生態(tài)處理系統(tǒng)內(nèi)反硝化除磷研究評(píng)述

何明陽，耿沖沖

（1.蘭州市污水處理監(jiān)管中心,甘肅 蘭州 730000；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 氮磷污染概述

1.1 氮磷的污染現(xiàn)狀

氮、磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制元素，氮磷的超量排放會(huì)導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題。城市生活污水由污水處理廠處理之后達(dá)標(biāo)排放，在一定程度上減輕了水環(huán)境的負(fù)擔(dān)，但由于我國(guó)城市人口眾多，所以污水廠的氮磷排放總量依然很大；在廣大的農(nóng)村地區(qū)，由于小型村鎮(zhèn)企業(yè)的大量興起以及農(nóng)村生活污水亂排、直排問題，也普遍導(dǎo)致了河道的污染甚至黑臭水體的產(chǎn)生。在富營(yíng)養(yǎng)化的水體中，藍(lán)藻和綠藻的大量繁殖會(huì)使水體的溶解氧急劇下降、水生動(dòng)物大量死亡，并且產(chǎn)生具有致癌效應(yīng)的藻毒素間接危害人類的用水安全[1]。我國(guó)的121個(gè)湖泊營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，我國(guó)中營(yíng)養(yǎng)湖泊占26.5%；富營(yíng)養(yǎng)湖泊占73.5%[2]。21世紀(jì)以來，我國(guó)五大湖也都相繼爆發(fā)了不同程度的水華，供水安全岌岌可危、水環(huán)境質(zhì)量問題不容小覷。國(guó)家近年來針對(duì)水污染專項(xiàng)出臺(tái)了一系列的政策舉措，河道治理與流域的水環(huán)境改善已經(jīng)初見成效，新一輪污水處理廠提標(biāo)改造后，氮磷的集中排放量得到了一定程度的降低，但是農(nóng)村地區(qū)普遍的氮磷點(diǎn)源與面源污染問題仍然存在。而針對(duì)農(nóng)村分散式污染源的治理也是流域水環(huán)境改善的重要一步?！端廴痉乐涡袆?dòng)計(jì)劃》規(guī)定：“到2020年，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體控制在10%以內(nèi)，到2030年，全國(guó)七大流域水質(zhì)優(yōu)良比例總體達(dá)75%以上”。氮磷的排放仍是限制流域水環(huán)境改善的關(guān)鍵因素、氮磷的穩(wěn)定處理仍是水處理設(shè)施面臨的主要挑戰(zhàn)，研究簡(jiǎn)單易行的強(qiáng)化脫氮除磷技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 反硝化的過程及產(chǎn)物

傳統(tǒng)的脫氮主要依賴的是硝化反硝化作用，在各種污水處理反應(yīng)器中被廣泛應(yīng)用。完整的硝化反應(yīng)是在自養(yǎng)菌的作用下完成兩個(gè)階段的反應(yīng)，第一階段的主要反應(yīng)為，氨氧化細(xì)菌（Ammonia-oxidizing bacteria,AOB）在氧的參與下將NH+4轉(zhuǎn)化為N0-2；第二階段的主要反應(yīng)為，在有氧的條件下亞硝化酸鹽氧化細(xì)菌 （Nitrite-oxidizing bacteria,NOB）將N0-2轉(zhuǎn)化為N0-3[3]。反硝化的過程更為復(fù)雜，每一步由反硝化細(xì)菌中不同的基因編碼的各種酶來催化進(jìn)行，在另外一些微生物中發(fā)生厭氧氨氧化的反應(yīng)也能達(dá)到脫氮的目的。生物反硝化按照營(yíng)養(yǎng)類型劃分為異養(yǎng)反硝化(heterotrophic denitrification)和自養(yǎng)反硝化(autotrophic denitrification)兩種類型。異養(yǎng)反硝化細(xì)菌需要以有機(jī)物作為碳源，并以碳水化合物或者其他有機(jī)物作為能量來滿足生長(zhǎng)繁殖的需求，在反硝化過程中占主要比例。而自養(yǎng)反硝化細(xì)菌以二氧化碳作為碳源，并以無機(jī)物作為能源物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。

