陳騰殊，白少元，徐建宇，林雨倩，溫家鳴，付弘源

（桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

近年來，隨著除磷研究在微生物學(xué)領(lǐng)域的深化，在污水處理試驗和實際工程中人們都發(fā)現(xiàn)反硝化除磷現(xiàn)象，反硝化除磷技術(shù)是用厭氧/缺氧交替環(huán)境來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的厭氧或好氧環(huán)境，培養(yǎng)馴化出以硝酸根作為最終電子受體的反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus removing bacteria， 簡稱DPB） 優(yōu)勢菌種，通過菌群的代謝作用在缺氧條件下同步實現(xiàn)吸磷和反硝化作用，實現(xiàn)“一碳兩用”達(dá)到脫氮除磷的雙重目的［1］。與傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)相比，該技術(shù)緩解了傳統(tǒng)污水處理系統(tǒng)中反硝化和釋磷對碳源的需求矛盾、硝化菌和聚磷菌（PAOs）所需的最佳SRT相抵觸等矛盾［2］，同時能夠起到減少曝氣量、節(jié)約能耗、降低污泥產(chǎn)量的作用［1］。

1 反硝化除磷作用的發(fā)現(xiàn)

污水處理中在對除磷脫氮系統(tǒng)的研究過程中發(fā)現(xiàn)，活性污泥中的一部分聚磷菌能以硝酸鹽作為電子受體在進(jìn)行反硝化的同時完成過量吸磷。1993年荷蘭Delft大學(xué)的Kuba在試驗中觀察到:在厭氧/缺氧交替運行條件下，易富集一類兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厭氧微生物，該微生物能利用O2或NO-3作為電子受體，其基于胞內(nèi)PHB和糖原質(zhì)的生物代謝作用與傳統(tǒng)A/O法中的聚磷菌（PAO）相似。對于這種現(xiàn)象有關(guān)研究學(xué)者認(rèn)為生物除磷系統(tǒng)中的PAO可分為兩類菌屬，其中一類PAO只能以氧氣作為電子受體，而另一類則既能以氧氣又能以硝酸鹽作為電子受體，因此它們在吸磷的同時能進(jìn)行反硝化［3］。

2 反硝化除磷機理

目前，國際普遍認(rèn)可和接受的生物反硝化除磷理論是聚磷菌吸磷和釋磷原理：在厭氧、缺氧交替運行條件下培養(yǎng)馴化出聚磷菌的一類微生物，它能夠以硝酸鹽、亞硝酸鹽、氧氣作為電子受體；其聚磷菌體內(nèi)的PHB和糖原質(zhì)生物代謝原理與傳統(tǒng)A/O法中的PAOs極為相似［4］。反硝化除磷過程中厭氧釋磷和缺氧吸磷兩個過程的代謝模式如圖1所示［5］。

圖1 聚磷微生物放磷、聚磷機理

2.1 厭氧環(huán)境

在厭氧過程中，PAOs水解體內(nèi)的ATP，形成ADP和能量，同時將胞內(nèi)的多聚磷酸鹽（Poly-p）分解，以無機磷酸鹽（）的形式釋放出去。同時PAOs利用原酵產(chǎn)物（NADH2）和能量攝取廢水中的有機物來合成大量的有機顆粒PHB，貯存在細(xì)胞體內(nèi)。此時表現(xiàn)的是磷的釋放，其反應(yīng)方程式基本關(guān)系為：

ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量

2.2 缺氧環(huán)境

ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O

3 反硝化除磷工藝的影響因素

3.1 碳源

碳源是微生物生長過程中需求量最大的營養(yǎng)元素。在污水處理系統(tǒng)中碳源大部分用于釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌正常代謝等方面。許多研究已證明，污水中所含的有機基質(zhì)對磷有很大影響。其中大部分聚磷菌只能利用以低級脂肪酸類小分子的有機基質(zhì)，并將其合成的PHB以能量的形式貯存于細(xì)胞內(nèi)。反硝化除磷有機物的影響主要是有機物類型與COD相對投加量的影響。有關(guān)研究表明，釋磷菌在利用不同基質(zhì)對磷的釋放率存在著明顯差異。Evans（1983年）等學(xué)者的試驗結(jié)果表明，在厭氧段投加丙酸、乙酸、葡萄糖等簡單有機物能誘發(fā)磷的釋放，但以乙酸的效果為最佳。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在生物除磷過程中，聚磷菌只有在厭氧段進(jìn)行充分地放磷，才能保證在后續(xù)的吸磷段實現(xiàn)良好的效果［6-7］。故可以在厭氧段投加乙酸等易降解的低分子有機物來提高微生物的釋磷量，增加體內(nèi)有機物的貯存，為后續(xù)缺氧階段更好地吸磷創(chuàng)造良好的條件。而且碳源只有投加在厭氧段才能使出水的磷含量減少，如將碳源投加在缺氧段，則會優(yōu)先支持反硝化而使出水硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃度降低，卻不發(fā)生吸磷反應(yīng)［8］。

3.2 硝酸鹽和亞硝酸鹽

研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽和亞硝酸鹽亦可作為生物除磷的電子受體。有關(guān)資料表明，厭氧段如果存在則反硝化菌將優(yōu)先利用碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)而抑制聚磷菌的釋磷和PHB的合成［9］。然而，缺氧段的吸磷量和硝酸鹽投量有關(guān)［10］。Merzouki等在考察硝酸鹽投加量對A2NSBR工藝除磷效果的影響時發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的除磷效果主要取決于缺氧段所投加的硝酸鹽量及水力停留時間。在碳源充足的前提下，硝酸鹽氮濃度是決定吸磷能否完全的限制性因素［11］。 Meinhold（1999年）認(rèn)為當(dāng)亞硝酸鹽濃度不是很高（≤4～5mgNN/L）時其可作為吸磷的電子受體；但當(dāng)濃度較高時（≥8mgN/L）亞硝酸鹽對缺氧吸磷完全起抑制作用。 Jiang等［12］對（A/O）2SBR系統(tǒng)中的反硝化除磷現(xiàn)象進(jìn)行了考察，采用把硝化控制在階段和控制在階段兩種策略，兩種污泥對亞硝酸鹽氮的耐受質(zhì)量濃度分別達(dá)到10mg/L和30mg/L，他們認(rèn)為反硝化聚磷菌對的耐受力和利用其進(jìn)行反硝化吸磷的能力，都可以通過馴化加以提高。

3.3 溫度

污水生物處理實質(zhì)是利用微生物體內(nèi)的酶促生化反應(yīng)來實現(xiàn)對有機物污染物的代謝過程。酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，其催化作用受到溫度的限制，由于酶本身所具有的蛋白質(zhì)特性決定了污水生物處理反應(yīng)器為了取得良好的處理效果就必須將溫度控制在一定的范圍內(nèi)運行。研究表明，A2N雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)在低溫下的硝化反硝化效果好于單污泥反硝化除磷系統(tǒng)，但5℃的低溫對聚磷菌的生長有抑制作用，并且低溫對A2N雙污泥系統(tǒng)的影響更顯著。王亞宜等［13］認(rèn)為低溫條件將減小生物除磷過程厭氧放磷和缺氧吸磷的生化反應(yīng)速率，但是低溫對系統(tǒng)整體吸磷效果的負(fù)面影響不大。隨著溫度增高，釋磷和吸磷速率都略有增加，對磷的去除影響非常小。吉芳英等［14］在除磷脫氮SBR系統(tǒng)中考查了溫度對反硝化除磷能力的影響。結(jié)果表明，反硝化除磷適宜溫度范圍為18℃～37℃，在此溫度范圍內(nèi)反硝化除磷速率隨溫度升高而提高，而且溫度變化基本上不影響反硝化除磷系統(tǒng)去除量和轉(zhuǎn)化量之間的定量關(guān)系。

