趙 娜

短程硝化—反硝化聚磷菌脫氮除磷技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展

趙 娜

（沈陽市給排水勘察設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110021）

短程硝化—反硝化聚磷菌脫氮除磷工藝的出現(xiàn)，有效地克服了傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝的諸多缺點(diǎn)，是一種節(jié)能、高效、運(yùn)行費(fèi)用低的新型生物脫氮除磷工藝。介紹反硝化聚磷菌的反應(yīng)機(jī)理、綜述了國內(nèi)外研究進(jìn)展，并指出了該工藝目前存在的主要問題。

A2N-SBR工藝；短程硝化；反硝化脫氮除磷；亞硝化細(xì)菌；反硝化聚磷菌

近年來，隨著水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，我國于2002年頒布的《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）中規(guī)定排入收納水體中的出水 TP小于0.5 mg/L，TN小于15 mg/L（一級A排放標(biāo)準(zhǔn)），這對氮、磷排放標(biāo)準(zhǔn)限制的更加嚴(yán)格，因此對于現(xiàn)有污水處理廠面臨著升級改造的問題，而新建污水處理廠需要考慮對污水增加深度脫氮除磷工藝。傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝在實(shí)際運(yùn)行過程中存在著諸多不足，例如反硝化細(xì)菌和聚磷菌對有機(jī)物的競爭以及兩者污泥齡之間的矛盾，使得出水中氮、磷濃度很難同時達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。在城市污水中C/N和C/P比值過低的情況下，反硝化細(xì)菌和聚磷菌爭奪有機(jī)碳源的現(xiàn)象更加明顯，因此需要額外投加有機(jī)物，增加了污水廠的運(yùn)行投資費(fèi)用。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝實(shí)踐中出現(xiàn)的一系列問題進(jìn)行了大量的研究，提出了一些新的觀點(diǎn)和方法，其中短程硝化—反硝化脫氮除磷工藝有效地克服了傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)存在的諸多弊端，為城市污水提供了一種全新的脫氮除磷途徑。該工藝具有以下顯著優(yōu)勢[2-3]：（1）對有機(jī)碳源的需求量少，利用反硝化聚磷菌同時完成脫氮和除磷兩個過程，適合用來處理碳氮比偏低的城市生活污水；（2）在不同的反應(yīng)器中分開培養(yǎng)亞硝化細(xì)菌和反硝化聚磷菌，使其各自在最佳的環(huán)境條件下生長，避免了兩者之間的相互影響，有利于各自性能的發(fā)揮；（3）剩余污泥量降低了50%，短程硝化階段還節(jié)省了30%的曝氣量。

1 反硝化聚磷菌的發(fā)現(xiàn)及除磷機(jī)理

1977年Nicolls和Osborn[4]在硝酸鹽異化還原試驗中發(fā)現(xiàn)了能快速吸收磷的現(xiàn)象，說明有些反硝化細(xì)菌也能吸收磷。1978年Nichollos和Osborn通過對活性污泥進(jìn)行間歇試驗，證明缺氧和好氧條件下污泥斗可以吸收磷，但好氧時的吸磷速率要高于缺氧的。1987年Vlekke[5]通過試驗表明可以誘導(dǎo)培養(yǎng)出以硝酸鹽為電子受體的聚磷菌。1987年，中國市政工程華北設(shè)計院也在中試試驗中發(fā)現(xiàn)了反硝化脫氮除磷的現(xiàn)象[1]。1993年Kuba[6]發(fā)現(xiàn)，在缺氧和厭氧交替的條件下，易獲得一種以O(shè)2或NO3–為電子受體的微生物，且其代謝機(jī)理與傳統(tǒng)聚磷菌相似，能超量吸磷且同時具有反硝化和除磷作用，由于這種細(xì)菌的特性，人們將其稱之為反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphorus Accumulation Organisms，DPAOs ）。

反硝化除磷機(jī)理與厭氧/缺氧交替運(yùn)行條件下利用聚磷菌除磷機(jī)理相似，厭氧時兩者的釋磷過程是基本一致的，只是在缺氧時反硝化聚磷菌不是以O(shè)2而是利用NO3–為電子受體，利用厭氧時貯存在體內(nèi)的PHB來產(chǎn)生能量。大部分能量用來合成自身細(xì)胞，還有一部分用來吸收污水中的磷酸鹽，并將吸收的磷以多聚磷酸鹽的形式貯存在體內(nèi)，同時把NO3–還原為N2。通過反硝化聚磷菌實(shí)現(xiàn)同時脫氮除磷的效果，解決了傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中反硝化細(xì)菌和聚磷菌爭奪碳源的問題，具有“一碳兩用”的優(yōu)點(diǎn)。

