郝建軍，王薪惠，丁佳琪，李妍妍，解澍帆，趙榮興

低C/N比污水脫氮除磷技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展

郝建軍*1，王薪惠1，丁佳琪1，李妍妍1，解澍帆1，趙榮興2

（1. 沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2. 中國(guó)石油遼河石化分公司，遼寧 盤(pán)錦 124000）

人類的生存依賴水資源，工業(yè)的快速進(jìn)步發(fā)展對(duì)水體產(chǎn)生負(fù)面影響，氮、磷過(guò)度排放使得水體持續(xù)惡化，隨之而來(lái)的水污染成為不可小覷的重大環(huán)境問(wèn)題, 干擾人類正常生命活動(dòng)，毀壞生態(tài)平衡，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)綠色長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展停滯的根源?，F(xiàn)已通過(guò)多種技術(shù)對(duì)水環(huán)境進(jìn)行改善修復(fù)，其中低C/N比污水脫氮除磷是解決環(huán)境問(wèn)題的重要方法和研究熱點(diǎn)。以傳統(tǒng)工藝和新型工藝為切入點(diǎn)，以應(yīng)用型和改進(jìn)型為分類方法，對(duì)現(xiàn)今低C/N比污水脫氮除磷處理工藝進(jìn)行總結(jié)，旨在為低C/N比污水脫氮除磷技術(shù)的發(fā)展提供新參考和新思路。

低C/N比； 污水； 脫氮除磷技術(shù)

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不可避免的向環(huán)境中輸出大量污廢水，污水中所含氮磷元素為水體富營(yíng)養(yǎng)化提供條件，因此污水氮磷問(wèn)題的整頓日趨緊要。污染源的調(diào)控和處理是有效的方式[1]。污水中的有機(jī)氮在氨化菌的作用下氨化為氨氮，成為以下兩方面的供給：一方面在好氧環(huán)境下，經(jīng)由硝化菌的亞硝化、硝化作用氧化為硝態(tài)氮，產(chǎn)生的硝態(tài)氮經(jīng)反硝化菌的反硝化作用還原為N2；另一方面氨氮可作為微生物的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)給，為合成新細(xì)胞供能，使微生物得以增殖，最終以剩余污泥的形式排放，達(dá)到污水氮去除的目的。沿襲至今的污廢水氮磷轉(zhuǎn)換技術(shù)種類繁多[2-6]。

目前國(guó)內(nèi)城鎮(zhèn)污水碳氮比(C/N)多在3.8～8.5范圍內(nèi)，當(dāng)C/N比小于7.1時(shí)屬于低C/N比污水[7-8]，應(yīng)用A2/O生物法脫氮除磷工藝在處理低C/N比污水時(shí)，由于生物脫氮工藝反硝化碳源不足無(wú)法滿足脫氮要求[9]，導(dǎo)致A2/O生物法脫氮除磷效率較低。近年來(lái)研究者志在改良工藝，簡(jiǎn)化操作，力求在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提升污廢水的除害再利用，為污水環(huán)境治理提供新展望。因此低C/N比情況下，探求新型生物脫氮除磷工藝，提高脫氮除磷效果是當(dāng)前污水處理的主要研究方向，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)低C/N比條件下脫氮除磷工藝進(jìn)行歸納分析，為處理低C/N比廢水提供依據(jù)。

1 脫氮除磷工藝組合應(yīng)用型

1.1 A2/O-MBR組合工藝

A2/O-MBR處理工藝按照種類不同的微生物對(duì)于生長(zhǎng)環(huán)境要求的不同將整個(gè)處理過(guò)程劃分為厭氧段，缺氧段和好氧段三部分接續(xù)進(jìn)行。丁毅、廖蔚峰、袁志紅等研究者[10-13]利用A2/O-MBR組合工藝處理農(nóng)村生活污水和有機(jī)污水，發(fā)現(xiàn)出水COD可達(dá)80%～90.0%、BOD5可達(dá)90.1%～98.9%、NH3-N可達(dá)92.3%～99.7%、TN 均值可達(dá)75%～78.6%、TP均值可達(dá)69.8%～74.3%，有效去除生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的氮磷污廢水。