1.3 污水中除磷的主要途徑

污水中除磷主要有生物吸收、物理吸附、化學(xué)沉淀三種方式，生物法主要依賴聚磷菌的作用來完成；聚磷菌是一類在交替進(jìn)行好氧/厭氧時(shí)，能夠以聚磷酸鹽的形式濃縮磷的微生物。在厭氧條件下，細(xì)菌利用體內(nèi)的聚磷酸鹽為能源，快速吸收乙酸，并以PHB和其他聚羥基羧酸PHAs的形式儲(chǔ)存起來，同時(shí)釋放聚磷酸鹽分解產(chǎn)生的溶解性磷酸鹽。在好氧條件時(shí)，細(xì)菌以PHAs為能源用于生長(zhǎng)，并攝取廢水中的溶解性磷酸鹽，以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存起來。從好氧和厭氧的能量動(dòng)力學(xué)來看，細(xì)菌攝取的磷比釋放的磷要多，從而形成了一種在微生物體內(nèi)濃縮磷的機(jī)制，可以通過剩余污泥排出來達(dá)到除磷的效果[4]。

物理以及化學(xué)吸附主要體現(xiàn)在有填料的人工濕地以及生物滯留池系統(tǒng)中填料的作用，不同的吸附介質(zhì)對(duì)磷的吸附作用也有不同。貝殼、陶粒的吸附作用大于普通沙石、高分子的吸附材料如鋯/鑭化多孔碳基材料應(yīng)用于磷酸鹽的吸附研究表明，修飾過后的吸附劑受 SO4-、NO-3、Cl-以及 pH的影響更小，對(duì)磷酸鹽的吸附效率更高[5]；Fe、Mg、Al等金屬離子化合物對(duì)磷酸鹽的吸附作用極強(qiáng)，常常在目標(biāo)濃度較高時(shí)作為吸附或者混凝除磷的首選[6]。亞鐵離子Fe2+存在時(shí)，可以降低微生物EPS中磷的含量，提高污泥的沉降性能，同時(shí)改變微生物的群落結(jié)構(gòu)，增加聚磷菌的比例[7]。

2 生物滯留池脫氮除磷的研究現(xiàn)狀

生物滯留池（Bioretention cell,BRC）是一種攔截徑流污染、儲(chǔ)蓄徑流雨水的結(jié)構(gòu)型雨水控制系統(tǒng),在實(shí)際應(yīng)用中不僅能夠減少徑流、削減洪峰，同時(shí)還能凈化徑流雨水，設(shè)有淹沒區(qū)的生物滯留池兼具一定的脫氮除磷功能[8]。由于良好的處理效果以及生態(tài)環(huán)境的可容納性高，其應(yīng)用范圍也正在不斷拓展。

2.1 生物滯留池的關(guān)鍵參數(shù)

生物滯留池的關(guān)鍵參數(shù)有：水力負(fù)荷(Hydraulic load)、滲透系數(shù)(Permeability coefficient)、水力停留時(shí)間（Hydraulic retention time）等。而與脫氮效率關(guān)系最為密切的就是水力負(fù)荷與水力停留時(shí)間。水力負(fù)荷是所有水處理反應(yīng)器（構(gòu)筑物）的最基本參數(shù)之一，它既決定了反應(yīng)器的處理效率，也影響著反應(yīng)器的處理能力和水處理設(shè)施的運(yùn)營(yíng)成本[9]。在自然滲透的傳統(tǒng)生物滯留池中，水力負(fù)荷(單位：m3/m2·d)就決定了水力停留時(shí)間，而設(shè)有淹沒區(qū)的生物滯留池則可以通過間歇進(jìn)水的方式人為控制HRT，在實(shí)際應(yīng)用中有必要設(shè)置調(diào)節(jié)池來便于穩(wěn)定進(jìn)水。一般來說，水力停留時(shí)間越長(zhǎng)，水處理的效果越好，但處理效率相對(duì)降低。生物滯留池的工作效率也與水力負(fù)荷有關(guān)，水力負(fù)荷越大，對(duì)系統(tǒng)的沖擊越高，穩(wěn)定性就越差，研究表明水力負(fù)荷在0.5～4.0m3/m2·d范圍內(nèi)，水力負(fù)荷越低，系統(tǒng)的脫氮效率越高[10]。

