污水反硝化脱氮除磷技术

随着人们生活水平的提高，城市污水中氮磷的含量越来越高，氮磷已成为当今水体中的主要污染源。由氮磷污染造成的水体富营养化现象日趋严重，不仅影响水体的使用功能，破坏生态环境，还会危害人体健康，因此氮磷已成为污水处理厂主要控制指标。

在可持续性污水处理发展模式的倡导下，鉴于目前我国城市污水中氮磷污染严重，而现有污水处理厂普遍存在运行费用高、处理效率低等一系列问题，亟待开发和研究更加高效的新工艺。反硝化脱氮除磷工艺可以有效解决目前污水处理过程中面临的各项难题，相比传统脱氮除磷工艺更加节能。

1、反硝化脱氮除磷的原理

20世纪80年代，就有研究发现在缺氧条件下出现磷浓度下降的现象，之后的研究表明聚磷菌能在缺氧环境下以硝酸盐为电子受体进行吸磷，且该现象相续被证实。20世纪90年代，KubaT等发现在厌氧/缺氧运行的环境条件下，可以富集一种能够以硝酸盐或者氧气为电子受体的兼性厌氧微生物，该微生物在反硝化的同时出现微量吸磷反应，被定义为反硝化聚磷菌。

关于聚磷菌反硝化除磷的原理，目前通常流行两种观点：

①一类PAO观点，该观点认为在传统生物除磷系统中只存在一类聚磷菌，其反硝化脱氮除磷的强弱取决于周围环境的诱导作用，如果聚磷菌受到周围环境厌氧/缺氧的诱导作用，则表现出反硝化除磷性能，所受到的诱导作用越强烈其反硝化除磷作用越明显;反之，若周围环境没有厌氧/缺氧的运行方式，则不表现反硝化除磷现象。

②分类PAO观点，该观点认为传统聚磷菌分为两类，一类在生物除磷反应过程中只能以氧气作为电子受体，另一类则既能以氧气又能以硝酸盐为电子受体，在以硝酸盐为电子受体进行反硝化的同时则表现出吸磷作用。

针对两种假说，目前普遍接受和认可的是分类PAO观点。据此以硝酸盐为电子受体对反硝化聚磷菌开展了大量研究，Vlekke等分别就厌氧/缺氧污泥系统与生物膜反应器进行了验证性研究，结果表明通过厌氧/好氧交替的运行方式可以富集反硝化聚磷菌，该反硝化聚磷菌以硝酸盐为电子受体，在反硝化的过程中完成吸磷。王琦等采用实际生活污水对反硝化聚磷菌的反硝化除磷现象进行了验证性研究，结果表明硝酸盐可以作为电子受体完成反硝化除磷，但其吸磷效率较以氧气为电子受体要低。赵伟华等采用双污泥SBR工艺研究了以硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌，得出通过厌氧/好氧交替运行方式可以富集反硝化聚磷菌，其占总聚磷菌的比例约为73.4%。王梅香等采用A2N2双污泥工艺处理实际生活污水，得出通过控制适当的条件可以培养驯化以硝酸盐为电子受体的反硝化聚磷菌，且工艺对TN、TP、COD与氨氮的去除率分别达到72%、94%、81.9%和100%，取得了较好的去除效果。

2、反硝化脱氮除磷新工艺的进展

2.1 单污泥工艺

在单污泥工艺中，反硝化聚磷菌与硝化细菌共存于一个污泥系统中，依次经过厌氧段、缺氧段和好氧段完成脱氮与除磷，其中BCFs工艺为单污泥工艺的典型代表，其工艺流程如图1所示。

BCFs工艺是荷兰代尔夫特工业大学Kluyver生物技术实验室基于UCT工艺而开发，主要通过厌氧、缺氧交替的环境条件强化反硝化聚磷菌的培养，目前已应用于工程实践中。该工艺最大的特点是由5个生物反应池与3套回流系统组成，相比UCT工艺增加了1个接触池和1个混合池。接触池设置于厌氧池与缺氧池之间，二沉池回流污泥与厌氧池出水在该池内充分混合，通过控制缺氧环境条件使反硝化细菌利用厌氧池剩余的有机物进行反硝化，同时去除二沉池回流污泥中的硝酸盐。混合池设置于缺氧池与好氧池之间，主要功能是脱氮，通过控制低氧环境条件完成同步硝化反硝化，降低出水中的氮。

