淺談反硝化除磷脫氮工藝影響因素

景亞萍，張祥楠

（1.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168；2.積水置業(yè)（沈陽(yáng)）有限公司，沈陽(yáng) 110003）

0 引言

傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝是由脫氮和除磷的組合工藝完成的，利用聚磷菌厭氧釋磷好氧吸磷的特點(diǎn)在厭氧/好氧交替的環(huán)境下，通過(guò)排放剩余污泥完成對(duì)磷的去除。脫氮過(guò)程主要通過(guò)氨化作用、硝化作用、反硝化作用最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)舛蝗コ?，首先是氨化過(guò)程，即異養(yǎng)微生物在好氧或缺氧條件下，將污水中的蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、脂類等有機(jī)氮源轉(zhuǎn)化成氨氮，稱該類微生物為氨化細(xì)菌；硝化作用是分兩步完成的，首先在亞硝化細(xì)菌的作用下將氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝態(tài)氮，而后由硝化細(xì)菌將亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，即硝化過(guò)程，亞硝化菌與硝化菌均屬于化能自養(yǎng)菌，在不需要有機(jī)碳源作為養(yǎng)料的條件下，能以二氧化碳為碳源，通過(guò)氧化無(wú)機(jī)氮化物獲得生長(zhǎng)所需的能量；反硝化作用是指反硝化菌在低氧或無(wú)氧條件下，將NOX--N還原成氮?dú)饣虻钠渌麣鈶B(tài)氧化物的過(guò)程。目前，隨著城市污水中碳氮和碳磷比值的降低，傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝中存在著聚磷菌與反硝化菌爭(zhēng)奪碳源的問(wèn)題就尤為明顯，因此需在水處理中投加碳源，這使得污水的處理費(fèi)用相應(yīng)增加；由于污水新排放標(biāo)準(zhǔn)的提出，使得原有污水處理廠對(duì)氮和磷的排放達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，目前我國(guó)許多污水處理廠面臨著升級(jí)改建的危險(xiǎn)；近年來(lái)，反硝化聚磷菌（DPB）的發(fā)現(xiàn)，成功地解決了碳源爭(zhēng)奪及泥齡不一致的矛盾，實(shí)現(xiàn)了“一碳兩用”。而環(huán)境對(duì)DPB脫氮除磷特性的影響眾說(shuō)紛紜。

1 反硝化聚磷菌脫氮除磷的基本原理

反硝化聚磷菌（DPB）被證實(shí)具有與好氧聚磷菌極為相似的代謝特征。Kuba等從動(dòng)力學(xué)性質(zhì)上對(duì)兩類聚磷菌進(jìn)行比較，結(jié)果表明以硝酸鹽作為電子受體的DPB與好氧聚磷菌有著同樣高的生物除磷特性，DPB是兼性厭氧菌，它能夠利用生物體內(nèi)合成的高分子聚合磷酸鹽在厭氧/缺氧交替變化中進(jìn)行生物除磷作用。DPB在厭氧、好氧過(guò)程中對(duì)磷的去除與好氧聚磷菌類似，不同于在缺氧的條件下DPB可利用水中的硝酸鹽作為電子受體，完成脫氮的同時(shí)進(jìn)行吸磷作用，DPB的除磷脫氮過(guò)程如下：

（1）在厭氧條件下，DPB將細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽（Poly—P）以溶解性的磷酸鹽形式釋放到溶液中，同時(shí)釋放能量，一部分能量用于自身生長(zhǎng)，另一部分能量用于從外界環(huán)境中吸收有機(jī)碳源，并以聚-β羥基丁酸（PHB）的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)。在厭氧條件下主要完成釋磷和貯存碳源。

（2）聚磷菌在好氧條件下以O(shè)2為電子受體氧化分解厭氧段貯存在菌體內(nèi)的PHB，并釋放出能量，合成ATP，同時(shí)從外界環(huán)境內(nèi)過(guò)量攝取磷酸鹽合成Poly-P儲(chǔ)存在體內(nèi)。聚磷菌在好氧條件下的吸磷量遠(yuǎn)大于在厭氧段的釋磷量，最終通過(guò)系統(tǒng)的排泥完成除磷作用。與好氧聚磷菌不同的是，DPB可以硝酸鹽作為電子受體，在缺氧條件下氧化分解體內(nèi)的PHB，同時(shí)將硝酸鹽還原成氮?dú)舛懦?，達(dá)到了同時(shí)脫氮除磷的效果。

2 影響因素

2.1 溫度

生物處理的污水的實(shí)質(zhì)是利用微生物體內(nèi)的酶促反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)利用污水中的有機(jī)物完成微生物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程，而溫度對(duì)酶促反應(yīng)有很大的影響，因此在反硝化脫氮除磷工藝中合理控制反應(yīng)器內(nèi)溫度對(duì)污水處理有很重要的意義。

