與短程反硝化耦合的脫氮除磷工藝的研究進(jìn)展

摘 要： 短程反硝化是將反硝化過程控制在硝酸鹽還原的第一步來積累NO2—N，可以有效的節(jié)約碳源和、減少溫室氣體的排放。并且積累的NO2--N可以與厭氧氨氧化、反硝化除磷等諸多工藝耦合。簡要介紹了短程反硝化工藝、反硝化除磷和厭氧氨氧化工藝的發(fā)展背景，討論短程反硝化耦合工藝，并對其未來發(fā)展進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞： 生物脫氮;短程反硝化;厭氧氨氧化;反硝化除磷

由于現(xiàn)行的污水脫氮除磷工藝中存在各種矛盾，如：硝化菌與聚磷菌對溶解氧DO的競爭;反硝化菌與聚磷菌對碳源的競爭，使得生活污水同步脫氮除磷很難有效實現(xiàn)。另外，國內(nèi)95%的污水廠出水中氮和磷的排放都難以達(dá)到城鎮(zhèn)污水國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。這些矛盾和問題在處理碳、氮、磷比例失調(diào)的生活污水（尤其是我國南方地區(qū)）時變得尤為突出，碳源不足已成為污水脫氮除磷工藝的“瓶頸”。

反硝化除磷技術(shù)[1]，通過利用內(nèi)碳源PHA，以“一碳兩用”的方式同時實現(xiàn)反硝化脫氮和除磷，很好地解決了傳統(tǒng)工藝中因碳源不足引起的氮磷去除不穩(wěn)定的問題，且與傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝相比，不僅能節(jié)省50%的碳源，30%的曝氣量，亦能減少50%的污泥產(chǎn)量。

短程反硝化技術(shù)和厭氧氨氧化技術(shù)都是如今較為前沿的工藝。短程反硝化將反硝化反應(yīng)控制在生成亞硝態(tài)氮階段，生成的亞硝態(tài)氮可作為厭氧氨氧化反應(yīng)的底物[2]。厭氧氨氧化是指厭氧氨氧化菌在缺氧或厭氧條件下，以二氧化碳或碳酸為碳源，以氨氮和亞硝酸鹽為基質(zhì)，最終還原成氮氣排入到大氣的一種新型生物脫氮技術(shù)。與其他傳統(tǒng)工藝相比，具有無需添加有機碳源，運行成本低，脫氮效能高等優(yōu)點[3]。

1.與短程反硝化反應(yīng)耦合的相關(guān)工藝

1.1通過內(nèi)源部分反硝化和反硝化除磷實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累和磷的去除（endogenous partial denitrification and denitrifying phosphorus removal，EPDPR）

1.1.1工藝簡介及運行流程

Wang[4]等的工藝處理水質(zhì)為低氨氮城市污水。本研究在厭氧/缺氧/好氧序批反應(yīng)器中，將內(nèi)源部分反硝化和反硝化除磷相結(jié)合，同時處理高濃度硝酸鹽廢水（NO3--N：186.5 mg/L）和城市污水（NH4+-N： 52.6 mg/L，化學(xué)需氧量（COD）： 242.7 mg/L），實現(xiàn)了亞硝酸鹽積累和磷的去除。138 d后，亞硝積累率（NTR）為75.3%，PO43-P的去除率達(dá)到92.3%。運行流程如圖1-1所示， EPDPR系統(tǒng)SBR反應(yīng)器工作容積8L，SBR反應(yīng)器在厭氧、缺氧和短時間好氧（DO：0.5～1.5mg/l）條件下運行。延長厭氧階段（150-180 min）可提高進(jìn)水碳源的利用率和胞內(nèi)碳源的形成。而缺氧階段（120-170 min）用于發(fā)生內(nèi)源性部分反硝化和反硝化除磷反應(yīng)。同樣，較短的曝氣階段（10-30分鐘）用于確保在亞硝酸鹽不氧化的情況下進(jìn)一步清P。在每個運行周期（6h）中，有3L城市污水在厭氧階段前10min注入SBR反應(yīng)器，在缺氧前10min添加2 L硝酸鹽合成污水。在好氧階段最后2分鐘的排出200 - 250ml混合液。