与传统工艺相比，BCFs的工艺优点在于5个反应池独立运行，结合其特点控制适宜的运行条件，可使每个反应池的去除效能达到最大化。而反应池数量多，占地面积大，系统控制繁琐一直是该工艺推广应用的争议点。

2.2 双污泥工艺

2.2.1 Dephanox工艺

1992年，WannerJ等率先提出以厌氧污泥中聚-β羟基丁酸（poly-β-hydroxybutyrate，PHB）为碳源的反硝化除磷工艺，并取得了较好的脱氮除磷效果。随后有研究者提出了具有硝化和反硝化除磷的双污泥工艺，即Dephanox工艺，其流程如图2所示。

在Dephanox工艺中，污水上清液依次进入厌氧段、硝化段、缺氧段和后置快速曝气段，从而完成COD的去除和脱氮除磷。在工艺运行过程中，污水首先进入厌氧段，在该阶段污水与从终沉池回流的污泥充分混合，反硝化聚磷菌在厌氧条件下利用聚磷水解所释放的能量，将污水中的溶解性有机物转化为PHB而储存于体内，同时完成释磷的作用。污水随后进入中沉池快速沉淀，沉淀污泥超越中间硝化池直接进入缺氧池，富含氨氮、磷的上清液则进入中间硝化池。

在硝化池内，污水中的氨氮在硝化细菌的作用下转化为硝酸盐，完成硝化作用，然后经简单沉淀，上清液进入后置缺氧池。上清液与超越回流污泥在缺氧池内充分混合，反硝化聚磷菌利用体内的PHB为电子供体、污水中的NO-3为电子受体，在缺氧的条件下完成反硝化作用，同时在该过程中DPB超量吸磷，完成氮与磷的同步去除。随后污水进入后曝气池，剩余物质经后曝气池的吹脱和氧化作用被进一步去除。混合液进入中沉池，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。

在该工艺中，由于反硝化聚磷菌经过厌氧段后直接进入缺氧段，没有经历好氧段，因此其体内储存的PHB完全用于脱氮与除磷，节省了碳源。同时由于设置了后曝气，当系统内电子受体不足时，通过投加一定量有机物仍能获得较好的除磷效果。但是该工艺后置好氧池，而反硝化聚磷菌是厌氧型细菌，后曝气会对其活性产生一定的抑制作用。

2.2.2 A2N-SBR工艺

A2N-SBR双污泥工艺于1996年由Kuba等人首次提出，由2个独立的A2-SBR反应器与N-SBR反应器组成，运行过程中通过控制A2-SBR反应器内交替的厌氧/缺氧环境条件富集反硝化聚磷菌，在N-SBR反应器内通过控制好氧环境条件富集硝化细菌。由于在运行过程中避免了菌种的相互影响，可以为反硝化聚磷菌与硝化细菌提供适宜的生长条件，其工艺流程如图3所示。

在单污泥工艺中，交替运行的环境条件对微生物性能产生一定的削弱，反硝化聚磷菌和硝化细菌各自很难达到最大效能，脱氮除磷效率相应降低。A2N-SBR双污泥工艺整合了单污泥工艺与Dephanox工艺的缺点，充分利用反硝化聚磷菌和硝化细菌的生理特性，开发形成各自独立的污泥系统，即厌氧-缺氧污泥系统与硝化污泥系统，只进行上清液交换而不交换菌种，从根本上避免了环境条件对菌种的影响。

污水首先进入厌氧-缺氧污泥系统，厌氧条件下反硝化聚磷菌将溶解性有机物转化为PHB储存于体内，同时释磷。经过一段时间的沉淀，富含氨氮的上清液进入硝化污泥系统，通过控制硝化污泥系统内的好氧条件，硝化细菌将污水中的氨氮转化为硝态氮，完成硝化作用。经沉淀后富含硝态氮的上清液污水再进入厌氧-缺氧污泥系统，此时系统控制为缺氧条件，反硝化聚磷菌在缺氧环境下利用体内储存的PHB为电子供体、混合液中的硝酸盐为电子受体进行反硝化反应，同时完成磷的去除。