3.4 溶解氧及ORP

反硝化除磷系統(tǒng)中厭氧段溶解氧過高會影響該段磷的有效釋放，缺氧段溶解氧過高則會影響反硝化過程，所以反硝化除磷過程中厭氧和缺氧段都要求較低溶解氧。令云芳等［15］認(rèn)為反硝化除磷厭氧和缺氧段應(yīng)保持ρ（DO）<0.2mg/L。厭氧段的溶解氧含量（<0.2mg/L）通常用氧化還原電位（ORP）來度量。研究表明，ORP值和磷含量之間呈良好的相關(guān)關(guān)系，能直觀地反映P濃度的變化，從而能定量反映聚磷菌的性能特征，因此可把它作為厭氧釋磷過程擾動的一個實時指標(biāo)。當(dāng)ORP值為正值時聚磷菌不釋磷，而當(dāng)ORP值為負(fù)值時絕對值越高則其釋磷能力就越強，一般認(rèn)為應(yīng)把ORP值控制在-200～-300mV。

3.5 C/N和C/P值

污水處理中，按照理想的除磷理論，碳源（電子供體）和氧化劑（電子受體）不能同時出現(xiàn)，否則脫氮和除磷的效果都會受到影響［10］。在實際污水處理中不可能達(dá)到完全理想的條件，故在提供給厭氧段足夠的碳源和足量的硝酸鹽的同時應(yīng)該注意協(xié)調(diào)。以平衡進(jìn)水的C、N和P最佳比例以達(dá)到最佳的處理效果。當(dāng)進(jìn)水C/N值較高時，由于量不足將導(dǎo)致吸磷不完全而使出水的磷含量偏高；而由于碳源的過量使得在后續(xù)的缺氧段過剩碳源被用于反硝化菌進(jìn)行反硝化而未進(jìn)行吸磷。進(jìn)水C/N值較低時，則會因過量而造成反硝化不徹底。1996年，Kuba在考察A2NSBR工藝的運行特征時發(fā)現(xiàn)其最佳C/N值為3.4，此時除磷率幾乎達(dá)到100%。當(dāng)C/N值高于此值時（硝酸鹽量不足）可在缺氧段后引入一個短時曝氣（以O(shè)2作為電子受體）將殘留的磷去除；當(dāng)C/N值低于此值時可通過外加碳源來去除過量的硝酸鹽。1999年，G.Bortone在對Dephanox和JHB兩工藝進(jìn)行對比試驗中得到兩者在不同C/N值時的除磷率。為此在實際污水處理中工作人員為達(dá)到最佳的除磷率應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)情況通過試驗來確定最佳C、N和P的比例。

3.6 pH值

pH值對微生物的生命活動影響很大。微生物常常由于某些底物的消耗和代謝產(chǎn)物的積累而使系統(tǒng)的pH值發(fā)生變化。如生物硝化反應(yīng)會消耗堿度，引起pH值下降；而反硝化過程產(chǎn)生堿度，會造成pH值的升高。

厭氧反應(yīng)中產(chǎn)生有機酸，故反硝化除磷過程中，厭氧反應(yīng)pH值將出現(xiàn)下降趨勢，污泥厭氧放磷的基本關(guān)系式如下：

2C2H4O2+HPO3+H2O→（C2H4N2）2（貯存的有機物）+3H-

缺氧反應(yīng)反硝化和聚磷的共同作用會使得該區(qū)域pH上升。反應(yīng)關(guān)系式如下：

在缺氧反硝化和吸磷過程中pH值均會有大幅度的升高，當(dāng)pH>8時，磷濃度會因化學(xué)沉淀作用而大幅下降，無法正確判斷磷是生物作用去除，還是通過化學(xué)沉淀去除。任南琪在試驗中發(fā)現(xiàn)在缺氧段pH值為7±0.1，厭氧段pH值為7～8時，在較高的pH值條件下脫氮除磷效果最好；在pH值在7～8時，釋磷吸磷速率最快。

