反硝化除磷工艺的影响因素分析

徐坚 暴瑞玲 刘清 吴娟 鲁金凤

摘      要： 反硝化除磷工艺相比于传统脱氮除磷工艺，具有节省曝气量与碳源、产泥量低等特点。综述了反硝化除磷工艺过程中碳源、pH值、电子受体、温度、污泥龄对于反硝化除磷效果的影响，为反硝化除磷的后续研究提供了参考和依据。

关  键  词：反硝化除磷;反硝化聚磷菌;影响因素;电子受体

中图分类号：X703.1       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）03-0729-04

Analysis on Influencing Factors of Denitrifying Phosphorus Removal Process

XU Jian¹， BAO Rui-ling¹， LIU Qing¹， WU Juan¹， LU Jin-feng²

（1. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Jiangsu Nanjing 210098， China;

2. College of Environmental Science and Engineering， Nankai University， Tianjin 300071， China）

Abstract：  Compared with traditional denitrification and phosphorus removal process， denitrifying phosphorus removal process has the advantages of saving both aeration and carbon source， reducing sludge volume and so on. In this paper， the effect of carbon sources， pH value， electron acceptors， temperature and SRT on denitrifying phosphorus removal result was summarized. The paper can provide reference and basis for the follow-up study of denitrifying phosphorus removal.

Key words： denitrifying phosphorus removal; denitrifying phosphorus removing bacteria; influence factors;electron acceptors

隨着富含N、P的废水向水体中不断排放，富营养化问题逐渐成为一个全球性的环境难题。水体富营养化治理的关键在于对N和P的高效去除。传统脱氮除磷工艺具有一定程度上的去除效果，但是在日趋严格的污水排放标准和普遍存在的低C/N比的生活污水的现状下，由于反硝化菌与除磷菌在碳源上的竞争以及污泥龄不一致等矛盾使脱氮和除磷的效果无法同时达到最佳^[1]。随着反硝化除磷理论的提出，为污水同步脱氮除磷提供了新的解决方案。

反硝化除磷的关键是通过厌氧/缺氧的交替环境培养出一种以硝酸盐或亚硝酸盐为最终电子受体的反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB）。这种菌群在厌氧的条件下吸收废水中的有机物，以聚羟基烷酸酯（PHA）的形式贮存于体内，与此同时水解体内的聚磷酸盐释放到水中;在缺氧的环境中，利用硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体氧化体内的PHA，产生的能量则作为过量吸磷的能源。所以反硝化聚磷菌在吸磷的同时也进行着反硝化作用，通过这种“一碳两用”的方式，将脱氮与除磷结合在一起。与传统的除磷过程相比，反硝化除磷过程可以节省50%的COD需求量和30%的曝气量，同时还能减少大约50%的产泥量^[2]。因此，反硝化除磷工艺作为一种高效、低能耗的处理工艺，越来越受到研究人员的重视。但是反硝化除磷系统中聚糖菌（GAO）的竞争、菌群污泥龄的控制等因素还会导致系统的不稳定性，因此本文综合分析了反硝化除磷工艺的各种影响因素的研究进展、反硝化除磷机理、更加合理的工艺流程。

1  影响因素

1.1  碳源

碳源是微生物生长必需的一种营养物。在污水处理的过程中，微生物释磷、反硝化和异养菌正常代谢等过程都会消耗大量的碳源。不同的碳源种类对于反硝化聚磷菌释磷效率和释磷量有着很大的影响。当挥发性脂肪酸类（VFA）作为碳源时，系统脱氮除磷的效果都要优于其他碳源^[3]。这是因为在厌氧阶段，聚磷菌吸收VFA进入细胞内合成胞内碳源的存储物聚-β-羟基丁酸（PHB）。而合成的PHB越多，在缺氧条件下对PHB的氧化代谢产生用于磷的吸收的能量就越多。吉芳英^[4]等采用连续运行方式研究了乙酸、丙酸、葡萄糖三种单碳源对反硝化除磷系统运行状态的影响，结果表明采用葡萄糖作为碳源的污泥系统逐渐失去反硝化除磷能力，而乙酸丙酸为碳源的系统却维持着稳定的运行状态。Xiaomei Lv^[5]等分别以乙酸钠、甘油、丙酸钠作为碳源进行反硝化除磷的试验，研究结果表明丙酸盐具有最佳的实验效果，出水磷的浓度仅为0.37 mg/L，磷的去除率高达91.8%。并且反硝化聚磷菌的比例由开始的4.38%增加到稳定期的41.5%。这个结果也与李观元^[6]等的研究成果相符合：以丙酸作为碳源的污泥系统的除磷和脱氮效率分别达到98%和96%，较乙酸盐为碳源磷的去除率可多出5%。虽然在厌氧段，以丙酸盐为碳源的释磷量更少，但是缺氧后磷的含量更少，去除率更高。丙酸盐能够在聚磷菌与聚糖菌的竞争中使聚糖菌失去优势，从而可以得到更佳的除磷效果。

