污水反硝化脫氮除磷新工藝研究進(jìn)展

謝新立, 伍健伯

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南250014；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110168)

隨著人們生活水平的提高，城市污水中氮磷的含量越來(lái)越高，氮磷已成為當(dāng)今水體中的主要污染源。由氮磷污染造成的水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，不僅影響水體的使用功能，破壞生態(tài)環(huán)境，還會(huì)危害人體健康，因此氮磷已成為污水處理廠主要控制指標(biāo)。

在可持續(xù)性污水處理發(fā)展模式的倡導(dǎo)下，鑒于目前我國(guó)城市污水中氮磷污染嚴(yán)重，而現(xiàn)有污水處理廠普遍存在運(yùn)行費(fèi)用高、處理效率低等一系列問(wèn)題，亟待開(kāi)發(fā)和研究更加高效的新工藝。反硝化脫氮除磷工藝可以有效解決目前污水處理過(guò)程中面臨的各項(xiàng)難題，相比傳統(tǒng)脫氮除磷工藝更加節(jié)能[1-4]。

1 反硝化脫氮除磷的原理

20世紀(jì)80年代，就有研究發(fā)現(xiàn)在缺氧條件下出現(xiàn)磷濃度下降的現(xiàn)象，之后的研究表明聚磷菌能在缺氧環(huán)境下以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行吸磷，且該現(xiàn)象相續(xù)被證實(shí)[5-8]。20世紀(jì)90年代，Kuba T等[8]發(fā)現(xiàn)在厭氧/缺氧運(yùn)行的環(huán)境條件下，可以富集一種能夠以硝酸鹽或者氧氣為電子受體的兼性厭氧微生物，該微生物在反硝化的同時(shí)出現(xiàn)微量吸磷反應(yīng)，被定義為反硝化聚磷菌。

關(guān)于聚磷菌反硝化除磷的原理，目前通常流行兩種觀點(diǎn)[9]：①一類(lèi)PAO觀點(diǎn)，該觀點(diǎn)認(rèn)為在傳統(tǒng)生物除磷系統(tǒng)中只存在一類(lèi)聚磷菌，其反硝化脫氮除磷的強(qiáng)弱取決于周?chē)h(huán)境的誘導(dǎo)作用，如果聚磷菌受到周?chē)h(huán)境厭氧/缺氧的誘導(dǎo)作用，則表現(xiàn)出反硝化除磷性能，所受到的誘導(dǎo)作用越強(qiáng)烈其反硝化除磷作用越明顯；反之，若周?chē)h(huán)境沒(méi)有厭氧/缺氧的運(yùn)行方式，則不表現(xiàn)反硝化除磷現(xiàn)象。②分類(lèi)PAO觀點(diǎn)，該觀點(diǎn)認(rèn)為傳統(tǒng)聚磷菌分為兩類(lèi)，一類(lèi)在生物除磷反應(yīng)過(guò)程中只能以氧氣作為電子受體，另一類(lèi)則既能以氧氣又能以硝酸鹽為電子受體，在以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化的同時(shí)則表現(xiàn)出吸磷作用。

針對(duì)兩種假說(shuō)，目前普遍接受和認(rèn)可的是分類(lèi)PAO觀點(diǎn)。據(jù)此以硝酸鹽為電子受體對(duì)反硝化聚磷菌開(kāi)展了大量研究，Vlekke等[7]分別就厭氧/缺氧污泥系統(tǒng)與生物膜反應(yīng)器進(jìn)行了驗(yàn)證性研究，結(jié)果表明通過(guò)厭氧/好氧交替的運(yùn)行方式可以富集反硝化聚磷菌，該反硝化聚磷菌以硝酸鹽為電子受體，在反硝化的過(guò)程中完成吸磷。王琦等[10]采用實(shí)際生活污水對(duì)反硝化聚磷菌的反硝化除磷現(xiàn)象進(jìn)行了驗(yàn)證性研究，結(jié)果表明硝酸鹽可以作為電子受體完成反硝化除磷，但其吸磷效率較以氧氣為電子受體要低。趙偉華等[11]采用雙污泥SBR工藝研究了以硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌，得出通過(guò)厭氧/好氧交替運(yùn)行方式可以富集反硝化聚磷菌，其占總聚磷菌的比例約為73.4%。王梅香等[12]采用A2N2雙污泥工藝處理實(shí)際生活污水，得出通過(guò)控制適當(dāng)?shù)臈l件可以培養(yǎng)馴化以硝酸鹽為電子受體的反硝化聚磷菌，且工藝對(duì)TN、TP、COD與氨氮的去除率分別達(dá)到72%、94%、81.9%和100%，取得了較好的去除效果。