3.7 污泥停留時間（SRT）

污泥齡時間的長短對反硝化除磷工藝性能的影響較大。Merzouki等研究表明：SBR反硝化除磷系統(tǒng)，SRT=15d的除磷率比SRT=7.5d除磷率高1.8倍，甚至提高83%。SRT較短使得系統(tǒng)中的PAOs首先被淘洗出去，生物除磷系統(tǒng)遭到破壞，除磷率降低。但是，SRT過長會出現(xiàn)磷的“自溶”現(xiàn)象，SRT長短將對連續(xù)流A/A/O工藝中反硝化除磷性能產(chǎn)生較大影響，同時還會影響去除單位氮和磷所需的COD數(shù)量。在短SRT時（8d）幾乎沒有反硝化除磷作用，然而隨著SRT的延長，缺氧吸磷在系統(tǒng)除磷中所起的作用也越來越大，但SRT過長時（15d）會降低除磷效率。同時提出在其試驗條件下以SRT為12d時反硝化除磷和系統(tǒng)脫氮除磷效果最好。

3.8 水力停留時間（HRT）

生物除磷系統(tǒng)中，水力停留時間很大程度上決定了污水的處理程度，厭氧過程是微生物吸收進(jìn)水中的有機碳源、為后續(xù)除磷脫氮提供電子供體的主要場所。故厭氧段HRT長短對系統(tǒng)的除磷脫氮效果起著關(guān)鍵的影響。研究發(fā)現(xiàn)，A2N工藝中厭氧段HRT對厭氧釋磷和后續(xù)缺氧聚磷產(chǎn)生極大的影響。厭氧段的HRT過長，系統(tǒng)將出現(xiàn)了沒有有機物吸附的無效釋磷。而無效釋磷對于DPB胞內(nèi)PHA的合成沒有任何貢獻(xiàn)，并且缺氧段氮和磷的去除率并沒有因為厭氧段釋磷量的增加而提高。如果厭氧段的HRT較短，DPB在厭氧段則不能以完全吸收進(jìn)水中的易降解COD并轉(zhuǎn)化成PHA儲存，然而后續(xù)的缺氧段和好氧段，DPB就不會有足夠的PHA作為電子供體過量吸磷。而且由于電子供體的不足，缺氧段對氮的去除也受到影響。

3.9 其他影響因素

3.9.1 生物膜擴散和層狀分布

底物擴散滲透作用的強弱會影響反應(yīng)級數(shù)、生物膜自內(nèi)向外的生物種類和特性。況且，擴散作用又涉及到溶液濃度、生物膜厚度及微生物呈層分布等諸多因素，這些影響因素在生物膜反硝化除磷系統(tǒng)中必須予以考慮［16］。

3.9.2 攪拌

厭氧區(qū)和缺氧區(qū)不需供氧，但要使反應(yīng)充分則需要攪拌，使污泥處于懸浮態(tài)，同時應(yīng)注意攪拌速度，太大會導(dǎo)致溶氧增加，太小懸浮污泥則不均勻。

3.9.3 容積交換比

要提高A2NSBR工藝的脫氮除磷率，最可行的方法是增大A2SBR和NSBR的容積交換比，或者考慮利用兩個SBBR（Sequencing Batch Biofilm Reactor）來進(jìn)行反硝化除磷脫氮。

3.9.4 MLSS

通常系統(tǒng)中的MLSS越大，則說明DPB含量越多，在厭氧過程的釋磷效果越好，并且在缺氧段DPB的吸磷能力也更強［16］。但是MLSS也不能過大，否則會給沉淀分離帶來困難，還會增加污泥處理成本。

4 結(jié)語

反硝化除磷菌工藝被譽為21世紀(jì)適合可持續(xù)發(fā)展的綠色工藝，能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個本來認(rèn)為彼此獨立的作用合二為一，同時能夠節(jié)省碳源和曝氣量，減少污泥產(chǎn)量，特別是能夠解決我國南方城市市政污水普遍存在C/N或C/P比偏低的問題。因而，反硝化除磷工藝是一種具有成本低、運行效果好的新的脫氮除磷工藝，對我國的市政污水的深度除磷脫氮處理具有相當(dāng)大的現(xiàn)實意義。

隨著學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)研究向工藝改革的轉(zhuǎn)化，需要開發(fā)各種在線監(jiān)測技術(shù)，利用數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化工藝進(jìn)一步提高反硝化除磷技術(shù)。

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