污水反硝化脫氮除磷技術(shù)

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(dāng)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(yán)重，不僅影響水體的使用功能，破壞生態(tài)環(huán)境，還會(huì)危害人體健康，因此氮磷已成為污水處理廠主要控制指標(biāo)。

在可持續(xù)性污水處理發(fā)展模式的倡導(dǎo)下，鑒于目前我國城市污水中氮磷污染嚴(yán)重，而現(xiàn)有污水處理廠普遍存在運(yùn)行費(fèi)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(xiàng)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(jì)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(jìn)行吸磷，且該現(xiàn)象相續(xù)被證實(shí)。20世紀(jì)90年代，KubaT等發(fā)現(xiàn)在厭氧/缺氧運(yùn)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(shí)出現(xiàn)微量吸磷反應(yīng)，被定義為反硝化聚磷菌。

關(guān)于聚磷菌反硝化除磷的原理，目前通常流行兩種觀點(diǎn)：

①一類PAO觀點(diǎn)，該觀點(diǎn)認(rèn)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(qiáng)弱取決于周圍環(huán)境的誘導(dǎo)作用，如果聚磷菌受到周圍環(huán)境厭氧/缺氧的誘導(dǎo)作用，則表現(xiàn)出反硝化除磷性能，所受到的誘導(dǎo)作用越強(qiáng)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(yùn)行方式，則不表現(xiàn)反硝化除磷現(xiàn)象。

②分類PAO觀點(diǎn)，該觀點(diǎn)認(rèn)為傳統(tǒng)聚磷菌分為兩類，一類在生物除磷反應(yīng)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(jìn)行反硝化的同時(shí)則表現(xiàn)出吸磷作用。

針對兩種假說，目前普遍接受和認(rèn)可的是分類PAO觀點(diǎn)。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(yīng)器進(jìn)行了驗(yàn)證性研究，結(jié)果表明通過厭氧/好氧交替的運(yùn)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(shí)際生活污水對反硝化聚磷菌的反硝化除磷現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證性研究，結(jié)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(yùn)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(shí)際生活污水，得出通過控制適當(dāng)?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(dá)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(jìn)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(xì)菌共存于一個(gè)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(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)化反硝化聚磷菌的培養(yǎng)，目前已應(yīng)用于工程實(shí)踐中。該工藝最大的特點(diǎn)是由5個(gè)生物反應(yīng)池與3套回流系統(tǒng)組成，相比UCT工藝增加了1個(gè)接觸池和1個(gè)混合池。接觸池設(shè)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(xì)菌利用厭氧池剩余的有機(jī)物進(jìn)行反硝化，同時(shí)去除二沉池回流污泥中的硝酸鹽?；旌铣卦O(shè)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(diǎn)在于5個(gè)反應(yīng)池獨(dú)立運(yùn)行，結(jié)合其特點(diǎn)控制適宜的運(yùn)行條件，可使每個(gè)反應(yīng)池的去除效能達(dá)到最大化。而反應(yīng)池?cái)?shù)量多，占地面積大，系統(tǒng)控制繁瑣一直是該工藝推廣應(yīng)用的爭議點(diǎn)。

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(jìn)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(yùn)行過程中，污水首先進(jìn)入?yún)捬醵?，在該階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(jī)物轉(zhuǎn)化為PHB而儲(chǔ)存于體內(nèi)，同時(shí)完成釋磷的作用。污水隨后進(jìn)入中沉池快速沉淀，沉淀污泥超越中間硝化池直接進(jìn)入缺氧池，富含氨氮、磷的上清液則進(jìn)入中間硝化池。

