污水反硝化脫氮除磷技術

隨著人們生活水平的提高，城市污水中氮磷的含量越來越高，氮磷已成為當今水體中的主要污染源。由氮磷污染造成的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴重，不僅影響水體的使用功能，破壞生態(tài)環(huán)境，還會危害人體健康，因此氮磷已成為污水處理廠主要控制指標。

在可持續(xù)性污水處理發(fā)展模式的倡導下，鑒于目前我國城市污水中氮磷污染嚴重，而現(xiàn)有污水處理廠普遍存在運行費用高、處理效率低等一系列問題，亟待開發(fā)和研究更加高效的新工藝。反硝化脫氮除磷工藝可以有效解決目前污水處理過程中面臨的各項難題，相比傳統(tǒng)脫氮除磷工藝更加節(jié)能。

1、反硝化脫氮除磷的原理

20世紀80年代，就有研究發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下出現(xiàn)磷濃度下降的現(xiàn)象，之后的研究表明聚磷菌能在缺氧環(huán)境下以硝酸鹽為電子受體進行吸磷，且該現(xiàn)象相續(xù)被證實。20世紀90年代，KubaT等發(fā)現(xiàn)在厭氧/缺氧運行的環(huán)境條件下，可以富集一種能夠以硝酸鹽或者氧氣為電子受體的兼性厭氧微生物，該微生物在反硝化的同時出現(xiàn)微量吸磷反應，被定義為反硝化聚磷菌。

關于聚磷菌反硝化除磷的原理，目前通常流行兩種觀點：

①一類PAO觀點，該觀點認為在傳統(tǒng)生物除磷系統(tǒng)中只存在一類聚磷菌，其反硝化脫氮除磷的強弱取決于周圍環(huán)境的誘導作用，如果聚磷菌受到周圍環(huán)境厭氧/缺氧的誘導作用，則表現(xiàn)出反硝化除磷性能，所受到的誘導作用越強烈其反硝化除磷作用越明顯;反之，若周圍環(huán)境沒有厭氧/缺氧的運行方式，則不表現(xiàn)反硝化除磷現(xiàn)象。

②分類PAO觀點，該觀點認為傳統(tǒng)聚磷菌分為兩類，一類在生物除磷反應過程中只能以氧氣作為電子受體，另一類則既能以氧氣又能以硝酸鹽為電子受體，在以硝酸鹽為電子受體進行反硝化的同時則表現(xiàn)出吸磷作用。

針對兩種假說，目前普遍接受和認可的是分類PAO觀點。據(jù)此以硝酸鹽為電子受體對反硝化聚磷菌開展了大量研究，Vlekke等分別就厭氧/缺氧污泥系統(tǒng)與生物膜反應器進行了驗證性研究，結果表明通過厭氧/好氧交替的運行方式可以富集反硝化聚磷菌，該反硝化聚磷菌以硝酸鹽為電子受體，在反硝化的過程中完成吸磷。王琦等采用實際生活污水對反硝化聚磷菌的反硝化除磷現(xiàn)象進行了驗證性研究，結果表明硝酸鹽可以作為電子受體完成反硝化除磷，但其吸磷效率較以氧氣為電子受體要低。趙偉華等采用雙污泥SBR工藝研究了以硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌，得出通過厭氧/好氧交替運行方式可以富集反硝化聚磷菌，其占總聚磷菌的比例約為73.4%。王梅香等采用A2N2雙污泥工藝處理實際生活污水，得出通過控制適當?shù)臈l件可以培養(yǎng)馴化以硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌，且工藝對TN、TP、COD與氨氮的去除率分別達到72%、94%、81.9%和100%，取得了較好的去除效果。

2、反硝化脫氮除磷新工藝的進展

2.1 單污泥工藝

在單污泥工藝中，反硝化聚磷菌與硝化細菌共存于一個污泥系統(tǒng)中，依次經(jīng)過厭氧段、缺氧段和好氧段完成脫氮與除磷，其中BCFs工藝為單污泥工藝的典型代表，其工藝流程如圖1所示。

BCFs工藝是荷蘭代爾夫特工業(yè)大學Kluyver生物技術實驗室基于UCT工藝而開發(fā)，主要通過厭氧、缺氧交替的環(huán)境條件強化反硝化聚磷菌的培養(yǎng)，目前已應用于工程實踐中。該工藝最大的特點是由5個生物反應池與3套回流系統(tǒng)組成，相比UCT工藝增加了1個接觸池和1個混合池。接觸池設置于厭氧池與缺氧池之間，二沉池回流污泥與厭氧池出水在該池內(nèi)充分混合，通過控制缺氧環(huán)境條件使反硝化細菌利用厭氧池剩余的有機物進行反硝化，同時去除二沉池回流污泥中的硝酸鹽?；旌铣卦O置于缺氧池與好氧池之間，主要功能是脫氮，通過控制低氧環(huán)境條件完成同步硝化反硝化，降低出水中的氮。

