反硝化除磷工艺及影响因素的研究进展

牟 妍

(沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168)

反硝化除磷工艺(DPR)是目前具有极大发展前景的污水处理方式[1]。DPR是培养以NO3--N为电子受体的DPAOs，以不同驯化方式获得DPAOs污泥微生物群落结构[2]，并基于“一碳两用”，发生反硝化并超量吸磷的工艺。这意味着反硝化除磷工艺利用一种微生物实现脱氮除磷，其需氧量、碳源消耗和污泥产量均有所降低。然而反硝化除磷工艺的应用受到诸多因素的限制，因此研究反硝化除磷工艺的影响因素具有重要的现实意义。

1 反硝化除磷机理

在厌氧/缺氧交替运行条件下，DPAOs通过自身代谢实现同步脱氮除磷。反硝化除磷的机理和传统除磷工艺的机理极为相似。在厌氧段，DPAOs和聚磷菌(PAOs)作用过程基本一致。在厌氧段，DPAOs将多聚磷酸盐(Ploy-P)水解成磷酸盐(PO43--P)释放到水体中并产生能量，将水中低分子挥发性脂肪酸(VFA)合成聚β羟基丁酸(PHB)并累积在体内[3]；在缺氧段，DPAOs以NO3--N或NO2--N为电子受体进行代谢，利用菌体内的PHB产生的ATP，主要用于过量吸收水中PO43--P合成Ploy-P并合成糖原[4]，部分富磷污泥通过剩余污泥排出系统，同时将硝态氮还原成氮气排出系统。

2 反硝化除磷工艺

反硝化除磷工艺可分为单污泥工艺和双污泥工艺，其区别在于在反硝化装置中DPAOs与硝化细菌是否同时存在。

2.1 单污泥工艺

单污泥工艺系统是多系统内所有细菌都同时存在且都要通过厌氧、缺氧、好氧3种交替环境。单泥工艺主要有UCT、MUCT和BCFS工艺。

2.1.1 UCT工艺和MUCT工艺

南非开普顿大学基于传统的A2/O工艺，在缺氧池和厌氧池之间增设了混合液回流，强化了厌氧缺氧交替的环境，有助于DPAOs富集，并且活性污泥不是回流到厌氧池而是到缺氧池，大量硝态氮在缺氧池中被还原，大大减少了进入厌氧池的硝态氮，使硝态氮抑制厌氧池释磷的作用降到最低[5]，从而开发出UCT工艺及MUCT工艺，使得优化后的工艺除磷效果提高。UCT工艺和MUCT工艺的优点在于明显提升了污染物去除效果以及碳源的利用率。而UCT工艺和MUCT工艺的缺点在于在3种交替环境中，DPAOs、硝化细菌与其它具有脱氮除磷功能的菌共存且有不同程度的竞争，无法保证反硝化除磷和硝化反应均处于最适环境中，导致了脱氮除磷相互矛盾。

2.1.2 BCFS工艺

荷兰Delft技术大学首先提出BCFS工艺，该工艺是基于Carrousel氧化沟和UCT工艺开发出来的。BCFS工艺也最大程度创造DPAOs富集的条件，为DPAOs的生长提供了有利条件，同UCT工艺一样避免了NO3--N干扰DPAOs释磷。BCFS工艺增设了接触池，充分利用厌氧池剩余的化学需氧量(COD)，回流污泥中NO3--N快速进行反硝化反应，对污泥膨胀有抑制作用；同时增设了混合池，有助于污泥在好氧池中再生，在混合池的低氧(DO≈0.5mg·L-1)条件下实现同步硝化和反硝化，大大降低出水总氮浓度[6]；在厌氧段还增设了化学除磷段，不仅可以排除其他因素对除磷的影响，提高工艺中磷的去除效率，而且可以降低工艺的能源消耗。BCFS工艺的污染物处理效果较好，氮的去除率可达到90%以上，出水磷的浓度可低于0.2mg·L-1，但也存在着一些缺点，当进水C/P比过低或污泥龄过长时都不利于除磷，BCFS工艺占地面积较大，结构较复杂，基建与运行成本较高。

