淺述反硝化除磷工藝原理及研究進(jìn)展
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摘要：反硝化除磷將反硝化和除磷兩個過程合二為一，一碳兩用，達(dá)到了同步脫氮除磷的目的。本文在簡要介紹廢水生物脫氮除磷研究領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)有生物脫氮除磷工藝難以達(dá)到N、P同時高效去除的原因，探討了反硝化除磷工藝的發(fā)現(xiàn)以及證實(shí)過程，綜合分析了幾種反硝化除磷工藝的原理、特點(diǎn)以及在國內(nèi)外的研究進(jìn)展。
論文關(guān)鍵詞：反硝化除磷,原理,研究進(jìn)展
一．前言
1.1 脫氮除磷現(xiàn)狀
近年來，隨著各種工業(yè)的快速發(fā)展，低C/N、C/P比廢水日益增多。而傳統(tǒng)脫氮除磷工藝如A/A/O、SBR、氧化溝等均要求C/N大于6、C/P大于20，才能發(fā)揮出應(yīng)有的功效[1]。另外，這些工藝多數(shù)不能滿足氮磷的同時高效去除，因?yàn)樵谶@些工藝中存在著難以協(xié)調(diào)的競爭和矛盾[2~5]：
1.微生物獨(dú)立
這些工藝中存在著各種各樣不同種類的微生物，它們的基質(zhì)類型、對環(huán)境條件(pH、DO、T等)要求不同，由此產(chǎn)生了微生物之間的矛盾和競爭。
2.污泥齡的矛盾
在脫氮除磷工藝中，除磷是通過排出剩余污泥來實(shí)現(xiàn)的。聚磷菌多為短世代微生物，泥齡越長，污泥含磷量越低，而硝化菌的世代周期則較長。硝化過程需要的長泥齡和除磷需要的短泥齡之間存在矛盾。
3.對碳源有機(jī)物的競爭
在脫氮除磷系統(tǒng)中，碳源主要用于反硝化、釋磷和異養(yǎng)菌的正常代謝。在缺氧段，反硝化菌先于聚磷菌利用有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化脫氮，導(dǎo)致聚磷菌沒有充足的碳源，從而導(dǎo)致釋磷程度降低。而對于硝化段來說，過多的碳源會使生長速率較高的異養(yǎng)菌迅速生長，爭奪溶解氧，從而降低硝化速率。
4.硝酸鹽的矛盾
聚磷菌需要在嚴(yán)格的厭氧條件下才可以發(fā)揮作用進(jìn)行釋磷，在傳統(tǒng)工藝中，污泥回流會將一部分硝酸鹽帶入?yún)捬鯀^(qū)，從而導(dǎo)致厭氧區(qū)的非嚴(yán)格厭氧，嚴(yán)重影響聚磷菌的釋磷效率。
5.溶解氧的矛盾
傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝將厭氧、缺氧、好氧各處理過程同處一個活性污泥系統(tǒng)，而活性污泥絮體對氣泡的吸附作用不可避免的將溶解氧帶入缺氧段和厭氧段，從而影響了聚磷菌的釋磷能力和反硝化菌的脫氮能力。
這些競爭和矛盾廣泛存在于現(xiàn)有的脫氮除磷工藝中，嚴(yán)重影響了脫氮除磷效率。因此，如何對傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝進(jìn)行改進(jìn)，消除這些競爭和矛盾，并保證低碳源條件下脫氮除磷的效率，是目前水處理領(lǐng)域亟待解決的難題。
1.2反硝化除磷的提出
20世紀(jì)70年代以來，反硝化除磷漸漸引起人們的注意，并得到迅速發(fā)展。反硝化聚磷菌的發(fā)現(xiàn)和證實(shí)主要經(jīng)歷了以下幾個階段[6~9]：
1977年，Osborn和Nieholls在反硝化過程中首次觀測到磷快速吸收現(xiàn)象，表明某些反硝化菌能超量吸磷；
1986年，Comeau發(fā)現(xiàn)一些聚磷菌在缺氧狀態(tài)下具有利用硝酸鹽作為電子受體除磷的功能，同時完成反硝化脫氮；
1987年，Vlekke等采用厭氧/缺氧SBR，證明NO3-可以作為電子受體除磷；
1992年，Wanner等通過反硝化除磷的特性自行開發(fā)的N、P去除新工藝的試驗(yàn)，證實(shí)了缺氧條件下一些除磷菌具有反硝化能力；
1993年，Kuba發(fā)現(xiàn)在厭氧/缺氧交替運(yùn)行條件下，易富集一類兼有反硝化和除磷作用的兼性厭氧微生物，利用硝酸鹽為電子受體，在缺氧環(huán)境下同時進(jìn)行反硝化和除磷；
