城市污水處理新型生物脫氮除磷技術(shù)研究進(jìn)展

杜林竹，艾勝書,2，劉軒彤，王 帆，曲 紅，邊德軍,*

(1. 吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室<長(zhǎng)春工程學(xué)院>，吉林長(zhǎng)春 130012； 2. 吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130021)

城市污水處理一直是城市建設(shè)中的關(guān)鍵一環(huán)，作為環(huán)保領(lǐng)域的重要分支，長(zhǎng)久以來(lái)都是備受人們關(guān)注的話題。過(guò)去的幾十年中，隨著社會(huì)向城市化、工業(yè)化的發(fā)展和居民生活水平的上升，水體富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重[1]，這給城市污水處理帶來(lái)了巨大難題。根據(jù)《2019年中國(guó)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》，2019年共排放化學(xué)需氧量(COD)5.671×106t、總氮(TN)1.176×106t、總磷(TP)5.9×104t，城市污水處理中氮、磷污染物的比重較大；且相對(duì)于COD每年去除量的增加程度而言，氮、磷污染物每年去除量增加的數(shù)目較少[2]。

在城市污水處理的現(xiàn)有技術(shù)中，如AAO、SBR、氧化溝等都存在一定限制，如都對(duì)碳氮比(C/N)或者碳磷比(C/P)等有一定要求、微生物菌種彼此獨(dú)立導(dǎo)致生化反應(yīng)進(jìn)程存在障礙、微生物世代時(shí)間的不同導(dǎo)致對(duì)污泥齡要求不同等，伴隨于此的通常會(huì)是更高的成本與更大的人力消耗。這些缺陷使城市污水脫氮除磷效率已經(jīng)越來(lái)越無(wú)法滿足人們的需求，因此，城市污水處理技術(shù)需要在強(qiáng)化脫氮除磷方面做出一定改進(jìn)。近年來(lái)，許多研究人員已經(jīng)提出了多種新型高效的脫氮除磷技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)厭氧氨氧化[3]、反硝化除磷[4]等新型技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，探究其在城市污水處理中應(yīng)用的合理性與優(yōu)越性，并基于此提出多菌群協(xié)同除污的構(gòu)想，對(duì)未來(lái)可持續(xù)城市污水處理技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行探索。

1 新型脫氮除磷技術(shù)

1.1 同步硝化反硝化除磷

同步硝化反硝化(SND)是40多年前在土壤中水的浸出過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一種新型硝化反硝化技術(shù)[5]，指將傳統(tǒng)生物硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程在同一反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)行(圖1)。

圖1 硝化與反硝化過(guò)程Fig.1 Nitrification and Denitrification Process

目前，已有證據(jù)表明這一理論是可行的[6]，且可減少近30%的碳需求及污泥產(chǎn)量[7]。發(fā)展至今，SND已成為高效的脫氮技術(shù)中一種很有前途的選擇[8-9]。如Chai等[10]研究在序批式生物膜反應(yīng)器內(nèi)強(qiáng)化SND處理低C/N廢水的性能，顯示在同步硝化反硝化效率(SND率)大于97.3%時(shí)，仍可以有效脫氮。如果把SND系統(tǒng)和除磷系統(tǒng)相結(jié)合，則可以提出一種同步硝化反硝化除磷(SNDPR)的新系統(tǒng)，進(jìn)一步降低處理過(guò)程中的碳、氧需求[11-12]，現(xiàn)今，已有很多研究人員對(duì)SNDPR系統(tǒng)及其各種衍生技術(shù)進(jìn)行影響因素研究，以探究其實(shí)用性，如表1所示。

表1 SNDPR系統(tǒng)性能影響因素Tab.1 Influence Factors on Performance of SNDPR System

諸多試驗(yàn)結(jié)果表明，由SNDPR系統(tǒng)衍生出的各種新工藝、新技術(shù)已可在各種條件下表現(xiàn)出良好的耐受性，且針對(duì)低C/N污水實(shí)現(xiàn)了良好的去除效果，體現(xiàn)了一定實(shí)用價(jià)值。SNDPR作為一種較易實(shí)現(xiàn)的高效脫氮除磷方式，其特性提升了生物池一體化的可能性，可以預(yù)見未來(lái)會(huì)在水處理領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但是目前其在污泥形態(tài)、溶解氧等方面都有一定限制，如由于生物硝化與反硝化對(duì)氧環(huán)境的需求不同，會(huì)導(dǎo)致某一進(jìn)程在一定程度上受到限制，使SND率偏低，去除效果不理想，因此，如何控制反應(yīng)器內(nèi)溶解氧將是一個(gè)棘手的問(wèn)題。