1.2 倒置A2/O-MBR組合工藝

MBR是一種將膜分離與生物處理相結(jié)合的新型污廢水處理工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)單一沉淀池的分離效果，其優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，且處理后的水質(zhì)澄澈，水中所含懸浮物僅有極少量，水體濁度趨近于零[14-16]。齊梓漩等[17]在綜合考慮總氮（TN）和膜的污染情況下，研究倒置A2/O-MBR組合工藝處理低碳氮比污水的脫氮除磷，獲得組合工藝的最佳工藝條件為氣水比=25∶1，回流比=250%，MLSS=7 000～9 000 mg·L-1，對(duì)低碳氮比污水的處理效果趨于平穩(wěn)，且在未施加強(qiáng)化處理下，使得處理后出水COD，BOD5，NH3-N，SS滿足污廢水一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，出水TN，TP(總磷)的排出濃度為19 mg·L-1和1.88 mg·L-1，使得優(yōu)化的傳統(tǒng)工藝處理效果顯著提升。

1.3 A2/O-BAF(曝氣生物濾池)組合工藝

A2/O-BAF組合工藝是將A2/O和BAF生物膜系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)接連，BAF系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)發(fā)生硝化反應(yīng)，從而為A2/O中反硝化菌和反硝化聚磷菌供給NO3--N，實(shí)現(xiàn)“一碳兩用”，高效處理低C/N生活污水[18]。趙鑫磊等[19]采用A2/O-BAF雙污泥系統(tǒng)，研究池容比(厭氧∶缺氧∶好氧)對(duì)放置時(shí)間達(dá)2個(gè)月的活性污泥去除污染物性能的情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)厭氧∶缺氧∶好氧=3∶5∶2時(shí)，其出水TN和TP去除率可達(dá)80.47%、92.02%。呂冬梅等[20]研究厭氧段化學(xué)需氧量(COD)和厭氧反應(yīng)耗費(fèi)時(shí)間和對(duì)A2/O-BAF工藝反硝化聚磷效果的相關(guān)性，分析發(fā)現(xiàn)處理過(guò)程中隨著COD和反應(yīng)耗費(fèi)時(shí)間的延長(zhǎng)均呈現(xiàn)不同程度的增加，但反硝化聚磷量與釋磷量的比值恒定不變。黃劍明[21]對(duì)A2/O-BAF系統(tǒng)處理低C/N和低C/P生活污水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)處理?xiàng)l件為低溫（11～14 ℃），控制系統(tǒng)污泥齡12 d、硝化液回流比200%，污泥回流比100%，可使處理后出水COD、氨氮、TN、TP 的量符合排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 脫氮除磷工藝組合應(yīng)用型處理效果對(duì)比表

2 脫氮除磷改進(jìn)工藝組合型

2.1 A/O-MBR組合工藝

A/O-MBR是將傳統(tǒng)的A/O活性污泥法和MBR膜工藝相結(jié)合，利用MBR膜實(shí)現(xiàn)水與污泥停留時(shí)間的分離，達(dá)到泥水分離和污泥濃縮的處理工藝[22]。苑紹鵬等[23-26]用A/O-MBR組合工藝處理低C/N比污水，發(fā)現(xiàn)污水硝化及脫氮效果改善明顯，100%回流比條件下的脫氮效果最佳；張遠(yuǎn)鵬[27]建立新型活性污泥ASM3模型，該模型可預(yù)測(cè)出水中的常規(guī)水質(zhì)和反應(yīng)器內(nèi)的EPS、SMP濃度，為合理控制MBR內(nèi)得膜污染提供依據(jù)；楊超等[28]利用聚氨酯泡沫有效減緩A/O-MBR工藝處理低C/N比生活污水過(guò)程的膜污染。鄭凱等[29]通過(guò)更改處理污廢水過(guò)程中污泥回流位置對(duì)多級(jí)A/O-MBR組合工藝進(jìn)行改良，達(dá)到優(yōu)化除磷效率的目的，TP平均去除率達(dá)到86.36%，COD、TN及氨氮處理后均達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 SBR工藝

