徐堅 暴瑞玲 劉清 吳娟 魯金鳳

摘 ?????要： 反硝化除磷工藝相比于傳統(tǒng)脫氮除磷工藝，具有節(jié)省曝氣量與碳源、產(chǎn)泥量低等特點。綜述了反硝化除磷工藝過程中碳源、pH值、電子受體、溫度、污泥齡對于反硝化除磷效果的影響，為反硝化除磷的后續(xù)研究提供了參考和依據(jù)。

關(guān) ?鍵 ?詞：反硝化除磷;反硝化聚磷菌;影響因素;電子受體

中圖分類號：X703.1???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 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

隨著富含N、P的廢水向水體中不斷排放，富營養(yǎng)化問題逐漸成為一個全球性的環(huán)境難題。水體富營養(yǎng)化治理的關(guān)鍵在于對N和P的高效去除。傳統(tǒng)脫氮除磷工藝具有一定程度上的去除效果，但是在日趨嚴格的污水排放標準和普遍存在的低C/N比的生活污水的現(xiàn)狀下，由于反硝化菌與除磷菌在碳源上的競爭以及污泥齡不一致等矛盾使脫氮和除磷的效果無法同時達到最佳^[1]。隨著反硝化除磷理論的提出，為污水同步脫氮除磷提供了新的解決方案。

反硝化除磷的關(guān)鍵是通過厭氧/缺氧的交替環(huán)境培養(yǎng)出一種以硝酸鹽或亞硝酸鹽為最終電子受體的反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB）。這種菌群在厭氧的條件下吸收廢水中的有機物，以聚羥基烷酸酯（PHA）的形式貯存于體內(nèi)，與此同時水解體內(nèi)的聚磷酸鹽釋放到水中;在缺氧的環(huán)境中，利用硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體氧化體內(nèi)的PHA，產(chǎn)生的能量則作為過量吸磷的能源。所以反硝化聚磷菌在吸磷的同時也進行著反硝化作用，通過這種“一碳兩用”的方式，將脫氮與除磷結(jié)合在一起。與傳統(tǒng)的除磷過程相比，反硝化除磷過程可以節(jié)省50%的COD需求量和30%的曝氣量，同時還能減少大約50%的產(chǎn)泥量^[2]。因此，反硝化除磷工藝作為一種高效、低能耗的處理工藝，越來越受到研究人員的重視。但是反硝化除磷系統(tǒng)中聚糖菌（GAO）的競爭、菌群污泥齡的控制等因素還會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，因此本文綜合分析了反硝化除磷工藝的各種影響因素的研究進展、反硝化除磷機理、更加合理的工藝流程。

1 ?影響因素

1.1 ?碳源

碳源是微生物生長必需的一種營養(yǎng)物。在污水處理的過程中，微生物釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌正常代謝等過程都會消耗大量的碳源。不同的碳源種類對于反硝化聚磷菌釋磷效率和釋磷量有著很大的影響。當揮發(fā)性脂肪酸類（VFA）作為碳源時，系統(tǒng)脫氮除磷的效果都要優(yōu)于其他碳源^[3]。這是因為在厭氧階段，聚磷菌吸收VFA進入細胞內(nèi)合成胞內(nèi)碳源的存儲物聚-β-羥基丁酸（PHB）。而合成的PHB越多，在缺氧條件下對PHB的氧化代謝產(chǎn)生用于磷的吸收的能量就越多。吉芳英^[4]等采用連續(xù)運行方式研究了乙酸、丙酸、葡萄糖三種單碳源對反硝化除磷系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響，結(jié)果表明采用葡萄糖作為碳源的污泥系統(tǒng)逐漸失去反硝化除磷能力，而乙酸丙酸為碳源的系統(tǒng)卻維持著穩(wěn)定的運行狀態(tài)。Xiaomei Lv^[5]等分別以乙酸鈉、甘油、丙酸鈉作為碳源進行反硝化除磷的試驗，研究結(jié)果表明丙酸鹽具有最佳的實驗效果，出水磷的濃度僅為0.37 mg/L，磷的去除率高達91.8%。并且反硝化聚磷菌的比例由開始的4.38%增加到穩(wěn)定期的41.5%。這個結(jié)果也與李觀元^[6]等的研究成果相符合：以丙酸作為碳源的污泥系統(tǒng)的除磷和脫氮效率分別達到98%和96%，較乙酸鹽為碳源磷的去除率可多出5%。雖然在厭氧段，以丙酸鹽為碳源的釋磷量更少，但是缺氧后磷的含量更少，去除率更高。丙酸鹽能夠在聚磷菌與聚糖菌的競爭中使聚糖菌失去優(yōu)勢，從而可以得到更佳的除磷效果。

