反硝化除磷工艺的研究进展

bluesnail

杨聪和，李秀敏，孙力平

（天津城市建设学院 市政与环境工程系，天津 300384）

　　1 前言 　　随着工、农业生产的增长以及人口的增加，含磷洗涤剂、农药、化肥的大量使用，导致近年来水体氮磷污染严重，富营养化问题日益加剧。据全国水资源质量评审统计，我国131个大型湖泊中，达富营养化程度的湖泊有67个，太湖和滇池都出现了不同程度的氮磷污染。城市近郊水体富营养化程度普遍偏高。水体大量富营养化对位列于世界13个贫水国之一的我国无疑是雪上加霜。 　　为缓解水资源危机，建设部在2003年10月的全国城市污水再生利用经验交流和技术研讨会上全面下达要求污水再生利用的指示。但污水的再生利用离不开除磷技术。磷是水体富营养化的限制性因子，以磷含量高的再生水回用于景观、城市二级河道等会引起水体富营养化问题。传统的除磷工艺能耗大，与可持续发展背道而驰。反硝化除磷技术在缺氧条件下，以硝态氮为电子受体，在除磷的同时，还能脱氮，被誉为可持续处理工艺。 　　2 反硝化除磷机理的发展 　　2.1 传统的除磷机理 　　传统的除磷主要是利用聚磷菌（PAOs）的聚磷作用。20世纪70年代中期，人们在传统活性污泥工艺的运行管理中，发现了一类特殊的兼性细菌，如不动杆菌属（Acinetobacter）、气单胞菌属（Aeromonas）、棒杆菌属（Gorymebacterium）等，在好氧状态下能超量地将污水中的磷吸入体内，使体内的含磷量超过10%，有时甚至高达30%，而一般细菌体内的含磷量只有2%左右。这类细菌被广泛地用于生物除磷，称之为聚磷菌。当在厌氧条件时，聚磷菌吸收有机物（如脂肪酸），同时将细胞质内聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来，提供必需的能量。在随后的好氧条件下，所吸收的有机物将被氧化并提供能量，同时从废水中吸收超过其生长需要的磷，并以聚磷酸盐的形式贮存起来。由于系统必须经常排放剩余污泥，被细菌过量摄取的磷也将随着剩余污泥排出系统，从而得到较好的除磷效果[1]。 　　2.2 反硝化除磷机理 　　近几年研究发现，一种反硝化聚磷菌（DPB，denitrifying phosphorus removing bacteria）能在缺氧条件（无氧，存在硝酸盐）下过量吸磷[2]。DPB的生物吸/放磷作用被荷兰Delft工业大学和日本东京大学研究人员合作研究确认，并冠名“反硝化除磷”（denitrifying dephosphatation）。在磷的生物吸/放磷过程中，反硝化除磷细菌以硝酸氮取代氧作为电子受体，也就是说反硝化除磷细菌能将反硝化脱氮和生物除磷这两个认为彼此独立的作用合二为一[3]。 　　反硝化除磷中硝酸盐代替氧作为电子受体。硝酸盐作为电子受体可从许多文献中得到证明[4~7]，国内也对此进行了大量研究[8~10]。 　　硝酸盐作为生物除磷的电子受体的研究已有许多，但对亚硝酸盐是否可以作为生物除磷电子受体的研究却不多见。1999年，Jens Meinhold等人[11]证明了亚硝酸盐可作为电子受体，但他们试验得出的亚硝酸盐的峰顶浓度较低，约为8 mgNO2--N/L。而2003年，新加坡的J.Y.Hu等人[12]研究得到的亚硝酸盐峰顶浓度则较高，为115 mgNO2--N/L。这使得我们在亚硝酸盐存在的缺氧环境下仍能开发生物除磷工艺。 　　3 反硝化除磷工艺的发展 　　反硝化除磷工艺中有单级、双级两种系统。单级污泥系统中，DPB、硝化菌及非聚磷异养菌同时存在于同一悬浮污泥相中，共同经历了厌氧、缺氧和好氧环境，其中最具代表的工艺有BCFs；而在双级污泥系统中，硝化菌则独立于DPB而单独存在于固定膜生物反应器或好氧硝化SBR反应器中。