1.2 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧條件下，以亞硝態(tài)氮為電子受體，將氨氮直接氧化為氮?dú)獾倪^(guò)程。整個(gè)過(guò)程須保持完全厭氧的條件，且研究表明，其在pH值為8、溫度為30 ℃左右時(shí)運(yùn)行條件最好(圖2)。

圖2 厭氧氨氧化過(guò)程Fig.2 Anammox Process

這一過(guò)程是在1965年由Richards觀察到缺氧海洋盆地中的氨損失后首次提出的, 后又在海洋沉積物的孔隙水剖面中觀察到亞硝酸鹽和氨的同時(shí)消失，為這種反應(yīng)的存在提供了早期證據(jù)[17]。但直到1995年，這種技術(shù)才在一個(gè)處理廢水的反硝化流化床反應(yīng)器中被首次證實(shí)[18]，到2007年，首個(gè)大型厭氧氨氧化反應(yīng)器才在鹿特丹建成[19]。相對(duì)于傳統(tǒng)脫氮方法，厭氧氨氧化的脫氮容積負(fù)荷更高，已有研究表明，其脫氮容積負(fù)荷很容易達(dá)到5 kg/(m3·d)，而對(duì)于傳統(tǒng)的脫氮工藝而言，脫氮容積負(fù)荷通常小于0.5 kg/(m3·d)[20-21]。如表2所示，針對(duì)厭氧氨氧化已展開很多研究。

表2 厭氧氨氧化系統(tǒng)性能Tab.2 Performance of Anammox System

厭氧氨氧化作為一種近些年來(lái)新出現(xiàn)的技術(shù)，由于其脫氮效率高、污泥產(chǎn)量小、碳源需求小的優(yōu)勢(shì)，成為了一種脫氮的理想方式。但厭氧氨氧化的缺點(diǎn)也十分明顯，其主要缺點(diǎn)是厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)速率十分緩慢、細(xì)胞產(chǎn)量低。且厭氧氨氧化還容易被環(huán)境因素影響，低溫、高堿度、有機(jī)物形態(tài)等很多因素都會(huì)抑制其反應(yīng)性能。其中，作為反應(yīng)底物的亞硝態(tài)氮和氨氮是影響其速率的關(guān)鍵因子，但過(guò)高的底物濃度反而會(huì)抑制其反應(yīng)速率，已有試驗(yàn)驗(yàn)證同時(shí)提供能源的碳源也具有這一特點(diǎn)。相比于實(shí)驗(yàn)室小試，在實(shí)際工程中這些影響因子更加難以控制。所以，厭氧氨氧化的應(yīng)用條件將成為此技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)渡的關(guān)鍵問(wèn)題，可以預(yù)見此方向?qū)?huì)是今后技術(shù)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

1.3 反硝化除磷

Comeau等[25]在1987年發(fā)現(xiàn)了一類不同于傳統(tǒng)除磷工藝中聚磷菌的新型聚磷菌，這種聚磷菌在缺氧環(huán)境中可以同時(shí)去除氮和磷兩種污染物質(zhì)，將其命名為反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms, DPAOs)。DPAOs利用體內(nèi)儲(chǔ)存的聚羥基脂肪酸酯(PHA)，在缺氧環(huán)境中以硝態(tài)氮或者亞硝態(tài)氮替代氧氣作為電子受體，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)量吸磷。相比于傳統(tǒng)除磷工藝，反硝化除磷可以實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷與“一碳兩用”，并解決大部分能耗問(wèn)題，理論上可以節(jié)省多達(dá)30%的曝氣系統(tǒng)能耗、50%的碳源需求及污泥產(chǎn)量[26-27]。根據(jù)反硝化除磷的特點(diǎn)，其可以與很多技術(shù)聯(lián)用，同時(shí)也衍生了許多新型工藝,如UCT、AOA、AAN等。這些工藝共同的特點(diǎn)都是可以極大限度地利用反硝化除磷原理中“一碳兩用”的特點(diǎn)，且避免了硝化菌和DPAOs的競(jìng)爭(zhēng)，非常適合處理低C/N污水。已有大量學(xué)者研究其適宜工作條件，以探究其實(shí)用性，如表3所示。

