反硝化除磷污水处理技术
随着我国城市的持续发展，人口数量也随之不断增加，所排放的生活污水也日益增多，使大量污水进入到自然水体中，导致水体出现富营养化。因此，去除污水中的有害物质对于水体资源的保护具有重要意义，而提升污水处理标准，是控制水体污染较为有效的措施之一，但却也提高了对能耗的需求。因此寻求经济、高效的处理工艺成为当下污水处理领域研究的热点。我国城市生活污水中的碳氮比较低，利用传统的生物脱氮除磷工艺处理，效果不理想，难以达到污水排放的相关标准，而且在处理过程中，还需要外加碳源，这不仅会增加运行成本，还会因部分碳源被氧化，不能被微生物利用而出现浪费现象。另外，传统的脱氮除磷技术存在碳源与污泥龄的矛盾，而反硝化除磷污水处理工艺能够对生活污水进行深度除氮除磷处理。
1、反硝化除磷污水处理工艺及其分类
反硝化除磷污水处理工艺的主导菌群为反硝化聚磷菌（DPAOs），是利用厌氧环境、缺氧环境的交替，以硝酸盐作为电子受体，电子供体为微生物胞内的PHB，在反应过程中，所需碳源和好氧吸磷过程相比大幅度降低，而污泥的产量也能够有所下降，同时可以节省因曝气而产生的成本，并实现了同步脱氮除磷效果。与传统污水处理工艺相比，反硝化脱氮除磷工艺可以将碳源的使用量减少30%，甚至一半，同时还可降低30%的曝气量和50%的剩余污泥量，因此该工艺的发展具有十分重要的意义。
依据硝化细菌和DPAOs是否处于同一系统中，可将反硝化除磷污水处理工艺分为单污泥工艺及双污泥工艺。单污泥系统有UCT、(AO)2SBR以及BCFs工艺，单污泥工艺不能彻底解决不同菌群之间碳源及污泥龄间的矛盾，因此在深度脱氮除磷中受到了一定的限制；双污泥工艺主要有Dephanox、A2NSBR工艺，其硝化细菌和反硝化聚磷菌分别处于两个反应器中，这种工艺解决了污泥龄不同的矛盾，消除了聚磷菌和反硝化细菌之间的竞争，使各菌群能够在最适合生长的环境中进行反应，提高了微生物的功能特性，同时也极大地提升了脱氮除磷的效率。
在反硝化除磷污水处理工艺中，诸多研究者对于其在污水脱氮除磷中的应用进行了许多研究。有研究者在SBR工艺中后置缺氧段，采取反硝化除磷污水处理工艺，进行生活污水处理的相关研究；也有研究者分析了双污泥系统的反硝化除磷特性；而在新型DPR工艺中，影响脱氮除磷效率的关键参数有污泥龄、碳源、电子受体以及回流比等，并且在不同工艺中，其最优工艺的参数值有着较大差异。
2、影响反硝化除磷污水处理工艺的因素
在DPR工艺中，各环节的改变都会对整体工艺效果产生相应的影响，因此需要综合考虑各个环节的参数，以维持工艺运行的稳定性。
2.1 污泥龄的影响
污泥龄（SRT）和污泥活性及微生物菌群的特性都有着一定的关系，污泥龄会导致污泥活性变差，使污泥老化并使细胞内的PHA减少，对反应器释磷及吸磷的速率造成影响；而污泥龄较短时，其活性较好，但沉降性会降低，除磷效率也随之降低。研究发现，当SRT小于10d时，与传统反硝化菌相比，DPAOs没有生长优势，且其脱氮除磷的性能也有所下降；在反硝化除磷污水处理工艺中，SRT为25d时，其污泥活性最好，磷去除率可以超过95%；SRT为12d时，对聚磷菌的富集较为有利。在这几种反硝化除磷污水处理工艺中，最佳的污泥龄见图1。
由此可以看出，单污泥工艺的SRT比双污泥工艺的长，其原因是在氮污泥工艺中，需要优先考虑硝化菌的SRT，而与DPAOs相比，硝化菌的SRT较长。在双污泥工艺中，菌的培养是分开的，因此菌可以在其最适宜的污泥龄下更好地生长。不同的DPR工艺，其SRT需求也不同，需要选择对应的污泥龄，才能让环境更加适合微生物生长，从而达到较好的污水处理效果。
2.2 碳源的影响