隨后，Kerm-Jespersen通過試驗(yàn)指出，聚磷菌由兩部分組成，一部分只能用氧作為電子受體，另一部分既能利用氧也能用NO3--N作為電子受體，即反硝化聚磷菌DPB（Denitrifying Phosphorus-removing Bacteria）；
1995~1996年，Smolders等和Kuba等在UCT工藝中證實(shí)了中試規(guī)模的除磷脫氮系統(tǒng)中除磷菌的反硝化功能。
目前，某些反硝化除磷工藝在歐美一些國家已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際工程，并取得了良好的脫氮除磷效果。
二．反硝化聚磷原理及特點(diǎn)
多數(shù)研究者認(rèn)為聚磷菌包括兩類菌屬[10]，一類只能以氧作為電子受體，被稱作好氧聚磷菌，而另一類既能以氧又能以硝酸鹽作為電子受體，即反硝化聚磷菌DPB。
DPB在缺氧條件下能以硝酸鹽代替溶解氧作為電子受體進(jìn)行聚磷，同時將硝酸鹽還原成N2或氮化物，將反硝化和除磷這兩個過程合二為一，一碳兩用，達(dá)到同步脫氮除磷的目的。DPB的厭氧釋磷機(jī)理與好氧聚磷菌相同，即在分解細(xì)胞內(nèi)聚磷酸鹽的同時產(chǎn)生ATP，并利用ATP將污水中的低分子發(fā)酵產(chǎn)物等有機(jī)物攝入細(xì)胞。缺氧吸磷機(jī)理與好氧聚磷菌吸磷的不同之處在于產(chǎn)生能量的電子傳遞鏈的最終電子受體不同[6]：
好氧：NADH2+0.5O2→δATP+H2O
缺氧：NADH2+0.4HNO3→δNATP+0.2N2+1.2H2O
δ、δN為好氧和缺氧產(chǎn)能效率(molATP/molNADH2)
有文獻(xiàn)表明[11]，充分利用反硝化除磷原理，可使COD需求量減少50%，耗氧量減少30%，剩余污泥量減少50%。反硝化除磷的優(yōu)點(diǎn)是[12]：氮、磷的去除率高，出水TN<5mg/L，正磷幾乎為零；SVI值低且穩(wěn)定，一般在80～20 mL/g，能有效減少曝氣池及二沉池的容積；能有效利用碳源，在C/N、C/P值較低時仍能良好運(yùn)行；控制簡單，通過ORP與DO可有效實(shí)現(xiàn)過程的穩(wěn)定控制；可使用生物除磷器獲得富磷污泥，使磷的循環(huán)利用成為可能。
三．反硝化除磷工藝簡介
目前常見的反硝化除磷工藝有單泥系統(tǒng)和雙泥系統(tǒng)之分。在單級工藝中，DPB、硝化菌以及非聚磷菌同時存在于懸浮增長的混合液中，順序經(jīng)歷厭氧/缺氧/好氧三種環(huán)境，最具代表性的是BCFS工藝。在雙級工藝中，硝化菌獨(dú)立于DPB單獨(dú)存在于固定膜生物反應(yīng)器或好氧硝化SBR反應(yīng)器中。在此類工藝中，反硝化除磷污泥在厭氧區(qū)吸收有機(jī)物合成PHB后，經(jīng)泥水分離不經(jīng)過好氧段直接進(jìn)入缺氧區(qū)，PHB全部用于反硝化攝磷，保證了反硝化所需的碳源[13]。而供氧僅用于硝化和反硝化除磷后剩余有機(jī)物的氧化，從而減少了曝氣量。主要有Dephanox工藝和A2NSBR工藝等。
3.1 BCFS工藝
BCFS（Biologische-Chemische-Fosfaat -Stikstof verwijdering）工藝由荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，現(xiàn)已在歐美多個污水處理廠得到初步應(yīng)用，脫氮除磷效果極佳。BCFS實(shí)際上是UCT的變形工藝，包括厭氧池、缺氧池、好氧池，并增加了接觸池和混合池以及兩個內(nèi)循環(huán)QB和QC[12]，見圖1。
圖1 BCFS工藝流程圖
Fig.1 BCFS process flow
厭氧池：厭氧條件是通過進(jìn)水及從缺氧池回流的缺氧混合液(控制進(jìn)入?yún)捬醭氐南跛猁}氮濃度足夠低)來維持的，以確保污水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)只被用于除磷菌釋磷時所吸附。