陳瀅等［1］研究表明，在穩(wěn)定運(yùn)行的反硝化除磷脫氮工藝中，突然降低反應(yīng)器內(nèi)溫度，會(huì)產(chǎn)生非絲狀菌膨脹，這是由于溫度突然降低，會(huì)使細(xì)菌形成自身保護(hù)，微生物會(huì)分泌一些粘性物將菌體包裹起來(lái)，由于黏性物質(zhì)含有大量水分，使得污泥的沉降性下降，因此產(chǎn)生污泥粘性膨脹。

Whang［2］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度控制在20℃左右時(shí)，聚磷菌在系統(tǒng)內(nèi)所占比例最高，而當(dāng)溫度升至30℃左右時(shí)，聚磷菌數(shù)量會(huì)相應(yīng)減少，而聚糖菌的含量相應(yīng)增加。也有其他學(xué)者得到了類似結(jié)果，并指出隨著反應(yīng)器內(nèi)溫度的升高，會(huì)使聚磷菌的含量明顯降低的現(xiàn)象。

2.2 pH值

pH值是微生物生長(zhǎng)代謝的重要影響因子，它能夠產(chǎn)生細(xì)胞膜電荷的變化，從而影響微生物體內(nèi)酶的活性及對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收。同時(shí)pH值也會(huì)改變微生物生長(zhǎng)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的性質(zhì)及有害物質(zhì)的毒性，不同的微生物都有各自生長(zhǎng)的最適pH值。研究表明，生物除磷的適宜pH值在6.5～8之間，當(dāng)pH值在7.2～8.0之間時(shí)，對(duì)絲狀菌和絮狀菌之間的競(jìng)爭(zhēng)影響不大。

呂娟等［3］在反應(yīng)器內(nèi)控制pH值在6、6.5、7、7.5、8時(shí)，研究不同pH值下反應(yīng)器內(nèi)對(duì)COD、TN、TP去除效果的影響，結(jié)果表明當(dāng)pH值在7.5時(shí)，系統(tǒng)對(duì)COD、TN、TP的去除效果達(dá)到最佳。

Filipe等［4］在對(duì)pH值影響因子的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值小于7.25時(shí)，聚糖菌對(duì)乙酸的吸收速率大于聚磷菌的吸收速率；當(dāng)pH值在7.25時(shí)，二者對(duì)乙酸的吸收速率基本相等；當(dāng)pH值大于7.25時(shí)，聚磷菌對(duì)乙酸的吸收速率大于聚糖菌。

2.3 C/N比

在反硝化除磷脫氮系統(tǒng)中，若缺氧段系統(tǒng)內(nèi)殘余的COD濃度過(guò)高，會(huì)促進(jìn)反硝化菌的生長(zhǎng)同時(shí)利用NO3-進(jìn)行反硝化將其轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ?，而此時(shí)反硝化聚磷菌需以NO3-為電子受體進(jìn)行吸磷作用，這產(chǎn)生了對(duì)NO3-的爭(zhēng)奪，使反硝化菌聚磷菌的吸磷作用受到限制；同時(shí)，聚磷菌吸收殘余的COD將其轉(zhuǎn)化成PHB，導(dǎo)致釋磷現(xiàn)象的發(fā)生使除磷效率下降。也有研究表明C/N的比值與TP的去除率成反比。

王亞宜［5］在A2N系統(tǒng)中研究不同C/N比值下對(duì)除磷脫氮效果的影響，研究表明，當(dāng)C/N在3.93（較低）時(shí)，系統(tǒng)除磷效果較好，但不脫氮效果較差；而當(dāng)C/N在9.64（較高）時(shí)，系統(tǒng)的脫氮效果較好，但其除磷效果較差，當(dāng)C/N在6.49時(shí)，系統(tǒng)的除磷、脫氮效果均較好，這說(shuō)明適當(dāng)?shù)腃/N比對(duì)菌株的脫氮除磷效果較為重要。

吳昌永等［6］運(yùn)用A2/O工藝研究影響因子對(duì)反硝化除磷效果的影響，研究表明C/N的比值越低，缺氧吸磷所占總吸磷量的比例越大，但C/N比太低會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)TN去除率的下降；當(dāng)C/N比低于4時(shí)，反硝化除磷的比例在60%以上，但TN的去除率為62%。

Kuba［7］的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)C/N值在3.4，此條件下除磷率可達(dá)100%。

吳長(zhǎng)航［8］研究表明，在SBBR系統(tǒng)中當(dāng)C/N比值在4.59～6.12之間時(shí)，對(duì)COD，TP、TN均有較好的處理效果。

