反硝化除磷技術(shù)及其影響因素

摘" " " 要： 反硝化脫氮除磷技術(shù)與傳統(tǒng)脫氮除磷方式相比，能夠在缺氧段實(shí)現(xiàn)同步體脫氮除磷，具有節(jié)約碳源，減少能源消耗、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)。簡(jiǎn)要概述了反硝化除磷的機(jī)理，總結(jié)并分析了碳源種類(lèi)、碳源濃度、電子受體、溫度、pH值、水力停留時(shí)間和污泥濃度等影響因素對(duì)反硝化脫氮除磷技術(shù)的影響。

關(guān)" 鍵" 詞：脫氮除磷；反硝化除磷機(jī)理； 影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）05-0691-04

聚磷菌在厭氧/缺氧兩種環(huán)境交替運(yùn)行的情況下，可以馴化得到反硝化聚磷菌（DPB），DPB既能以O(shè)2也可以用NOx--N作為電子受體完成過(guò)量吸磷和反硝化兩個(gè)過(guò)程[1-2]。目前面臨碳源不足、C/N低會(huì)導(dǎo)致城鎮(zhèn)污水廠出水總氮含量偏高的問(wèn)題，應(yīng)用DPB進(jìn)行污水同步脫氮除磷可以有效的解決這一問(wèn)題，反硝化除磷技術(shù)在同步脫氮除磷的基礎(chǔ)上可以減少碳源的消耗，做到“一碳兩用”，既減少了曝氣所需的能量，也降低了污泥產(chǎn)量，在污水處理工藝中具有可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)[3]。但由于反硝化除磷過(guò)程受到諸多因素的影響，一定程度上限制了該工藝的應(yīng)用，因此研究反硝化除磷技術(shù)的影響因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1" 反硝化除磷機(jī)理

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)探究反硝化除磷的機(jī)理，無(wú)機(jī)磷酸鹽被DPB吸收和釋放的代謝過(guò)程通常用Comeau-Wentze模式和MINO提出的Mino模式等來(lái)解釋反硝化除磷[4-5]。DPB在厭氧環(huán)境中將體內(nèi)的多聚磷酸鹽（Ploy-P）水解成無(wú)機(jī)磷酸鹽（PO43--P）并釋放到菌體外，Ploy-P水解過(guò)程可以產(chǎn)生能量，同時(shí)吸收廢水中的低分子揮發(fā)性脂肪酸（VFA），在菌體內(nèi)合成聚羥基烷酸（PHA），PHA不斷在菌體內(nèi)累積，為缺氧DPB過(guò)量吸磷提供能量。DPB會(huì)以硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮為主要電子受體在缺氧環(huán)境下進(jìn)行代謝。在缺氧環(huán)境中菌體內(nèi)PHA的分解產(chǎn)生能量，該能量主要用來(lái)吸收PO43--P到菌體內(nèi)合成Ploy-P以及用來(lái)合成糖原。最終通過(guò)剩余污泥排放完成整個(gè)脫氮除磷過(guò)程。

2" 反硝化除磷的主要影響因素

2.1" 碳源

2.1.1" 碳源種類(lèi)

