有机碳源及溶解氧对污水脱氮除磷的影响

许文澧

1 概述

如何有效提高城市污水脱氮除磷效率是目前城市污水处理研究的难点和热点之一，尤其是对我国普遍低碳、高氮磷的南方城市污水。目前，我国城市污水处理厂常用的生物脱氮除磷工艺主要有:A2O及其改进工艺、氧化沟工艺、SBR及其改进工艺等[1]。这些工艺中存在着一些影响脱氮除磷效率的普遍因素，包括:溶解氧、有机碳源、pH、温度、污泥回流比等。其中，有机碳源浓度因水质不同差异较大，直接影响着工艺的选择和脱氮除磷效果。溶解氧是决定脱氮除磷系统中微生物优势种群及其活性的关键因素，有效调控溶解氧浓度和供氧模式不但能提高系统处理效果，还能节能降耗、节约运行成本。

2 生物脱氮除磷机理

2.1 传统生物脱氮机理

在好氧条件下，水中好氧菌硝酸菌把氨态氮依次转化为亚硝酸、硝酸;在缺氧条件下，反硝化菌将硝酸最终还原为氮气释放，从而达到脱氮效果。其中，硝化菌(亚硝酸菌、硝酸菌)为化能自养菌，以 CO2为碳源，NH+4为电子供体，1 g氨氮完全氧化需4.57 g O2;反硝化菌为异养型兼性厌氧菌，其生长环境要求DO＜0.5 mg/L[2]。

2.2 传统生物除磷机理

在厌氧条件下，兼性菌通过发酵作用将溶解性有机物转化为挥发性有机酸，聚磷菌将VFAs同化为胞内碳能源存贮物(PHB)，所需的能量少部分来自细胞内糖的酵解，大部分来自聚磷的水解，并导致磷酸盐的释放。在好氧条件下，PAO利用O2作为最终电子受体氧化细胞内PHB获得能量，再从废水中过量摄取磷酸盐，并以高能聚磷酸键的形式存储能量，通过排除富磷污泥达到去除磷的目的。

2.3 反硝化除磷机理

在厌氧/缺氧环境交替运行条件下，易富集一类兼性厌氧反硝化聚磷菌，该细菌可以在缺氧条件下，利用硝酸盐作为电子受体氧化PHB，并从环境中摄磷，实现同时反硝化和超量摄磷。与传统脱氮除磷工艺相比，对COD的需求可减少50%左右，氧的消耗和污泥产量可分别减少30%和50%[3]。

3 有机碳源及溶解氧对污水生物脱氮除磷的影响

3.1 有机碳源(C/N，C/P)

A2O工艺是我国城市污水处理中最常用的同步脱氮除磷工艺[1]。有学者研究了不同C/P对A2O工艺中总氮、总磷等变化的影响，C/N=6时，进水 C/P＜32，磷的去除效果随C/P比降低而线性降低;C/P＞32，磷的去除效果稳定在90%～98%。但C/P比变化，对总氮去除的影响较小[4]。传统A2O工艺内回流比(100%～400%)较高，导致运行费用提高。杨殿海等人采用改良型A2O工艺，通过设置后置反硝化而取消了内回流，以厌氧池部分碳源分流(0.4Q左右)提供反硝化碳源。进水COD≥300 mg/L，TN=40.3 mg/L，TP=3.82 mg/L时，对TN，TP及 COD的去除率分别可达70%，86%和88%;COD＜300 mg/L时，对 TP的去除效果较差，但对TN和COD的去除率仍分别可达60%和85%[5]。

此外，还有研究者采用外加有机碳源改变低碳源进水C/N，研究其对缺氧/厌氧/好氧工艺脱氮除磷效果的影响，结果发现在污泥回流比为120%条件下，C/N=7，C/P=75时，缺氧/厌氧/好氧工艺对TN，NH+4-N和TP的去除率最佳，分别可达67%，98%和95%以上;当进水C/N=4时，缺氧段基本无反硝化作用[6]。

Carrousel氧化沟工艺具有很高有机物去除能力，同时也具有部分脱氮除磷功能。有研究得到进水C/N=5～13时，C/N不影响系统对NH3-N的去除效果;C/N＜11时，TN，TP的去除率随C/N的升高而快速大幅提高;C/N＞11时，氧化沟TN去除率提高幅度不大，但 TP去除率接近100%;此外，TP去除率与TN去除率具有较高的相关性[7]。