與傳統(tǒng)工藝相比，BCFs的工藝優(yōu)點在于5個反應池獨立運行，結合其特點控制適宜的運行條件，可使每個反應池的去除效能達到最大化。而反應池數(shù)量多，占地面積大，系統(tǒng)控制繁瑣一直是該工藝推廣應用的爭議點。

2.2 雙污泥工藝

2.2.1 Dephanox工藝

1992年，WannerJ等率先提出以厭氧污泥中聚-β羥基丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）為碳源的反硝化除磷工藝，并取得了較好的脫氮除磷效果。隨后有研究者提出了具有硝化和反硝化除磷的雙污泥工藝，即Dephanox工藝，其流程如圖2所示。

在Dephanox工藝中，污水上清液依次進入?yún)捬醵?、硝化段、缺氧段和后置快速曝氣段，從而完?/span>COD的去除和脫氮除磷。在工藝運行過程中，污水首先進入?yún)捬醵危谠撾A段污水與從終沉池回流的污泥充分混合，反硝化聚磷菌在厭氧條件下利用聚磷水解所釋放的能量，將污水中的溶解性有機物轉化為PHB而儲存于體內(nèi)，同時完成釋磷的作用。污水隨后進入中沉池快速沉淀，沉淀污泥超越中間硝化池直接進入缺氧池，富含氨氮、磷的上清液則進入中間硝化池。

在硝化池內(nèi)，污水中的氨氮在硝化細菌的作用下轉化為硝酸鹽，完成硝化作用，然后經(jīng)簡單沉淀，上清液進入后置缺氧池。上清液與超越回流污泥在缺氧池內(nèi)充分混合，反硝化聚磷菌利用體內(nèi)的PHB為電子供體、污水中的NO-3為電子受體，在缺氧的條件下完成反硝化作用，同時在該過程中DPB超量吸磷，完成氮與磷的同步去除。隨后污水進入后曝氣池，剩余物質(zhì)經(jīng)后曝氣池的吹脫和氧化作用被進一步去除?；旌弦哼M入中沉池，沉淀后上清液排放，沉淀污泥部分回流，其余以剩余污泥的形式排放。

在該工藝中，由于反硝化聚磷菌經(jīng)過厭氧段后直接進入缺氧段，沒有經(jīng)歷好氧段，因此其體內(nèi)儲存的PHB完全用于脫氮與除磷，節(jié)省了碳源。同時由于設置了后曝氣，當系統(tǒng)內(nèi)電子受體不足時，通過投加一定量有機物仍能獲得較好的除磷效果。但是該工藝后置好氧池，而反硝化聚磷菌是厭氧型細菌，后曝氣會對其活性產(chǎn)生一定的抑制作用。

2.2.2 A2N-SBR工藝

A2N-SBR雙污泥工藝于1996年由Kuba等人首次提出，由2個獨立的A2-SBR反應器與N-SBR反應器組成，運行過程中通過控制A2-SBR反應器內(nèi)交替的厭氧/缺氧環(huán)境條件富集反硝化聚磷菌，在N-SBR反應器內(nèi)通過控制好氧環(huán)境條件富集硝化細菌。由于在運行過程中避免了菌種的相互影響，可以為反硝化聚磷菌與硝化細菌提供適宜的生長條件，其工藝流程如圖3所示。

在單污泥工藝中，交替運行的環(huán)境條件對微生物性能產(chǎn)生一定的削弱，反硝化聚磷菌和硝化細菌各自很難達到最大效能，脫氮除磷效率相應降低。A2N-SBR雙污泥工藝整合了單污泥工藝與Dephanox工藝的缺點，充分利用反硝化聚磷菌和硝化細菌的生理特性，開發(fā)形成各自獨立的污泥系統(tǒng)，即厭氧-缺氧污泥系統(tǒng)與硝化污泥系統(tǒng)，只進行上清液交換而不交換菌種，從根本上避免了環(huán)境條件對菌種的影響。

污水首先進入?yún)捬?/span>-缺氧污泥系統(tǒng)，厭氧條件下反硝化聚磷菌將溶解性有機物轉化為PHB儲存于體內(nèi)，同時釋磷。經(jīng)過一段時間的沉淀，富含氨氮的上清液進入硝化污泥系統(tǒng)，通過控制硝化污泥系統(tǒng)內(nèi)的好氧條件，硝化細菌將污水中的氨氮轉化為硝態(tài)氮，完成硝化作用。經(jīng)沉淀后富含硝態(tài)氮的上清液污水再進入?yún)捬?/span>-缺氧污泥系統(tǒng)，此時系統(tǒng)控制為缺氧條件，反硝化聚磷菌在缺氧環(huán)境下利用體內(nèi)儲存的PHB為電子供體、混合液中的硝酸鹽為電子受體進行反硝化反應，同時完成磷的去除。