2 反硝化聚磷菌的國內(nèi)外研究進(jìn)展

1992年Takahiro[7]利用SBR反應(yīng)器進(jìn)行試驗研究，在缺氧和厭氧交替的條件下篩選出了以NO3--N為電子受體的反硝化聚磷菌。隨后又有類似的試驗研究表明，微生物依次經(jīng)過厭氧、缺氧、好氧階段后， 反硝化聚磷菌可以占到總聚磷菌的50%左右[8]。鄒華[9]通過模擬廢水和A/O工藝中的污泥進(jìn)行試驗研究，發(fā)現(xiàn)NO3--N的確可以作為反硝化聚磷菌電子受體，只是其吸磷效率比以氧氣為電子受體時下降了24%左右。李勇智[10]利用厭氧/缺氧SBR反應(yīng)器研究反硝化聚磷菌，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定后反應(yīng)結(jié)束時出水中磷的濃度小于1 mg/L，去除率大于89%。羅寧[11]采用雙污泥系統(tǒng)處理合成廢水，從中分離出了反硝化聚磷菌并建立了數(shù)學(xué)模型。楊慶娟[12]采用A2N工藝處理小區(qū)生活污水，通過適當(dāng)?shù)臈l件控制培養(yǎng)出反硝化聚磷菌，COD、TN和TP去除率分別可達(dá)90.3%、90%和99.6%，獲得了較好的脫氮除磷效果。

大量研究表明，反硝化聚磷菌的生長與溫度、pH值、DO濃度、水力停留時間、碳氮比等因素有關(guān)。陳曉旸[13]研究表明，在A/O/A膜生物反應(yīng)器中，溫度在（25±1）℃、SRT=15 d，DO=3.97 mg/L時，對氮、磷的去除效果最好。張超[14]使用人工配水，在SBR反應(yīng)器內(nèi)以A/O/A/O方式運(yùn)行，當(dāng)控制SRT=15 d，MLSS=3 200 mg/L，DO=2.5 mg/L時，TN、TP、COD去除率分別達(dá)到96.26%、99.87%、90.46%

NO3--N作為反硝化聚磷菌的電子受體已得到廣大學(xué)者的認(rèn)同和接受，但對于以NO2--N作為反硝化聚磷菌的電子受體還存在爭議。Keren[15]在試驗中發(fā)現(xiàn)當(dāng)NO3--N消耗完后，污水中雖然還存在大量NO2--N，但并未發(fā)生吸磷現(xiàn)象，由此得出NO2--N不能作為反硝化聚磷菌的電子受體。但近年來，許多的研究成果認(rèn)為只要合理的控制NO2--N濃度，NO2--N是可以作為反硝化聚磷菌的電子受體的。Meinhold[16]認(rèn)為NO2--N濃度在4~5 mg/L時可以作為電子受體，只有當(dāng)NO2--N濃度大于8 mg/L時才會對反硝化聚磷菌的活性產(chǎn)生抑制作用。彭永臻得出NO2--N濃度在5.5~9.5 mg/L時，反硝化聚磷菌可以進(jìn)行吸磷反應(yīng)，只有NO2--N濃度達(dá)到15 mg/L時才會抑制反硝化吸磷現(xiàn)象。李捷[17]得出NO2--N濃度小于65 mg/L時反硝化聚磷菌可以進(jìn)行脫氮除磷，濃度大于95 mg/L時會導(dǎo)致反硝化聚磷菌釋磷現(xiàn)象再次發(fā)生。王愛杰[18]得出NO2--N濃度為35 ± 5 mg/L時取得的反硝化除磷效果最好。J.Y.Hu[19]通過間歇試驗得出NO2--N作為電子受體的上限濃度可以高達(dá)115 mg/L。張曉潔[20]通過批次試驗研究得出在NO2--N濃度低于80 mg/L時不會對反硝化聚磷菌的吸磷現(xiàn)象產(chǎn)生抑制作用。

