反硝化除磷技術(shù)分析及展望

邴 帥，趙 萌

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

氮(N)、磷(P)是動植物生長所必需的營養(yǎng)元素，但在水中含量過多會引起水體富營養(yǎng)化[1，2]?；省⑥r(nóng)藥和含磷洗滌劑的大量使用導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重[3～5]，而控制富營養(yǎng)化程度的關(guān)鍵在于控制水體中磷的含量[6]，因此，廢水的除磷技術(shù)十分重要，其中高效生物除磷技術(shù)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 反硝化除磷機(jī)理

2 反硝化除磷工藝

2.1 單污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝

單污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝BCFS工藝[12～15]由荷蘭Delft大學(xué)的Mark教授開發(fā)，工藝流程如圖1所示。

圖1 BCFS工藝流程

與UCT(University of cape town process)工藝相比，BCFS工藝增加了兩個(gè)反應(yīng)池：一個(gè)設(shè)置在UCT工藝的厭氧池和缺氧池之間。在此反應(yīng)池中，回流污泥與混合液充分混合，吸附污水中殘留的COD，抑制絲狀菌生長，防止污泥膨脹；另一個(gè)增設(shè)在UCT工藝的缺氧池與好氧池之間，以形成低氧環(huán)境，獲得同時(shí)硝化反硝化的效果，保證出水中的總氮濃度較低。且為使回流污泥向缺氧池中補(bǔ)充硝酸鹽氮，工藝流程中特意增加了兩個(gè)混合液的內(nèi)循環(huán)，這樣更增加了同時(shí)硝化反硝化的機(jī)會，以達(dá)到良好的出水效果。

2.2 雙污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝

2.2.1 A2N雙污泥系統(tǒng)工藝[12～14]

A2N工藝流程如圖2所示。

圖2 A2N工藝流程

污水首先進(jìn)入?yún)捬醭蒯屃?，然后進(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離，含氨較多的上清液進(jìn)入固定生物膜反應(yīng)池進(jìn)行硝化反應(yīng)，沉淀下來的污泥跨越固定生物膜反應(yīng)池進(jìn)入缺氧池完成反硝化除磷。

2.2.2 DEPHANOX工藝[12，13，15]

DEPHANOX工藝是在A2N工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，其工藝流程如圖3所示。

圖3 DEPHANOX工藝流程

與A2N工藝相比，DEPHANOX工藝在缺氧池后面添加了一個(gè)好氧池。該工藝能耗低，不會產(chǎn)生大量剩余污泥，但受硝酸鹽濃度的影響較大。當(dāng)缺氧池中的硝酸鹽不足時(shí)，磷的過量攝取會受到限制；當(dāng)硝酸鹽充足時(shí)，其又會隨回流污泥進(jìn)入?yún)捬醭兀蓴_磷的釋放和PHB的合成。

3 反硝化除磷工藝的影響因素

3.1 亞硝酸鹽濃度

亞硝酸鹽濃度的增加對反硝化吸磷產(chǎn)生抑制作用。裴寧等[16]以SBR反應(yīng)器為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也得到了相同的結(jié)果。亞硝酸鹽對反硝化的抑制作用可能有兩個(gè)原因：亞硝酸還原酶的活性下降了；亞硝酸鹽抑制了磷的吸收或反硝化聚磷菌DPB的增長，使得消耗的ATP減少，最終導(dǎo)致反硝化速率的降低。

3.2 硝酸鹽濃度

硝酸鹽濃度不同，除磷效果也不同。在不同的硝酸鹽濃度下，初始都存在釋磷現(xiàn)象，但隨著硝酸鹽初始濃度的增大，釋磷率快速降低。硝酸鹽初始濃度較高時(shí)，存在著釋磷與吸磷的過渡區(qū)，凈磷吸收量隨著硝酸鹽初始濃度的增大而增加。

王輝等[17]研究了進(jìn)水的硝酸鹽濃度對反硝化除磷過程的影響。結(jié)果表明，進(jìn)水COD濃度為220 mg·L-1、正磷濃度為6.8 mg·L-1、硝酸鹽初始濃度為26 mg·L-1時(shí)，系統(tǒng)的脫氮除磷效果最佳，除磷過程中亞硝酸鹽作為中間產(chǎn)物，其濃度累積到10.71 mg·L-1。采用連續(xù)投加硝酸鹽的方式更利于氮磷的高效去除。

3.3 pH值

pH值對除磷效率有一定影響。Liu等[18]研究表明，當(dāng)pH值在6.4～7.2時(shí)除磷效率最高。

DPB在厭氧段的釋磷量和pH值有一定關(guān)系。Kuba等[19]在不同pH值下對DPB在厭氧段的釋磷量和醋酸消耗量進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然pH值對醋酸的消耗量沒有影響，但隨著pH值的增大，P/C比值相應(yīng)增大。