接觸池：在該選擇器中氧濃度為零，該池的設(shè)置一方面是為了阻止污泥膨脹，另一方面DPB在該池中也同樣發(fā)揮作用，此過程是厭氧池反應(yīng)過程的延續(xù)。
缺氧池：該池的設(shè)置一是通過反硝化以獲得不含硝酸鹽的污泥，進(jìn)而提高厭氧池的釋磷效率；其次是利用好氧池中的硝酸鹽來反硝化除磷，既強(qiáng)化了反硝化除磷菌從而達(dá)到真正的同步生物脫氮除磷的目的，同時也降低了對碳源的要求。
缺氧/好氧混合池：正常情況下該池可不充氧，缺氧條件通過好氧池回流的混合液來維持，可進(jìn)一步進(jìn)行反硝化。
好氧池：與常規(guī)處理工藝中功能相同，其主要作用是去除COD、BOD及進(jìn)行硝化。
內(nèi)循環(huán)QA：缺氧池到厭氧池的循環(huán)，可使進(jìn)入?yún)捬醭氐南跛猁}濃度足夠低，使污水中的VFA完全用于生物除磷。
內(nèi)循環(huán)QB：好氧池到缺氧池的循環(huán)，可以輔助回流污泥向缺氧池補(bǔ)充硝酸氮。
內(nèi)循環(huán)QC：好氧池到混合池的循環(huán)，增加硝化或同時反硝化的機(jī)會，有利于降低出水氨氮。
BCFS工藝一方面將好氧吸磷、缺氧吸磷及富磷上清液的離線化學(xué)沉淀有機(jī)結(jié)合起來，去除1mgP只需2mgCOD，出水TP≤0.2mg/L；另一方面將傳統(tǒng)生物脫氮、同時硝化反硝化、反硝化除磷結(jié)合起來，出水TN≤0.5mg/L；另外，通過ORP和DO在線監(jiān)測可方便地進(jìn)行過程控制。
3.2 Dephanox工藝
Wanner在1992年開發(fā)出以厭氧污泥中PHB為反硝化碳源的工藝，取得良好脫氮除磷效果。之后據(jù)此提出了具有硝化和反硝化除磷雙泥回流系統(tǒng)的Dephanox脫氮除磷工藝[7]，見圖2。
圖2 Dephanox工藝流程圖
Fig.2 Dephanox process flow
回流污泥在厭氧池中完成釋磷和PHB的儲備后，在沉淀池進(jìn)行泥水分離。分離后的上清液進(jìn)入固定膜反應(yīng)池進(jìn)行硝化，而污泥則直接進(jìn)入缺氧池進(jìn)行反硝化除磷（不經(jīng)好氧階段，聚磷菌體內(nèi)PHB未被消耗，全部用于反硝化聚磷，保證了反硝化所需的碳源）。隨后進(jìn)入好氧池再生污泥（氧化細(xì)胞內(nèi)殘余的PHB），使其在下一個循環(huán)中發(fā)揮最大的釋磷和PHB儲備能力。該工藝供氧僅用于硝化和反硝化除磷后剩余有機(jī)物的氧化，減少了曝氣量。
該工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是使附在生物膜上的敏感的硝化菌不暴露在缺氧條件下，而傳統(tǒng)的活性污泥系統(tǒng)則做不到這一點(diǎn)。經(jīng)證實(shí)該工藝能耗低、污泥產(chǎn)量低且對有機(jī)基質(zhì)的利用非常有效，解決了反硝化菌和聚磷菌對有機(jī)基質(zhì)的競爭問題，同時也解決了活性污泥中異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌的競爭問題[14]。但是，磷的去除效果很大程度上取決于缺氧段硝酸鹽的濃度，當(dāng)硝酸鹽量不足時會限制磷的過量攝取，富余時硝酸鹽又會隨回流污泥進(jìn)入?yún)捬醵�，干擾磷的釋放和聚磷菌PHB的合成。實(shí)際應(yīng)用時進(jìn)水中氮磷比是很難恰好滿足缺氧攝磷的要求的，這給系統(tǒng)的控制帶來了困難。
3.3 A2NSBR工藝
A2NSBR工藝由厭氧/兼氧序批式反應(yīng)器(Anaerobic/aerobic SBR)和硝化序批式反應(yīng)器(SBR for Nitrification)組成。A2/O-SBR反應(yīng)器主要功能是去除COD和進(jìn)行反硝化除磷，N-SBR反應(yīng)器主要起硝化作用。這兩個反應(yīng)器的活性污泥完全分開，只將各自沉淀后的上清液相互交換，見圖3。
圖3 A2NSBR工藝流程圖
Fig.2 A2NSBR process flow