2.4 SRT

污泥齡對(duì)除磷作用有較大的影響，當(dāng)污泥齡過(guò)短時(shí)，會(huì)造成污泥的增殖量不能補(bǔ)充污泥的排放量，使成熟的反硝化聚磷菌隨剩余污泥排除，使系統(tǒng)內(nèi)反硝化聚磷菌的量減少?gòu)亩鴮?dǎo)致系統(tǒng)除磷率的下降；當(dāng)污泥齡時(shí)，會(huì)使得磷在污泥內(nèi)堆積，不能有效除磷。

李亞靜等［9］在不同的泥齡下（20、15、10d）研究污泥齡對(duì)溶解性正磷酸鹽去除效果的影響，結(jié)果表明當(dāng)污泥齡控制在15d時(shí)，除磷效果最好，平均除磷率在84.4%以上。

李勇智等［10］將反應(yīng)器內(nèi)的污泥齡控制在16d，反應(yīng)器的運(yùn)行效果較好，當(dāng)減少污泥齡至8d時(shí)，反硝化除磷效率迅速下降，當(dāng)重新恢復(fù)污泥齡至16d，運(yùn)行一段時(shí)間后，反硝化聚磷菌的除磷效果逐漸恢復(fù)，除磷率達(dá)90%左右。

李曈等［11］在SBR系統(tǒng)中采用A/A/O工藝，研究污泥齡對(duì)脫氮除磷的影響，研究表明當(dāng)泥齡在10～12d時(shí)，脫氮、除磷效果較好，去除率可分別達(dá)81%和88%。

2.5 缺氧段投加NO3-和NO2-的濃度

Vlekke等［12］和Takahiro等［13］分別利用厭氧/缺氧SBR系統(tǒng)和固定生物膜反應(yīng)器來(lái)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò)創(chuàng)造厭氧/缺氧交替的運(yùn)行環(huán)境，可從中分離篩選出利用NO3-作為電子受體的聚磷菌即反硝化聚磷菌。近年來(lái)人們開始對(duì)以NO2-做電子受體這一問(wèn)題展開研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)亞硝態(tài)氮可以代替氧氣和硝態(tài)氮作電子受體，對(duì)于系統(tǒng)中NO3-、NO2-的濃度的控制仍存在爭(zhēng)議。

方茜等［14］在SBR反應(yīng)器內(nèi)，在厭氧/好氧交替運(yùn)行時(shí)，控制缺氧段NO3-濃度及投加方式，研究NO3-對(duì)DOB的缺氧吸磷性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)NO3-濃度在30～35mg/L時(shí)，DPB的吸磷效果最佳。

呂娟［4］將 NO2-濃度分別控制在 5、10、20mg/L，研究缺氧狀態(tài)NO2-濃度對(duì)除磷效果的影響，結(jié)果表明，隨著NO2-濃度的增加，吸磷速率顯著下降，但當(dāng)NO2-濃度在20mg/L時(shí)，反硝化2h的除磷量5mg/L，這表明，當(dāng)NO2-濃度在20mg/L時(shí)，并未完全抑制系統(tǒng)的吸磷作用。

曾薇等［15］在SBR系統(tǒng)中，研究NO2-的濃度對(duì)除磷系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，研究表明當(dāng)NO2-濃度低于10mg/L時(shí)，對(duì)聚磷菌吸磷釋磷能力影響不大，但當(dāng)NO2-濃度在20mg/L左右時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)聚磷菌的吸磷釋磷能力則顯著下降。

黃榮新等［16］的研究表明，NO2-濃度大于30mg/L時(shí)，對(duì)反硝化除磷產(chǎn)生嚴(yán)重的抑制左右，而當(dāng)NO2-濃度低于25mg/L時(shí)，NO2-可作為電子受體，且隨著NO2-濃度的升高，吸磷速率也逐漸升高。

劉暉等［17］在A2/O工藝中研究缺氧段生物除磷效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，NO2-濃度在50mg/L左右時(shí)，反硝化除磷效果達(dá)到最好。

J.Y.Hu［18］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，只要 NO2-濃度在115mg/L以下時(shí)，NO2-可替NO3-作為電子受體完成吸磷作用。

3 結(jié)語(yǔ)

DPB利用硝酸鹽作為電子受體達(dá)到同步除磷脫氮的效果受到人們的認(rèn)可，反硝化技術(shù)也從基礎(chǔ)研發(fā)階段進(jìn)入到工程應(yīng)用階段，影響因子對(duì)菌株脫氮除磷效果的影響較大，我們需將微生物學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，更多的了解工程操作中影響因素對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷的影響，控制菌株的最佳運(yùn)行條件，才能得到更好的處理效果。

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