表3 反硝化除磷系統(tǒng)性能Tab.3 Performance of Denitrifying Phosphorus Removal System

反硝化除磷目前已經(jīng)處于由基礎(chǔ)研究向?qū)嶋H工程過(guò)渡的階段，但是除開其節(jié)省能耗、一碳兩用等優(yōu)勢(shì)，還存在部分缺陷。為了實(shí)現(xiàn)反硝化除磷，需要控制合適的C/N，而且對(duì)于厭氧部分投加硝酸鹽作為底物時(shí)，需要注意投加方式。除此以外，反硝化除磷菌的世代周期較長(zhǎng)，需要控制反應(yīng)器污泥停留時(shí)間不能太短，以便為反硝化除磷菌提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。與此同時(shí)，雖然反硝化除磷技術(shù)的污泥產(chǎn)量較少，但是其后續(xù)污泥較難處理，填埋之后在厭氧條件下可能會(huì)造成釋磷從而影響環(huán)境，給實(shí)際工程也帶來(lái)一定困擾。

1.4 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化即在進(jìn)行硝化反應(yīng)時(shí)抑制硝化反應(yīng)的第二階段，只硝化到亞硝態(tài)氮狀態(tài)，而后將過(guò)量的亞硝態(tài)氮作為電子受體進(jìn)行反硝化的過(guò)程，如圖3所示。

圖3 短程硝化反硝化過(guò)程Fig.3 Process of Short-Cut Nitrification and Denitrification

短程硝化反硝化也可以實(shí)現(xiàn)氮元素的有效去除，由于未完成全部的硝化反應(yīng)，其脫氮速率會(huì)大大提升。第一個(gè)成功實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化的工藝是SHARON工藝，但SHARON工藝的運(yùn)行條件較為苛刻，高溫、高氨氮濃度都制約了其實(shí)際應(yīng)用的可行性[32]，因此，尋找短程硝化反硝化的適宜條件、探究其實(shí)用性，是眾多研究人員的重點(diǎn)。目前，主要使用抑制劑、溶解氧、技術(shù)聯(lián)用等方法實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，如表4所示。

表4 短程硝化反硝化系統(tǒng)使用條件Tab.4 Operation Conditions of Short-Cut Nitrification and Denitrification System

短程硝化反硝化相比于傳統(tǒng)生物脫氮工藝，短程硝化階段可以減少25%的氧氣消耗；對(duì)于后續(xù)缺氧反硝化階段可降低約40%碳源消耗量；且亞硝態(tài)氮反硝化反應(yīng)速率是硝態(tài)氮反硝化速率的1.5～2倍，可以有效減少系統(tǒng)的HRT。此外，在減少污泥產(chǎn)量和堿度投加的方面也有所幫助，短程硝化反硝化技術(shù)具有巨大優(yōu)勢(shì)。但短程硝化反硝化對(duì)菌種的要求很高，正常運(yùn)行時(shí)必須先進(jìn)行菌種的富集。由于短程硝化和反硝化是兩個(gè)不同的進(jìn)程，其對(duì)氧環(huán)境的要求也不同，需要嚴(yán)格控制氧環(huán)境的變化，且底物濃度也是制約其反應(yīng)的條件，需要形成亞硝酸鹽累積的同時(shí)逐步淘汰反應(yīng)器中的亞硝化細(xì)菌，目前其條件仍較為苛刻。

