(xù)利用的途徑。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村污水;短程反硝化;脫氮除磷;富營養(yǎng)化

中圖分類號：X799

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）14-0083-02

1 引言

隨著社會主義新農(nóng)村建設(shè)和城鄉(xiāng)一體化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)得到快速發(fā)展，生產(chǎn)生活方式隨之轉(zhuǎn)變，各類生產(chǎn)、生活污水排放量不斷增加，而農(nóng)村污水處理技術(shù)、設(shè)施的缺位，導(dǎo)致大量攜帶氮磷元素的污水持續(xù)排放到受納環(huán)境中，造成水體富營養(yǎng)化，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在此背景下，農(nóng)村污水處理技術(shù)作為水生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手，不僅是構(gòu)建和諧人地關(guān)系的關(guān)鍵，也是《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》推進(jìn)過程中需要重點研究的問題。

2農(nóng)村污水處理現(xiàn)狀

受環(huán)境及其它條件限制，我國農(nóng)村、特別是邊遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)村在污水處理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用方面仍然比較薄弱，大部分農(nóng)村污水處理系統(tǒng)尚不完善甚至空缺。目前，可供農(nóng)村選擇的分散污水處理工藝大致可分為兩類：一類是以土壤或水體作為載體，利用植物吸收及微生物分解作用來處理污水的自然生態(tài)處理系統(tǒng)，如氧化塘、人工濕地等;一類是從傳統(tǒng)污水處理廠工藝簡化而來的，利用生物處理、物理過程及化學(xué)反應(yīng)工藝處理污水的生化處理方法，如生物膜法、膜生物反應(yīng)器等。傳統(tǒng)生態(tài)處理技術(shù)普遍存在占地面積過大、處理效果不穩(wěn)定的缺點，在部分土地資源相對匱乏的山區(qū)難以實現(xiàn);而若單純采用生化處理技術(shù)又存在能耗高、運行費用高、維護(hù)困難、脫氮除磷工藝復(fù)雜等問題。因此，開發(fā)一種穩(wěn)定、高效的新型生物處理技術(shù)以解決山區(qū)農(nóng)村污水處理問題、減少氮磷排放已成為當(dāng)下維護(hù)區(qū)域水生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展的重要任務(wù)。短程反硝化集反硝化與牛物除磷為一體，在缺氧條件下由反硝化聚磷菌（ Deni-trifying Phosphate- Accumulating Organisms，DPAOs）通過“一碳兩用”的方式實現(xiàn)同步脫氮除磷。除具有耗氧量低、產(chǎn)泥量低的優(yōu)勢外。還有運行周期短、脫氮除磷效率高和進(jìn)一步減少COD的優(yōu)點，是一項極富應(yīng)用前景的污水處理新技術(shù)。

3 短程反硝化原理

20世紀(jì)90年代，Kuba等首次觀察到在厭氧/缺氧交替運行條件下，可以富集到一類利用硝酸鹽氮和氧氣作為電子受體、具有脫氮除磷特性的反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphorus - remoVal Bacteria， DPB）;后續(xù)又有學(xué)者發(fā)現(xiàn)一類可以同時利用亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和氧氣進(jìn)行缺氧吸收磷、真正實現(xiàn)“一碳兩用”的短程反硝化聚磷菌，從根本上解決了傳統(tǒng)脫氮除磷中碳源競爭的問題，具體反應(yīng)路徑如下：在厭氧條件下，DPAOs首先將胞內(nèi)聚磷水解，利用釋放的能量及糖原吸收碳源并合成聚羥基脂肪酸酯（PHA）;而后在缺氧條件下，由PHA作為電子供體，同時降解產(chǎn)生能量用于聚磷合成，從而實現(xiàn)同步脫氮除磷。由于此項技術(shù)是在缺氧條件下完成吸磷反應(yīng)，因此減少了曝氣產(chǎn)生的能量消耗，電使污泥產(chǎn)量減少約一半左右。隨著對短程反硝化除磷技術(shù)的深入研究，許多國內(nèi)學(xué)者針對pH值、碳源類型、C/N、電子受體、溫度、SRT等因素對反應(yīng)過程影響進(jìn)行了比較分析，但這些實驗設(shè)計大多針對單因素影響，而對于多因素協(xié)同作用的關(guān)系、機(jī)理及途徑還待進(jìn)一步深入研究。

4短程反硝化相關(guān)工藝發(fā)展及應(yīng)用

短程反硝化作為節(jié)能降耗型污水處理新方法，已有研究人員在工藝改進(jìn)與實際應(yīng)用方面做了一些嘗試。張淼等采用A2/O+MBBR雙污泥系統(tǒng)，以低碳氮比污水為處理對象，測試啟動過程的污泥特性和反硝化除磷特性，經(jīng)過21 d連續(xù)培養(yǎng)，污泥濃度從1189 mg/L增加到1760 mg/L，DPAOs在系統(tǒng)中占比從接種污泥時的10. 87%增加到25. 46%;劉宏等采用SBR反應(yīng)器，通過交替缺氧/好氧模式（單周期4次交替缺氧：好氧=30 min：30 min）運行70個周期，使氨氮去除率和COD去除率分別達(dá)到98. 67%和79. 55%;李冬等采用缺氧后置的序批式反應(yīng)器，考察了反硝化除磷的處理效果，通過限氧條件下的排泥策略，可實現(xiàn)常溫低氨氮條件下的脫氮除磷，實驗顯示以亞硝酸鹽為電了_受體的DPAOs系統(tǒng)占比可達(dá)70%;烏蘭等采用SND工藝，用醋酸鈉作C源，亞硝酸鈉作氮源，實現(xiàn)了海水養(yǎng)殖廢水的短程硝化反硝化去除氮磷，實驗顯示C/N比為0.8～1.2;反應(yīng)時間為0.5～4 h;溫度為14～20℃時脫氮除磷效率最高。目前，對于短程反硝化的研究大部分還停留在實驗階段，處理對象多為城市生活污水，但對于農(nóng)村污水處理方面的研究及成功案例卻少有報道。

5展望

短程反硝化是一個非常復(fù)雜的生物生化過程，涉及到很多的中間反應(yīng)過程，同時反應(yīng)亦受到諸多環(huán)境因子的抑制和影響，而其中關(guān)鍵性影響因子將直接作用于反應(yīng)效率、途徑，最終影響整個工藝運行，而前期國內(nèi)外大量實驗研究為此項技術(shù)的推廣奠定了良好的理論基礎(chǔ)。我國農(nóng)村污水排放量巨大，且隨著傳統(tǒng)生產(chǎn)、生活方式轉(zhuǎn)變，水質(zhì)發(fā)生了巨大變化，亦存在碳氮比低、反硝化所需碳源不足，處理過程中脫氮除磷效率低的問題，由此看出短程反硝化技術(shù)在今后農(nóng)村污水處理研究與應(yīng)用方面具有廣闊前景。