3.4 溶解氧

在反硝化除磷工藝中，控制釋磷的厭氧條件極為重要。只有保證絕對厭氧，聚磷菌才能將溶解性COD轉(zhuǎn)化為PHB儲存在體內(nèi)從而充分釋磷[20]。厭氧段的溶解氧含量通常用氧化還原電位(ORP)來度量。王亞宜等[21]研究表明，當(dāng)ORP值為負(fù)值時(shí)，其絕對值越高，釋磷能力就越強(qiáng)，ORP值控制在-200～-300 mV之間最佳。

3.5 碳源類型和濃度

只要保證供給厭氧段充足的可降解COD，碳源濃度對有機(jī)物和總磷的去除影響不大。林金鑾等[22]研究了碳源濃度對同步硝化反硝化協(xié)同除磷的影響，結(jié)果表明，C/N值為6.7時(shí)，總氮去除率最高，達(dá)到98.4%；COD∶TN∶TP約為200∶30∶7時(shí)，系統(tǒng)同步脫氮除磷運(yùn)行效果最好。

鄧靖等[23]就A2N反硝化脫氮除磷工藝中不同碳源類型和碳源濃度對厭氧釋磷的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，碳源類型對厭氧釋磷作用有重要的影響，其中投加醋酸鈉的效果最好。隨著碳源濃度的不斷增大，厭氧階段釋磷量和磷的釋放速率都有所增加。

3.6 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間對反硝化除磷工藝的除磷效果影響較大，同時(shí)還會影響去除單位氮和磷所需要的COD量，從而影響到污水廠的占地面積和基建費(fèi)用。王春英等[24]研究表明，對反硝化除磷工藝，好氧段的水力停留時(shí)間滿足充分硝化即可；厭氧段DPB吸附轉(zhuǎn)化COD的同時(shí)充分釋放磷為下一步做準(zhǔn)備；缺氧段則需要有充足的吸磷時(shí)間，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但不宜過長，否則會導(dǎo)致磷的二次釋放。

4 反硝化除磷技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的比較

現(xiàn)有的除磷方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法，其中生物法又分傳統(tǒng)生物除磷和反硝化生物除磷。物理法成本高、技術(shù)復(fù)雜，已經(jīng)很少采用；化學(xué)法會產(chǎn)生大量的剩余污泥，加大后續(xù)處理的經(jīng)濟(jì)投入，其應(yīng)用也逐漸減少。目前處理生活污水大部分采用生物法[25]，生物法得到了社會的廣泛重視，雖然單獨(dú)利用生物法除磷可能達(dá)不到國家規(guī)定的出水標(biāo)準(zhǔn)，但再輔以化學(xué)除磷則很容易達(dá)到出水水質(zhì)指標(biāo)。

反硝化除磷和傳統(tǒng)的生物除磷技術(shù)有著本質(zhì)上的區(qū)別：傳統(tǒng)生物除磷是利用聚磷菌等微生物，從環(huán)境中過量地?cái)z取磷，將磷以聚合態(tài)形式貯藏在菌體內(nèi)，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，從而達(dá)到除磷效果[26]。傳統(tǒng)生物除磷中存在著脫氮和除磷的矛盾，硝酸鹽含量是其除磷的限制性因素，聚磷菌和反硝化菌等共存于同一環(huán)境，對污水中的基質(zhì)存在著嚴(yán)重的競爭，無法保證每種微生物都獲得各自最佳的生長環(huán)境。而反硝化除磷工藝中，DPB作為優(yōu)勢菌群，減少了其和反硝化菌之間對有機(jī)物的競爭，可對污水中更多的有機(jī)物進(jìn)行反硝化和脫磷，由于反硝化菌和DPB可在各自最佳環(huán)境中生長、可共用碳源，達(dá)到一碳兩用的效果，因此硝化反應(yīng)不再是限制性因素，曝氣區(qū)的容積得以縮小，從而減少了曝氣能耗，產(chǎn)生的污泥量大大減少，因此也節(jié)省了后續(xù)污泥的處理費(fèi)用。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，反硝化除磷技術(shù)優(yōu)勢獨(dú)特，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

