反硝化除磷工藝及影響因素的研究進(jìn)展

牟 妍

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

反硝化除磷工藝(DPR)是目前具有極大發(fā)展前景的污水處理方式[1]。DPR是培養(yǎng)以NO3--N為電子受體的DPAOs，以不同馴化方式獲得DPAOs污泥微生物群落結(jié)構(gòu)[2]，并基于“一碳兩用”，發(fā)生反硝化并超量吸磷的工藝。這意味著反硝化除磷工藝?yán)靡环N微生物實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，其需氧量、碳源消耗和污泥產(chǎn)量均有所降低。然而反硝化除磷工藝的應(yīng)用受到諸多因素的限制，因此研究反硝化除磷工藝的影響因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 反硝化除磷機(jī)理

在厭氧/缺氧交替運(yùn)行條件下，DPAOs通過自身代謝實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。反硝化除磷的機(jī)理和傳統(tǒng)除磷工藝的機(jī)理極為相似。在厭氧段，DPAOs和聚磷菌(PAOs)作用過程基本一致。在厭氧段，DPAOs將多聚磷酸鹽(Ploy-P)水解成磷酸鹽(PO43--P)釋放到水體中并產(chǎn)生能量，將水中低分子揮發(fā)性脂肪酸(VFA)合成聚β羥基丁酸(PHB)并累積在體內(nèi)[3]；在缺氧段，DPAOs以NO3--N或NO2--N為電子受體進(jìn)行代謝，利用菌體內(nèi)的PHB產(chǎn)生的ATP，主要用于過量吸收水中PO43--P合成Ploy-P并合成糖原[4]，部分富磷污泥通過剩余污泥排出系統(tǒng)，同時(shí)將硝態(tài)氮還原成氮?dú)馀懦鱿到y(tǒng)。

2 反硝化除磷工藝

反硝化除磷工藝可分為單污泥工藝和雙污泥工藝，其區(qū)別在于在反硝化裝置中DPAOs與硝化細(xì)菌是否同時(shí)存在。

2.1 單污泥工藝

單污泥工藝系統(tǒng)是多系統(tǒng)內(nèi)所有細(xì)菌都同時(shí)存在且都要通過厭氧、缺氧、好氧3種交替環(huán)境。單泥工藝主要有UCT、MUCT和BCFS工藝。

2.1.1 UCT工藝和MUCT工藝

南非開普頓大學(xué)基于傳統(tǒng)的A2/O工藝，在缺氧池和厭氧池之間增設(shè)了混合液回流，強(qiáng)化了厭氧缺氧交替的環(huán)境，有助于DPAOs富集，并且活性污泥不是回流到厭氧池而是到缺氧池，大量硝態(tài)氮在缺氧池中被還原，大大減少了進(jìn)入?yún)捬醭氐南鯌B(tài)氮，使硝態(tài)氮抑制厭氧池釋磷的作用降到最低[5]，從而開發(fā)出UCT工藝及MUCT工藝，使得優(yōu)化后的工藝除磷效果提高。UCT工藝和MUCT工藝的優(yōu)點(diǎn)在于明顯提升了污染物去除效果以及碳源的利用率。而UCT工藝和MUCT工藝的缺點(diǎn)在于在3種交替環(huán)境中，DPAOs、硝化細(xì)菌與其它具有脫氮除磷功能的菌共存且有不同程度的競爭，無法保證反硝化除磷和硝化反應(yīng)均處于最適環(huán)境中，導(dǎo)致了脫氮除磷相互矛盾。

2.1.2 BCFS工藝

荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)首先提出BCFS工藝，該工藝是基于Carrousel氧化溝和UCT工藝開發(fā)出來的。BCFS工藝也最大程度創(chuàng)造DPAOs富集的條件，為DPAOs的生長提供了有利條件，同UCT工藝一樣避免了NO3--N干擾DPAOs釋磷。BCFS工藝增設(shè)了接觸池，充分利用厭氧池剩余的化學(xué)需氧量(COD)，回流污泥中NO3--N快速進(jìn)行反硝化反應(yīng)，對污泥膨脹有抑制作用；同時(shí)增設(shè)了混合池，有助于污泥在好氧池中再生，在混合池的低氧(DO≈0.5mg·L-1)條件下實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化，大大降低出水總氮濃度[6]；在厭氧段還增設(shè)了化學(xué)除磷段，不僅可以排除其他因素對除磷的影響，提高工藝中磷的去除效率，而且可以降低工藝的能源消耗。BCFS工藝的污染物處理效果較好，氮的去除率可達(dá)到90%以上，出水磷的濃度可低于0.2mg·L-1，但也存在著一些缺點(diǎn)，當(dāng)進(jìn)水C/P比過低或污泥齡過長時(shí)都不利于除磷，BCFS工藝占地面積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，基建與運(yùn)行成本較高。