2.2 双泥系统

双泥系统是DPAOs与硝化细菌2种菌种相互独立，分别存在于相互独立的反应器中，同时具有硝化和反硝化除磷双泥回流系统，其主要代表工艺为Dephanox和A2N。

2.2.1 Dephanox工艺

Wanner首次提出了Dephanox工艺，通过国内外学者深入的研究开发出具有双泥系统的Dephanox工艺。Dephanox工艺中DPAOs在厌氧段充分释磷并贮存PHB，氨氮浓度较高的中沉池上清液在固定膜反应池中进行硝化反应，超越到缺氧池的DPAOs以NO3--N作为电子受体同步脱氮除磷，经二沉池沉淀后出水，污泥回流至厌氧池继续进行反应，剩余污泥直接排放到系统外。该工艺通过增设固定膜反应池使硝化细菌不受其他细菌干扰，从而解决了单泥系统存在的DPAOs和硝化细菌污泥龄矛盾问题，使其分别存在于各自最适环境中，充分利用碳源，确保缺氧池有较多的电子受体进行除磷反应，从而提高脱氮除磷效果，并且对低碳氮比的污水有较好的处理效果，当进水COD浓度较高时，好氧池可处理缺氧池未处理完全的磷[7]。Dephanox工艺的缺点在于生活污水的N/P通常不能满足工艺在缺氧吸磷的要求，除磷效果较差，限制了工艺在工程上的应用。

2.2.2 A2N-SBR工艺

Kuba根据双泥系统理论将A2O-SBR和N-SBR系统有机结合开发可稳定脱氮除磷的A2N-SBR工艺，该工艺磷的去除率接近100%，氮的去除率也达到了90%[8]。A2N-SBR工艺是在A2O-SBR和N-SBR系统中分别进行反硝化除磷和硝化反应，并培育筛选DPAOs和硝化菌优势菌种，为DPAOs提供大量的NO3-_N作电子受体，反硝化系统后置降低了回流污泥量。A2N-SBR工艺相互独立的双泥系统，避免了硝化菌和DPAOs的污泥龄矛盾，易于对各系统进行优化，使污染物处理效果更好。该工艺对城市C/N较低的生活污水处理效果更好，在进水N/P为7左右时，碳源利用率最高，比传统工艺节省一半碳源，比UCT工艺脱氮效果更好，占地面积更小，能耗更低。A2N-SBR工艺缺点在于对缺氧池硝酸盐的量要求较严格，不足时，由于缺少电子受体，影响缺氧吸磷效果，而过量时，将进入厌氧池，抑制厌氧释磷和PHB的合成；部分氨氮随着污泥超越到缺氧池，导致出水氨氮浓度较高。

3 反硝化除磷的影响因素

3.1 温度

温度主要通过影响酶催化速率和基质扩散速率，影响反硝化除磷的生物反应。DPAOs的最适温度为20～35℃，属于中温菌。李微通过实验发现，水温24℃时污染物去除率最高，氮磷的去除率可达到94%以上[9]。较低的温度会影响到微生物的生长速率、活性、污泥沉降性能、PHB的水解和NO3--N的传递与反应，进而影响处理效果，其中COD和NH4+-N的处理效果会显著降低。Li和张帆都在低温下通过调节C/N、MLSS及其他影响因素，成功使反硝化除磷系统高效运行[10,11]。因此在低温条件下，通过合理的调节运行参数，也可以高效的反硝化除磷。温度过高会导致微生物失去活性。

3.2 pH值

pH值会影响厌氧段DPAOs胞内的电荷以及胞外营养物质的吸收，影响细菌代谢，进而影响厌氧释磷。研究表明，DPAOs的最适pH值为6.5～8.0，Li和巩有奎证明了随着pH值升高，DPAOs对碳源吸收和Poly-P水解的能力逐步增强，厌氧释磷量增多，除磷效果好[12,13]。蒋轶锋通过研究发现，升高pH值可以使以NO2--N为电子受体的反硝化除磷系统处理效果增强[14]。因此，在适宜的pH范围内升高pH值，可以得到更好的运行效果。不适宜的pH值会影响DPAOs的生长及活性，可能会导致反硝化除磷失败。pH值过高时，磷酸盐易沉淀，除磷速率和释磷量降低。pH值过低时，DPAOs生长速率降低，甚至停止生长。

3.3 溶解氧

溶解氧(DO)浓度会影响吸磷释磷以及硝化程度。厌氧段的DO值过高时，会影响释放磷和合成PHB，影响微生物生长。好氧段DO决定了硝化程度，过低时大部分硝化为NO2--N，会对缺氧段DPAOs所利用的电子受体有影响，造成NO2--N和NO3--N的竞争，缪新年实验表明，溶解氧过低时，亚硝化的速率也会降低，不能把NH4+-N完全氧化[15]。Zhu也证明了低DO浓度会限制磷的吸收以及TN的去除[14]。有限时过高时硝化反应完全，产生过量NO3--N，部分NO3--N进入厌氧段，影响反硝化除磷效果。缺氧段DO值过高，O2会与NO3--N争作电子受体，影响反硝化过程。