序批式活性污泥法工藝(SBR)是一種以間歇曝氣為運(yùn)行方式為的活性污泥污廢水處理工藝。其特有的SBR反應(yīng)池是將均化、初沉、生物降解、二沉等工序劃歸為統(tǒng)一的反應(yīng)池，適用于污廢水處理空間有限的場(chǎng)景，具有分離污泥污水效果好、推動(dòng)氧轉(zhuǎn)移動(dòng)力足、產(chǎn)出污泥率小、微生物活性高、可控性好、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。蔡英英等[30]采用改良型SBR工藝處理豬場(chǎng)廢水,發(fā)現(xiàn)出水COD含量低至401～544 mg·L-1；NH4+-N低至10 mg·L-1；磺胺和β-內(nèi)酰胺類抗生素去除率達(dá)72.97%～90.82%。謝謙[31]通過(guò)厭氧/好氧/缺氧SBR工藝，在反應(yīng)器內(nèi)初步實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化與除磷的耦合，通過(guò)控制C/N比、進(jìn)水pH值以及曝氣量，比較不同條件下SBR系統(tǒng)COD、NH4+-N、TN、TP平均去除率可分別達(dá)到95%、98%、89%、94%，證實(shí)SBR對(duì)城市高氨氮、低碳氮比污水進(jìn)行同步脫氮除磷的可利用性。

3 新型脫氮除磷工藝

3.1 SND工藝

SND中硝化反應(yīng)所得產(chǎn)物可直接進(jìn)入反硝化階段[32]，有效規(guī)避抑制硝化反應(yīng)的硝酸根累積，促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行，簡(jiǎn)化操作難度。有研究者發(fā)現(xiàn)可利用氧擴(kuò)散使微生物膜和生物絮體的內(nèi)外溶解氧(DO)濃度出現(xiàn)差異，外層DO含量高，有利于好氧硝化菌和氨化菌存活；內(nèi)層DO含量低，有利于外部好氧菌的消耗和反硝化菌存活[33-34]。劉俞辰等[35]研究了DO濃度、pH、C/N比、水力停留時(shí)間(HRT)等因素對(duì)SND的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DO質(zhì)量濃度=2.5 mg·L-1、 pH=8、C/N=12、HRT=8.0 h時(shí)SND易于發(fā)生，脫氮效果最佳。陳翠忠等[36]研究了不同C/N比下SND處理的脫氮效能，分析得到隨著C/N比的降低，SND對(duì)總氮去除率由89%下降到63.7%，過(guò)低的C/N比抑制了SND總氮去除率。

3.2 Anammox工藝

Anammox工藝是以NO2-N和NH4+-N為反應(yīng)基質(zhì)的一種生物酶促反應(yīng)[37]，在厭氧氨氧化菌(AOB、NOB、DNB和AAOB)驅(qū)動(dòng)下，將短程硝化反應(yīng)與厭氧氨氧化反應(yīng)所結(jié)合構(gòu)建的厭氧氨氧化自養(yǎng)脫氮工藝[38]，具有脫氮方式簡(jiǎn)單、無(wú)需曝氣和有機(jī)物、污泥產(chǎn)出少等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)友好的生物脫氮工藝[39-40]。Anammox工藝有穩(wěn)定的亞硝酸鹽氮(NO2-N)電子受體供給源，污廢水總氮去除率效能高。馬瑞婕等[41-43]研究諸多因素對(duì)PNA工藝及機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)乙酸鈉可作為理想碳源；最佳工藝為COD/NO3-N：2～3，溫度：25～35 ℃，pH=8.3；濃度過(guò)大的鐵離子、錳離子積累的毒性和外界強(qiáng)光均可破壞厭氧氨氧化菌活性，影響氨氮的去除率。李天皓等[44]在低溫(<20 ℃)實(shí)驗(yàn)條件下研究發(fā)現(xiàn)采用間接投加廢鐵屑的方式可以促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生命活動(dòng)，且效果顯著。