2.2 雙泥系統(tǒng)

雙泥系統(tǒng)是DPAOs與硝化細(xì)菌2種菌種相互獨(dú)立，分別存在于相互獨(dú)立的反應(yīng)器中，同時(shí)具有硝化和反硝化除磷雙泥回流系統(tǒng)，其主要代表工藝為Dephanox和A2N。

2.2.1 Dephanox工藝

Wanner首次提出了Dephanox工藝，通過國內(nèi)外學(xué)者深入的研究開發(fā)出具有雙泥系統(tǒng)的Dephanox工藝。Dephanox工藝中DPAOs在厭氧段充分釋磷并貯存PHB，氨氮濃度較高的中沉池上清液在固定膜反應(yīng)池中進(jìn)行硝化反應(yīng)，超越到缺氧池的DPAOs以NO3--N作為電子受體同步脫氮除磷，經(jīng)二沉池沉淀后出水，污泥回流至厭氧池繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，剩余污泥直接排放到系統(tǒng)外。該工藝通過增設(shè)固定膜反應(yīng)池使硝化細(xì)菌不受其他細(xì)菌干擾，從而解決了單泥系統(tǒng)存在的DPAOs和硝化細(xì)菌污泥齡矛盾問題，使其分別存在于各自最適環(huán)境中，充分利用碳源，確保缺氧池有較多的電子受體進(jìn)行除磷反應(yīng)，從而提高脫氮除磷效果，并且對低碳氮比的污水有較好的處理效果，當(dāng)進(jìn)水COD濃度較高時(shí)，好氧池可處理缺氧池未處理完全的磷[7]。Dephanox工藝的缺點(diǎn)在于生活污水的N/P通常不能滿足工藝在缺氧吸磷的要求，除磷效果較差，限制了工藝在工程上的應(yīng)用。

2.2.2 A2N-SBR工藝

Kuba根據(jù)雙泥系統(tǒng)理論將A2O-SBR和N-SBR系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合開發(fā)可穩(wěn)定脫氮除磷的A2N-SBR工藝，該工藝磷的去除率接近100%，氮的去除率也達(dá)到了90%[8]。A2N-SBR工藝是在A2O-SBR和N-SBR系統(tǒng)中分別進(jìn)行反硝化除磷和硝化反應(yīng)，并培育篩選DPAOs和硝化菌優(yōu)勢菌種，為DPAOs提供大量的NO3-_N作電子受體，反硝化系統(tǒng)后置降低了回流污泥量。A2N-SBR工藝相互獨(dú)立的雙泥系統(tǒng)，避免了硝化菌和DPAOs的污泥齡矛盾，易于對各系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使污染物處理效果更好。該工藝對城市C/N較低的生活污水處理效果更好，在進(jìn)水N/P為7左右時(shí)，碳源利用率最高，比傳統(tǒng)工藝節(jié)省一半碳源，比UCT工藝脫氮效果更好，占地面積更小，能耗更低。A2N-SBR工藝缺點(diǎn)在于對缺氧池硝酸鹽的量要求較嚴(yán)格，不足時(shí)，由于缺少電子受體，影響缺氧吸磷效果，而過量時(shí)，將進(jìn)入?yún)捬醭兀种茀捬踽屃缀蚉HB的合成；部分氨氮隨著污泥超越到缺氧池，導(dǎo)致出水氨氮濃度較高。