3 A2N-SBR工藝的應(yīng)用進(jìn)展

短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝也稱為連續(xù)流雙污泥SBR工藝（A2N-SBR），該系統(tǒng)由厭氧/缺氧反應(yīng)器（A2-SBR）和好氧反應(yīng)器（N-SBR）組成。A2-SBR系統(tǒng)用來富集反硝化聚磷菌，去除有機(jī)物同時進(jìn)行反硝化脫氮除磷反應(yīng)；N-SBR系統(tǒng)用來富集亞硝化細(xì)菌，并為A2-SBR系統(tǒng)提供亞硝化液。兩個SBR反應(yīng)器中的優(yōu)勢菌種是完全分開培養(yǎng)的，彼此之間只是在沉淀后相互交換上清液，因此有利于兩類細(xì)菌分別在各自適宜的環(huán)境下生長。在N-SBR內(nèi)，NH4+只被氧化至NO2-而非NO3-，N-SBR系統(tǒng)的出水進(jìn)入A2-SBR。在A2-SBR內(nèi)，以NO2--N為電子受體的反硝化聚磷菌利用NO2--N進(jìn)行反硝化吸磷，從而實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷的目的。工藝流程如圖1所示。

圖1 短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝流程圖

近年來A2N-SBR工藝逐漸成為研究熱點(diǎn)。Kuba[21]通過試驗驗證了A2N-SBR工藝的可行性，并且證明了其與單污泥工藝相比脫氮除磷效果更好。HAO[22]將A2N-SBR工藝和UCT工藝進(jìn)行了對比，結(jié)果表明前者對氮的去除率更高，同時曝氣量節(jié)省了35%，混合液回流量節(jié)省了85%，占地面積減少了30%。王亞宜[23]得出A2N-SBR工藝對C/N為4~7的生活污水處理效果更佳，這個比值與我國生活污水的C/N較符合，有機(jī)物、TN和TP去除率分別可達(dá)95%、92.6%和98%。羅固源等[24]對A2N-SBR工藝進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，取得了較好的脫氮除磷效果，指出該工藝適合處理低C/P的污水，并且建立了數(shù)學(xué)模型。李勇智[25]采用A2N-SBR工藝處理實(shí)際生活污水，脫氮和除磷效率分別達(dá)到95%和98%。

4 展望

短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝的開發(fā)有效地解決了傳統(tǒng)脫氮除磷工藝中存在的弊端，可以節(jié)省50%的有機(jī)物消耗量和30%的供氧量、減少了20%的大氣CO2排放量以及50%的剩余污泥量，具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來該工藝逐漸成為研究熱點(diǎn)，其理論受到廣泛重視及其工藝得到普遍認(rèn)可。反硝化脫氮除磷理論雖然在上個世紀(jì)80年代就已經(jīng)被提出，但是目前還存在以下問題有待于進(jìn)一步解決：（1）反硝化聚磷菌的影響因素較多，目前對于影響因素的研究雖有了一定認(rèn)識但還不夠充分，理論解釋還需要進(jìn)一步補(bǔ)充，眾學(xué)者得出的結(jié)論說法不一。特別是NO2-對反硝化聚磷菌的影響還需要深入研究。（2）現(xiàn)階段，反硝化聚磷菌的研究還處于初級階段，菌群的特性還沒有完整的定論。反硝化脫氮除磷理論相應(yīng)用到短程硝化-反硝化脫氮除磷工藝中的技術(shù)尚不成熟。該工藝連續(xù)運(yùn)行后，會受到水質(zhì)等各種影響因素的干擾，容易出現(xiàn)運(yùn)行不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此需要研究確定工藝運(yùn)行的最佳控制參數(shù)。

［1］秦亞敏. 雙污泥SBR工藝短程反硝化除磷脫氮的試驗研究[D]. 沈陽: 沈陽建筑大學(xué), 2010.

［2］李亞峰, 馬晨曦, 張馳. 不同曝氣方式下SBR亞硝化的實(shí)現(xiàn)及NO2--N積累效果[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2014, 8(11): 4561-4567.

［3］李亞峰, 馬晨曦, 張馳. pH值和有機(jī)碳源對匹配厭氧氨氧化的SBR亞硝化反應(yīng)的影響研究[J]. 沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2014, 30(6): 1128-1235.

［4］KubaT.，SmoldersG.，van Loosdreeht M.C.M.，et al. Biologiical phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor[J]. Wat.Sei. Teeh，1993，27（5-6）：241-252.

［5］Vlekke G.J.F.M.，ComeauY.，OldhamW.K.Biologieal phosphate removal from wastewater with Oxygen or nitrate in sequeneing bateh reactors [J].Environ.Teelinol.Lett，1988，9：791-796.

［6］KubaT.，SmoldersG.，van Loosdreeht M.C.M.，et al. Biologiical phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor[J]. Wat.Sei. Teeh，1993，27（5-6）：241-252.

［7］Takeshita M，Soud H. FGD Performance and Experience on Coal-fired Plants[R]. London: IEACoalResearch, 1993：35-38.