滲透系數(shù)與孔隙率也是限制生物滯留池運(yùn)行效能和使用壽命的關(guān)鍵因素。垂直潛流式人工濕地與生物滯留池在結(jié)構(gòu)上有相似之處，其區(qū)別在于生物滯留池選用的植物類型更為廣泛、水流方式更加多樣化、應(yīng)用場(chǎng)景更加多元化，但是結(jié)構(gòu)層的差別并不大。王榮[11]等研究了垂直潛流式人工濕地的滲透性能，周期為45d的運(yùn)行過程中，滲透系數(shù)表現(xiàn)為先上升后下降，而有效孔隙率平均下降了9%；對(duì)于填料粒徑大于5mm的濕地系統(tǒng)，其滲透系數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間有急劇減小的趨勢(shì)，小于5mm的填料系統(tǒng)滲透系數(shù)則是緩慢減小[12]，為生物滯留池的填料層改進(jìn)提供了基礎(chǔ)；利用NaCl作為示蹤劑對(duì)生物滯留系統(tǒng)的滲流性能的研究表明，在一定的水力條件下，若清水連續(xù)滲流，系統(tǒng)大致變化有4個(gè)階段：第1階段中滲透系數(shù)逐漸下降；第2階段中滲透系數(shù)急劇上升；第3階段中滲透系數(shù)稍微下降；第4階段中滲透系數(shù)較平穩(wěn)，不再發(fā)生大的波動(dòng)變化，這是填料與孔隙之間由于水的沖擊而進(jìn)行的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的結(jié)果[13]；也有研究指出，不同植物種類以及植物自身木質(zhì)素含量的不同也會(huì)通過分解作用的速率變化來影響滲透系數(shù)的變化，以美人蕉、蘆葦和菖蒲的對(duì)比實(shí)驗(yàn)為例，美人蕉對(duì)系統(tǒng)的滲透系數(shù)影響最小，蘆葦與菖蒲對(duì)滲透系數(shù)影響相對(duì)較大，因此設(shè)計(jì)生物滯留系統(tǒng)時(shí)也應(yīng)選取適宜的植物[14]。

