基于低碳氮比城鎮(zhèn)污水的脫氮除磷技術(shù)探究

張福波，張慶軍，齊星

（遼寧城建設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧撫順 113008）

隨著生態(tài)環(huán)境部門對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠的升級(jí)改造及對(duì)黑臭水體和農(nóng)村污水治理的高度重視，脫氮除磷技術(shù)在低碳氮比城鎮(zhèn)污水處理中成為熱點(diǎn)。新建與改造城鎮(zhèn)污水處理站主要考慮氮、磷能否達(dá)標(biāo)排放，由此研發(fā)了包括改良A/A/O在內(nèi)的多種同步脫氮除磷工藝[1]。

人為的富營(yíng)養(yǎng)化主要是城鎮(zhèn)污水中氮磷超標(biāo)引起的。低碳氮比的含氮磷污水對(duì)處理工藝要求較高，目前傳統(tǒng)的處理方法主要分為物化法和生物法兩種。由于物化法的脫氮除磷運(yùn)行費(fèi)用較高，且易產(chǎn)生二次污染，所以二次污染較小、運(yùn)行維護(hù)管理方便、運(yùn)行成本較低的生物脫氮除磷變形新工藝得到了業(yè)內(nèi)的重視[2]。

1 脫氮基本原理

1.1 傳統(tǒng)生物脫氮

生物脫氮主要包括硝化和反硝化過(guò)程，其中硝化是兩種不同類型的微生物在好氧條件下由氨氧化菌（Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB）來(lái)完成的生化反應(yīng)過(guò)程；反硝化是由異養(yǎng)型兼性厭氧微生物完成的反應(yīng)過(guò)程。參與反應(yīng)表達(dá)式如下：

總的硝化反應(yīng)過(guò)程為：

反硝化反應(yīng)過(guò)程為：

當(dāng)外碳源提供不充足的時(shí)候，微生物發(fā)生內(nèi)源反硝化反應(yīng)，反應(yīng)式可簡(jiǎn)單表示為：

從工藝運(yùn)行的角度而言，硝化菌的生長(zhǎng)繁殖適應(yīng)pH為7.5～8.5，當(dāng)pH為6.5～7.5時(shí)，則有利于反硝化細(xì)菌進(jìn)行代謝活動(dòng)。由反應(yīng)式可看出，硝化反應(yīng)是一個(gè)產(chǎn)生H+的過(guò)程，反硝化反應(yīng)是產(chǎn)生OH-的過(guò)程。反硝化反應(yīng)產(chǎn)生的堿度與硝化過(guò)程消耗的堿度得到一定平衡，但總體表現(xiàn)為堿度消耗相對(duì)較大。一般城鎮(zhèn)污水利用傳統(tǒng)生物脫氮工藝處理時(shí)需要投加一定量的堿度，進(jìn)而保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行[3]。為了避免pH變化對(duì)生物代謝的影響，合理控制pH是脫氮除磷工藝開發(fā)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮的重要因素。由于生物脫氮需要在好氧和缺氧條件下交替進(jìn)行，因此嚴(yán)格控制沿程變化的DO，進(jìn)而為硝化菌和反硝化菌提供適宜的DO環(huán)境是工藝開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。對(duì)于低碳氮比城鎮(zhèn)污水，通常內(nèi)源反硝化效率較低，需要提供反硝化必需的碳源，但外加碳源提高了運(yùn)行成本且操作繁瑣，因此研發(fā)新型脫氮工藝具有較高的應(yīng)用價(jià)值[4、5]。

1.2 同步硝化反硝化脫氮（SND）

早在20世紀(jì)80年代，Robeitson Kuenen[6]就在反硝化和除硫系統(tǒng)出水中首次分離出了好氧反硝化菌Thiosphaera Pantotropha、Pseudmonas sp和Alcaligenesfaecalis等，多種好氧反硝化細(xì)菌在后續(xù)研究中也被發(fā)現(xiàn)并分離出來(lái)，這進(jìn)一步表明了好氧反硝化菌的存在。硝化和反硝化過(guò)程在沒(méi)有明顯缺氧分區(qū)的同一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)發(fā)生，進(jìn)而達(dá)到脫氮的目的[7]。大量實(shí)驗(yàn)及報(bào)道證明了同步硝化和反硝化現(xiàn)象（Simultaneous Nitrification and Denitrification SND）的存在。同步硝化反硝化的機(jī)理解釋包括：宏觀缺氧理論[8]、微觀缺氧理論和微生物學(xué)理論。