2 脫氮除磷技術(shù)發(fā)展方向

普通城市污水廠應(yīng)用的傳統(tǒng)活性污泥法中，生物脫氮通常分為氨化、硝化、反硝化3個(gè)過(guò)程，分別由氨化菌、硝化細(xì)菌和反硝化菌完成，其中，硝化需要在好氧環(huán)境中完成，反硝化則需要在厭氧環(huán)境中完成。而對(duì)于除磷，通常在除磷系統(tǒng)中利用聚磷菌的過(guò)量積磷能力進(jìn)行厭氧環(huán)境下的釋磷和好氧環(huán)境下的過(guò)量吸磷，再通過(guò)剩余污泥排放的方式實(shí)現(xiàn)磷的去除。不同生物反應(yīng)對(duì)氧環(huán)境的不同需求導(dǎo)致在傳統(tǒng)水處理工藝中，無(wú)論是SBR還是AAO等工藝，都在空間或時(shí)間上對(duì)反應(yīng)進(jìn)程有一定限制。而這一限制通常又會(huì)造成系統(tǒng)中碳源競(jìng)爭(zhēng)激烈、污泥產(chǎn)量過(guò)大、運(yùn)行復(fù)雜等一系列問(wèn)題。城市污水還存在的問(wèn)題是C/N較低導(dǎo)致脫氮效率較差[36]，通常，解決這個(gè)問(wèn)題的方法是在生物處理的部分投加額外的碳源，但這一方法的成本非常高[37-38]。

如果繼續(xù)使用現(xiàn)行的污水處理技術(shù)，在不斷追求去除效果的同時(shí)，必然會(huì)伴隨著工藝運(yùn)行困難、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本上升等一系列問(wèn)題。如果能開發(fā)一種高效、可持續(xù)發(fā)展的新型污水處理技術(shù)或工藝應(yīng)用在城市污水處理中，必然可取得巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)現(xiàn)有的各種生物脫氮除磷技術(shù)進(jìn)行比較，由表5可知，從本文介紹的新型污水生物脫氮除磷技術(shù)來(lái)看，它們都具有在不同程度上節(jié)省碳源和降低污泥產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)，且反應(yīng)速率都相對(duì)較快。這些優(yōu)勢(shì)使它們?cè)谔幚淼虲/N污水時(shí)表現(xiàn)出很強(qiáng)的適應(yīng)性，針對(duì)不同溫度、pH、污泥齡和曝氣方式等運(yùn)行工況，表現(xiàn)出很好的耐受性，并可以穩(wěn)定運(yùn)行。而這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)放在城市污水處理中，恰好可以彌補(bǔ)當(dāng)前技術(shù)應(yīng)對(duì)城市污水脫氮除磷的不足，雖然目前研究有限，應(yīng)用條件仍不成熟，但如果未來(lái)將這些新技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用，許多問(wèn)題都將迎刃而解。

表5 脫氮除磷技術(shù)比較Tab.5 Comparison of Nitrogen and Phosphorus Removal Technologies

從新型污水生物脫氮除磷技術(shù)原理來(lái)看，控制優(yōu)勢(shì)微生物菌群是保證工藝達(dá)到預(yù)期效果的前提條件，而其控制條件相對(duì)苛刻，這也是新型技術(shù)推廣應(yīng)用受限的原因之一。基于微生物菌群功能及生存環(huán)境特點(diǎn)，如能實(shí)現(xiàn)多種功能菌群在同一個(gè)空間內(nèi)協(xié)同作用，不僅可降低能耗、節(jié)省投資，更重要的是可以大大提高生化反應(yīng)效率，簡(jiǎn)化控制條件。微壓內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器[39-40]是一種僅通過(guò)反應(yīng)器自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使反應(yīng)器內(nèi)部形成獨(dú)特的水力流態(tài)，實(shí)現(xiàn)了在同一反應(yīng)器空間內(nèi)不同功能菌群協(xié)同除污功效，作為可持續(xù)發(fā)展的城市污水處理新技術(shù)具有著潛在的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論與展望

我國(guó)城市污水特有的特征和環(huán)境特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)效果不佳。隨著我國(guó)對(duì)氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，結(jié)合我國(guó)城市污水處理的可持續(xù)發(fā)展，未來(lái)應(yīng)加大新型技術(shù)的研究和推廣力度,加強(qiáng)對(duì)新技術(shù)的使用條件及優(yōu)劣特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，爭(zhēng)取早日將此類具有潛力的新型污水生物脫氮除磷技術(shù)應(yīng)用到我國(guó)的城市污水處理中，并基于此類新技術(shù)，積極開發(fā)出具有高效、節(jié)能一體化的污水生物脫氮除磷工藝，是解決此類問(wèn)題值得考慮的研究方向。