3 反硝化除磷的影響因素

3.1 溫度

溫度主要通過影響酶催化速率和基質(zhì)擴(kuò)散速率，影響反硝化除磷的生物反應(yīng)。DPAOs的最適溫度為20～35℃，屬于中溫菌。李微通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水溫24℃時(shí)污染物去除率最高，氮磷的去除率可達(dá)到94%以上[9]。較低的溫度會(huì)影響到微生物的生長速率、活性、污泥沉降性能、PHB的水解和NO3--N的傳遞與反應(yīng)，進(jìn)而影響處理效果，其中COD和NH4+-N的處理效果會(huì)顯著降低。Li和張帆都在低溫下通過調(diào)節(jié)C/N、MLSS及其他影響因素，成功使反硝化除磷系統(tǒng)高效運(yùn)行[10,11]。因此在低溫條件下，通過合理的調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，也可以高效的反硝化除磷。溫度過高會(huì)導(dǎo)致微生物失去活性。

3.2 pH值

pH值會(huì)影響厭氧段DPAOs胞內(nèi)的電荷以及胞外營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，影響細(xì)菌代謝，進(jìn)而影響厭氧釋磷。研究表明，DPAOs的最適pH值為6.5～8.0，Li和鞏有奎證明了隨著pH值升高，DPAOs對碳源吸收和Poly-P水解的能力逐步增強(qiáng)，厭氧釋磷量增多，除磷效果好[12,13]。蔣軼鋒通過研究發(fā)現(xiàn)，升高pH值可以使以NO2--N為電子受體的反硝化除磷系統(tǒng)處理效果增強(qiáng)[14]。因此，在適宜的pH范圍內(nèi)升高pH值，可以得到更好的運(yùn)行效果。不適宜的pH值會(huì)影響DPAOs的生長及活性，可能會(huì)導(dǎo)致反硝化除磷失敗。pH值過高時(shí)，磷酸鹽易沉淀，除磷速率和釋磷量降低。pH值過低時(shí)，DPAOs生長速率降低，甚至停止生長。

3.3 溶解氧

溶解氧(DO)濃度會(huì)影響吸磷釋磷以及硝化程度。厭氧段的DO值過高時(shí)，會(huì)影響釋放磷和合成PHB，影響微生物生長。好氧段DO決定了硝化程度，過低時(shí)大部分硝化為NO2--N，會(huì)對缺氧段DPAOs所利用的電子受體有影響，造成NO2--N和NO3--N的競爭，繆新年實(shí)驗(yàn)表明，溶解氧過低時(shí)，亞硝化的速率也會(huì)降低，不能把NH4+-N完全氧化[15]。Zhu也證明了低DO濃度會(huì)限制磷的吸收以及TN的去除[14]。有限時(shí)過高時(shí)硝化反應(yīng)完全，產(chǎn)生過量NO3--N，部分NO3--N進(jìn)入?yún)捬醵危绊懛聪趸仔ЧＨ毖醵蜠O值過高，O2會(huì)與NO3--N爭作電子受體，影響反硝化過程。

3.4 污泥濃度

污泥濃度對反硝化除磷工藝的污泥馴化過程有較大影響。研究表明，反硝化除磷污泥系統(tǒng)適宜的MLSS為3000～4000mg·L-1。適度升高M(jìn)LSS可以加快反硝化的速率，利于厭氧釋磷和缺氧聚磷，加快馴化污泥。Li在實(shí)驗(yàn)中將MLSS從4000mg·L-1提升到6000mg·L-1后，發(fā)現(xiàn)提升MLSS可以提高NH4+-N和NO2--N的氧化速率，提高脫氮效率[17]。MLSS過高時(shí)，不利于泥水分離，影響污泥回流，電子受體不足可能引起二次釋磷。朱文韜證實(shí)隨著MLSS增加，釋磷量和吸磷量均增加，當(dāng)過高時(shí)，MLSS的影響不大，釋磷量由碳源的含量決定[18]。MLSS過低時(shí)，會(huì)引起NO2--N積累，反硝化速率降低。MLSS對反硝化除磷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

3.5 污泥齡

污泥齡(SRT)會(huì)影響系統(tǒng)中微生物生長環(huán)境和污泥的活性。對于不同的單、雙污泥系統(tǒng)，由于裝置中微生物不同，微生物可再生時(shí)間不同即最佳SRT也不同。A2N工藝系統(tǒng)只需考慮DPAOs，因此最佳的SRT即為DPAOs的可再生時(shí)間，此時(shí)DPAOs的生長因素最優(yōu)，活性最強(qiáng)，污泥中磷的含量最多，除磷效果最好。當(dāng)SRT小于DPAOs的再生時(shí)，DPAOs無法富集，逐漸從系統(tǒng)中流失。當(dāng)SRT大于DPAOs的再生時(shí)，污泥的活性將下降并老化，除磷效果逐漸下降。王曉霞發(fā)現(xiàn)SRT過大時(shí)硝化不完全，污泥沉降性能差，但抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)[19]。因此，當(dāng)控制系統(tǒng)保持適宜且穩(wěn)定的SRT，反硝化除磷效果好，且能維持穩(wěn)定的污泥濃度，便于系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.6 碳源

