基于低碳氮比城镇污水的脱氮除磷技术探究

2020-01-06张福波张庆军齐星

中国环保产业 2019年12期

张福波，张庆军，齐星

（辽宁城建设计院有限公司，辽宁抚顺 113008）

随着生态环境部门对城镇污水处理厂的升级改造及对黑臭水体和农村污水治理的高度重视，脱氮除磷技术在低碳氮比城镇污水处理中成为热点。新建与改造城镇污水处理站主要考虑氮、磷能否达标排放，由此研发了包括改良A/A/O在内的多种同步脱氮除磷工艺[1]。

人为的富营养化主要是城镇污水中氮磷超标引起的。低碳氮比的含氮磷污水对处理工艺要求较高，目前传统的处理方法主要分为物化法和生物法两种。由于物化法的脱氮除磷运行费用较高，且易产生二次污染，所以二次污染较小、运行维护管理方便、运行成本较低的生物脱氮除磷变形新工艺得到了业内的重视[2]。

1 脱氮基本原理

1.1 传统生物脱氮

生物脱氮主要包括硝化和反硝化过程，其中硝化是两种不同类型的微生物在好氧条件下由氨氧化菌（Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB）和亚硝酸盐氧化菌（Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB）来完成的生化反应过程；反硝化是由异养型兼性厌氧微生物完成的反应过程。参与反应表达式如下：

总的硝化反应过程为：

反硝化反应过程为：

当外碳源提供不充足的时候，微生物发生内源反硝化反应，反应式可简单表示为：

从工艺运行的角度而言，硝化菌的生长繁殖适应pH为7.5～8.5，当pH为6.5～7.5时，则有利于反硝化细菌进行代谢活动。由反应式可看出，硝化反应是一个产生H+的过程，反硝化反应是产生OH-的过程。反硝化反应产生的碱度与硝化过程消耗的碱度得到一定平衡，但总体表现为碱度消耗相对较大。一般城镇污水利用传统生物脱氮工艺处理时需要投加一定量的碱度，进而保证硝化反应的正常进行[3]。为了避免pH变化对生物代谢的影响，合理控制pH是脱氮除磷工艺开发过程中应当考虑的重要因素。由于生物脱氮需要在好氧和缺氧条件下交替进行，因此严格控制沿程变化的DO，进而为硝化菌和反硝化菌提供适宜的DO环境是工艺开发的技术关键。对于低碳氮比城镇污水，通常内源反硝化效率较低，需要提供反硝化必需的碳源，但外加碳源提高了运行成本且操作繁琐，因此研发新型脱氮工艺具有较高的应用价值[4、5]。

1.2 同步硝化反硝化脱氮（SND）

早在20世纪80年代，Robeitson Kuenen[6]就在反硝化和除硫系统出水中首次分离出了好氧反硝化菌Thiosphaera Pantotropha、Pseudmonas sp和Alcaligenesfaecalis等，多种好氧反硝化细菌在后续研究中也被发现并分离出来，这进一步表明了好氧反硝化菌的存在。硝化和反硝化过程在没有明显缺氧分区的同一个反应器中同时发生，进而达到脱氮的目的[7]。大量实验及报道证明了同步硝化和反硝化现象（Simultaneous Nitrification and Denitrification SND）的存在。同步硝化反硝化的机理解释包括：宏观缺氧理论[8]、微观缺氧理论和微生物学理论。

微观缺氧理论的解释是由于氧扩散、微生物群落结构、基质分布代谢活动等因素的影响，在微生物絮体或生物膜内产生不同的DO梯度，进而形成了多个微环境。微环境内部由于氧传递受阻而形成适于反硝化菌生长的缺氧环境，而表面由于溶解氧高，好氧硝化菌及氨化菌生长有利，从而为同步硝化反硝化的生长提供微环境，该理论是被普遍认可的一种[9]。DO浓度及微生物的絮体结构特征对微环境的形成起到主要作用，因此DO是SND脱氮功能水处理工艺成功运行的重要参数。研究还发现，小絮体中也有SND现象发生，该现象用微观缺氧理论无法解释，于是部分学者提出了微生物学理论。微生物学理论的基础是好氧反硝化菌的存在，使得细菌在具有好氧条件的反应器内完成硝化和反硝化。