1.2  pH

在反硝化除磷工艺的各个阶段，pH都是一个影响较大的活跃因素。不同的生物体都有着各自适合其生长的pH值范围。pH值的变化会引起细胞膜电荷的变化，从而影响微生物对营养物质的吸收和利用，同样在生物反应过程中起着关键作用的酶类在不同pH条件下也会有着不同的活性。在厌氧阶段，污泥厌氧释磷的反应式基本如下：

从上式可以看出，在厌氧释磷的过程中，反应器中的pH是呈现下降的趋势。所以在厌氧环境下，适当升高pH值是有利于磷的释放。当然这一结论也可以根据释磷过程的动力学理论来解释。Kashket^[7]等经研究提出质子推动力与细胞膜内外的电位差?φ及pH梯度的关系式：

式中： R-理想气体常数;

T-温度;

pH_in-细胞内pH值;

pH_out-反应器中污泥与污水混合的pH值。

在质子推动力（即输送有机物的量）及细胞内pH值不变时，当反应器中的pH值升高，?φ也会随之升高，这就意味着需要更多能量来克服电位差。所以在外界pH值升高时，污泥内会有更多的聚磷颗粒进行分解来提供能量，所表现出的就是释磷量的增加。HU Xiaomin^[8]等研究表明，当pH值为6～8时，释磷效果随着pH值的升高而升高，在pH值为8时，颗粒污泥比厌氧释磷速率达到最大为20.95 mg/（g·h）。然而当pH值上升到8.5时，释磷量反而下降。无独有偶，Wei Li^[9]等在试验中也发现，pH值从8升高到8.5时，最大释磷量从42.65 mg/L下降到28.65 mg/L。所以，当pH值超过合适的范围时，释磷量会下降，这是因为一部分磷酸盐沉淀吸附到菌胶团表面，阻碍了聚磷菌对碳源的吸收以及磷酸盐进一步释放^[10]。在缺氧阶段，不同的pH值对吸磷效果的影响与释磷一致。当pH值从6.5升至8时，吸磷速率逐渐提高，当pH值继续提高至8.5时，吸磷速率则快速下降^[11]。

1.3  電子受体

1.3.1  硝酸盐

Y.Comeau^[12]在1986年观察到一个现象：一些聚磷菌在缺氧状态下能够利用硝酸盐为电子受体进行除磷，与此同时还能进行反硝化脱氮。随后Vlekke^[13]等人利用交替厌氧/缺氧条件在SBR反应器中证明了硝酸盐确实可以作为电子受体进行除磷。因此，与传统的除磷工艺相比，反硝化除磷工艺关键的不同在于不同的电子受体。

硝酸盐是在缺氧阶段，取代氧为电子受体进行反硝化除磷，如果厌氧段存在硝酸盐，那么除磷效果就会得到抑制。Kuba T^[14]等研究发现，在厌氧环境下，普通硝化菌会优先吸收碳源利用硝酸盐进行反硝化，从而影响到释磷过程同时减少PHB的合成。而在缺氧段，硝酸盐的投加量则决定了吸磷效果的不同。如果硝酸盐浓度太低，所能提供的电子受体不充足，那么细菌中的PHA不能完全氧化，则不能完成缺氧条件下磷的过量吸收。而较高的硝酸盐浓度可以提供足够的电子受体保证充分的反硝化吸磷，但是当硝酸盐浓度超过系统所需的最优值时，同样会出现抑制吸磷的现象。Shaoqi Zhou^[15]等在试验中分别设置6种不同的硝酸盐浓度（5， 10， 20， 30， 60， 120 mg/L）来探究其浓度的影响。实验结果表明，在低浓度下（5， 10， 20 mg/L），硝酸盐很快被消耗，并且反硝化除磷的效率随着浓度的增加而上升。在高浓度下（30， 60， 120 mg/L），仅当浓度为30 mg/L时，拥有较好地去除效果。在浓度为60和120 mg/L时，缺氧结束后磷的浓度陡然上升至9.94和11.41 mg/L，这就反映出了高浓度硝酸盐对于反硝化除磷的抑制效果。朱文韬^[16]等以硝酸盐为电子受体进行反硝化除磷，实验结果发现，在一定范围内（5， 15， 20， 40 mg/L）除磷效果随着硝酸盐浓度的增加而升高，且释磷与吸磷速率都有增加的趋势。并且他们发现，硝酸盐消耗量与反硝化摄磷量呈良好的线性关系。

1.3.2  亚硝酸盐

自Dae Sung Lee等于2001年第一次证明了亚硝酸盐也可以作为电子受体进行反硝化除磷后，有关于亚硝酸盐作为电子受体的研究热度就一直居高不下。其中最主要的争议点就是亚硝酸盐在缺氧段的抑制浓度问题。Shaoqi Zhou^[15]等对于小浓度的亚硝酸盐的效果进行了研究。当亚硝酸盐浓度较小时（4， 6， 8， 16 mg/L），可以观察到初始磷吸收速率随着亚硝酸盐浓度的增加而增大，随着亚硝酸盐完全被消耗，吸磷速率逐渐减缓直至停止。HUANG RongXin^[17]等在实验中对亚硝酸盐的抑制性进行研究，在2 h的厌氧反应后，将污泥等分然后分别加入不同浓度的亚硝酸盐（20， 25， 30， 35， 40 mg/L）来观察缺氧吸磷效果。实验结果表明当亚硝酸盐的浓度低于30 mg/L时，对于吸磷不会产生抑制作用。但是当浓度高于30 mg/L时，则产生了明显的抑制作用，缺氧结束后的吸磷量显著下降。刘侃^[18]等则在实验中得出对于反硝化除磷过程亚硝酸盐的抑制浓度为15 mg/L。对于学者们得出的不同结论，主要原因在于实验所采用的工艺方法、实验控制条件存在差异性。所以采用亚硝酸盐作为电子受体的具体最佳浓度还是要具体问题具体分析，不能一概而论。