進(jìn)水和回流污泥完全混合后進(jìn)入?yún)捬醭�，在此聚磷菌吸收易于降解的有機(jī)物進(jìn)行PHB儲備，同時釋磷；隨后混合液進(jìn)入中間沉淀池，泥水分離：一部分是富集氨氮的上清液，進(jìn)入側(cè)流好氧固定生物膜反應(yīng)池進(jìn)行硝化反應(yīng)；另一部分是含有大量PHB的DPB沉淀污泥，同好氧固定生物膜反應(yīng)池流出的硝化液一起進(jìn)入主流缺氧反應(yīng)池，在此利用氧化PHB放出的能量，以硝態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行反硝化除磷。
與Dephanox工藝一樣，A2NSBR可分別控制聚磷菌和反硝化菌的泥齡，有利于反硝化除磷與硝化的各自優(yōu)化。兩個反應(yīng)器的沉淀上清液相互交換，保證了原水中85%~90%的COD在A2/O-SBR的厭氧段被活性污泥快速吸附或降解并用于該段厭氧釋磷和缺氧段反硝化，提高了有機(jī)物利用率。在N/P比最優(yōu)的情況下，比傳統(tǒng)工藝節(jié)省50％的COD，除磷率接近100％，脫氮率約90％[15]。
A2NSBR工藝的缺點(diǎn)是脫氮效率不高，主要原因是DPB污泥中殘存NH4+，厭氧結(jié)束后只是上清液轉(zhuǎn)移至硝化反應(yīng)器，而污泥中殘存的NH4+進(jìn)入缺氧段，只有當(dāng)缺氧段的NH4+與DPB生長所需的NH4+濃度相持平時，N的去除率才能達(dá)到100％，實(shí)際中很難達(dá)到，從而使出水中含有部分NH4+。
四．反硝化除磷研究進(jìn)展
近年來，國內(nèi)外關(guān)于反硝化除磷的研究越來越多，自從1986年，Comeant首次將傳統(tǒng)生物除磷工藝的除磷菌生化代謝模型應(yīng)用到反硝化除磷菌中以來，反硝化除磷工藝得到了迅速的發(fā)展，1995年，Kuba等又將Smolders提出的A/O工藝生物除磷菌代謝模型經(jīng)過修正，應(yīng)用到了反硝化除磷代謝模型中。隨后，新加坡的J.Y.Hu[16]等人提出了3種聚磷菌學(xué)說，并且他認(rèn)為：亞硝酸鹽在聚磷階段并不是一種抑制因素，反而是可以取代O2與NO3--N的電子受體。目前，荷蘭BDG與WGS工程咨詢公司對BCFS技術(shù)合作開發(fā)設(shè)計(jì)出同心圓反應(yīng)池，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動控制。
國內(nèi)對反硝化除磷也有一些研究，2002年，廣州市政工程設(shè)計(jì)研究院的隋軍發(fā)明了新型反硝化聚磷一體化設(shè)備[17]，較常規(guī)工藝節(jié)省了85%的回流液，反應(yīng)器與沉淀池體積可減少30%；2004年，上海市政設(shè)計(jì)研究院的鄒偉國開發(fā)了活性污泥法與曝氣生物濾池相結(jié)合的PASF雙泥工藝[18]，現(xiàn)已應(yīng)用于上海曲陽污水處理廠改建工程；2006年，任南琪提出了連續(xù)流HITNP雙泥工藝[19]，流程簡單、易于控制、出水水質(zhì)較好；2005年，李勇智和王愛杰[20]均提出可利用NO2--N為電子受體完成反硝化除磷，并可聯(lián)合sharon工藝，實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化聚磷，進(jìn)一步節(jié)省耗氧量和碳源，減少剩余污泥量；隨后，任南琪、王愛杰采用A/A-SBR反應(yīng)器，證實(shí)了厭氧/缺氧條件下以NO2--N為電子受體的反硝化聚磷工藝的可行性。
五．結(jié)語
目前，反硝化除磷技術(shù)已從基礎(chǔ)性研究發(fā)展到了工程應(yīng)用階段。實(shí)踐表明它對城市污水，特別是C/N值較小的污水有很好的處理效果。反硝化除磷工藝首先要考慮DPB的富集，因此，在反硝化除磷的機(jī)理和影響因素、改進(jìn)反硝化除磷工藝和開發(fā)更合理的數(shù)學(xué)模型等方面仍需進(jìn)一步研究。另外，如何更穩(wěn)定和有效地處理污水及協(xié)調(diào)好處理過程中各菌種間的矛盾也是今后值得研究的問題。
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