生態(tài)處理系統(tǒng)內(nèi)反硝化除磷研究評述

何明陽，耿沖沖

（1.蘭州市污水處理監(jiān)管中心,甘肅 蘭州 730000；2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 氮磷污染概述

1.1 氮磷的污染現(xiàn)狀

氮、磷是水體富營養(yǎng)化的主要限制元素，氮磷的超量排放會導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題。城市生活污水由污水處理廠處理之后達(dá)標(biāo)排放，在一定程度上減輕了水環(huán)境的負(fù)擔(dān)，但由于我國城市人口眾多，所以污水廠的氮磷排放總量依然很大；在廣大的農(nóng)村地區(qū)，由于小型村鎮(zhèn)企業(yè)的大量興起以及農(nóng)村生活污水亂排、直排問題，也普遍導(dǎo)致了河道的污染甚至黑臭水體的產(chǎn)生。在富營養(yǎng)化的水體中，藍(lán)藻和綠藻的大量繁殖會使水體的溶解氧急劇下降、水生動物大量死亡，并且產(chǎn)生具有致癌效應(yīng)的藻毒素間接危害人類的用水安全[1]。我國的121個湖泊營養(yǎng)狀況評價結(jié)果顯示，我國中營養(yǎng)湖泊占26.5%；富營養(yǎng)湖泊占73.5%[2]。21世紀(jì)以來，我國五大湖也都相繼爆發(fā)了不同程度的水華，供水安全岌岌可危、水環(huán)境質(zhì)量問題不容小覷。國家近年來針對水污染專項出臺了一系列的政策舉措，河道治理與流域的水環(huán)境改善已經(jīng)初見成效，新一輪污水處理廠提標(biāo)改造后，氮磷的集中排放量得到了一定程度的降低，但是農(nóng)村地區(qū)普遍的氮磷點源與面源污染問題仍然存在。而針對農(nóng)村分散式污染源的治理也是流域水環(huán)境改善的重要一步?！端廴痉乐涡袆佑媱潯芬?guī)定：“到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體控制在10%以內(nèi)，到2030年，全國七大流域水質(zhì)優(yōu)良比例總體達(dá)75%以上”。氮磷的排放仍是限制流域水環(huán)境改善的關(guān)鍵因素、氮磷的穩(wěn)定處理仍是水處理設(shè)施面臨的主要挑戰(zhàn)，研究簡單易行的強化脫氮除磷技術(shù)具有現(xiàn)實意義。

1.2 反硝化的過程及產(chǎn)物

傳統(tǒng)的脫氮主要依賴的是硝化反硝化作用，在各種污水處理反應(yīng)器中被廣泛應(yīng)用。完整的硝化反應(yīng)是在自養(yǎng)菌的作用下完成兩個階段的反應(yīng)，第一階段的主要反應(yīng)為，氨氧化細(xì)菌（Ammonia-oxidizing bacteria,AOB）在氧的參與下將NH+4轉(zhuǎn)化為N0-2；第二階段的主要反應(yīng)為，在有氧的條件下亞硝化酸鹽氧化細(xì)菌 （Nitrite-oxidizing bacteria,NOB）將N0-2轉(zhuǎn)化為N0-3[3]。反硝化的過程更為復(fù)雜，每一步由反硝化細(xì)菌中不同的基因編碼的各種酶來催化進(jìn)行，在另外一些微生物中發(fā)生厭氧氨氧化的反應(yīng)也能達(dá)到脫氮的目的。生物反硝化按照營養(yǎng)類型劃分為異養(yǎng)反硝化(heterotrophic denitrification)和自養(yǎng)反硝化(autotrophic denitrification)兩種類型。異養(yǎng)反硝化細(xì)菌需要以有機(jī)物作為碳源，并以碳水化合物或者其他有機(jī)物作為能量來滿足生長繁殖的需求，在反硝化過程中占主要比例。而自養(yǎng)反硝化細(xì)菌以二氧化碳作為碳源，并以無機(jī)物作為能源物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖。

1.3 污水中除磷的主要途徑

污水中除磷主要有生物吸收、物理吸附、化學(xué)沉淀三種方式，生物法主要依賴聚磷菌的作用來完成；聚磷菌是一類在交替進(jìn)行好氧/厭氧時，能夠以聚磷酸鹽的形式濃縮磷的微生物。在厭氧條件下，細(xì)菌利用體內(nèi)的聚磷酸鹽為能源，快速吸收乙酸，并以PHB和其他聚羥基羧酸PHAs的形式儲存起來，同時釋放聚磷酸鹽分解產(chǎn)生的溶解性磷酸鹽。在好氧條件時，細(xì)菌以PHAs為能源用于生長，并攝取廢水中的溶解性磷酸鹽，以聚磷酸鹽的形式儲存起來。從好氧和厭氧的能量動力學(xué)來看，細(xì)菌攝取的磷比釋放的磷要多，從而形成了一種在微生物體內(nèi)濃縮磷的機(jī)制，可以通過剩余污泥排出來達(dá)到除磷的效果[4]。