1.4  温度

生物反应的本质就是生物体内的酶促生化反应。酶作为一种蛋白质，它的反应活性受到温度的限制，所以这就决定了在污水处理中想要取得良好的处理效果就必须控制反应温度。相对于其他的影响因素，温度这个条件更难控制，尤其是在实际的污水厂的运行中。研究人员认为聚磷菌的温度生态幅较窄或者说其可能为嗜温菌，所以温度的变化就有可能导致污泥中菌群结构的变化。Carlos M. Lopez-Vazquez^[19]等以15～30 ℃为区间进行研究，发现温度越低，聚磷菌在菌群中所占比例越大。ZOU HAIMING^[20]等则将温度区间降低至8～11 ℃，利用A/O、A/A两种工艺分别来研究聚磷菌与反硝化聚磷菌在低温下的反应活性。结果表明，聚磷菌与反硝化聚磷菌分别在40与80 d的培养后，达到了比较稳定的除磷效果。也就是说聚磷菌比反硝化聚磷菌更加适应于低温下的生长。张兰河^[21]等则采用改良的A2/O反应器进行试验，测试结果发现温度过高或者过低都会导致释磷与吸磷速率的变化，而在27 ℃时，反硝化聚磷菌在菌群中的占比达到最大，与此同时吸磷速率与PHB氧化速率都达到最大值。王荣昌^[22]等以中试规模生物强化除磷A2/O活性污泥工艺系统为研究对象，考察温度对系统运行性能的影响。结果表明，当温度从（30.9±0.8）℃降低到（9.1±0.6）℃时，系统的脱氮除磷效果显著下降。并且随着温度的降低，污泥中粒径分布更加集中，系统中活性污泥絮体颗粒平均粒径减小，不利于污泥絮体内部反硝化除磷缺氧微环境的形成。

1.5  SRT

污泥龄（SRT）是指反应系统内微生物从其生成到排出系統的平均停留时间，也就是反应系统内的微生物全部更新一次所需的时间。污泥龄是活性污泥法运行中重要的控制参数，它反映了系统中微生物生长状态、生长条件及世代周期等基本特性。污泥龄过短会导致系统中的污泥浓度不断下降，污泥中的菌群还未完全繁殖就被排出，久而久之污泥系统随着泥量的减少而崩溃;污泥龄过长则会使污泥老化，活性降低，降低处理效果。姜广萌^[23]等设置了不同的污泥龄（10， 15， 20， 25， 30 d）进行实验，结果发现当污泥龄在25 d以下时，氨氮的去除率一直保持在94%以上，当污泥龄为30 d时，氨氮的去除率下降到74.9%。同样，Qingling Zeng^[24]等实验发现，当污泥龄从10 d增长到25 d时，氨氮的去除率从（90±2.6）%上升到 （97±2.5）%，TN的去除率从（51±1.3）%上升到（84±2.9）%。李微^[25]等研究表明，当污泥龄分别为10、16、24、32 d时，最佳除磷效果出现在污泥龄为24 d，此时去除率高达89.66%。贺颖^[26]等则根据实验得出当污泥龄为16天和32 d时出水磷浓度较低，而当污泥龄为8 d和160 d时出水磷浓度较高。所以对于污泥系统的脱氮性能来讲，污泥龄对其影响较小，只要污泥龄长于大部分反硝化菌的世代周期，总体可保持较高的去除率。但是对于除磷来讲，反硝化除磷菌世代周期长，增长缓慢。污泥龄过短时，污泥中的菌群数量下降，反硝化聚磷菌就会逐渐失去竞争优势。污泥龄过长时，系统污泥浓度上升，厌氧状态下缺少足够的碳源，从而在缺氧时没有足够的PHB进行吸磷。所以选择合适的污泥龄对于反硝化除磷系统来说至关重要。

2  总结与展望

反硝化除磷将脱氮与除磷结合起来，不仅达到了较好地去除效果，也减少了曝气量与碳源投加量，同时也减少了污泥产量。所以反硝化除磷技术作为一种高效节能的处理工艺，拥有着很广阔的发展前景，尤其是对于我国较为普遍的低COD污水的处理有着很重要的现实意义。但是目前来说，反硝化除磷工艺还处于实验室研究阶段，距实际应用还存在一定的距离。所以还需要进行更加深入的研究反硝化除磷机理，简化工艺流程，优化管理方法。

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