在硝化池內(nèi)，污水中的氨氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，完成硝化作用，然后經(jīng)簡單沉淀，上清液進(jìn)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(shí)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(jìn)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(jìn)一步去除?；旌弦哼M(jìn)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(jìn)入缺氧段，沒有經(jīng)歷好氧段，因此其體內(nèi)儲(chǔ)存的PHB完全用于脫氮與除磷，節(jié)省了碳源。同時(shí)由于設(shè)置了后曝氣，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)電子受體不足時(shí)，通過投加一定量有機(jī)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(xì)菌，后曝氣會(huì)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(gè)獨(dú)立的A2-SBR反應(yīng)器與N-SBR反應(yīng)器組成，運(yùn)行過程中通過控制A2-SBR反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)通過控制好氧環(huán)境條件富集硝化細(xì)菌。由于在運(yùn)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(xì)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(yùn)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(xì)菌各自很難達(dá)到最大效能，脫氮除磷效率相應(yīng)降低。A2N-SBR雙污泥工藝整合了單污泥工藝與Dephanox工藝的缺點(diǎn)，充分利用反硝化聚磷菌和硝化細(xì)菌的生理特性，開發(fā)形成各自獨(dú)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(jìn)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(jìn)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(jī)物轉(zhuǎn)化為PHB儲(chǔ)存于體內(nèi)，同時(shí)釋磷。經(jīng)過一段時(shí)間的沉淀，富含氨氮的上清液進(jìn)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(xì)菌將污水中的氨氮轉(zhuǎn)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(jìn)入?yún)捬?/span>-缺氧污泥系統(tǒng)，此時(shí)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(chǔ)存的PHB為電子供體、混合液中的硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化反應(yīng)，同時(shí)完成磷的去除。

在A2N-SBR工藝運(yùn)行過程中，反硝化聚磷菌利用體內(nèi)儲(chǔ)存的PHB同時(shí)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(xì)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(dú)立運(yùn)行，流程減少了污泥回流系統(tǒng)，投資和運(yùn)行費(fèi)用相應(yīng)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(shù)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(jìn)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(dá)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(shí)際生活污水進(jìn)行同步脫氮除磷的研究，得出穩(wěn)定運(yùn)行的A2N-SBR工藝對低C/N的實(shí)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(dá)到83.87%和83.55%。王琦等采用C/P>50的實(shí)際生活污水進(jìn)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(yùn)行表明反硝化聚磷菌能夠利用COD進(jìn)行穩(wěn)定脫氮除磷。黃靚等通過控制進(jìn)水C/N對反硝化聚磷菌的碳源轉(zhuǎn)化機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)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(tuán)隊(duì)以NO-2為電子受體對反硝化脫氮除磷進(jìn)行了大量研究，并首次實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化脫氮除磷工藝，指出在氨氮硝化反應(yīng)過程中可以將氨氮氧化控制在NO-2階段，不進(jìn)入NO-3階段直接進(jìn)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(yīng)速率快、剩余污泥量少等一系列優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)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(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918―2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)。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(chǔ)上，通過控制好氧/缺氧交替的運(yùn)行模式開展短程硝化反硝化效果研究，結(jié)果表明低溫環(huán)境下可以啟動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)》（GB18918―2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，全年可節(jié)省碳源費(fèi)用約97萬元、電費(fèi)約42萬元，特別適合于低C/N污水的處理。

4、結(jié)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(jià)值與應(yīng)用前景。雖然其理論研究日益受到重視，工藝也普遍得到認(rèn)可，但研究過程中仍存在很多爭議，工藝運(yùn)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(yùn)行工藝的有效銜接還有待于進(jìn)一步研究與優(yōu)化。在今后研究中尚需對以下幾個(gè)方面重點(diǎn)分析:

①從生物學(xué)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(jī)理，結(jié)合NO-2誘導(dǎo)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(shù)的研究，開發(fā)新型在線探測技術(shù)，提高在線監(jiān)測的準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)室階段，應(yīng)加強(qiáng)對連續(xù)運(yùn)行的反硝化脫氮除磷工藝菌種性能的研究，同時(shí)結(jié)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(fèi)用低、可工程實(shí)踐運(yùn)行的新工藝。（來源：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司濟(jì)南分公司，沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院）