基于低碳氮比城鎮污水的脫氮除磷技術探究

張福波，張慶軍，齊星

（遼寧城建設計院有限公司，遼寧撫順 113008）

隨著生態環境部門對城鎮污水處理廠的升級改造及對黑臭水體和農村污水治理的高度重視，脫氮除磷技術在低碳氮比城鎮污水處理中成為熱點。新建與改造城鎮污水處理站主要考慮氮、磷能否達標排放，由此研發了包括改良A/A/O在內的多種同步脫氮除磷工藝[1]。

人為的富營養化主要是城鎮污水中氮磷超標引起的。低碳氮比的含氮磷污水對處理工藝要求較高，目前傳統的處理方法主要分為物化法和生物法兩種。由于物化法的脫氮除磷運行費用較高，且易產生二次污染，所以二次污染較小、運行維護管理方便、運行成本較低的生物脫氮除磷變形新工藝得到了業內的重視[2]。

1 脫氮基本原理

1.1 傳統生物脫氮

生物脫氮主要包括硝化和反硝化過程，其中硝化是兩種不同類型的微生物在好氧條件下由氨氧化菌（Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB）來完成的生化反應過程；反硝化是由異養型兼性厭氧微生物完成的反應過程。參與反應表達式如下：

總的硝化反應過程為：

反硝化反應過程為：

當外碳源提供不充足的時候，微生物發生內源反硝化反應，反應式可簡單表示為：

從工藝運行的角度而言，硝化菌的生長繁殖適應pH為7.5～8.5，當pH為6.5～7.5時，則有利于反硝化細菌進行代謝活動。由反應式可看出，硝化反應是一個產生H+的過程，反硝化反應是產生OH-的過程。反硝化反應產生的堿度與硝化過程消耗的堿度得到一定平衡，但總體表現為堿度消耗相對較大。一般城鎮污水利用傳統生物脫氮工藝處理時需要投加一定量的堿度，進而保證硝化反應的正常進行[3]。為了避免pH變化對生物代謝的影響，合理控制pH是脫氮除磷工藝開發過程中應當考慮的重要因素。由于生物脫氮需要在好氧和缺氧條件下交替進行，因此嚴格控制沿程變化的DO，進而為硝化菌和反硝化菌提供適宜的DO環境是工藝開發的技術關鍵。對于低碳氮比城鎮污水，通常內源反硝化效率較低，需要提供反硝化必需的碳源，但外加碳源提高了運行成本且操作繁瑣，因此研發新型脫氮工藝具有較高的應用價值[4、5]。

1.2 同步硝化反硝化脫氮（SND）

早在20世紀80年代，Robeitson Kuenen[6]就在反硝化和除硫系統出水中首次分離出了好氧反硝化菌Thiosphaera Pantotropha、Pseudmonas sp和Alcaligenesfaecalis等，多種好氧反硝化細菌在后續研究中也被發現并分離出來，這進一步表明了好氧反硝化菌的存在。硝化和反硝化過程在沒有明顯缺氧分區的同一個反應器中同時發生，進而達到脫氮的目的[7]。大量實驗及報道證明了同步硝化和反硝化現象（Simultaneous Nitrification and Denitrification SND）的存在。同步硝化反硝化的機理解釋包括：宏觀缺氧理論[8]、微觀缺氧理論和微生物學理論。

微觀缺氧理論的解釋是由于氧擴散、微生物群落結構、基質分布代謝活動等因素的影響，在微生物絮體或生物膜內產生不同的DO梯度，進而形成了多個微環境。微環境內部由于氧傳遞受阻而形成適于反硝化菌生長的缺氧環境，而表面由于溶解氧高，好氧硝化菌及氨化菌生長有利，從而為同步硝化反硝化的生長提供微環境，該理論是被普遍認可的一種[9]。DO濃度及微生物的絮體結構特征對微環境的形成起到主要作用，因此DO是SND脫氮功能水處理工藝成功運行的重要參數。研究還發現，小絮體中也有SND現象發生，該現象用微觀缺氧理論無法解釋，于是部分學者提出了微生物學理論。微生物學理論的基礎是好氧反硝化菌的存在，使得細菌在具有好氧條件的反應器內完成硝化和反硝化。

同步硝化反硝化脫氮比傳統生物脫氮理論具有明顯的優勢：硝化和反硝化可在一體式反應器內同時進行，不僅能降低能耗，而且減少了占地與曝氣量；反硝化產生的OH-可與硝化產生的H+相互中和，進而有效地穩定反應器內的pH，同時節省了外加堿度；在C/N一定的情況下提高TN的去除率，節省了反硝化所需的碳源投加量；反應過程中，硝化產物又可作為反硝化反應物，降低了硝酸鹽或亞硝酸鹽的積累對反硝化產生的抑制作用，提高了脫氮速率。在A2O及改良工藝中，SND的實現具有以下優勢：減少了隨污泥回流至厭氧區的硝酸鹽量，強化了好氧段的總氮損失，減少硝化反應與厭氧釋磷反應碳源的競爭，進而提高好氧階段的吸磷量；提高缺氧區反硝化負荷，脫氮區域增加，提高了總氮的去除率；不用單獨建設缺氧反應池，節省占地與基建費用[10]。因此SND為適應城鎮污水處理工藝的開發提供了很好的研究方向。