在A2N-SBR工藝運行過程中，反硝化聚磷菌利用體內(nèi)儲存的PHB同時完成脫氮和除磷，以有限的碳源最大限度完成脫氮與除磷，故該工藝系統(tǒng)特別適合于目前C/N較低的城市生活污水處理。由于雙污泥工藝采用反硝化聚磷菌單一菌種代替反硝化細菌和聚磷菌完成脫氮與除磷，因此剩余污泥量比傳統(tǒng)工藝減少約50%。此外，由于污泥各自獨立運行，流程減少了污泥回流系統(tǒng)，投資和運行費用相應降低。

3、反硝化脫氮除磷新工藝研究現(xiàn)狀

反硝化脫氮除磷工藝的提出為目前脫碳除磷技術的研究開辟了一條新的途徑。Kuba等對A2-SBR工藝與傳統(tǒng)SBR工藝的脫氮除磷效果進行對比研究發(fā)現(xiàn)，A2N-SBR工藝具有較好的脫氮除磷效果，除磷效率幾乎達到100%，脫氮效率也穩(wěn)定在90%左右，且比傳統(tǒng)SBR工藝更加節(jié)能。李微等采用A2N-SBR工藝對實際生活污水進行同步脫氮除磷的研究，得出穩(wěn)定運行的A2N-SBR工藝對低C/N的實際生活污水仍具有穩(wěn)定的脫氮除磷效果，對氮和磷的去除率分別達到83.87%和83.55%。王琦等采用C/P>50的實際生活污水進行馴化研究，成功富集反硝化聚磷菌，反硝化除磷量占總除磷量的87.1%，連續(xù)160d的運行表明反硝化聚磷菌能夠利用COD進行穩(wěn)定脫氮除磷。黃靚等通過控制進水C/N對反硝化聚磷菌的碳源轉化機理進行研究，結果表明在COD為200~500mg/L、PO3-4為15mg/L的環(huán)境條件下，經(jīng)過約1h可以完成磷的充分釋放，釋放1mg磷約需3mgCOD，厭氧段合成1mgPHB約需5mgCOD，缺氧段合成0.63mol糖原約需1molPHB。

彭永臻團隊以NO-2為電子受體對反硝化脫氮除磷進行了大量研究，并首次實現(xiàn)短程硝化反硝化脫氮除磷工藝，指出在氨氮硝化反應過程中可以將氨氮氧化控制在NO-2階段，不進入NO-3階段直接進行反硝化;該工藝相比傳統(tǒng)工藝可大大節(jié)省曝氣量和碳源，具有反應速率快、剩余污泥量少等一系列優(yōu)點。吳春英通過控制厭氧、缺氧、好氧和快速曝氣的控制條件，在pH>8.5的環(huán)境條件下成功啟動短程硝化反硝化裝置，出水COD、TN和磷酸鹽分別為50.95，9.55和0.79mg/L，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918―2002）一級B標準。呂利平等在重慶市渝北區(qū)肖家河污水處理廠A/O工藝的基礎上，通過控制好氧/缺氧交替的運行模式開展短程硝化反硝化效果研究，結果表明低溫環(huán)境下可以啟動短程硝化反硝化工藝，短程硝化反硝化的A/O工藝對總氮的去除率比改造前提高19.4%，出水優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918―2002）一級A排放標準，全年可節(jié)省碳源費用約97萬元、電費約42萬元，特別適合于低C/N污水的處理。

4、結論與展望

反硝化脫氮除磷理論與工藝的提出為低C/N城市污水的脫氮除磷開辟了一條新途徑，能夠有效克服傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中存在的矛盾與弊端，具有重要的研究價值與應用前景。雖然其理論研究日益受到重視，工藝也普遍得到認可，但研究過程中仍存在很多爭議，工藝運行的許多控制條件尚無定論，反硝化脫氮除磷理論與現(xiàn)有城市污水廠運行工藝的有效銜接還有待于進一步研究與優(yōu)化。在今后研究中尚需對以下幾個方面重點分析:

①從生物學角度探討反硝化聚磷菌的生長條件，深入研究反硝化脫氮除磷的機理，結合NO-2誘導反硝化聚磷菌脫氮除磷，提高脫氮除磷效率。

②由于溫度、DO、NO-3等過程控制對反硝化聚磷菌的脫氮除磷效率影響很大，需加大對在線監(jiān)測技術的研究，開發(fā)新型在線探測技術，提高在線監(jiān)測的準確度和靈敏度。

③反硝化脫氮除磷新工藝的研究目前尚處于實驗室階段，應加強對連續(xù)運行的反硝化脫氮除磷工藝菌種性能的研究，同時結合現(xiàn)有的城市污水廠處理工藝，研究開發(fā)對現(xiàn)有污水處理廠改造影響小、費用低、可工程實踐運行的新工藝。（來源：上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司濟南分公司，沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院）