1.2 ?pH

在反硝化除磷工藝的各個階段，pH都是一個影響較大的活躍因素。不同的生物體都有著各自適合其生長的pH值范圍。pH值的變化會引起細胞膜電荷的變化，從而影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，同樣在生物反應(yīng)過程中起著關(guān)鍵作用的酶類在不同pH條件下也會有著不同的活性。在厭氧階段，污泥厭氧釋磷的反應(yīng)式基本如下：

從上式可以看出，在厭氧釋磷的過程中，反應(yīng)器中的pH是呈現(xiàn)下降的趨勢。所以在厭氧環(huán)境下，適當升高pH值是有利于磷的釋放。當然這一結(jié)論也可以根據(jù)釋磷過程的動力學理論來解釋。Kashket^[7]等經(jīng)研究提出質(zhì)子推動力與細胞膜內(nèi)外的電位差?φ及pH梯度的關(guān)系式：

式中： R-理想氣體常數(shù);

T-溫度;

pH_in-細胞內(nèi)pH值;

pH_out-反應(yīng)器中污泥與污水混合的pH值。

在質(zhì)子推動力（即輸送有機物的量）及細胞內(nèi)pH值不變時，當反應(yīng)器中的pH值升高，?φ也會隨之升高，這就意味著需要更多能量來克服電位差。所以在外界pH值升高時，污泥內(nèi)會有更多的聚磷顆粒進行分解來提供能量，所表現(xiàn)出的就是釋磷量的增加。HU Xiaomin^[8]等研究表明，當pH值為6～8時，釋磷效果隨著pH值的升高而升高，在pH值為8時，顆粒污泥比厭氧釋磷速率達到最大為20.95 mg/（g·h）。然而當pH值上升到8.5時，釋磷量反而下降。無獨有偶，Wei Li^[9]等在試驗中也發(fā)現(xiàn)，pH值從8升高到8.5時，最大釋磷量從42.65 mg/L下降到28.65 mg/L。所以，當pH值超過合適的范圍時，釋磷量會下降，這是因為一部分磷酸鹽沉淀吸附到菌膠團表面，阻礙了聚磷菌對碳源的吸收以及磷酸鹽進一步釋放^[10]。在缺氧階段，不同的pH值對吸磷效果的影響與釋磷一致。當pH值從6.5升至8時，吸磷速率逐漸提高，當pH值繼續(xù)提高至8.5時，吸磷速率則快速下降^[11]。

1.3 ?電子受體

1.3.1 ?硝酸鹽

Y.Comeau^[12]在1986年觀察到一個現(xiàn)象：一些聚磷菌在缺氧狀態(tài)下能夠利用硝酸鹽為電子受體進行除磷，與此同時還能進行反硝化脫氮。隨后Vlekke^[13]等人利用交替厭氧/缺氧條件在SBR反應(yīng)器中證明了硝酸鹽確實可以作為電子受體進行除磷。因此，與傳統(tǒng)的除磷工藝相比，反硝化除磷工藝關(guān)鍵的不同在于不同的電子受體。