在反硝化除磷污水处理工艺中，碳源的类型对其释磷效果有着较大的影响。在DPR工艺中，较为常用的碳源有葡萄糖、乙酸盐等，对碳源的研究表明，如果整个工艺使用单一的碳源龄，能够更好地富集聚磷菌；用乙酸盐作为处理工艺中的碳源时，能够达到去除生物营养物的最高效率，且反应过程较稳定，与以葡萄糖作为碳源相比具有较大的优势；将厌氧/好氧SBR转换为厌氧/缺氧SBR，碳源选择乙酸盐的时候，其工艺中生物除磷的整体活性会降低，而当碳源选择丙酸盐的时候，在DPR工艺中，可以维持较好的反硝化除磷的活性。因反硝化聚磷菌只能使用VFA作为碳源，而常见的有乙酸以及丙酸，其在厌氧阶段的利用率也是不相同的。在整体除磷效果中，以乙酸作为碳源时处理速率较快，同时处理效率也较高，而以丙酸作为碳源时，其反应较为稳定。因此，当反硝化聚磷菌处于不同环境时，需要以其污泥脱氮除磷特性作为依据，选择最佳的碳源。同时在反硝化聚磷菌处于厌氧阶段时，其磷的释放量会受到进水中碳源质量浓度的影响。通过分析碳源质量浓度及种类对短程反硝化处理反应器的影响得知，当进水中COD质量浓度达到200mg/L的时候，磷的去除率可以高达93.22%，且具有最高的缺氧吸磷速率；在COD质量浓度为143～228mg/L、时长在19d时，COD的去除率可以达到86.17%；有研究者认为，当进水中COD的质量浓度达到300mg/L，且碳磷比从60下降到30的时候，能够明显提升SBR脱氮除磷的效果。而在双污泥工艺中，Dephanox反硝化脱氮除磷工艺进水中COD的质量浓度会持续增加，当其质量浓度达到300mg/L时，磷的释放量及其缺氧吸磷的速度也会随之提升，但是当碳源COD的质量浓度大于300mg/L的时候，又会反过来抑制对缺氧磷的吸收。由此可知，反硝化除磷污水处理工艺较适用于处理低碳氮比的生活污水。当碳磷比较低时，对污水除磷较为有利。因此在污水处理系统中，进水碳源的质量浓度以控制在300mg/L以内较佳，但在具体工程中，还需要依据不同的工艺类型，选择较为合适的碳源加入量，由此才能维持整体反应的稳定性。
2.3 电子受体的影响
在反硝化除磷污水处理工艺中，电子受体主要有两种，即NO3-N与NO2--N，在碳源的用量上，NO2--N类型的碳源用量较少，由于其是消化除磷的底物，只有当NO3-N与NO2--N充足的情况下，才能够保证消化除磷的效果，即NO3-N与NO2--N不能和碳源同时存在，并需要合理的调整参数，例如对消化回流比进行相应调整，才能使电子受体维持在充足的状态。
2.3.1 硝酸盐
在DPR反应当中，NO3－可作为电子受体，而在缺氧阶段的污水处理过程中，其缺氧吸磷速率是由加入的硝酸盐的具体量决定的，当反应条件不同时，其需要加入硝酸盐的量也需要做出相应的调整。通过对不同硝酸盐浓度下，反硝化系统中的脱氮除磷特性进行了研究，结果表明，在缺氧段，电子受体浓度过高或过低时，都会对反硝化除磷效果造成负面影响，而当NO3－的质量浓度控制在30～40mg/L范围内时，能够使脱氮除磷效率达到最佳，使碳源得到高效利用。在厌氧段，当NO3－的质量浓度过高时，反硝化细菌在进行反硝化反应时，会优先使用碳源而导致释磷的抑制以及PHB合成的抑制，而当NO3－的质量浓度过低时，体系中的电子受体不足，使PHB氧化不完全，对吸磷造成影响，除磷效果也会随着硝酸盐质量浓度的提升而相应地增加，但是当其超过最佳值时，则会抑制整个系统中的生物对磷的吸收，同时使出水中NO3－的质量浓度增加，对整体脱氮效果造成一定程度的影响。
2.3.2 亚硝酸盐
在反应体系中，NO2－对聚磷菌会产生一定程度的抑制作用。而DPR工艺在缺氧段，一定的亚硝酸盐浓度能够提升反硝化吸磷的整体速率。通过观察SBR体系中亚硝态氮质量浓度对反硝化聚磷菌的影响得知，当亚硝酸盐质量浓度达到40mg/L时，仍然没有对缺氧磷的吸收造成负面影响。在普通的反硝化除磷污泥中，NO2--N没有对其进行驯化，且在较短时间内，难以对NO2--N进行利用，实现反硝化吸磷反应；同时表明，在碳源的选择上，乙酸钠是较为理想的碳源；提升硝态氮的负荷能够使反硝化除磷率随之提升，同时对于富集反硝化聚磷菌来说，也较为有利；当NO2--N的质量浓度控制在20mg/L的时候，污泥的整体除磷能力会急剧下降；当体系中的亚硝酸盐质量浓度过高、超过了8mg/L时，就会对反应中的缺氧磷吸收带来较强的负面影响。
