反硝化除磷理论与工艺研究进展

朱洪山

0 引言

20世纪80年代中期，Comeau等［1］发现聚磷菌能够在缺氧环境中以NO－3作为电子受体进行吸磷的现象。1993年，荷兰Delft科技大学的Kuba等［2］在试验中亦观察到:在厌氧/缺氧交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，这类微生物能利用氧气或者硝酸盐作为电子受体进行吸磷。

反硝化除磷由于可以利用硝酸盐(或亚硝酸盐)作为电子受体，且在缺氧环境下反硝化脱氮的同时进行吸磷;另外，污水中的碳源起到“一碳双用”的作用，可在有限碳源条件下提高脱氮除磷的效果，简化了工艺流程;同时，反硝化除磷工艺可节省好氧吸磷过程中的溶解氧需求，节省了曝气量。反硝化除磷理论及工艺已成为当前污水脱氮除磷的研究热点。

1 反硝化除磷理论研究进展

针对反硝化除磷现象的出现，研究者们对生物除磷系统中的聚磷菌(PAOs)提出如下假说:

1)两类菌属学说［3］，即生物除磷系统中的PAOs可分为两类菌属，一类PAOs只能以氧气作为电子受体，一类则既能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体［4］，后一类聚磷菌在缺氧环境下能在进行反硝化脱氮的同时进行吸磷。

2)一类菌属学说［5］，即在生物除磷系统中只存在一类PAOs，它们在一定程度上都具有缺氧吸磷能力，其能否表现出来的关键在于厌氧/缺氧这种交替环境是否得到了强化。只有给PAOs创造特定的厌氧/缺氧交替环境以诱导出其体内具有反硝化除磷作用的酶，才能使其具有反硝化除磷能力。

传统除磷工艺中的聚磷菌(PAOs)体内含有PHB，其硝酸盐还原性为阴性，不能进行反硝化脱氮，但能厌氧释磷、好氧过量吸磷。这类细菌包括不动杆菌属和部分棒状杆菌属等。而传统脱氮工艺中的专职反硝化细菌，硝酸盐还原性为阳性，可进行反硝化脱氮，但菌体内不含PHB，不能厌氧释磷、好氧超量吸磷。这类细菌包括葡萄球属和部分微球菌属等。

有学者认为，从细菌的生化特性来看，硝酸盐还原性和体内含有PHB是两种并不冲突的生化特性，细菌既可以独立拥有其中一种特性又可以同时拥有这两种特性，即该细菌硝酸盐还原性为阳性，且菌体内含有PHB，既能反硝化脱氮又能厌氧释磷、在好氧(O2)或缺氧(NO－3)状况下超量吸磷。目前研究发现，这类细菌包括假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠杆菌科细菌、气单胞菌属和部分棒状杆菌属等。

当前大量的实验研究表明，两类菌属学说已经得到了广泛的认同。

2 反硝化除磷工艺研究进展

基于反硝化除磷理论开发出的脱氮除磷工艺主要分为单污泥工艺和双污泥工艺两种。两者的主要区别在于在单污泥工艺中，反硝化除磷菌和硝化细菌同时存在于一个污泥系统中，共同经历厌氧，缺氧和好氧的环境，而双污泥工艺中反硝化除磷菌和硝化细菌独立存在于不同的反应器中。虽然在两种工艺中都可以发现反硝化除磷的现象，然而研究表明，双污泥系统更有优势［6］。

有研究表明，为完成充分的硝化而设置的较长好氧区间对最佳的反硝化除磷来说是不适宜的。在长时间的好氧区间里，大量的细胞贮存物质PHB会被反硝化除磷菌氧化，导致较少的细胞内COD(PHB)剩下来用于反硝化除磷，采用双污泥系统时，虽然增加了额外的反应单元，但反硝化除磷菌暴露于氧气及好氧COD的消耗问题得以解决，工艺的优化设计也存在更多的可能性［7］。

下面简要介绍具有代表性的单污泥工艺BCFS和双污泥工艺A2N工艺及A2NSBR工艺。

2.1 BCFS工艺

BCFS工艺实际是UCT工艺的改进型工艺。虽然UCT工艺的设计原理是对聚磷菌所需绝对厌氧环境条件的强化，但是在实践中依然发现该工艺存在相当一部分的DPB细菌［8，9］。为了更好地从工艺角度富集DPB细菌，荷兰的Delft科技大学开发了该工艺，其工艺流程图见图1。

图1 BCFS工艺流程图

由图1可知，BCFS工艺比UCT工艺增加了两个反应池。分别是在厌氧池和缺氧池之间的接触池以及在缺氧池和好氧池之间的混合池。接触池的作用在于能吸附剩余的COD并使来自回流污泥中的硝酸盐能够反硝化去除，也可较好的抑制丝状菌的繁殖。混合池的作用在于形成低氧环境而保证在混合池中实现完全的反硝化。同时，该工艺也增设了离线沉淀化学除磷单元，解决了泥龄过长，进水中COD过低的问题。在荷兰已经有若干污水处理厂采用了BCFS工艺，污水处理厂的出水 TP＜0.2 mg/L，TN＜5 mg/L，同时较低而稳定的SVI值也使得该工艺具有非常稳定的处理水质。