在反硝化除磷過(guò)程中，碳源種類(lèi)對(duì)污水中DPB釋磷效果和PHA合成情況有很大影響，進(jìn)而影響到氮、磷去除性能。目前實(shí)驗(yàn)室常用乙酸鹽、丙酸鹽、葡萄糖等作為人工模擬污水的碳源。含有丙酸鹽、乙酸鹽、葡萄糖等物質(zhì)的污水中進(jìn)入?yún)捬醵魏?，能夠誘發(fā)釋放磷酸鹽，但往往乙酸鹽、丙酸鹽的釋放磷酸鹽的效果最佳[6-7]，也有研究表明以乙酸鹽與丙酸鹽的混合碳源更能激發(fā)厭氧釋磷，并且馴化培養(yǎng)的生物多樣性要高于單一碳源[8]。吉芳英通過(guò)A2NSBR工藝研究反硝化脫氮除磷系效果的影響，使用葡萄糖、丙酸、乙酸三種單一碳源進(jìn)行研究，結(jié)果表明乙酸能強(qiáng)化生物除磷效果 ，能夠成為富集DPB的有效碳源，丙酸去除磷的效果則不如乙酸，葡萄糖對(duì)比其他兩種碳源處理效果最差[9]。另一方面以乙酸鹽、丙酸鹽作為碳源，污泥產(chǎn)率更低，對(duì)此分析認(rèn)為，在缺氧環(huán)境下，磷酸鹽進(jìn)入DPB形成Ploy-P是一個(gè)需要能量的過(guò)程，而提供反硝化除磷所需要的能量的物質(zhì)正是碳源基質(zhì)，因此在進(jìn)水COD濃度一定的條件下，基質(zhì)產(chǎn)生的部分能量用來(lái)反硝化聚磷，反硝化除磷菌最終剩下的用于自身繁殖的碳源就越少，簡(jiǎn)單來(lái)講系統(tǒng)反硝化越徹底，吸磷能力越好，污泥濃度的增長(zhǎng)就越慢。

2.1.2" 碳源濃度

進(jìn)水有機(jī)物濃度會(huì)對(duì)反硝化除磷過(guò)程產(chǎn)生重要影響，不同濃度COD對(duì)整個(gè)系統(tǒng)污染物去除性能有明顯差異。高雅采用雙陰極MFC系統(tǒng)對(duì)生活污水脫氮產(chǎn)電性能，在研究不同COD濃度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水COD濃度處在較低水平時(shí)，污染物具有較高的去除率，在COD濃度達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增加COD濃度幾乎也不會(huì)對(duì)去除率有很大影響[10]。也就是說(shuō)當(dāng)廢水有機(jī)物濃度低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反硝化聚磷菌菌體內(nèi)合成的PHA不足，不能夠?yàn)槿毖醵挝踪A存足夠的能量。如果有機(jī)物濃度過(guò)高，未反應(yīng)完全的有機(jī)物殘留于缺氧段對(duì)缺氧吸磷產(chǎn)生抑制作用，這類(lèi)似于在缺氧段外加了碳源，DPB會(huì)直接利用碳源進(jìn)行外碳源反硝化，導(dǎo)致反硝化速率增大，吸磷速率降低[11]。因此將COD濃度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，可以保證污染物的高效率去除。

2.2" 電子受體

生物除磷技術(shù)中的關(guān)鍵影響因素之一就是電子受體，電子受體的研究經(jīng)歷了從O2到NO3--N、NO2--N的過(guò)程，反硝化除磷主要是以NO3--N和NO2--N做為電子受體，相比之下NO2--N作為電子受體更節(jié)省碳源，其次要想保證更好的脫氮除磷效果，就必須有足夠濃度的NO3--N和NO2--N，如果電子受體的NOx--N數(shù)量有限，缺氧段菌體內(nèi)PHA分解不足，會(huì)使缺氧吸磷量受到限制[12]。好氧污泥經(jīng)過(guò)厭氧/缺氧馴化的就可以利用NO3--N和NO2--N作為電子受體進(jìn)行過(guò)量吸磷，相比NO3--N，以NO2--N為電子受體能夠進(jìn)一步節(jié)省碳源、降低曝氣量以及減少剩余污泥產(chǎn)量，但NO2--N濃度過(guò)高會(huì)對(duì)缺氧階段過(guò)量吸磷產(chǎn)生一定的抑制作用。Jens Meinhold研究表明較低濃度的NO2--N對(duì)DPB缺氧吸磷幾乎不產(chǎn)生影響，而NO2--N濃度為8 mg/L時(shí)，就會(huì)對(duì)DPB缺氧吸磷產(chǎn)生抑制作用[13]。也有學(xué)者通過(guò)研究表明，NO2--N并非真正的抑制劑，真正導(dǎo)致抑制作用的是游離亞硝酸FNA[14]。而FNA的濃度又與NO2--N的濃度和pH值息息相關(guān)，并隨著NO2--N濃度的增加而增加，可以公式來(lái)表示，一旦FNA濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)對(duì)硝酸鹽的還原、亞硝酸鹽的還原以及COD的去除產(chǎn)生影響，避免FNA濃度過(guò)高有利于整個(gè)反硝化過(guò)程。