双级污泥系统有Dephanox和A2NSBR等。其中BCFs工艺已运用于工程实践，而双级污泥系统仍停留在小试阶段，离实际运用尚有不少距离。 　　虽然在单、双级污泥系统中DPB都可利用由硝化产生的硝酸盐作为电子受体在缺氧环境中实现反硝化除磷，但后者运行更稳定、处理效果也更好，其原因是双污泥系统为硝化菌和反硝化除磷菌创造了最佳的生长环境，且硝化和反硝化聚磷各系统的SRT可根据实际运行要求来选定（硝化的SRT较长不利于反硝化和除磷，主要原因是聚磷菌体内相当一部分PHB会因长时间的曝气而被消耗掉，从而导致后续反硝化所需碳源的不足）。进一步说，在双污泥系统中可采用生物膜反应器进行硝化来提供NO3-电子受体，这样不仅给生长速率较慢的硝化菌创造了稳定的生长环境，增加了系统中硝化菌量，提高了硝化率，也可减少水力停留时间和反应器体积；同时在无需大规模污泥回流的前提下就能使出水保持较低的硝酸盐浓度[13]。 　　4 反硝化除磷存在的问题及发展趋势 　　反硝化除磷被誉为可持续处理技术，因为该除磷新工艺将反硝化脱氮和生物除磷有机地合二为一，可最大限度地利用碳源，节省能源，并且污泥产量小。自从Kuba等人于1994年在小试试验中发现生物除磷菌可进行反硝化[14]以来，国外对反硝化除磷进行了大量研究，且研发了许多工艺。 　　 反硝化除磷不管是在工艺还是在机理方面，都已有了很大发展，以NO3-作为最终电子受体的反硝化除磷已逐渐得到大家的认可，但NO2-作为生物除磷的最终电子受体的研究在国外尚属少见，而国内尚无这方面的研究。 　　 反硝化除磷的机理已有很大发展，但许多反面还存在争议。文献中认为生物除磷系统的除磷效果与排放的剩余污泥量直接相关[15]，降低系统的泥龄可以提高除磷效果[16]，但泥龄的减少将会导致反硝化聚磷菌从体系中流失[17]，如何控制反硝化除磷系统的泥龄及剩余污泥的排放量是亟待解决的。还有缺氧阶段的COD问题，邹华等人[9]认为缺氧阶段有机碳源的存在会抑制磷的吸收，也有文献认为对同一硝酸盐水平而言，初始COD浓度越高，由释磷转化为吸磷也越晚[18]，而许多文献却认为有机碳源存在对磷的吸收没有影响或有益[19]。邹华等人[9]认为厌氧时间越长，除磷效果越好，但许多文献中认为磷的释放有一级释放和二级释放[20,21]，并认为只有一级释放对吸磷有益，而二级释放对吸磷起抑制作用。 　　 NO2-可作为生物除磷的电子受体已在Meinhold及J.Y.Hu的研究中被证实，但如何控制NO2-高浓度的问题还有待解决。荷兰TU Delft研发的中温亚硝化（SHARON）技术中在30 ~ 35℃下，亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌，则在这个温度范围内，控制水力停留时间，可使亚硝酸菌成为优势菌种[22]，而陈韬等人[23]于18 ~ 25℃下发现短程硝化。有关亚硝酸盐在反应器累积的温度及各工艺条件尚待解决。 　　5 结语 　　与传统的生物除磷相比，反硝化除磷具有以下优势： 　　① 反硝化除磷能节约30%的氧消耗量； 　　② 反硝化除磷能节省50%的碳源，在碳源不足的情况下反硝化除磷可将脱氮和除磷同时兼顾，相应减少50%的剩余污泥量； 　　③ 把反硝化除磷工艺和污泥利用结合起来，是一种环保又节能的工艺。剩余污泥体内含有的聚羟基烷酸酯（PHA）具有生物可降解性和生物可相容性，如被开发代替现有的塑料，亦可减少污染。 　　参考文献

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来源：排水委员会第四届第二次年会

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