1.1.2處理效果及相關(guān)結(jié)論

在階段1 （1 - 22 d），平均進(jìn)水COD濃度為238.2 mg/L，PO43-P出水很低，但是好氧硝化效果差，出水NH4+-N濃度從10.4 mg/L逐漸增加到15.7 mg/L。出水NO2--N和NO3--N濃度分別為0.6和8.5 mg/L。第2階段（23-45 d）（缺氧時間120min和厭氧排水比為3/8，）抑制了P的去除，出水PO43-P增加到1.3 mg/L。NTR從23日的54.7%上升到45日的85.6%。在第三階段（46-81 d），有氧持續(xù)時間延長至30min，出水PO43-P濃度下降至0.2 mg/L。出水NH4+-N， NO2--N和NO3--N濃度分別穩(wěn)定在26.2、30.8和0.7 mg/L，而NTR約為65.7%，表示此階段的內(nèi)源性部分反硝化穩(wěn)定。在第4階段（82-104 d），用185.6 mg/L硝酸鹽溶液代替缺氧進(jìn)水以測定EPDPR性能。缺氧時間延長至170 min。出水PO43-P濃度始終低于0.5 mg/L，表明延長缺氧期有利于DPR完全去除磷。廢水NH4+-N和NO3--N濃度分別維持在27.1和0.9 mg/L，與第三階段相同，該階段平均NTR達(dá)到73.4%。第5階段（105-138 d） 缺氧時間縮短至150min，出水PO43-P濃度低于0.5 mg/L，出水NH4+-N和NO2--N濃度分別為26.2和26.5 mg/L。但NO3--N濃度因為缺氧時間縮短有所增加。

將高濃度硝酸鹽（186.5 mg/L）污水和低C/N（4.0）城市污水結(jié)合，實現(xiàn)了亞硝酸鹽的積累和磷的去除。138天后，通過適當(dāng)控制厭氧排水比例和缺氧/好氧持續(xù)時間，可以獲得高NTR（75.3%）和PO43-P去除率（92.3%），平均出水NH4+-N， NO2--N、NO3--N， COD和PO43-P濃度分別為26.5，27.1，1.8，23.5和0.4 mg/L， NH4+-N / NO2--N比為1：1.02。這表明后續(xù)工藝仍有和厭氧氨氧化（anammox）工藝耦合的可能。

1.1.3工程運用及可行性分析

與硝化反應(yīng)或外源部分反硝化作用相比，EPDPR方法不僅可以去除磷，還可以為厭氧氨氧化（anammox）提供亞硝酸鹽來源，同時內(nèi)碳源相比于外碳源碳源利用率高，節(jié)約COD。但是因為DPAOs和DGAOs會競爭有限的碳源和硝酸鹽來源，DGAOs通過EPD產(chǎn)生的亞硝酸鹽將被利用DPAOs進(jìn)行DPR，導(dǎo)致亞硝酸鹽產(chǎn)量低。此外，可能會出現(xiàn)磷去除率低的問題。

1.2通過內(nèi)源部分反硝化耦合厭氧氨氧化實現(xiàn)低C/N污水深度脫氮工藝研究（endogenous partial denitrification and anammox，EPDA）

1.2.1工藝簡介及運行流程

Ji[5]等的工藝處理水質(zhì)為低氨氮生活污水。本研究提出了一種內(nèi)源部分反硝化耦合厭氧氨氧化實現(xiàn)低C/N污水深度脫氮的工藝。運行流程如圖1-2，廢水首先進(jìn)入EPD反應(yīng)器，其中生物可降解碳源以聚羥基烷酸酯（PHAs）的形式儲存。然后上層清液被送入硝化反應(yīng)器進(jìn)行硝化，出水回到EPD反應(yīng)器，在那里利用PHAs還原硝酸鹽為亞硝酸鹽。最后，上清液中含有亞硝酸鹽和氨氮被送入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器進(jìn)行高級脫氮。從理論上講，與傳統(tǒng)的硝化反硝化相比，只有55%的進(jìn)水氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，溶解氧和有機物的需要量分別降低了45%和79%。此外，通過內(nèi)源反硝化，充分利用節(jié)約了碳源。