2.3" 溫度

溫度會(huì)影響生物體內(nèi)的酶促反應(yīng)，酶促反應(yīng)會(huì)直接影響DPB降解有機(jī)污染物的性能，其中溫度對(duì)酶促反應(yīng)的影響主要有酶在催化過(guò)程中的反應(yīng)速率和基質(zhì)擴(kuò)散到細(xì)胞內(nèi)的速率兩種方式。首先是低溫對(duì)反硝化除磷菌的影響，李微通過(guò)研究短程反硝化，系統(tǒng)溫度在24 ℃時(shí)，亞硝態(tài)氮的還原速率、總磷的去除效果均達(dá)到最大值，溫度在8 ℃時(shí)氮磷去除效果最差[15]。張?zhí)m河通過(guò)溫度對(duì)反硝化除磷性能的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，溫度在27 ℃時(shí)，缺氧段電子受體的還原速率及PHA的氧化速率均達(dá)到峰值[16]。一方面是在溫度降低過(guò)程中，活性污泥中DPB占聚磷菌總量的比例隨溫度降低稍而有下降。另一方面反硝化除磷過(guò)程溫度過(guò)低不僅會(huì)降低微生物的活性，還會(huì)對(duì)缺氧階段NOx--N的傳遞以及PHA的分解造成一定影響。普遍認(rèn)為溫度控制在20～30 ℃之間，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)反硝化除磷效果最佳[17]，溫度過(guò)高由于受到酶活性的抑制會(huì)對(duì)厭氧釋磷、缺氧吸磷以及缺氧反硝化過(guò)程產(chǎn)生不同程度的弱化。尤其在雙污泥系統(tǒng)的反硝化除磷中，溫度過(guò)低或者過(guò)高還會(huì)對(duì)硝化細(xì)菌硝化過(guò)程產(chǎn)生抑制，從而使電子受體NO3--N和NO2--N的濃度減少。

2.4" pH值

大量的研究和實(shí)際反應(yīng)表明，pH值會(huì)對(duì)處理效果造成影響[18-19]。在生化反應(yīng)過(guò)程中pH值是變化的，可以用來(lái)間接反應(yīng)不同階段的運(yùn)行效果，理論上微生物分解利用有機(jī)物會(huì)產(chǎn)生CO2， CO2溶解于水中會(huì)產(chǎn)生碳酸導(dǎo)致pH值下降，厭氧階段通過(guò)釋磷機(jī)理可以看出，釋磷過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生弱酸H3PO4也會(huì)導(dǎo)致pH值降低，好氧階段生物硝化作用會(huì)消耗堿度導(dǎo)致pH值降低，硝化反應(yīng)過(guò)程如下：

NH4++O2—→NO3-+2H++H2O

缺氧段生物反硝化作用會(huì)產(chǎn)生堿度導(dǎo)致pH值升高，反硝化過(guò)程如下（以乙酸為碳源，NO3--N為電子受體）：

5CH3COOH+8NO3-—→4N2+10CO2+6H2O+8OH-

pH值在不同階段的變化不僅可以反應(yīng)出釋磷、硝化、反硝化的效果，在一定程度上也會(huì)影響微生物的代謝活動(dòng)，韋佳敏通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)隨著pH值的升高（7.5～8.0），厭氧釋磷及缺氧吸磷速率也升高，pH超過(guò)8.0以后磷去除效率明顯下降[20]。分析認(rèn)為適合的pH值會(huì)增強(qiáng)微生物代謝活動(dòng)，提高處理效果，但pH值過(guò)高會(huì)引起磷酸鹽沉淀，因此在實(shí)際處理過(guò)程中應(yīng)注意將pH控制在合理范圍內(nèi)。