1.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化（Anammox）是指厭氧氨氧化菌在厭氧條件下以亞硝酸鹽為電子受體，氨氮為電子供體，最終將亞硝酸鹽和氨氮同時轉化為氮氣的過程[11]。該脫氮過程不用外加碳源，與傳統的硝化反硝化脫氮過程相比，明顯縮短了傳統的氮循環過程。

基于Anammox過程的微生物是自養型微生物，不需要氧氣參與反應、零產堿量、減輕了二次污染，且不需要添加有機碳源，故而成為目前較經濟的新型生物脫氮工藝之一。但在污水處理的實際應用中還存在一定的問題，Anammox反應器污泥培養周期長，反應器啟動周期長；Anammox細菌的多樣性的高特異性引物的分析研究較少；Anammox細菌生長較緩慢，對外界條件敏感，倍增時間長，和其他異養微生物共生關系的作用機制仍待研究；氨氧化在低氨氮、低溫城鎮污水中的應用受到一定的限制。

1.4 短程反硝化

短程硝化反硝化與全程硝化反硝化工藝相比，具有如下優點：極大節省了有機碳源，減少了外加堿度，降低了能耗及運行費用；反硝化速率高，縮短了反應時間，減小了反應器容積，降低了基建費用和運行成本；在C/N比一定的情況下能提高TN的去除率。國內外許多學者對短程生物脫氮工藝進行了大量研究，但的積累非常不易控制，極易氧化形成

2 除磷基本原理

生物除磷反應包括厭氧釋磷和好氧吸磷、缺氧吸磷，最終實現外部磷的吸收，并以剩余污泥的形式從系統中排出，進而實現除磷的效果。

2.1 傳統除磷

生物超量吸磷現象的發現使得污水除磷技術得到應用和發展，聚磷菌等一類微生物將磷以聚合的形態貯藏在菌體內，從外部環境攝取超過其生理需求的磷，形成高磷污泥，并通過剩余污泥的形式排放。聚磷菌在厭氧條件下將體內積聚的聚磷分解，以與污水中易降解有機物，如揮發性脂肪酸（VFA）合成聚磷酸鹽（PHB/PHV）的形式貯存于體內，形成二磷酸腺苷（ADP），同時釋放能量；混合液在好氧區內聚磷菌以游離氧為電子受體，將體內的有機底物進行好氧分解并產生能量，在透過膜的催化作用下，通過主動運輸形式從外部環境攝取過量的H3PO4，并以聚磷酸鹽的形式積聚于體內，形成高磷污泥。研究發現，回流到厭氧區的硝酸鹽將消耗易降解的碳源，會造成厭氧釋磷碳源不足，導致后續好氧吸磷不足，除磷效率降低[13]。

2.2 反硝化除磷

Hascoet和Comeau等人早在20世紀80年代中期就發現了聚磷菌可以在缺氧環境條件下以硝酸鹽作為電子受體進行吸磷[14、15]。具有反硝化除磷作用的兼性厭氧微生物利用O2或NO3-作為電子受體進行吸磷，與傳統的聚磷菌（PAO）相比，同對胞內PHB和糖原的代謝作用方式類似，此類微生物被命名為反硝化聚磷菌（Denitrifying PAO，DPAO）。反硝化除磷的機理是通過厭氧/缺氧條件馴化培養大量DPAO作為兼性厭氧細菌，在厭氧段DPAO胞內聚合磷酸鹽水解并釋放能量，完成厭氧釋磷，污水中的VFA被吸收并轉化為胞內碳源PHA；在缺氧段，O2、作為DPAO的電子受體，氧化胞內碳源PHA，為自身細胞的合成及維持生命代謝活動提供能量，另一部分能量用于吸收水中的無機磷酸鹽，最終以聚磷顆粒的形式儲存在細胞內，同時將還原為

反硝化除磷工藝具有以下優點：避免反硝化菌和聚磷微生物對碳源的競爭，大大節省了碳源消耗，因此反硝化除磷適合用于低C/N比的城鎮污水處理；曝氣量及污泥量減少，同時可以縮小反應器體積，進而降低基建和運行費用。傳統工藝在低碳氮比城鎮污水處理工藝中的投資運行成本較高，開發具有反硝化除磷功能的新工藝勢在必行[17]。

3 結論

（1）在脫氮除磷工藝開發過程中，合理控制pH及嚴格控制DO沿程變化，是工藝開發的技術關鍵。

（2）城鎮污水處理工藝的開發，建議優先考慮同步硝化反硝化脫氮SND應用。

（3）針對低碳氮比城鎮污水處理，開發具有反硝化除磷功能的新工藝具有較大的應用市場，進而可節省投資運行成本。

（4）在加大農村環境保護的背景下，適合我國低碳氮比城鎮污水處理、具有較大應用價值的工藝技術應滿足以下特點：氮磷達標，污泥排放量少；投資少，運行能耗低；一體化設計，減小占地面積；運行、管理和維護簡單，專業技術水平要求較低。