2.2 A2 N 工艺

近年来，A2N工艺作为典型的连续流双污泥反硝化除磷工艺在国内得到了广泛的研究。该工艺采用活性污泥法和生物膜法相结合的双泥系统［10］，其工艺流程见图2。

图2 A2N工艺流程图

在该工艺中，原水先进入厌氧池，反硝化除磷菌在厌氧池吸收有机底物并以PHB的形式贮存在胞内，同时快速释放磷。随后泥水混合液经过中间沉淀池的快速分离后，富含氨氮和磷的上清液流入好氧生物膜硝化池，进行硝化反应并去除剩余的有机物;沉淀下来的污泥直接进入缺氧池，污泥中的反硝化聚磷菌以体内的PHB作为电子供体，以硝化池中的硝酸盐作为电子受体完成反硝化脱氮和除磷作用。后置的快速曝气池的设计主要是为了使未被完全吸收的磷能够以氧作为第二电子受体被去除。在整个工艺中，厌氧和缺氧的交替运行可以使反硝化聚磷菌形成稳定的优势菌种。

A2N工艺具有常规脱氮除磷工艺无法比拟的优点。首先由于采用了反硝化除磷的原理，解决了碳源不足的问题;其次由于硝化细菌和聚磷菌的独立培养，解决了两者之间泥龄不同的问题，保证了出水较低的氮磷质量浓度。彭永臻等［10］应用A2N工艺处理COD/N值仅为3.94的生活污水时，就可以达到92.87%的TP去除效果，出水TP为0.41 mg/L，已经达到了国家一级排放标准，TN的去除率也达到了80.9%;当进水的COD/N值提高到6.49时，TN和TP的去除率可以分别达到92.7%和97.95%，出水TN和TP的质量浓度分别为4.18 mg/L和0.12 mg/L。然而，如果超越污泥中含有一部分的氨氮，被直接送入缺氧段后，由于得不到有效的硝化和反硝化，将导致出水氨氮含量较高，此外缺氧段的硝酸盐如果不能被完全去除，回流至厌氧池后，依然会对厌氧段的释磷产生不利影响。

2.3 A2NSBR 工艺

A2N工艺还有一种以SBR形式所运行的工艺，即A2NSBR工艺。该工艺作为双污泥工艺中的序批式工艺，还同时具有控制方便，成本较低的特点，该工艺流程见图3。

图3 A2NSBR工艺流程图

该工艺主要由厌氧/缺氧(A2-SBR)SBR和硝化(N-SBR)SBR两段组成。A2-SBR的主要功能为去除有机物和反硝化除磷，在N-SBR则主要起硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮。两个反应器相互独立，仅交换各自的上清液。

研究表明该工艺由于采用双污泥系统，硝化菌和聚磷菌之间的泥龄矛盾也得到解决，具有良好的脱氮除磷效果，且非常适用于有机物浓度较低污水的处理。同时王亚宜等［11］在实验室中应用A2NSBR处理实际生活污水时，该工艺表现出良好的脱氮除磷效果，COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别可以达到85.89%，82.3%，88.99%，84.56%，同时该工艺对水质的波动也具有良好的适应性。

3 展望

反硝化除磷使得脱氮和除磷能够在同一个反应器中同时发生，这使其具有传统脱氮除磷工艺无法比拟的优点。首先，DPB能够以硝酸盐作为电子受体，这就大大的减少了氧的消耗量，节省了许多充氧曝气的费用;其次，硝酸盐作为DPB体内贮存有机物的氧化电子受体，可以使反硝化在不需要大量外加碳源的条件下顺利进行，这样就节省了进水中有机物的消耗，也从根本上减少了CO2气体的排放;同时污水中未被消耗的COD可以通过沉淀以剩余污泥的方式去除，这部分污泥可以通过水解酸化的方式来产酸或产甲烷，这样不仅有效的降低了系统中剩余污泥的产量，而且还可以获得相当一部分能量。有文献表明，应用反硝化除磷机理，可以使污水处理工艺中所需的COD量减少50%，充氧量减少30%，剩余污泥产量降低50%。因此，反硝化处理理论及工艺具有较为广阔的研究前景。

［1］ Kuba T.，Van Loosdrecht M.C.M..Phosphorus removal from wastewater by anaerobic/anoxic sequencing batch reactor［J］.War Sci Tech，1993，27(5):241-252.

［2］ Hascoet M.C，Florentz M.Infuence of nitrates on biological phosphorus removal nutrient wasterwater［J］.Wat SA，1985，11(1):23-26.

［3］ Baker P S，Dold P L.Denitrification behavior in biological excess phosphors removal activated sludge system［J］.WatRes，1996(30):769-780.

［4］ 王亚宜，王淑莹，彭永臻.反硝化除磷的生物化学代谢模型［J］.中国给水排水，2006(3):4-7.

［5］ Smolders G.J.F.，Van Der Meij.J.，Van Loosdrecht M.C.M.，et al..Stoichiometric model of the aerobic metabolism of the biological phosphorus removal process［J］.Biltechol.Bioeng，1994，44(7):837-848.

［6］ Bortone G，Saltarelli R.Biological anoxic phosphorus removalthe dephanxo process［J］.Water Science Technology，1998，34(1):119-128.

［7］ 张 杰，刘 婧，李相昆，等.新型双污泥反硝化除磷工艺的初步研究［J］.黑龙江大学自然科学学报，2008(2):1-4.

［8］ Kuba T，Van Loosdrecht M C M，Brandse F A，et al..Occurrence of denitrifying phosphorus removing bacteria in modified UCT-type wastewater treatment plants［J］.Water Research，1997，31(4):777-786.

［9］ Ostgarrd K，Christensson M，LIE E，et al..Anoxic Biological phosphorus removal in a full-scale UCT process［J］.Water Research，1997，31(11):2719-2726.

［10］ 彭永臻，王亚宜，顾国维，等.连续流双污泥系统反硝化除磷脱氮特性［J］.同济大学学报(自然科学版)，2004(7):933-938.

［11］ 王亚宜，彭永臻，殷芳芳，等.双污泥SBR工艺反硝化除磷脱氮特性及影响因素［J］.环境科学，2008(6):1526-1532.