SBR工艺交替进行进水、缺氧搅拌、厌氧搅拌、曝气和沉淀滗水，高效、经济，适用于中小型污水处理厂。赵庆等采用厌氧/缺氧/好氧方式运行SBR，研究不同C/P与C/N对系统脱氮除磷的影响，结果表明C/P＞23，C/N＞5时，磷、氮及碳的去除率均在90%以上，其中反硝化聚磷的比重高达60%～70%。进一步提高C/P，C/N，对除磷的影响不显著，但对反硝化速率的影响相对明显[8]。Kuba等在研究厌氧/缺氧SBR工艺的运行特征时发现C/N值为3.4时，磷的去除率几乎达到100%[9]。

由此可见，为达到较好的生物脱氮除磷效果，A2O工艺及其改良工艺相比Carrousel，SBR工艺需要更高的有机碳浓度，其中C/N≥6，C/N≥32。而后两种工艺，可能因为系统更利于反硝化聚磷作用，而该机理已被证实具有节约碳源的特点。

3.2 溶解氧

溶解氧影响着生物脱氮除磷系统中微生物优势菌种及其活性，从而影响了系统的脱氮除磷效果。有效调控溶解氧浓度和供养模式还可以达到节约碳源、节能降耗的效果。

对于A2O工艺，好氧池中DO浓度对氨氮的去除起着关键作用，而过低、过高的DO浓度对总氮的去除都不利。有研究得出当DO＜3.0 mg/L时，氨氮去除率随DO增大而升高，DO=1.5 mg/L～2.5 mg/L时，总氮去除效果最佳[10]。好氧池DO过高会增加内回流至缺氧区的DO浓度，抑制反硝化作用，从而降低总氮去除率。王晓莲和王佳伟等[3，11]的研究一致表明好氧池过度曝气还会降低生物除磷能力，其原因为过量曝气消耗了聚磷菌内部储存的PHB，导致放磷率和吸磷率的不平衡，致使磷的去除率下降。但也有研究者发现总磷去除效果几乎不受好氧池DO的影响，但对厌氧池和缺氧池的释磷、吸磷过程影响较大，其解释为回流污泥中过量硝酸盐氮会抑制聚磷菌利用碳源合成PHB，进而影响磷的释放[10]。此外，该研究还发现通过在好氧段末端设置20 min～30 min的非曝气区，使得DO降低至 2 mg/L～3 mg/L，当内回流比为400%时可节约碳源 28 mg/L～41 mg/L。

还有研究者对SBR生物脱氮除磷工艺供氧模式进行了研究。有研究发现采用厌氧/缺氧/好氧模式，通过逐步增加缺氧段运行时间可以提高污泥的反硝化除磷性能。对于含碳量低，碳、氮、磷浓度比例失调的城市污水，厌氧运行 30 min、缺氧运行3 h、好氧运行1 h可保证对磷的稳定高效去除，出水TP＜1 mg/L[13]。

以上研究表明间歇曝气和低氧运行可以有效实现生物脱氮除磷效果，它不但能节约碳源，还能降低能耗，对低碳、高氮磷特点的城市污水处理具有良好的应用前景，但我国这方面的研究目前主要是针对Carrousel，SBR工艺。

4 结语

随着我国对城市污水处理厂出水排放标准的提高，对城市污水脱氮除磷的要求更加严格。有机碳源、溶解氧是影响城市污水脱氮除磷效果的关键因素，目前，最为常用的城市污水脱氮处理工艺中A2O工艺及其改良工艺相比Carrousel，SBR工艺需要更高的有机碳浓度，其中C/N≥6，C/N≥32，过高、过低的溶解氧浓度都会降低A2O工艺脱氮除磷效果，其中氧化沟溶解氧浓度一般控制在 2 mg/L～3 mg/L较为理想。对于 Carrousel，SBR工艺已有间歇曝气、低氧脱氮除磷方面的研究，并获得了良好的脱氮除磷效果。

反硝化除磷、间歇曝气、低氧脱氮除磷技术具有节约碳源、节能降耗的优点，这些技术在现有常用工艺上的研究及应用将有助于解决我国南方城市低碳、高氮磷的城市污水生物脱氮除磷难题。

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