2.5" 水力停留時(shí)間

反硝化除磷過(guò)程需要經(jīng)歷厭氧、缺氧兩個(gè)階段，水力停留時(shí)間能夠直接影響反硝化除磷技術(shù)對(duì)碳、氮、磷的去除效果。令云芳通過(guò)控制厭氧段水力停留時(shí)間探究A2N工藝脫氮除磷效果，試驗(yàn)結(jié)果表明厭氧階段水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增加溶解性磷酸鹽的釋放，缺氧階段反硝化聚磷菌對(duì)硝態(tài)氮和磷酸鹽的去除并未增加，厭氧段水力停留時(shí)間過(guò)短，則不能保證DPB充分吸收污水中的有機(jī)物，進(jìn)而影響PHA的合成，導(dǎo)致缺氧吸磷量下降[21]。也有研究表明，提高缺氧段水力停留時(shí)間可以提高電子受體NOx--N的利用率，隨著缺氧水力停留時(shí)間的增加，反硝化除磷系統(tǒng)TN、TP去除率都會(huì)隨之增加[22]，但值得注意的是，缺氧水力停留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，避免反硝化聚磷菌出現(xiàn)“二次釋磷”現(xiàn)象。

2.6" 污泥濃度

污泥濃度能夠反應(yīng)反硝化除磷工藝中DPB含量的多少，適宜的污泥濃度能夠保證工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。王春英研究了不同污泥濃度下DPB的厭氧釋磷和缺氧反硝化吸磷效果，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)污泥濃度越高時(shí)，厭氧釋磷速率、缺氧吸磷速率和缺氧反硝化速率越高，并且在碳源充足的情況下，過(guò)高的污泥濃度更能激發(fā)厭氧環(huán)境中磷酸鹽的釋放，出現(xiàn)缺氧段電子受體不足的現(xiàn)象，如果污泥濃度偏低，則反硝化除磷速率偏低[23]。朱文韜、呂娟均采用SBR裝置進(jìn)行試驗(yàn)，研究表明，活性污泥濃度的提高會(huì)增加反硝化吸磷速率，但污泥濃度高出一定值后，單位污泥對(duì)磷攝取量會(huì)降低[24-25]。因此，在反硝化除磷工藝中，合理控制厭氧段、缺氧段的污泥濃度更有利于脫氮除磷。

3" 結(jié)論

反硝化除磷技術(shù)兼具反硝化和除磷性能，也為傳統(tǒng)脫氮除磷過(guò)程中存在的碳源競(jìng)爭(zhēng)和泥齡差異的矛盾提供了解決方案。該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中受到碳源、電子受體、溫度、pH值、水力停留時(shí)間、污泥濃度及其他因素的影響，因此綜合考慮控制參數(shù)的適用范圍，對(duì)反硝化除磷污水處理工藝的穩(wěn)定及高效運(yùn)行極為重要。在開(kāi)展試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：①大多數(shù)試驗(yàn)只關(guān)注單一因素對(duì)反硝化除磷的影響，而該過(guò)程受到多因素的影響，研究時(shí)應(yīng)注意多因素復(fù)合下的脫氮除磷效果。②反硝化除磷技術(shù)適用于低C/N的廢水，但除磷效果往往不佳，研究反硝化除磷技術(shù)和其他技術(shù)聯(lián)合脫氮除磷可以發(fā)揮更好的脫氮除磷效果。

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Abstract： Compared with traditional nitrogen and phosphorus removal methods， denitrifying phosphorus removal technology can achieve simultaneous nitrogen and phosphorus removal in anoxic phase， it has the advantages of saving carbon source， reducing energy consumption and low sludge production. In this paper， the mechanism of denitrifying phosphorus removal was summarized; the influence of carbon source type， carbon source concentration， electron acceptor， temperature， pH value and hydraulic retention time on denitrifying nitrogen and phosphorus removal technology was analyzed.

Key words： Nitrogen and phosphorus removal; Mechanism of denitrifying phosphorus removal; Influence factor