3.3 交替AAO短程硝化反硝化工藝

交替AAO短程硝化反硝化工藝工藝流程所應(yīng)用的原理為：含氮磷污廢水進(jìn)入聚磷菌存在的厭氧段，聚磷菌釋放磷，將污廢水中部分有機(jī)大分子逐步生物降解為揮發(fā)性物質(zhì)，并將有機(jī)質(zhì)脂肪酸轉(zhuǎn)換為PHB的形式存儲(chǔ)于微生物細(xì)胞中,期間所釋放的能量用于供給聚磷菌維持生命活動(dòng)；缺氧段的反硝化細(xì)菌將硝酸鹽轉(zhuǎn)化成無(wú)毒無(wú)害的氮?dú)忉尫诺酱髿庵?，完成降低污廢水COD與脫氮的指標(biāo)；硝化細(xì)菌通過(guò)生物硝化作用，將進(jìn)入在好氧段的氨氮和胺氮轉(zhuǎn)化生成硝酸鹽輸送至缺氧段進(jìn)一步轉(zhuǎn)換[45]；二次進(jìn)入缺氧段的污廢水利用殘留的有機(jī)基質(zhì)和轉(zhuǎn)換所得PHB，汲取磷酸鹽，得以實(shí)現(xiàn)磷的去除[46-49]。葉嘯天等[50]已證明反應(yīng)器內(nèi)DO、NO2-N的濃度對(duì)AOB的生物毒性和污泥的大量排除抑制反硝化菌活性，降低氨氮去除率。王文琪等[51]研究表明亞硝酸鹽間歇生成，脫氮除磷性能更穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)短程硝化與反硝化除磷過(guò)程的反應(yīng)平衡，使得系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

低C/N比污水脫氮除磷技術(shù)的種類繁多，各有利弊，不同組合工藝的產(chǎn)生有效實(shí)現(xiàn)低成本、低污泥產(chǎn)量、綠色化學(xué)的行業(yè)要求而具有廣闊的應(yīng)用前景，為突破實(shí)際應(yīng)用中面臨的反應(yīng)底物不足、易受環(huán)境干擾、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等挑戰(zhàn)提供新思路，新見(jiàn)解。針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題，研究可側(cè)重以下幾點(diǎn)：(1)探究不同種類功能菌的作用及代謝機(jī)理，為脫氮除磷的最佳工藝參數(shù)篩選提供微觀理論根據(jù)；(2)探究影響不同種類功能菌活性的因素，規(guī)避功能酶活性的抑制，使功能性酶的活性達(dá)到維穩(wěn)態(tài)；(3)創(chuàng)建新的組合工藝，對(duì)現(xiàn)今投入生產(chǎn)的工藝進(jìn)行優(yōu)化，致力于精簡(jiǎn)脫氮除磷工藝步驟，降低能耗成本，提升去除效率，加大對(duì)污泥的回收再利用。

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Research Progress in Application of Nitrogen and Phosphorus Removal Technology in Low C/N Ratio Wastewater

*1,1,1112

（1. School of Environmental and Chemical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China; 2. PetroChina Liaohe Petrochemical Company, Panjin Liaoning 124000, China）

Human survival depends on water resources. The rapid progress and development of industry has a negative impact on the water body. The excessive discharge of nitrogen and phosphorus makes the water body continue to deteriorate. The subsequent water pollution has become a major environmental problem that cannot be underestimated, interfering with human normal life activities and destroying the ecological balance. It is the root cause of the stagnation of the green long-term development of the national economy. At present, a variety of technologies have been used to improve and repair the water environment, among which nitrogen and phosphorus removal from low C/N ratio sewage is an important method and research hotspot to solve environmental problems. In this paper, the traditional and new processes were taken as the breakthrough point, and the applied and improved processes were taken as the classification methods. The current low C/N ratio sewage nitrogen and phosphorus removal treatment processes were summarized, in order to provide some reference and new ideas for the development of low C/N ratio sewage nitrogen and phosphorus removal technology.

Low C/N ratio; Sewage; Nitrogen and phosphorus removal technology

沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：21-108-9-39）

2022-06-27

郝建軍（1970-），男，教授，博士，內(nèi)蒙古省赤峰市人，2006年畢業(yè)于東北大學(xué)材料學(xué)專業(yè)，研究方向：金屬表面處理、功能材料。

X703

A

1004-0935（2023）01-0094-04