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第２卷 第６期环境工程学报Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．６２００８年６月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｕｎ．２００８Ａ２／Ｏ工艺中的反硝化除磷彭 轶１ 彭永臻１，２ 吴昌永１（１．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨１５００９０；２．北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京１０００２２）摘 要 Ａ２／Ｏ工艺是一种最简单的同步脱氮除磷工艺，但由于其系统中固有的基质竞争和污泥龄等矛盾，在实际应用中特别是处理低Ｃ／Ｎ比污水时脱氮除磷效率较低。反硝化除磷工艺作为近年来颇受关注的污水生物处理新技术，由于在脱氮除磷过程中可以在碳源利用上耦合，可从一定程度上缓解Ａ２／Ｏ工艺中的基质竞争矛盾，使得其在处理低Ｃ／Ｎ比污水时也能实现较高的脱氮除磷效率。就反硝化除磷的技术原理，结合其在Ａ２／Ｏ工艺中的最新研究成果及其控制策略，对Ａ２／Ｏ工艺中的反硝化除磷的实现、维持及影响因素进行了分析和探讨，并对其发展方向进行了展望。关键词 Ａ２／Ｏ工艺 反硝化除磷 控制策略中图分类号 Ｘ７０３１ 文献标识码 Ａ 文章编号 １６７３９１０８（２００８）０６０７５２０５ＤｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎＡ２／ＯｐｒｏｃｅｓｓＰｅｎｇＹｉ１ ＰｅｎｇＹｏｎｇｚｈｅｎ１，２ ＷｕＣｈａｎｇｙｏｎｇ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｕｎｉｃｉｐａｌａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００９０；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｅｉｊｉｎｇｆｏｒＷａｔｅｒＱｕａｌｉｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＷａｔｅｒＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＲｅｃｏｖｅｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２２）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｎａｅｒｏｂｉｃａｎｏｘｉｃｏｘｉｃ（Ａ２／Ｏ）ｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｓｉｍｐｌｅｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｔｈａｔｃａｎａｃｈｉｅｖｅｂｏｔｈｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｏｍｅｉｎｈｅｒｅｎｔｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎｓ，ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ，ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎａｎｄＳＲＴｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｍａｋｅｉｔｖｅｒｙｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｒａｉｓｅｔｈｅｎｕｔｒｉｅｎｔｓｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｗｈｅｎｔｒｅａｔｉｎｇｌｏｗＣ／Ｎｒａｔｉｏｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．Ａｓａｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｃａｎｓｏｌｖｅｔｈｏｓｅｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎｓｔｏａｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｔ，ｅｖｅｎｔｒｅａｔｉｎｇｌｏｗＣ／Ｎｒａｔｉｏｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．ＴｈｅａｉｍｓｏｆｔｈｉｓｗｏｒｋａｒｅｔｏｅｘｈｉｂｉｔｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌａｎｄｔｈｅｌａｔｅｓｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎＡ２／Ｏｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ．ＳｏｍｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｒｅａｌｓｏｉｎｃｌｕｄｅｄｔｏｇｉｖｅａｔｏｔａｌｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＡ２／Ｏｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ．ＴｈｅｍａｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｌｔｒｅｎｄｓｏｆｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｉｎＡ２／Ｏａｒｅａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄｈｅｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ａｎａｅｒｏｂｉｃａｎｏｘｉｃｏｘｉｃ（Ａ２／Ｏ）ｐｒｏｃｅｓｓ；ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ基金项目：国家自然科学基金海外青年学者合作研究基金项目（５０６２８８０８）；北京市科技计划项目（Ｄ０７０５０６０１５０００００）；北京市教委科技创新平台项目收稿日期：２００７－１２－０９；修订日期：２００８－０１－０７作者简介：彭轶（１９８３～），男，硕士研究生，主要研究方向：污水处理新工艺。Ｅｍａｉｌ：ｐｙ３０１１０３＠１６３．ｃｏｍ 随着水体“富营养化”现象的日益严重，使得从前仅以去除ＢＯＤ，ＳＳ为目标的污水处理厂必须具有脱氮除磷的功能。低Ｃ／Ｎ比生活污水在我国普遍存在，而如何提高其脱氮除磷效率一直是个难题。因此，如何在已有的反应构筑物基础上采用革新的运行方式以提高低Ｃ／Ｎ比污水的脱氮除磷功效是当今污水处理领域的研究热点之一。Ａ２／Ｏ工艺具有构造简单、总水力停留时间短、运行费用低、控制复杂性小、不易产生污泥膨胀等优点，是我国现有的城市污水处理厂中的主流工艺之一。然而Ａ２／Ｏ工艺中脱氮除磷的过程比较复杂，其中涉及的硝化、反硝化、释磷和吸磷等多个生化反应过程在同一污泥系统中实现，且各个过程的目的不同，对微生物组成、基质类型及环境条件的要求也各不相同［１］。故Ａ２／Ｏ工艺也存在基质竞争（脱氮和除磷过程对碳源的竞争）、泥龄矛盾（脱氮和除磷要求的泥龄范围不同）、总氮去除率难以提高等一些弊端，特别是处理低Ｃ／Ｎ比的污水时矛盾更加突出［２］。反硝化除磷工艺由于在脱氮和除磷上可以达到第６期彭 轶等：Ａ２／Ｏ工艺中的反硝化除磷“一碳两用”，节省碳源，因此可在一定程度上缓解Ａ２／Ｏ工艺中的基质竞争矛盾。研究Ａ２／Ｏ工艺中实现反硝化除磷的可行性、Ａ２／Ｏ反硝化除磷工艺的运行效果、过程控制、影响因素及其生化代谢模型对目前国内众多的采用Ａ２／Ｏ工艺的污水生物处理厂脱氮除磷具有重要的指导意义和现实应用价值。本文就反硝化除磷的技术原理，结合其在Ａ２／Ｏ工艺中的最新研究成果，对Ａ２／Ｏ工艺中的反硝化除磷进行分析和探讨，以期为该技术在传统的Ａ２／Ｏ工艺中运用提供理论依据和技术支持，这对提高低Ｃ／Ｎ比城市污水的脱氮除磷效率有着重要的意义。１ 反硝化除磷的机理及其研究进展早在２０世纪８０年代中期，Ｈａｓｃｏｅｔ等［３］、Ｇｅｒｂｅｒ等［４］和Ｃｏｍｅａｕ等［５］就发现聚磷菌能够在缺氧环境中以硝态氮作为电子受体进行吸磷的现象，之后的１９９３年，荷兰Ｄｅｌｆｔ科技大学的Ｋｕｂａ等［６］在试验中亦观察到：在厌氧／缺氧交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利用Ｏ２或者ＮＯ－３作为电子受体。针对反硝化除磷现象的出现，研究者们提出了生物除磷系统中的聚磷菌（ＰＡＯ）可分为两类菌属的假说：即一类ＰＡＯ可以以Ｏ２作为电子受体，而另一类ＰＡＯ则既能以Ｏ２作为电子受体又可利用ＮＯ－３作为电子受体。人们将第二类聚磷菌称为反硝化聚磷菌（ＤＮＰＡＯｓ）［７］。近几年，Ｓａｉｔｏ等［８］、王爱杰等［９］先后证实了亚硝酸盐也可以作为电子受体实现反硝化除磷。因此，三类菌属学说也日益得到普遍的认可，即还存在一类ＰＡＯ能以ＮＯ－２作为电子受体。反硝化脱氮除磷理论的提出有希望解决传统脱氮除磷工艺自身无法解决的矛盾。