微觀缺氧理論的解釋是由于氧擴(kuò)散、微生物群落結(jié)構(gòu)、基質(zhì)分布代謝活動(dòng)等因素的影響，在微生物絮體或生物膜內(nèi)產(chǎn)生不同的DO梯度，進(jìn)而形成了多個(gè)微環(huán)境。微環(huán)境內(nèi)部由于氧傳遞受阻而形成適于反硝化菌生長(zhǎng)的缺氧環(huán)境，而表面由于溶解氧高，好氧硝化菌及氨化菌生長(zhǎng)有利，從而為同步硝化反硝化的生長(zhǎng)提供微環(huán)境，該理論是被普遍認(rèn)可的一種[9]。DO濃度及微生物的絮體結(jié)構(gòu)特征對(duì)微環(huán)境的形成起到主要作用，因此DO是SND脫氮功能水處理工藝成功運(yùn)行的重要參數(shù)。研究還發(fā)現(xiàn)，小絮體中也有SND現(xiàn)象發(fā)生，該現(xiàn)象用微觀缺氧理論無(wú)法解釋，于是部分學(xué)者提出了微生物學(xué)理論。微生物學(xué)理論的基礎(chǔ)是好氧反硝化菌的存在，使得細(xì)菌在具有好氧條件的反應(yīng)器內(nèi)完成硝化和反硝化。

同步硝化反硝化脫氮比傳統(tǒng)生物脫氮理論具有明顯的優(yōu)勢(shì)：硝化和反硝化可在一體式反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，不僅能降低能耗，而且減少了占地與曝氣量；反硝化產(chǎn)生的OH-可與硝化產(chǎn)生的H+相互中和，進(jìn)而有效地穩(wěn)定反應(yīng)器內(nèi)的pH，同時(shí)節(jié)省了外加堿度；在C/N一定的情況下提高TN的去除率，節(jié)省了反硝化所需的碳源投加量；反應(yīng)過(guò)程中，硝化產(chǎn)物又可作為反硝化反應(yīng)物，降低了硝酸鹽或亞硝酸鹽的積累對(duì)反硝化產(chǎn)生的抑制作用，提高了脫氮速率。在A2O及改良工藝中，SND的實(shí)現(xiàn)具有以下優(yōu)勢(shì)：減少了隨污泥回流至厭氧區(qū)的硝酸鹽量，強(qiáng)化了好氧段的總氮損失，減少硝化反應(yīng)與厭氧釋磷反應(yīng)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而提高好氧階段的吸磷量；提高缺氧區(qū)反硝化負(fù)荷，脫氮區(qū)域增加，提高了總氮的去除率；不用單獨(dú)建設(shè)缺氧反應(yīng)池，節(jié)省占地與基建費(fèi)用[10]。因此SND為適應(yīng)城鎮(zhèn)污水處理工藝的開發(fā)提供了很好的研究方向。

1.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化（Anammox）是指厭氧氨氧化菌在厭氧條件下以亞硝酸鹽為電子受體，氨氮為電子供體，最終將亞硝酸鹽和氨氮同時(shí)轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^(guò)程[11]。該脫氮過(guò)程不用外加碳源，與傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮過(guò)程相比，明顯縮短了傳統(tǒng)的氮循環(huán)過(guò)程。

基于Anammox過(guò)程的微生物是自養(yǎng)型微生物，不需要氧氣參與反應(yīng)、零產(chǎn)堿量、減輕了二次污染，且不需要添加有機(jī)碳源，故而成為目前較經(jīng)濟(jì)的新型生物脫氮工藝之一。但在污水處理的實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的問(wèn)題，Anammox反應(yīng)器污泥培養(yǎng)周期長(zhǎng)，反應(yīng)器啟動(dòng)周期長(zhǎng)；Anammox細(xì)菌的多樣性的高特異性引物的分析研究較少；Anammox細(xì)菌生長(zhǎng)較緩慢，對(duì)外界條件敏感，倍增時(shí)間長(zhǎng)，和其他異養(yǎng)微生物共生關(guān)系的作用機(jī)制仍待研究；氨氧化在低氨氮、低溫城鎮(zhèn)污水中的應(yīng)用受到一定的限制。

1.4 短程反硝化

短程硝化反硝化與全程硝化反硝化工藝相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：極大節(jié)省了有機(jī)碳源，減少了外加堿度，降低了能耗及運(yùn)行費(fèi)用；反硝化速率高，縮短了反應(yīng)時(shí)間，減小了反應(yīng)器容積，降低了基建費(fèi)用和運(yùn)行成本；在C/N比一定的情況下能提高TN的去除率。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)短程生物脫氮工藝進(jìn)行了大量研究，但的積累非常不易控制，極易氧化形成