3.4 污泥浓度

污泥浓度对反硝化除磷工艺的污泥驯化过程有较大影响。研究表明，反硝化除磷污泥系统适宜的MLSS为3000～4000mg·L-1。适度升高MLSS可以加快反硝化的速率，利于厌氧释磷和缺氧聚磷，加快驯化污泥。Li在实验中将MLSS从4000mg·L-1提升到6000mg·L-1后，发现提升MLSS可以提高NH4+-N和NO2--N的氧化速率，提高脱氮效率[17]。MLSS过高时，不利于泥水分离，影响污泥回流，电子受体不足可能引起二次释磷。朱文韬证实随着MLSS增加，释磷量和吸磷量均增加，当过高时，MLSS的影响不大，释磷量由碳源的含量决定[18]。MLSS过低时，会引起NO2--N积累，反硝化速率降低。MLSS对反硝化除磷系统稳定运行至关重要。

3.5 污泥龄

污泥龄(SRT)会影响系统中微生物生长环境和污泥的活性。对于不同的单、双污泥系统，由于装置中微生物不同，微生物可再生时间不同即最佳SRT也不同。A2N工艺系统只需考虑DPAOs，因此最佳的SRT即为DPAOs的可再生时间，此时DPAOs的生长因素最优，活性最强，污泥中磷的含量最多，除磷效果最好。当SRT小于DPAOs的再生时，DPAOs无法富集，逐渐从系统中流失。当SRT大于DPAOs的再生时，污泥的活性将下降并老化，除磷效果逐渐下降。王晓霞发现SRT过大时硝化不完全，污泥沉降性能差，但抗冲击负荷能力强[19]。因此，当控制系统保持适宜且稳定的SRT，反硝化除磷效果好，且能维持稳定的污泥浓度，便于系统长期稳定运行。

3.6 碳源

碳源的种类和投加量会对DPAOs吸收碳源和转化为PHB的效率有一定的影响，从而影响厌氧释磷。乙酸、丙酸和葡萄糖都可作为碳源来富集DPAOs。乙酸作为碳源时，单位释磷量较大，加快除磷进度，处理效果好。丙酸作为碳源时，释磷速率较快，可减少NO2--N的积累，处理效果较好。葡萄糖作为碳源时，处理效果相对较差。不同的碳源对温室气体N2O的量及转化有重要影响，付昆明研究表明，葡萄糖为碳源时N2O释放量和转化率均最大[20]。合适的C/N比对反硝化系统也有着重要的影响。Zhu发现，适当提高C/N有助于储存能量，便于磷的吸收[16]。但碳源浓度过低时，释磷量和释磷速率都会下降，导致不能完全释磷。浓度过高时，聚磷速率和聚磷量下降。为保证反硝化除磷效果，应确定合适的碳源和适宜的投加量。

3.7 电子受体

电子受体对缺氧段的聚磷量和聚磷速率都较大影响，导致处理效果受到影响。对于NO2--N能否作为反硝化除磷的电子受体的问题，目前Yao和Guo等研究人员都证明NO2--N和NO3--N一样都可作为电子受体被DPAOs利用[21,22]。NO3--N作为电子受体时，聚磷效率以及电子受体利用率都明显好于NO2--N作为电子受体时。NO3--N含量远高于NO2--N时，DPAOs仅以NO3--N作为电子受体，NO2--N不影响反硝化聚磷。NO2--N含量较高时，NO2--N不进行反硝化聚磷，且会抑制反硝化聚磷。实验和污泥条件决定了NO2--N抑制反硝化的临界浓度。NO3--N浓度过高，会导致厌氧段存在NO3--N，DPAOs会使用碳源反硝化消耗NO3--N，缺氧段没有足够的NO3--N和PHB供给反硝化聚磷菌超量吸磷，大大地降低除磷效果。电子受体的投加方式对除磷效率也有重要影响。吕永涛实验表明分多次投加NO2--N比一次性投加时，除磷效率明显提高[23]。其根本原因是高浓度的NO2--N会抑制反硝化除磷反应。

4 结语

反硝化除磷是一种高效低耗、绿色可持续的生物脱氮除磷工艺，其应用前景广阔，目前已经受到了广泛关注并研究。国内外研究人员根据反硝化除磷机理开发出了多种单泥双泥工艺系统，并对反硝化除磷工艺的性能进行深入研究。

目前双泥工艺比单泥工艺脱氮效果更好，碳源利用率更高，能耗更少但结构更复杂，工程应用更困难。现有的工艺对低C/N的处理效果更好，但磷的处理效果不稳定。如何简化双泥工艺，增强其工程应用，提高单泥工艺的处理效果，除磷效果更稳定是未来工艺发展的研究方向。对于双泥工艺的应用，可在现有污水厂工艺的基础上进行改建；对于单泥工艺，可与其他工艺耦合，补充单泥工艺的不足；对于处理效果，深入研究反硝化除磷的影响因素，确定工艺运行的最适条件，使工艺稳定高效的运行。