［8］Bortone G.，Marsili Libelli S.，Tilche A.，et al.Anoxic Phosphate Uptake in the Dephanox Process[J]. Wat.Sci. Tech，1999，40（4-5）：177-183.

［9］鄒華，阮文權(quán)，陳堅. 硝酸鹽作為生物除磷電子受體的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2002，15（3）：38-41.

［10］李勇智，彭永臻，王淑瑩，等. 強(qiáng)化生物除磷體系中的反硝化除磷[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2003，23（5） ：543-546.

［11］羅寧. 雙泥生物反硝化吸磷脫氮系統(tǒng)工藝的試驗研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2003.

［12］楊慶娟，王淑瑩，劉瑩，等. 污泥回流比對A2N反硝化除磷工藝脫氮除磷的影響[J]. 中國給水排水，2008，24（13）：37-41.

［13］陳曉旸，薛智勇，肖竟霓，等. 曝氣強(qiáng)度對AOA膜生物反應(yīng)器脫氮除磷性能的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2011, 32(10): 2979-2985

［14］張超，王羅春. 溶解氧對反硝化除磷的影響[J]. 水處理技術(shù)，2009, 35 (12): 27-30

［15］Jens Peter Kerren-Jespersen，Mogens Henze，Rune Strube.Biological PhosPhorus release and uptake under alternating anaerobic and anoxic conditions in a fixed- film reactor[J]. Water Research，1994，28（5）：1253-1255.

［16］Jens Meinhold，Eva Arnold，Steven Isaacs.Eeffct of nitrite on anoxic phosphate uptake in biological phosphours removal activated sludge[J]. Water Research，1999，33（8）：1871-1883.

［17］李捷，熊必永，張杰.電子受體對厭氧/好氧反應(yīng)器聚磷菌吸磷的影響[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，37（5）：619-622.

［18］王愛杰，吳麗紅，任南琪，等. 亞硝酸鹽為電子受體反硝化除磷工藝的可行性[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，2005，25（5）：515-518.

［19］J.Y. Hu，S.L.Ong，W. J. Ng，et al.A new method for characterizing denitrifying phosphorus removal bacteria by using three different types of electron acceptors[J]. Water Research，2003，37（14）：3463 - 3471.

［20］張曉潔，周少奇，朱明石.亞硝氮為電子受體缺氧吸磷的試驗研究[J].凈水技術(shù)，2007，26（1）：41-46.

［21］Kuba T，Van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying and dephosphatation and nitrification in a two sludge system[J]. Wat.Res，1996，30（7） ：1702-1710.

［22］X.Hao，J.J.Heijnen，Y.Qian，et al. Contribution of P-Bacteria in Biological Nutrient Removal Processes to Overall Effects on the Environment[J]. Water Science Technology，2001，44（1） ：67-76.

［23］王亞宜，杜紅，彭永臻，等. A2N反硝化除磷脫氮工藝及其影響因素[J]. 中國給水排水，2003，19（9） ：8-11.

［24］羅固原，吉芳英，羅寧，等.硝酸鹽電子受體反硝化同時除磷試驗研究[J].環(huán)境工程，2004，22（1） ：32-35.

［25］李勇智，李安安，彭永臻，等. A2N-SBR雙污泥反硝化生物除磷系統(tǒng)效能分析[J]. 北京工商大學(xué)學(xué)報，2007，25（1）：10-14.

Research Progress and Application of Denitrification and Phosphorus Removal Technology With Shortcut Nitrification and Denitrifying Phosphorus Accumulating Bacteria

（Shenyang Water Supply＆Drainage Prospecting Design Research Institute Co.,Ltd., Liaoning Shenyang 110021, China）

The denitrification and dephosphorization process with short-cut nitrification and denitrifying phosphorus accumulating bacteria effectively overcomes the shortcomings of the traditional biological nitrogen and phosphorus removal process, and it is a new biological nitrogen and phosphorus removal process with energy saving, high efficiency and low running cost . In this paper, the mechanism of denitrifying polyphosphate accumulating bacteria was introduced. The research progress was summarized, and the main problems of the process were pointed out.

A2N-SBR process, shortcut nitrification, denitrifying denitrification and dephosphorization, nitrite bacteria, denitrifying phosphorus accumulating bacteria

2016-11-25

趙娜（1982-）,女，碩士研究生，工程師，遼寧沈陽人，研究方向：水源工程、給水及污雨水泵站、給水處理廠、污水處理廠、中水回用、城市輸配管網(wǎng)、給排水管道等給排水工程設(shè)計。E-mail：zhaoyayatong@126.com。

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1004-0935（2017）01-0099-04