在A2N-SBR工艺运行过程中，反硝化聚磷菌利用体内储存的PHB同时完成脱氮和除磷，以有限的碳源最大限度完成脱氮与除磷，故该工艺系统特别适合于目前C/N较低的城市生活污水处理。由于双污泥工艺采用反硝化聚磷菌单一菌种代替反硝化细菌和聚磷菌完成脱氮与除磷，因此剩余污泥量比传统工艺减少约50%。此外，由于污泥各自独立运行，流程减少了污泥回流系统，投资和运行费用相应降低。

3、反硝化脱氮除磷新工艺研究现状

反硝化脱氮除磷工艺的提出为目前脱碳除磷技术的研究开辟了一条新的途径。Kuba等对A2-SBR工艺与传统SBR工艺的脱氮除磷效果进行对比研究发现，A2N-SBR工艺具有较好的脱氮除磷效果，除磷效率几乎达到100%，脱氮效率也稳定在90%左右，且比传统SBR工艺更加节能。李微等采用A2N-SBR工艺对实际生活污水进行同步脱氮除磷的研究，得出稳定运行的A2N-SBR工艺对低C/N的实际生活污水仍具有稳定的脱氮除磷效果，对氮和磷的去除率分别达到83.87%和83.55%。王琦等采用C/P>50的实际生活污水进行驯化研究，成功富集反硝化聚磷菌，反硝化除磷量占总除磷量的87.1%，连续160d的运行表明反硝化聚磷菌能够利用COD进行稳定脱氮除磷。黄靓等通过控制进水C/N对反硝化聚磷菌的碳源转化机理进行研究，结果表明在COD为200~500mg/L、PO3-4为15mg/L的环境条件下，经过约1h可以完成磷的充分释放，释放1mg磷约需3mgCOD，厌氧段合成1mgPHB约需5mgCOD，缺氧段合成0.63mol糖原约需1molPHB。

彭永臻团队以NO-2为电子受体对反硝化脱氮除磷进行了大量研究，并首次实现短程硝化反硝化脱氮除磷工艺，指出在氨氮硝化反应过程中可以将氨氮氧化控制在NO-2阶段，不进入NO-3阶段直接进行反硝化;该工艺相比传统工艺可大大节省曝气量和碳源，具有反应速率快、剩余污泥量少等一系列优点。吴春英通过控制厌氧、缺氧、好氧和快速曝气的控制条件，在pH>8.5的环境条件下成功启动短程硝化反硝化装置，出水COD、TN和磷酸盐分别为50.95，9.55和0.79mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918―2002）一级B标准。吕利平等在重庆市渝北区肖家河污水处理厂A/O工艺的基础上，通过控制好氧/缺氧交替的运行模式开展短程硝化反硝化效果研究，结果表明低温环境下可以启动短程硝化反硝化工艺，短程硝化反硝化的A/O工艺对总氮的去除率比改造前提高19.4%，出水优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918―2002）一级A排放标准，全年可节省碳源费用约97万元、电费约42万元，特别适合于低C/N污水的处理。

4、结论与展望

反硝化脱氮除磷理论与工艺的提出为低C/N城市污水的脱氮除磷开辟了一条新途径，能够有效克服传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾与弊端，具有重要的研究价值与应用前景。虽然其理论研究日益受到重视，工艺也普遍得到认可，但研究过程中仍存在很多争议，工艺运行的许多控制条件尚无定论，反硝化脱氮除磷理论与现有城市污水厂运行工艺的有效衔接还有待于进一步研究与优化。在今后研究中尚需对以下几个方面重点分析:

①从生物学角度探讨反硝化聚磷菌的生长条件，深入研究反硝化脱氮除磷的机理，结合NO-2诱导反硝化聚磷菌脱氮除磷，提高脱氮除磷效率。

②由于温度、DO、NO-3等过程控制对反硝化聚磷菌的脱氮除磷效率影响很大，需加大对在线监测技术的研究，开发新型在线探测技术，提高在线监测的准确度和灵敏度。

③反硝化脱氮除磷新工艺的研究目前尚处于实验室阶段，应加强对连续运行的反硝化脱氮除磷工艺菌种性能的研究，同时结合现有的城市污水厂处理工艺，研究开发对现有污水处理厂改造影响小、费用低、可工程实践运行的新工艺。（来源：上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司济南分公司，沈阳建筑大学市政与环境工程学院）