5 展望

反硝化除磷作為一種新的可持續(xù)發(fā)展的生物處理工藝，發(fā)展前景廣闊，其節(jié)約能源與碳源、可實(shí)現(xiàn)污泥減量的特點(diǎn)引起了研究者廣泛的興趣。但目前生物除磷機(jī)理尚不十分清楚，除磷工藝流程有待進(jìn)一步優(yōu)化，工業(yè)廢水中磷的浪費(fèi)嚴(yán)重。未來研究大致集中在生物除磷原理的探討、生物與化學(xué)聯(lián)合除磷工藝的研究、在線監(jiān)測技術(shù)的利用及工業(yè)廢水中磷的回收等，通過對反硝化除磷技術(shù)的深入研究，從而提高工藝脫氮除磷效果，促進(jìn)節(jié)能減排，滿足經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

參考文獻(xiàn)：

[1] Geoge T，Urton F L B，Stensed H D.Wastewater Engineering:Treatment Disposal and Reuse(Fourth edition)[M].Metcalf and Eddy，Inc.Mc Graw-Hill，2000:287-290.

[2] Seviour R J，Mino T，Onuki M.The microbiology of biological phosphorus removal in activated sludge systems[J].FEMS Microbiology Reviews，2003，27(1):99-127.

[3] 鮑艷衛(wèi)，張雁秋.城市污水處理工藝及其原理[J].電力環(huán)境保護(hù)，2008，24(5)：47-50.

[4] 李圭白，張杰.水質(zhì)工程學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005：1-7.

[5] 張自杰，林榮枕，金儒霖.排水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000：13-20.

[6] 張潁，鄧良偉.廢水中磷的去除研究[J].中國沼氣，2005，23(3):11-14.

[7] Kuba E，Murnleitnem E，van Loosdrecht M C M，et al.A metabolic model for the biological phosphorus removal by denitrifying organisms[J].Biotechnology and Bioengineering,1996，52(6):685-695.

[8] 馬娟，彭永臻，王麗，等.反硝化除磷技術(shù)及其影響因素分析[J].工業(yè)水處理，2009，29(4):4-8.

[9] 張興華，宋衛(wèi)鋒，瞿建國.生物反硝化除磷工藝及影響因素的研究進(jìn)展[J].廣東化工，2009，36(4):128-131.

[10] Mino T，van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphate removal process[J].Water Res，1998，32(11):3193-3207.

[11] 王秀云.廢水除磷技術(shù)的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2009,15(16):92-93.

[12] 尹軍，吳相會，王曉玲，等.污水生物除磷技術(shù)若干研究進(jìn)展[J].中國資源綜合利用，2009，27(1):24-27.

[13] 劉國全.利用反硝化聚磷菌實(shí)現(xiàn)城市污水的脫氮除磷[J].四川環(huán)境，2009，28(2):91-95.

[14] 周小紅，陳洪斌，何群彪.除磷微生物和新型除磷工藝[J].四川環(huán)境，2006，25(4)：1-5.

[15] 邵友元，姚創(chuàng)，汪義勇，等.生物廢水處理中除磷機(jī)理及工藝分析[J].化學(xué)與生物工程，2007，24(10):5-8.

[16] 裴寧，趙俊山，王成彥，等.亞硝酸鹽對反硝化除磷菌抑制機(jī)理研究[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，25(4):415-418.

[17] 王輝，沈耀良.硝酸鹽對反硝化除磷過程的影響分析[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3(6):977-980.

[18] Liu Yan,Chen Yinguang，Zhou Qi.Effect of initial pH control on enhanced biological phosphorus removal from wastewater containing acetic and propionic acids[J].Chemosphere，2007，66(1):123-129.

[19] Kuba T，Smolders G，van Loosdrecht M C M，et al.Bioligical phosphorus removal from wastewater by anaerobic-aerobic sequencing batch reactor[J].1993，27(5-6):241-242.

[20] 張杰,劉婧，李相昆，等.新型雙污泥反硝化除磷工藝的初步研究[J].黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(1):1-5.

[21] 王亞宜，彭永臻，王淑瑩，等.反硝化除磷理論、工藝及影響因素[J].中國給水排水，2003，19(1):33-36.

[22] 林金鑾，張可方，方茜，等.碳源濃度對同步硝化反硝化協(xié)同除磷影響研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32(9):5-8.

[23] 鄧靖，呂錫武，徐微，等.A2N反硝化除磷工藝厭氧釋磷的影響因素[J].中國給水排水，2009，25(7):26-29.

[24] 王春英，隋軍.反硝化除磷工藝效能與運(yùn)行控制[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2009，28(3):84-86.

[25] 陳旭鵬.城市污水除磷及其控制要點(diǎn)[J].廣東化工，2007，34(8):85-87.

[26] 唐志堅(jiān)，徐智，朱步洲，等.污水除磷脫氮與磷回收技術(shù)[J].化學(xué)工程師，2009，(6):47-50.