硝酸鹽是在缺氧階段，取代氧為電子受體進行反硝化除磷，如果厭氧段存在硝酸鹽，那么除磷效果就會得到抑制。Kuba T^[14]等研究發(fā)現(xiàn)，在厭氧環(huán)境下，普通硝化菌會優(yōu)先吸收碳源利用硝酸鹽進行反硝化，從而影響到釋磷過程同時減少PHB的合成。而在缺氧段，硝酸鹽的投加量則決定了吸磷效果的不同。如果硝酸鹽濃度太低，所能提供的電子受體不充足，那么細菌中的PHA不能完全氧化，則不能完成缺氧條件下磷的過量吸收。而較高的硝酸鹽濃度可以提供足夠的電子受體保證充分的反硝化吸磷，但是當硝酸鹽濃度超過系統(tǒng)所需的最優(yōu)值時，同樣會出現(xiàn)抑制吸磷的現(xiàn)象。Shaoqi Zhou^[15]等在試驗中分別設(shè)置6種不同的硝酸鹽濃度（5， 10， 20， 30， 60， 120 mg/L）來探究其濃度的影響。實驗結(jié)果表明，在低濃度下（5， 10， 20 mg/L），硝酸鹽很快被消耗，并且反硝化除磷的效率隨著濃度的增加而上升。在高濃度下（30， 60， 120 mg/L），僅當濃度為30 mg/L時，擁有較好地去除效果。在濃度為60和120 mg/L時，缺氧結(jié)束后磷的濃度陡然上升至9.94和11.41 mg/L，這就反映出了高濃度硝酸鹽對于反硝化除磷的抑制效果。朱文韜^[16]等以硝酸鹽為電子受體進行反硝化除磷，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)（5， 15， 20， 40 mg/L）除磷效果隨著硝酸鹽濃度的增加而升高，且釋磷與吸磷速率都有增加的趨勢。并且他們發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽消耗量與反硝化攝磷量呈良好的線性關(guān)系。

1.3.2??亞硝酸鹽

自Dae Sung Lee等于2001年第一次證明了亞硝酸鹽也可以作為電子受體進行反硝化除磷后，有關(guān)于亞硝酸鹽作為電子受體的研究熱度就一直居高不下。其中最主要的爭議點就是亞硝酸鹽在缺氧段的抑制濃度問題。Shaoqi Zhou^[15]等對于小濃度的亞硝酸鹽的效果進行了研究。當亞硝酸鹽濃度較小時（4， 6， 8， 16 mg/L），可以觀察到初始磷吸收速率隨著亞硝酸鹽濃度的增加而增大，隨著亞硝酸鹽完全被消耗，吸磷速率逐漸減緩直至停止。HUANG RongXin^[17]等在實驗中對亞硝酸鹽的抑制性進行研究，在2 h的厭氧反應(yīng)后，將污泥等分然后分別加入不同濃度的亞硝酸鹽（20， 25， 30， 35， 40 mg/L）來觀察缺氧吸磷效果。實驗結(jié)果表明當亞硝酸鹽的濃度低于30 mg/L時，對于吸磷不會產(chǎn)生抑制作用。但是當濃度高于30 mg/L時，則產(chǎn)生了明顯的抑制作用，缺氧結(jié)束后的吸磷量顯著下降。劉侃^[18]等則在實驗中得出對于反硝化除磷過程亞硝酸鹽的抑制濃度為15 mg/L。對于學者們得出的不同結(jié)論，主要原因在于實驗所采用的工藝方法、實驗控制條件存在差異性。所以采用亞硝酸鹽作為電子受體的具體最佳濃度還是要具體問題具體分析，不能一概而論。