2 除磷基本原理

生物除磷反應(yīng)包括厭氧釋磷和好氧吸磷、缺氧吸磷，最終實(shí)現(xiàn)外部磷的吸收，并以剩余污泥的形式從系統(tǒng)中排出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)除磷的效果。

2.1 傳統(tǒng)除磷

生物超量吸磷現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)使得污水除磷技術(shù)得到應(yīng)用和發(fā)展，聚磷菌等一類微生物將磷以聚合的形態(tài)貯藏在菌體內(nèi)，從外部環(huán)境攝取超過(guò)其生理需求的磷，形成高磷污泥，并通過(guò)剩余污泥的形式排放。聚磷菌在厭氧條件下將體內(nèi)積聚的聚磷分解，以與污水中易降解有機(jī)物，如揮發(fā)性脂肪酸（VFA）合成聚磷酸鹽（PHB/PHV）的形式貯存于體內(nèi)，形成二磷酸腺苷（ADP），同時(shí)釋放能量；混合液在好氧區(qū)內(nèi)聚磷菌以游離氧為電子受體，將體內(nèi)的有機(jī)底物進(jìn)行好氧分解并產(chǎn)生能量，在透過(guò)膜的催化作用下，通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸形式從外部環(huán)境攝取過(guò)量的H3PO4，并以聚磷酸鹽的形式積聚于體內(nèi)，形成高磷污泥。研究發(fā)現(xiàn)，回流到厭氧區(qū)的硝酸鹽將消耗易降解的碳源，會(huì)造成厭氧釋磷碳源不足，導(dǎo)致后續(xù)好氧吸磷不足，除磷效率降低[13]。

2.2 反硝化除磷

Hascoet和Comeau等人早在20世紀(jì)80年代中期就發(fā)現(xiàn)了聚磷菌可以在缺氧環(huán)境條件下以硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行吸磷[14、15]。具有反硝化除磷作用的兼性厭氧微生物利用O2或NO3-作為電子受體進(jìn)行吸磷，與傳統(tǒng)的聚磷菌（PAO）相比，同對(duì)胞內(nèi)PHB和糖原的代謝作用方式類似，此類微生物被命名為反硝化聚磷菌（Denitrifying PAO，DPAO）。反硝化除磷的機(jī)理是通過(guò)厭氧/缺氧條件馴化培養(yǎng)大量DPAO作為兼性厭氧細(xì)菌，在厭氧段DPAO胞內(nèi)聚合磷酸鹽水解并釋放能量，完成厭氧釋磷，污水中的VFA被吸收并轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)碳源PHA；在缺氧段，O2、作為DPAO的電子受體，氧化胞內(nèi)碳源PHA，為自身細(xì)胞的合成及維持生命代謝活動(dòng)提供能量，另一部分能量用于吸收水中的無(wú)機(jī)磷酸鹽，最終以聚磷顆粒的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)將還原為

反硝化除磷工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：避免反硝化菌和聚磷微生物對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，大大節(jié)省了碳源消耗，因此反硝化除磷適合用于低C/N比的城鎮(zhèn)污水處理；曝氣量及污泥量減少，同時(shí)可以縮小反應(yīng)器體積，進(jìn)而降低基建和運(yùn)行費(fèi)用。傳統(tǒng)工藝在低碳氮比城鎮(zhèn)污水處理工藝中的投資運(yùn)行成本較高，開發(fā)具有反硝化除磷功能的新工藝勢(shì)在必行[17]。

3 結(jié)論

（1）在脫氮除磷工藝開發(fā)過(guò)程中，合理控制pH及嚴(yán)格控制DO沿程變化，是工藝開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵。

（2）城鎮(zhèn)污水處理工藝的開發(fā)，建議優(yōu)先考慮同步硝化反硝化脫氮SND應(yīng)用。

（3）針對(duì)低碳氮比城鎮(zhèn)污水處理，開發(fā)具有反硝化除磷功能的新工藝具有較大的應(yīng)用市場(chǎng)，進(jìn)而可節(jié)省投資運(yùn)行成本。

（4）在加大農(nóng)村環(huán)境保護(hù)的背景下，適合我國(guó)低碳氮比城鎮(zhèn)污水處理、具有較大應(yīng)用價(jià)值的工藝技術(shù)應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：氮磷達(dá)標(biāo)，污泥排放量少；投資少，運(yùn)行能耗低；一體化設(shè)計(jì)，減小占地面積；運(yùn)行、管理和維護(hù)簡(jiǎn)單，專業(yè)技術(shù)水平要求較低。