反硝化除磷理论打破了传统脱氮除磷机理所认为的脱氮除磷必须分别由专性反硝化菌和专性聚磷菌来完成的理念，使得除磷和反硝化脱氮过程用同一类微生物来实现，这对生物脱氮除磷机理是一重大突破和飞跃，为生物脱氮除磷工艺的发展开辟了新天地。采用反硝化除磷技术的工艺主要分为单污泥和双污泥两种系统。其中在双污泥工艺中，硝化菌和除磷污泥分开，以生物膜的形式独立生长，使得各种微生物均能在各自最优的条件下生长，易于实现反硝化除磷过程。双污泥工艺的代表有ＤＥＰＨＡＮＯＸ［１０］和Ａ２ＮＳＢＲ等。其中Ａ２ＮＳＢＲ在Ｎ／Ｐ比最优的情况下，其与传统的脱氮除磷工艺相比不仅ＣＯＤ耗量可节省５０％，氧气耗量降低３０％，污泥产量也减少５０％，除磷效率接近１００％［１１］。可以说双污泥工艺是专门针对反硝化除磷而设计的工艺。而在单级工艺中，ＤＮＰＡＯｓ，硝化菌及非聚磷异养菌同时存在于同一悬浮生长的混合液中，经历厌氧／缺氧／好氧等条件的变化。根据Ｋｕｂａ等［１１］的理论，具有前置反硝化特征的单污泥Ａ２／Ｏ工艺应该能存在反硝化除磷现象。相比起双级工艺，在单级工艺上应用反硝化除磷要困难得多。２ Ａ２／Ｏ工艺中反硝化除磷的实现及性能的研究现状２．１ 反硝化除磷的实现按照反硝化除磷的理论，结合Ａ２／Ｏ工艺的特点，在Ａ２／Ｏ工艺中通过适当调整工艺参数使得反硝化聚磷菌（ＤＮＰＡＯ）的富集程度达到最大，可采用的措施有３个：①增加混合液回流比以便于在缺氧段为聚磷菌提供足够的电子受体ＮＯ－３Ｎ；②调整污泥龄（ＳＲＴ）使反硝化聚磷菌的活性最高，使缺氧吸磷量达到最大；③降低回流至厌氧区内的ＮＯ－３Ｎ浓度，避免反硝化异养菌与聚磷菌竞争有限的有机物。Ｖｌｅｋｋｅ等［１２］通过对２组序批反应器的对比试验提出聚磷菌利用硝酸盐作为电子受体时，比利用氧气作为电子受体的速率低，同时硝酸盐作为电子受体时，也将消耗更多的碳源。Ｋｕｂａ等［１３］通过研究发现以硝酸盐为电子受体时，反硝化除磷效率仅为好氧除磷效率的８０％。在Ａ２／Ｏ工艺中，反硝化聚磷菌同反硝化异养菌同时存在，两者在缺氧区会竞争有限的ＮＯ－３Ｎ资源。由于普通的异养反硝化菌具有竞争优势［１２］，因而，在多种群的系统中，若缺氧反应器中的硝酸盐负荷低于传统异养菌的脱氮能力，则传统异养菌将会战胜聚磷菌从而争夺到有限的硝酸盐。反之，若硝酸盐负荷高于传统异养菌的脱氮能力，反硝化聚磷菌就将利用多余的硝酸盐从而在系统中生存下来。曹雪梅［１４］采用５２ＬＡ２／Ｏ反应器，应用表１中的运行参数，处理人工合成废水，磷酸盐的去除特性如图１所示。从图１中可以看出，在启动初期，缺氧段去除率很低，但随着时间的延续，不断通过好氧区回流的硝化液刺激反硝化除磷菌的富集，缺氧除磷率逐渐升高，在启动后期，平均缺氧吸磷量高达２１３ｍｇ／Ｌ，缺氧段对磷的吸收去除已经达到６９％３５７环境工程学报第２卷左右。这一结果也印证了反硝化聚磷菌富集的关键在于缺氧段的硝酸盐的负荷，同时也可以说明在种泥中确实存在一部分反硝化聚磷微生物可以利用硝酸盐作为电子受体，在经过强化后，反硝化聚磷菌可逐渐成为聚磷污泥中的优势菌种。表１ Ａ２／Ｏ工艺中反硝化除磷启动阶段的工艺参数Ｔａｂｌｅ１ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＡ２／Ｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｓｔａｒｔｉｎｇｓｔｅｐ参数数值Ｑ总进水（Ｌ／ｈ）６．８５ｒ内循环比２～３Ｒ回流比０．６Ｔ（℃）２２±０．５Ｆ／Ｍ（ｋｇＣＯＤ／ｋｇＭＬＳＳ·ｄ）０．３０±０．０１厌氧段ＨＲＴ（ｈ）１．４缺氧段ＨＲＴ（ｈ）１．４好氧段ＨＲＴ（ｈ）４．２总ＨＲＴ（ｈ）７二沉池ＨＲＴ（ｈ）４ＤＯ（ｍｇ／Ｌ）１５ＳＲＴ（ｄ）１５２ＳＶＩ（ｍＬ／ｇ）２～２．５图１ 磷酸盐的去除特性Ｆｉｇ１ ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＴＰｒｅｍｏｖａｌ 王晓莲等［１５］在Ａ２／Ｏ中也证实了当缺氧区出水硝酸盐浓度控制在１～３ｍｇ／Ｌ，对应的内循环比为３～３５时，Ａ２／Ｏ中可发生明显的反硝化除磷现象，且此时的反硝化除磷对工艺整体除磷的贡献最大。在这种运行工况下不仅促进了反硝化除磷菌的积累和生长，而且由于反硝化除磷对工艺整体除磷的贡献，好氧区的曝气量从４００Ｌ／ｈ降低为３２０Ｌ／ｈ，从而节省了曝气量，降低了曝气能耗。２．２ 反硝化除磷稳定运行影响因素的研究现状２．２．１ 进水水质对于反硝化除磷的影响Ｃ／Ｎ比、Ｃ／Ｐ比关系着Ａ２／Ｏ工艺的去除效果。根据不同的Ｃ／Ｎ比、Ｃ／Ｐ比确定合理的反硝化除磷工艺运行方式可以最大程度的发挥反应器的去除效率。（１）Ｃ／Ｎ比对反硝化除磷的影响不同的Ｃ／Ｎ比对缺氧区反硝化除磷的影响是不同的，大致分以下２种：当Ｃ／Ｎ比过高时，即相对较高的有机负荷时，进水中的总ＣＯＤ并不能在厌氧区内被聚磷菌完全利用，而剩余的过量ＣＯＤ进入缺氧区。当缺