1.4??溫度

生物反應(yīng)的本質(zhì)就是生物體內(nèi)的酶促生化反應(yīng)。酶作為一種蛋白質(zhì)，它的反應(yīng)活性受到溫度的限制，所以這就決定了在污水處理中想要取得良好的處理效果就必須控制反應(yīng)溫度。相對于其他的影響因素，溫度這個條件更難控制，尤其是在實際的污水廠的運行中。研究人員認為聚磷菌的溫度生態(tài)幅較窄或者說其可能為嗜溫菌，所以溫度的變化就有可能導致污泥中菌群結(jié)構(gòu)的變化。Carlos M. Lopez-Vazquez^[19]等以15～30 ℃為區(qū)間進行研究，發(fā)現(xiàn)溫度越低，聚磷菌在菌群中所占比例越大。ZOU HAIMING^[20]等則將溫度區(qū)間降低至8～11 ℃，利用A/O、A/A兩種工藝分別來研究聚磷菌與反硝化聚磷菌在低溫下的反應(yīng)活性。結(jié)果表明，聚磷菌與反硝化聚磷菌分別在40與80 d的培養(yǎng)后，達到了比較穩(wěn)定的除磷效果。也就是說聚磷菌比反硝化聚磷菌更加適應(yīng)于低溫下的生長。張?zhí)m河^[21]等則采用改良的A2/O反應(yīng)器進行試驗，測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)溫度過高或者過低都會導致釋磷與吸磷速率的變化，而在27 ℃時，反硝化聚磷菌在菌群中的占比達到最大，與此同時吸磷速率與PHB氧化速率都達到最大值。王榮昌^[22]等以中試規(guī)模生物強化除磷A2/O活性污泥工藝系統(tǒng)為研究對象，考察溫度對系統(tǒng)運行性能的影響。結(jié)果表明，當溫度從（30.9±0.8）℃降低到（9.1±0.6）℃時，系統(tǒng)的脫氮除磷效果顯著下降。并且隨著溫度的降低，污泥中粒徑分布更加集中，系統(tǒng)中活性污泥絮體顆粒平均粒徑減小，不利于污泥絮體內(nèi)部反硝化除磷缺氧微環(huán)境的形成。

1.5 ?SRT

污泥齡（SRT）是指反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)微生物從其生成到排出系統(tǒng)的平均停留時間，也就是反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的微生物全部更新一次所需的時間。污泥齡是活性污泥法運行中重要的控制參數(shù)，它反映了系統(tǒng)中微生物生長狀態(tài)、生長條件及世代周期等基本特性。污泥齡過短會導致系統(tǒng)中的污泥濃度不斷下降，污泥中的菌群還未完全繁殖就被排出，久而久之污泥系統(tǒng)隨著泥量的減少而崩潰;污泥齡過長則會使污泥老化，活性降低，降低處理效果。姜廣萌^[23]等設(shè)置了不同的污泥齡（10， 15， 20， 25， 30 d）進行實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當污泥齡在25 d以下時，氨氮的去除率一直保持在94%以上，當污泥齡為30 d時，氨氮的去除率下降到74.9%。同樣，Qingling Zeng^[24]等實驗發(fā)現(xiàn)，當污泥齡從10 d增長到25 d時，氨氮的去除率從（90±2.6）%上升到 （97±2.5）%，TN的去除率從（51±1.3）%上升到（84±2.9）%。李微^[25]等研究表明，當污泥齡分別為10、16、24、32 d時，最佳除磷效果出現(xiàn)在污泥齡為24 d，此時去除率高達89.66%。賀穎^[26]等則根據(jù)實驗得出當污泥齡為16天和32 d時出水磷濃度較低，而當污泥齡為8 d和160 d時出水磷濃度較高。所以對于污泥系統(tǒng)的脫氮性能來講，污泥齡對其影響較小，只要污泥齡長于大部分反硝化菌的世代周期，總體可保持較高的去除率。但是對于除磷來講，反硝化除磷菌世代周期長，增長緩慢。污泥齡過短時，污泥中的菌群數(shù)量下降，反硝化聚磷菌就會逐漸失去競爭優(yōu)勢。污泥齡過長時，系統(tǒng)污泥濃度上升，厭氧狀態(tài)下缺少足夠的碳源，從而在缺氧時沒有足夠的PHB進行吸磷。所以選擇合適的污泥齡對于反硝化除磷系統(tǒng)來說至關(guān)重要。

2??總結(jié)與展望

反硝化除磷將脫氮與除磷結(jié)合起來，不僅達到了較好地去除效果，也減少了曝氣量與碳源投加量，同時也減少了污泥產(chǎn)量。所以反硝化除磷技術(shù)作為一種高效節(jié)能的處理工藝，擁有著很廣闊的發(fā)展前景，尤其是對于我國較為普遍的低COD污水的處理有著很重要的現(xiàn)實意義。但是目前來說，反硝化除磷工藝還處于實驗室研究階段，距實際應(yīng)用還存在一定的距離。所以還需要進行更加深入的研究反硝化除磷機理，簡化工藝流程，優(yōu)化管理方法。

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