物理以及化學(xué)吸附主要體現(xiàn)在有填料的人工濕地以及生物滯留池系統(tǒng)中填料的作用，不同的吸附介質(zhì)對磷的吸附作用也有不同。貝殼、陶粒的吸附作用大于普通沙石、高分子的吸附材料如鋯/鑭化多孔碳基材料應(yīng)用于磷酸鹽的吸附研究表明，修飾過后的吸附劑受 SO4-、NO-3、Cl-以及 pH的影響更小，對磷酸鹽的吸附效率更高[5]；Fe、Mg、Al等金屬離子化合物對磷酸鹽的吸附作用極強，常常在目標(biāo)濃度較高時作為吸附或者混凝除磷的首選[6]。亞鐵離子Fe2+存在時，可以降低微生物EPS中磷的含量，提高污泥的沉降性能，同時改變微生物的群落結(jié)構(gòu)，增加聚磷菌的比例[7]。

2 生物滯留池脫氮除磷的研究現(xiàn)狀

生物滯留池（Bioretention cell,BRC）是一種攔截徑流污染、儲蓄徑流雨水的結(jié)構(gòu)型雨水控制系統(tǒng),在實際應(yīng)用中不僅能夠減少徑流、削減洪峰，同時還能凈化徑流雨水，設(shè)有淹沒區(qū)的生物滯留池兼具一定的脫氮除磷功能[8]。由于良好的處理效果以及生態(tài)環(huán)境的可容納性高，其應(yīng)用范圍也正在不斷拓展。

2.1 生物滯留池的關(guān)鍵參數(shù)

生物滯留池的關(guān)鍵參數(shù)有：水力負(fù)荷(Hydraulic load)、滲透系數(shù)(Permeability coefficient)、水力停留時間（Hydraulic retention time）等。而與脫氮效率關(guān)系最為密切的就是水力負(fù)荷與水力停留時間。水力負(fù)荷是所有水處理反應(yīng)器（構(gòu)筑物）的最基本參數(shù)之一，它既決定了反應(yīng)器的處理效率，也影響著反應(yīng)器的處理能力和水處理設(shè)施的運營成本[9]。在自然滲透的傳統(tǒng)生物滯留池中，水力負(fù)荷(單位：m3/m2·d)就決定了水力停留時間，而設(shè)有淹沒區(qū)的生物滯留池則可以通過間歇進(jìn)水的方式人為控制HRT，在實際應(yīng)用中有必要設(shè)置調(diào)節(jié)池來便于穩(wěn)定進(jìn)水。一般來說，水力停留時間越長，水處理的效果越好，但處理效率相對降低。生物滯留池的工作效率也與水力負(fù)荷有關(guān)，水力負(fù)荷越大，對系統(tǒng)的沖擊越高，穩(wěn)定性就越差，研究表明水力負(fù)荷在0.5～4.0m3/m2·d范圍內(nèi)，水力負(fù)荷越低，系統(tǒng)的脫氮效率越高[10]。

滲透系數(shù)與孔隙率也是限制生物滯留池運行效能和使用壽命的關(guān)鍵因素。垂直潛流式人工濕地與生物滯留池在結(jié)構(gòu)上有相似之處，其區(qū)別在于生物滯留池選用的植物類型更為廣泛、水流方式更加多樣化、應(yīng)用場景更加多元化，但是結(jié)構(gòu)層的差別并不大。王榮[11]等研究了垂直潛流式人工濕地的滲透性能，周期為45d的運行過程中，滲透系數(shù)表現(xiàn)為先上升后下降，而有效孔隙率平均下降了9%；對于填料粒徑大于5mm的濕地系統(tǒng)，其滲透系數(shù)隨運行時間有急劇減小的趨勢，小于5mm的填料系統(tǒng)滲透系數(shù)則是緩慢減小[12]，為生物滯留池的填料層改進(jìn)提供了基礎(chǔ)；利用NaCl作為示蹤劑對生物滯留系統(tǒng)的滲流性能的研究表明，在一定的水力條件下，若清水連續(xù)滲流，系統(tǒng)大致變化有4個階段：第1階段中滲透系數(shù)逐漸下降；第2階段中滲透系數(shù)急劇上升；第3階段中滲透系數(shù)稍微下降；第4階段中滲透系數(shù)較平穩(wěn)，不再發(fā)生大的波動變化，這是填料與孔隙之間由于水的沖擊而進(jìn)行的不規(guī)則運動的結(jié)果[13]；也有研究指出，不同植物種類以及植物自身木質(zhì)素含量的不同也會通過分解作用的速率變化來影響滲透系數(shù)的變化，以美人蕉、蘆葦和菖蒲的對比實驗為例，美人蕉對系統(tǒng)的滲透系數(shù)影響最小，蘆葦與菖蒲對滲透系數(shù)影響相對較大，因此設(shè)計生物滯留系統(tǒng)時也應(yīng)選取適宜的植物[14]。