1.2.2處理效果及實驗結(jié)論

EPD-SBR反應(yīng)器中，第1階段（0～51d）出水NTR達(dá)80%，出水NO2--N/NH4+-N小于1：1，為提高其比值，提高EPD-SBR和N-SBR體積交換率從50%增加到60%。第2階段（52～115d），出水NO2--N/NH4+-N高于1：1，發(fā)生污泥膨脹，NTR降至60%。第3階段（116～220d）為了避免污泥膨脹，缺氧后沉降時間從30min下降到10min，到第133d，污泥膨脹問題解除，出水NO2--N/NH4+-N達(dá)到1.2。

Anammox反應(yīng)器中，在運行前13天（137～149d），出水TN濃度降至6.5mgN/l，亞硝酸鹽接近于0，在穩(wěn)定期間（149～220d），TN去除率保持在81.4%左右。

本研究探討污水處理中EPD-Anammox實現(xiàn)的可行性。亞硝酸鹽由EPD產(chǎn)生。具有內(nèi)源反硝化的GAOS（36.6%）和Candidatus Brocadia （34.6%）分別在EPD-SBR和anammox-UASB占主導(dǎo)地位。最后，在低C/N（～2.9）條件下，不增加碳源，大約90%的氮被去除。anammox脫氮量占總脫氮量的49.8%，節(jié)省約40%的氧氣需求。

1.2.3工藝運行及可行性研究

與傳統(tǒng)脫氮工藝相比，EPDA不外加碳源，大約90%的氮被去除。anammox脫氮量占總脫氮量的49.8%，節(jié)省約40%的氧氣需求，且利用內(nèi)碳源COD利用率更高。但這個反應(yīng)器的主要挑戰(zhàn)是在亞硝酸鹽產(chǎn)生的同時，交替厭氧/缺氧條件下實現(xiàn)廢水中適宜的亞硝酸鹽與氨氮的比例，否則不利于后續(xù)厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行，這一點較難控制。

2.結(jié)論

通過上述兩種工藝介紹，我們可以認(rèn)識到短程反硝化反應(yīng)已經(jīng)與諸如厭氧氨氧化和反硝化除磷等工藝進(jìn)行了很好的耦合，可以節(jié)約大量的COD并減少曝氣量，節(jié)約能耗，屬于低碳減排、綠色、可持續(xù)的發(fā)展工藝。同時兩種工藝同樣面臨著一些問題，如EPDPR工藝中可能存在P去除率低，后續(xù)亞硝產(chǎn)量不足難以與厭氧氨氧化繼續(xù)耦合的問題;EPDA工藝中存在的亞硝酸鹽與氨氮濃度比例較難控制的問題。這些問題都需要進(jìn)一步的研究和探討。

參考文獻(xiàn)：

[1]李微，高明杰，曾飛，劉靜，孫慧智，李大爭.溫度和碳源對短程反硝化除磷效果的影響[J].水處理技術(shù)，2020，46（08）：55-59.

[2]張星星，張鈺，王超超.短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝及其應(yīng)用前景研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2020，39（05）：1981-1991.

[3]張金銘，王宇佳，胡雪松.強化厭氧氨氧化工藝的研究進(jìn)展[J].遼寧化工，2021，50（06）：822-827.

[4]Wang， X.， et al.， Stable nitrite accumulation and phosphorous removal from nitrate and municipal wastewaters in a combined process of endogenous partial denitrification and denitrifying phosphorus removal （EPDPR）. Chemical Engineering Journal， 2019. 355：

[5] Ji J ， Peng Y ， Mai W ， et al. Achieving Advanced Nitrogen Removal from Low C/N Wastewater by Combining Endogenous Partial Denitrification with Anammox in Mainstream Treatment[J]. Bioresource Technology， 2018， 270：S0960852418312288-.

作者簡介：

朱晨杰（1997.08-），男，江蘇常州人，揚州大學(xué)市政工程專業(yè) 專業(yè)碩士研究生，研究方向污泥短程反硝化。