2 反硝化脫氮除磷新工藝的進(jìn)展

2.1 單污泥工藝

在單污泥工藝中，反硝化聚磷菌與硝化細(xì)菌共存于一個(gè)污泥系統(tǒng)中，依次經(jīng)過(guò)厭氧段、缺氧段和好氧段完成脫氮與除磷，其中BCFs工藝為單污泥工藝的典型代表，其工藝流程如圖1所示。

BCFs工藝是荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室基于UCT工藝而開(kāi)發(fā)，主要通過(guò)厭氧、缺氧交替的環(huán)境條件強(qiáng)化反硝化聚磷菌的培養(yǎng)，目前已應(yīng)用于工程實(shí)踐中。該工藝最大的特點(diǎn)是由5個(gè)生物反應(yīng)池與3套回流系統(tǒng)組成，相比UCT工藝增加了1個(gè)接觸池和1個(gè)混合池。接觸池設(shè)置于厭氧池與缺氧池之間，二沉池回流污泥與厭氧池出水在該池內(nèi)充分混合，通過(guò)控制缺氧環(huán)境條件使反硝化細(xì)菌利用厭氧池剩余的有機(jī)物進(jìn)行反硝化，同時(shí)去除二沉池回流污泥中的硝酸鹽?；旌铣卦O(shè)置于缺氧池與好氧池之間，主要功能是脫氮，通過(guò)控制低氧環(huán)境條件完成同步硝化反硝化，降低出水中的氮。

圖1 BCFs工藝流程Fig.1 Flow of BCFs process

與傳統(tǒng)工藝相比，BCFs的工藝優(yōu)點(diǎn)在于5個(gè)反應(yīng)池獨(dú)立運(yùn)行，結(jié)合其特點(diǎn)控制適宜的運(yùn)行條件，可使每個(gè)反應(yīng)池的去除效能達(dá)到最大化。而反應(yīng)池?cái)?shù)量多，占地面積大，系統(tǒng)控制繁瑣一直是該工藝推廣應(yīng)用的爭(zhēng)議點(diǎn)。

2.2 雙污泥工藝

2.2.1Dephanox工藝

1992年，Wanner J等[13]率先提出以厭氧污泥中聚-β羥基丁酸(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)為碳源的反硝化除磷工藝，并取得了較好的脫氮除磷效果。隨后有研究者提出了具有硝化和反硝化除磷的雙污泥工藝，即Dephanox工藝，其流程如圖2所示。

圖2 Dephanox工藝流程Fig.2 Flow of Dephanox process

在Dephanox工藝中，污水上清液依次進(jìn)入?yún)捬醵巍⑾趸?、缺氧段和后置快速曝氣段，從而完成COD的去除和脫氮除磷。在工藝運(yùn)行過(guò)程中，污水首先進(jìn)入?yún)捬醵?，在該階段污水與從終沉池回流的污泥充分混合，反硝化聚磷菌在厭氧條件下利用聚磷水解所釋放的能量，將污水中的溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為PHB而儲(chǔ)存于體內(nèi)，同時(shí)完成釋磷的作用。污水隨后進(jìn)入中沉池快速沉淀，沉淀污泥超越中間硝化池直接進(jìn)入缺氧池，富含氨氮、磷的上清液則進(jìn)入中間硝化池。

在該工藝中，由于反硝化聚磷菌經(jīng)過(guò)厭氧段后直接進(jìn)入缺氧段，沒(méi)有經(jīng)歷好氧段，因此其體內(nèi)儲(chǔ)存的PHB完全用于脫氮與除磷，節(jié)省了碳源。同時(shí)由于設(shè)置了后曝氣，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)電子受體不足時(shí)，通過(guò)投加一定量有機(jī)物仍能獲得較好的除磷效果。但是該工藝后置好氧池，而反硝化聚磷菌是厭氧型細(xì)菌，后曝氣會(huì)對(duì)其活性產(chǎn)生一定的抑制作用。