2.2 生物滯留池的脫氮效率

生物滯留池脫氮是利用淹沒區(qū)的厭氧微生物即反硝化菌來完成的，我國(guó)的生活污水碳氮比較低，所以在生物滯留池中添加合適的碳源是增強(qiáng)生物滯留中反硝化作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生物滯留池添加的有機(jī)碳源主要包括樹木屑、落葉堆肥、鋸末、報(bào)紙、棉花、麥秸稈、稻谷殼、豌豆稈、糖漿等，無機(jī)碳源則主要采用元素硫以及硫-石灰混合物，有機(jī)碳源的作用是促進(jìn)有機(jī)化能異養(yǎng)脫氮，無機(jī)碳源主要是利用無機(jī)化能自養(yǎng)脫氮[15]。研究表明淹沒區(qū)的設(shè)置對(duì)生物滯留池的脫氮效率有促進(jìn)作用，有學(xué)者研究了有淹沒區(qū)生物滯留池對(duì)污水廠尾水的處理效果，發(fā)現(xiàn)在水力負(fù)荷為 0.5m3/m2·d時(shí)，TN的去除總量可以達(dá)到1450mg/m2·d、TP 可以達(dá)到 70mg/m2·d[16]；Hunt[17]等研究的結(jié)果顯示，設(shè)有淹沒區(qū)的生物滯留池對(duì)于TN、NH3-N、NO3-N、TKN的去除率分別為32.1%、70.6%、-4.8%、44.4%；Payne[18]等對(duì)生物滯留池去除雨水中的氮素研究表明，TN的去除率為60%～80%、NO3-N為10%～90%、NH3-N為80%～90%，但在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水的氮素濃度水平較低，生物滯留池對(duì)于NH3-N的去除率較高，從而對(duì)TKN的去除也較好。有研究指出，設(shè)置淹沒區(qū)能大幅提升系統(tǒng)的產(chǎn)氣量[19]，從而佐證了淹沒區(qū)對(duì)脫氮的貢獻(xiàn)。水處理過程中，使用單一填料時(shí)污染物的降解主要發(fā)生在系統(tǒng)的表層，而使用復(fù)合填料時(shí)系統(tǒng)降解氮磷的區(qū)域也會(huì)有所擴(kuò)大[10]。也有研究指出，人工濕地耦合微生物燃料電池系統(tǒng)可以對(duì)系統(tǒng)的微生物群落產(chǎn)生影響，提高土生細(xì)菌的含量，影響自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化的過程，提高脫氮除磷效率約15%[20]。是改進(jìn)設(shè)計(jì)生物滯留池的有效參考。

2.3 生物滯留池的除磷效率

生物滯留池的除磷主要依賴吸附與沉淀，有學(xué)者指出加入混凝泥渣后的填料可以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)溶解態(tài)有機(jī)磷和可溶性磷的吸收[21]。在進(jìn)水濃度較高時(shí)，總磷的去除率也較高且受其他因素的影響較少；進(jìn)水濃度較低時(shí)，總磷的去除率也降低。吳義福等研究了不同植物以及水力停留時(shí)間對(duì)人工濕地脫氮除磷的影響，發(fā)現(xiàn)接觸介質(zhì)、植物種類、水力停留時(shí)間對(duì)于總磷的去除皆有影響，在不同的浸潤(rùn)線下，總磷的去除率范圍在60%～85%[22]；人工濕地基質(zhì)中摻雜鐵碳填料形成耦合工藝也能顯著提高系統(tǒng)的除磷效果[23]；野外長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)表明，生物滯留池中添加鐵、鋁在長(zhǎng)期運(yùn)行中可以吸附磷酸鹽，穩(wěn)定去除磷[24]。也有學(xué)者研究了新型的填料對(duì)于磷去除的影響，利用鋼渣、鐵粉、水泥、碳粉四種原料制成新型生物濾池填料，穩(wěn)定運(yùn)行之后對(duì)總磷的去除率達(dá)88%以上[25]。李嘉樹的研究表明，生物濾池中僅靠生物除磷的效率不高，輔助以化學(xué)除磷的方法進(jìn)行后續(xù)處理更易達(dá)到一級(jí)A的出水標(biāo)準(zhǔn)[26]。

3 結(jié)論與展望

綜合現(xiàn)有研究來看，生物滯留池的脫氮效率處于40%～80%之間，除磷效率在60%～90%之間，添加碳源與設(shè)置淹沒（厭氧）區(qū)能提高生物滯留池的反硝化作用；而在生物反應(yīng)器的填料中加入金屬可以更有效的穩(wěn)定吸附磷，達(dá)到更好的協(xié)同脫氮除磷的效果；在設(shè)計(jì)生物反應(yīng)器時(shí)應(yīng)更加注重運(yùn)行參數(shù)與污染物指標(biāo)之間的關(guān)系，針對(duì)氮磷高的廢水可以適當(dāng)采取強(qiáng)化措施來改進(jìn)處理效率，針對(duì)地表徑流處理則更應(yīng)該注重防堵塞問題，而針對(duì)不同類型的微污染物，適當(dāng)選取植物種植也是提高處理效率的方式之一。