2.4 水力停留时间（HRT）的影响
反硝化污水处理需要经过两个阶段，即厌氧阶段和缺氧阶段，而合适的HRT能够保证生化反应顺利完成，但是HRT不能超出一定范围。在厌氧环节中，若HRT过长，会造成无效释磷，而在缺氧环节中，若HRT过长则会导致二次释磷；在曝气段中，若HRT过长会导致硝化。在A2N工艺中增加后曝气阶段，HRT控制在1.3h时，可以使除磷率达到90%。相关研究者通过对A2N反硝化除磷污水处理工艺进行深入研究，结果表明，在厌氧段，HRT过长会提升PO43--P的总体释放量，但是在后续的缺氧段，吸磷量没有随之增加；而在厌氧段，HRT过短时，反硝化聚磷菌不能完全吸收和降解有机物，难以保证内碳源PHA的合成，而在后续的缺氧段，体系中的吸磷能力持续下降。
2.5 污泥回流比以及超越比的影响
在双污泥工艺中，将污泥回流比及超越比控制在合理范围内，对于厌氧池及缺氧池中污泥的平衡具有关键作用。若体系中的回流污泥量超过一定范围，在缺氧池中，没有反应完全的硝态氮会随着回流污泥流动进入到厌氧池中，使微生物菌群中反硝化菌成为体系中的优势菌，对聚磷菌造成影响，并使释磷效果受到一定程度的影响。在去除污水中的COD及磷时，污泥回流比对其造成的影响较小，但是对于氨氮、硝态氮以及体系中总氮的去除影响比较大。通过对改良A2/O工艺进行考察得知，将污泥回流比控制在50%时，能够使污水中的总氮去除达到较好效果，同时能耗也最低。体系中的污泥回流比与出水硝态氮的质量浓度之间存在着较为良好的线性关系，出水硝态氮的质量浓度会随着回流比的增加而有所降低，但是氨氮的去除率也会随之下降。研究表明，当污泥超越比为0.4，且回流比也为0.4时，反硝化除磷的效率达到顶峰。而污泥超越比对于维持DPR工艺的稳定性也起了关键作用。污泥超越比对去除污水中的COD影响不大，而对去除污水中的磷酸根及氨氮有着较大的影响。当污泥超越比为0.6时，在DPR工艺中，能够使脱氮除磷达到最佳效果。当超越污泥量过大时，在中沉池内，其上清液中的氨氮会流入到缺氧池中，导致出水中的氨氮达不到相应标准；而超越污泥量过小时，则会在DPR工艺中的缺氧段，使反硝化聚磷菌的量受到相应影响，导致反硝化除磷能力下降，也会对出水水质造成一定程度的负面影响。因此，在具体实践中，技术人员需要依据不同工艺自身的特点以及实际的运行情况，进行相应地调节，使污泥回流比以及超越比处于比较合适的状态。
2.6 不同反硝化除磷污水处理工艺效果的影响
不同的DPR工艺，影响其运行效果的因素也各不相同。在几种不同的污水处理工艺中，其处理效果见图2、图3。由图中结果可以得知，不同工艺的处理效果存在一定程度的差异。单污泥处理工艺运行比较简单，效果较为稳定，而双污泥处理工艺在处理效率上比单污泥工艺高，但是双污泥工艺的整体流程较为复杂，且存在出水氨氮质量浓度较高的问题。在处理工艺上，各有优缺点，因此在具体应用中，相关人员需要依据污水的实际特点及具体情况，对污水处理工艺进行择优选择。
2.7 其他因素
反硝化除磷影响因素还包括环境温度、pH值、C/P及DO含量等。当厌氧段pH值为8，且缺氧段pH值为7时，反硝化除磷污水处理工艺能够达到最好的效果，而pH值过高会在系统中产生磷酸盐沉淀，使碳磷比持续升高；反硝化除磷过程最适宜的温度为18～37℃，而厌氧段及缺氧段，对DO质量浓度进行严格控制，能够使其工艺在稳定状态下运行。
3、结语
随着污水排放标准的不断提高，越来越多的研究人员对脱氮除磷废水处理工艺进行了研究。该工艺具有节约曝气量、减少污泥产量等诸多优势，由于城市生活污水中碳氮比较低，因而该工艺对城市生活污水的处理具有较理想的效果，且其应用前景非常广阔。随着反硝化除磷污水处理工艺的不断发展，也出现了一系列新的组合工艺，其中双污泥工艺的处理流程相对较为复杂，只有少数的运行参数可以借鉴，因此在具体实践中应用并不广泛。（来源：杭州天创水务有限公司，天津创业环保集团股份有限公司）