2.2.2A2N-SBR工藝

A2N-SBR雙污泥工藝于1996年由Kuba等人首次提出，由2個(gè)獨(dú)立的A2-SBR反應(yīng)器與N-SBR反應(yīng)器組成，運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)控制A2-SBR反應(yīng)器內(nèi)交替的厭氧/缺氧環(huán)境條件富集反硝化聚磷菌，在N-SBR反應(yīng)器內(nèi)通過(guò)控制好氧環(huán)境條件富集硝化細(xì)菌[14]。由于在運(yùn)行過(guò)程中避免了菌種的相互影響，可以為反硝化聚磷菌與硝化細(xì)菌提供適宜的生長(zhǎng)條件，其工藝流程如圖3所示。

圖3 A2N-SBR工藝流程Fig.3 Flow of A2N-SBR processd

在單污泥工藝中，交替運(yùn)行的環(huán)境條件對(duì)微生物性能產(chǎn)生一定的削弱，反硝化聚磷菌和硝化細(xì)菌各自很難達(dá)到最大效能，脫氮除磷效率相應(yīng)降低[15]。A2N-SBR雙污泥工藝整合了單污泥工藝與Dephanox工藝的缺點(diǎn)，充分利用反硝化聚磷菌和硝化細(xì)菌的生理特性，開(kāi)發(fā)形成各自獨(dú)立的污泥系統(tǒng)，即厭氧-缺氧污泥系統(tǒng)與硝化污泥系統(tǒng)，只進(jìn)行上清液交換而不交換菌種，從根本上避免了環(huán)境條件對(duì)菌種的影響。

污水首先進(jìn)入?yún)捬?缺氧污泥系統(tǒng)，厭氧條件下反硝化聚磷菌將溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為PHB儲(chǔ)存于體內(nèi)，同時(shí)釋磷。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沉淀，富含氨氮的上清液進(jìn)入硝化污泥系統(tǒng)，通過(guò)控制硝化污泥系統(tǒng)內(nèi)的好氧條件，硝化細(xì)菌將污水中的氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，完成硝化作用。經(jīng)沉淀后富含硝態(tài)氮的上清液污水再進(jìn)入?yún)捬?缺氧污泥系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)控制為缺氧條件，反硝化聚磷菌在缺氧環(huán)境下利用體內(nèi)儲(chǔ)存的PHB為電子供體、混合液中的硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化反應(yīng)，同時(shí)完成磷的去除。

在A2N-SBR工藝運(yùn)行過(guò)程中，反硝化聚磷菌利用體內(nèi)儲(chǔ)存的PHB同時(shí)完成脫氮和除磷，以有限的碳源最大限度完成脫氮與除磷，故該工藝系統(tǒng)特別適合于目前C/N較低的城市生活污水處理。由于雙污泥工藝采用反硝化聚磷菌單一菌種代替反硝化細(xì)菌和聚磷菌完成脫氮與除磷，因此剩余污泥量比傳統(tǒng)工藝減少約50%。此外，由于污泥各自獨(dú)立運(yùn)行，流程減少了污泥回流系統(tǒng)，投資和運(yùn)行費(fèi)用相應(yīng)降低。

3 反硝化脫氮除磷新工藝研究現(xiàn)狀

4 結(jié)論與展望

反硝化脫氮除磷理論與工藝的提出為低C/N城市污水的脫氮除磷開(kāi)辟了一條新途徑，能夠有效克服傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中存在的矛盾與弊端，具有重要的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)用前景。雖然其理論研究日益受到重視，工藝也普遍得到認(rèn)可，但研究過(guò)程中仍存在很多爭(zhēng)議，工藝運(yùn)行的許多控制條件尚無(wú)定論，反硝化脫氮除磷理論與現(xiàn)有城市污水廠運(yùn)行工藝的有效銜接還有待于進(jìn)一步研究與優(yōu)化。在今后研究中尚需對(duì)以下幾個(gè)方面重點(diǎn)分析：

③ 反硝化脫氮除磷新工藝的研究目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)連續(xù)運(yùn)行的反硝化脫氮除磷工藝菌種性能的研究，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有的城市污水廠處理工藝，研究開(kāi)發(fā)對(duì)現(xiàn)有污水處理廠改造影響小、費(fèi)用低、可工程實(shí)踐運(yùn)行的新工藝。