2.2 生物滯留池的脫氮效率

生物滯留池脫氮是利用淹沒區(qū)的厭氧微生物即反硝化菌來完成的，我國的生活污水碳氮比較低，所以在生物滯留池中添加合適的碳源是增強生物滯留中反硝化作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生物滯留池添加的有機(jī)碳源主要包括樹木屑、落葉堆肥、鋸末、報紙、棉花、麥秸稈、稻谷殼、豌豆稈、糖漿等，無機(jī)碳源則主要采用元素硫以及硫-石灰混合物，有機(jī)碳源的作用是促進(jìn)有機(jī)化能異養(yǎng)脫氮，無機(jī)碳源主要是利用無機(jī)化能自養(yǎng)脫氮[15]。研究表明淹沒區(qū)的設(shè)置對生物滯留池的脫氮效率有促進(jìn)作用，有學(xué)者研究了有淹沒區(qū)生物滯留池對污水廠尾水的處理效果，發(fā)現(xiàn)在水力負(fù)荷為 0.5m3/m2·d時，TN的去除總量可以達(dá)到1450mg/m2·d、TP 可以達(dá)到 70mg/m2·d[16]；Hunt[17]等研究的結(jié)果顯示，設(shè)有淹沒區(qū)的生物滯留池對于TN、NH3-N、NO3-N、TKN的去除率分別為32.1%、70.6%、-4.8%、44.4%；Payne[18]等對生物滯留池去除雨水中的氮素研究表明，TN的去除率為60%～80%、NO3-N為10%～90%、NH3-N為80%～90%，但在實驗中進(jìn)水的氮素濃度水平較低，生物滯留池對于NH3-N的去除率較高，從而對TKN的去除也較好。有研究指出，設(shè)置淹沒區(qū)能大幅提升系統(tǒng)的產(chǎn)氣量[19]，從而佐證了淹沒區(qū)對脫氮的貢獻(xiàn)。水處理過程中，使用單一填料時污染物的降解主要發(fā)生在系統(tǒng)的表層，而使用復(fù)合填料時系統(tǒng)降解氮磷的區(qū)域也會有所擴(kuò)大[10]。也有研究指出，人工濕地耦合微生物燃料電池系統(tǒng)可以對系統(tǒng)的微生物群落產(chǎn)生影響，提高土生細(xì)菌的含量，影響自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化的過程，提高脫氮除磷效率約15%[20]。是改進(jìn)設(shè)計生物滯留池的有效參考。

2.3 生物滯留池的除磷效率

生物滯留池的除磷主要依賴吸附與沉淀，有學(xué)者指出加入混凝泥渣后的填料可以增強系統(tǒng)對溶解態(tài)有機(jī)磷和可溶性磷的吸收[21]。在進(jìn)水濃度較高時，總磷的去除率也較高且受其他因素的影響較少；進(jìn)水濃度較低時，總磷的去除率也降低。吳義福等研究了不同植物以及水力停留時間對人工濕地脫氮除磷的影響，發(fā)現(xiàn)接觸介質(zhì)、植物種類、水力停留時間對于總磷的去除皆有影響，在不同的浸潤線下，總磷的去除率范圍在60%～85%[22]；人工濕地基質(zhì)中摻雜鐵碳填料形成耦合工藝也能顯著提高系統(tǒng)的除磷效果[23]；野外長期實驗表明，生物滯留池中添加鐵、鋁在長期運行中可以吸附磷酸鹽，穩(wěn)定去除磷[24]。也有學(xué)者研究了新型的填料對于磷去除的影響，利用鋼渣、鐵粉、水泥、碳粉四種原料制成新型生物濾池填料，穩(wěn)定運行之后對總磷的去除率達(dá)88%以上[25]。李嘉樹的研究表明，生物濾池中僅靠生物除磷的效率不高，輔助以化學(xué)除磷的方法進(jìn)行后續(xù)處理更易達(dá)到一級A的出水標(biāo)準(zhǔn)[26]。

3 結(jié)論與展望

綜合現(xiàn)有研究來看，生物滯留池的脫氮效率處于40%～80%之間，除磷效率在60%～90%之間，添加碳源與設(shè)置淹沒（厭氧）區(qū)能提高生物滯留池的反硝化作用；而在生物反應(yīng)器的填料中加入金屬可以更有效的穩(wěn)定吸附磷，達(dá)到更好的協(xié)同脫氮除磷的效果；在設(shè)計生物反應(yīng)器時應(yīng)更加注重運行參數(shù)與污染物指標(biāo)之間的關(guān)系，針對氮磷高的廢水可以適當(dāng)采取強化措施來改進(jìn)處理效率，針對地表徑流處理則更應(yīng)該注重防堵塞問題，而針對不同類型的微污染物，適當(dāng)選取植物種植也是提高處理效率的方式之一。