碳源的種類和投加量會(huì)對DPAOs吸收碳源和轉(zhuǎn)化為PHB的效率有一定的影響，從而影響厭氧釋磷。乙酸、丙酸和葡萄糖都可作為碳源來富集DPAOs。乙酸作為碳源時(shí)，單位釋磷量較大，加快除磷進(jìn)度，處理效果好。丙酸作為碳源時(shí)，釋磷速率較快，可減少NO2--N的積累，處理效果較好。葡萄糖作為碳源時(shí)，處理效果相對較差。不同的碳源對溫室氣體N2O的量及轉(zhuǎn)化有重要影響，付昆明研究表明，葡萄糖為碳源時(shí)N2O釋放量和轉(zhuǎn)化率均最大[20]。合適的C/N比對反硝化系統(tǒng)也有著重要的影響。Zhu發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高C/N有助于儲(chǔ)存能量，便于磷的吸收[16]。但碳源濃度過低時(shí)，釋磷量和釋磷速率都會(huì)下降，導(dǎo)致不能完全釋磷。濃度過高時(shí)，聚磷速率和聚磷量下降。為保證反硝化除磷效果，應(yīng)確定合適的碳源和適宜的投加量。

3.7 電子受體

電子受體對缺氧段的聚磷量和聚磷速率都較大影響，導(dǎo)致處理效果受到影響。對于NO2--N能否作為反硝化除磷的電子受體的問題，目前Yao和Guo等研究人員都證明NO2--N和NO3--N一樣都可作為電子受體被DPAOs利用[21,22]。NO3--N作為電子受體時(shí)，聚磷效率以及電子受體利用率都明顯好于NO2--N作為電子受體時(shí)。NO3--N含量遠(yuǎn)高于NO2--N時(shí)，DPAOs僅以NO3--N作為電子受體，NO2--N不影響反硝化聚磷。NO2--N含量較高時(shí)，NO2--N不進(jìn)行反硝化聚磷，且會(huì)抑制反硝化聚磷。實(shí)驗(yàn)和污泥條件決定了NO2--N抑制反硝化的臨界濃度。NO3--N濃度過高，會(huì)導(dǎo)致厭氧段存在NO3--N，DPAOs會(huì)使用碳源反硝化消耗NO3--N，缺氧段沒有足夠的NO3--N和PHB供給反硝化聚磷菌超量吸磷，大大地降低除磷效果。電子受體的投加方式對除磷效率也有重要影響。呂永濤實(shí)驗(yàn)表明分多次投加NO2--N比一次性投加時(shí)，除磷效率明顯提高[23]。其根本原因是高濃度的NO2--N會(huì)抑制反硝化除磷反應(yīng)。

4 結(jié)語

反硝化除磷是一種高效低耗、綠色可持續(xù)的生物脫氮除磷工藝，其應(yīng)用前景廣闊，目前已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注并研究。國內(nèi)外研究人員根據(jù)反硝化除磷機(jī)理開發(fā)出了多種單泥雙泥工藝系統(tǒng)，并對反硝化除磷工藝的性能進(jìn)行深入研究。

目前雙泥工藝比單泥工藝脫氮效果更好，碳源利用率更高，能耗更少但結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，工程應(yīng)用更困難。現(xiàn)有的工藝對低C/N的處理效果更好，但磷的處理效果不穩(wěn)定。如何簡化雙泥工藝，增強(qiáng)其工程應(yīng)用，提高單泥工藝的處理效果，除磷效果更穩(wěn)定是未來工藝發(fā)展的研究方向。對于雙泥工藝的應(yīng)用，可在現(xiàn)有污水廠工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改建；對于單泥工藝，可與其他工藝耦合，補(bǔ)充單泥工藝的不足；對于處理效果，深入研究反硝化除磷的影響因素，確定工藝運(yùn)行的最適條件，使工藝穩(wěn)定高效的運(yùn)行。