同步硝化反硝化脱氮比传统生物脱氮理论具有明显的优势：硝化和反硝化可在一体式反应器内同时进行，不仅能降低能耗，而且减少了占地与曝气量；反硝化产生的OH-可与硝化产生的H+相互中和，进而有效地稳定反应器内的pH，同时节省了外加碱度；在C/N一定的情况下提高TN的去除率，节省了反硝化所需的碳源投加量；反应过程中，硝化产物又可作为反硝化反应物，降低了硝酸盐或亚硝酸盐的积累对反硝化产生的抑制作用，提高了脱氮速率。在A2O及改良工艺中，SND的实现具有以下优势：减少了随污泥回流至厌氧区的硝酸盐量，强化了好氧段的总氮损失，减少硝化反应与厌氧释磷反应碳源的竞争，进而提高好氧阶段的吸磷量；提高缺氧区反硝化负荷，脱氮区域增加，提高了总氮的去除率；不用单独建设缺氧反应池，节省占地与基建费用[10]。因此SND为适应城镇污水处理工艺的开发提供了很好的研究方向。

1.3 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化（Anammox）是指厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体，氨氮为电子供体，最终将亚硝酸盐和氨氮同时转化为氮气的过程[11]。该脱氮过程不用外加碳源，与传统的硝化反硝化脱氮过程相比，明显缩短了传统的氮循环过程。

基于Anammox过程的微生物是自养型微生物，不需要氧气参与反应、零产碱量、减轻了二次污染，且不需要添加有机碳源，故而成为目前较经济的新型生物脱氮工艺之一。但在污水处理的实际应用中还存在一定的问题，Anammox反应器污泥培养周期长，反应器启动周期长；Anammox细菌的多样性的高特异性引物的分析研究较少；Anammox细菌生长较缓慢，对外界条件敏感，倍增时间长，和其他异养微生物共生关系的作用机制仍待研究；氨氧化在低氨氮、低温城镇污水中的应用受到一定的限制。

1.4 短程反硝化

短程硝化反硝化与全程硝化反硝化工艺相比，具有如下优点：极大节省了有机碳源，减少了外加碱度，降低了能耗及运行费用；反硝化速率高，缩短了反应时间，减小了反应器容积，降低了基建费用和运行成本；在C/N比一定的情况下能提高TN的去除率。国内外许多学者对短程生物脱氮工艺进行了大量研究，但的积累非常不易控制，极易氧化形成

2 除磷基本原理

生物除磷反应包括厌氧释磷和好氧吸磷、缺氧吸磷，最终实现外部磷的吸收，并以剩余污泥的形式从系统中排出，进而实现除磷的效果。

2.1 传统除磷

生物超量吸磷现象的发现使得污水除磷技术得到应用和发展，聚磷菌等一类微生物将磷以聚合的形态贮藏在菌体内，从外部环境摄取超过其生理需求的磷，形成高磷污泥，并通过剩余污泥的形式排放。聚磷菌在厌氧条件下将体内积聚的聚磷分解，以与污水中易降解有机物，如挥发性脂肪酸（VFA）合成聚磷酸盐（PHB/PHV）的形式贮存于体内，形成二磷酸腺苷（ADP），同时释放能量；混合液在好氧区内聚磷菌以游离氧为电子受体，将体内的有机底物进行好氧分解并产生能量，在透过膜的催化作用下，通过主动运输形式从外部环境摄取过量的H3PO4，并以聚磷酸盐的形式积聚于体内，形成高磷污泥。研究发现，回流到厌氧区的硝酸盐将消耗易降解的碳源，会造成厌氧释磷碳源不足，导致后续好氧吸磷不足，除磷效率降低[13]。

2.2 反硝化除磷

Hascoet和Comeau等人早在20世纪80年代中期就发现了聚磷菌可以在缺氧环境条件下以硝酸盐作为电子受体进行吸磷[14、15]。具有反硝化除磷作用的兼性厌氧微生物利用O2或NO3-作为电子受体进行吸磷，与传统的聚磷菌（PAO）相比，同对胞内PHB和糖原的代谢作用方式类似，此类微生物被命名为反硝化聚磷菌（Denitrifying PAO，DPAO）。反硝化除磷的机理是通过厌氧/缺氧条件驯化培养大量DPAO作为兼性厌氧细菌，在厌氧段DPAO胞内聚合磷酸盐水解并释放能量，完成厌氧释磷，污水中的VFA被吸收并转化为胞内碳源PHA；在缺氧段，O2、作为DPAO的电子受体，氧化胞内碳源PHA，为自身细胞的合成及维持生命代谢活动提供能量，另一部分能量用于吸收水中的无机磷酸盐，最终以聚磷颗粒的形式储存在细胞内，同时将还原为

反硝化除磷工艺具有以下优点：避免反硝化菌和聚磷微生物对碳源的竞争，大大节省了碳源消耗，因此反硝化除磷适合用于低C/N比的城镇污水处理；曝气量及污泥量减少，同时可以缩小反应器体积，进而降低基建和运行费用。传统工艺在低碳氮比城镇污水处理工艺中的投资运行成本较高，开发具有反硝化除磷功能的新工艺势在必行[17]。