反硝化除磷脱氮理论及工艺研究进展黄梅

2009年第6期广东化工第36卷总第194期·149·反硝化除磷脱氮理论及工艺研究进展黄梅(茂名学院化工与环境工程学院，广东茂名525000)[摘要]介绍了反硝化除磷脱氮的理论，并重点对几种比较典型的反硝化除磷脱氮工艺进行评述。[关键词]反硝化除磷脱氮；BCFS工艺；Dephanox工艺；A2NSBR工艺[中图分类号]X-O[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2009)06-0149-03TheProgressofDenitrifyingDephosphatationandNitrogenRemovalTheoryandProcessHuangMei(CollegeofChemicalandEnvironmentalEngineering,MaomingUniversity,Maoming525000,China)Abstract:Thedenitrifyingdephosphatationandnitrogenremovaltheorywasintroducedinthepaper,andseveraltypicalprocessesofthistechnologywerereviewedmainly.Keywords:denitrifyingdephosphatationandnitrogenremoval；BCFSprocess；Dephanoxprocess；A2NSBRprocess随着水体富营养化问题日渐突出，污水综合排放标准日趋严格，污水处理技术逐渐从以单一去除有机物为目的的阶段进入既要去除有机物又要脱氮除磷的深度处理阶段。因此以防治水体富营养化为目的的脱氮除磷已成为当今污水处理领域的研究热点之一。生物脱氮除磷技术是经济、高效的脱氮除磷技术，在污水处理领域已得到广泛的应用，然而以传统的生物脱氮除磷理论为基础的污水处理工艺仍存在许多弊端：如硝酸盐对释磷的影响；反硝化与释磷对碳源的竞争；硝化菌和聚磷菌的泥龄不同等矛盾[1]，使得这些工艺在实际应用中难以取得高效稳定的脱氮除磷效果。反硝化除磷脱氮理论的提出，为有效解决这些矛盾提供了新思路。1反硝化除磷脱氮理论反硝化除磷脱氮就是在厌氧/缺氧环境交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化作用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利用O2或NO3-作为电子受体，通过它们的代谢作用同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到除磷脱氮的目的[2]。对于反硝化除磷现象研究者们提出了两种假说来进行解释：(1)两类菌属学说[3-5]，即生物除磷系统中的聚磷菌(PAO)可分为两类菌属，其中一类PAO只能以氧气作为电子受体，而另一类则既能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体，因此它们在吸磷的同时能进行反硝化；(2)一类菌属学说[6]，即在生物除磷系统中只存在一类PAO，它们在一定程度上都具有反硝化能力，该能力能否表现出来关键在于厌氧/缺氧这种交替运行的环境条件是否得到了强化。而J.Y.Hu等通过试验发现厌氧/缺氧SBR系统中存在一类能以氧气、硝态氮、和亚硝态氮作为电子受体的聚磷微生物，据此，他将厌氧/缺氧型反硝化聚磷污泥系统的两类微生物菌属假说扩增到三类微生物菌属[7]：第三类就是既能够以氧气和硝酸盐氮，也能够以亚硝酸盐氮作为电子受体的类聚磷微生物。2反硝化除磷脱氮工艺自从缺氧吸磷现象被发现以后，人们对反硝化除磷技术进行了大量的研究，发现利用DPB(反硝化聚磷菌)来实现反硝化除磷可节省50%左右的碳源、30%的供氧量，同时减少50%的污泥产量。基于这些优点，尤其是利用该理论进行脱氮除磷将从根本上解决传统工艺中脱氮和除磷过程存在的矛盾与弊端，因此，水处理专家们对反硝化除磷脱氮新工艺的开发及其运行效果的稳定优化展开了长期而系统的研究。目前已经开发出单污泥反硝化聚磷工艺和双污泥反硝化聚磷工艺。在单污泥工艺中，DPB、硝化细菌及非聚磷异养菌同时存在于悬浮生长的混合液或生物膜反应器中，顺序经历厌氧/缺氧/好氧三种环境。最具代表性的是BCFS工艺。在双污泥工艺中，硝化细菌独立于DPB菌而单独存在于某一反应器中，较好地解决了聚磷菌和反硝化菌竞争碳源的问题，同时亦巧妙解决了活性污泥系统培养硝化菌需要的较长SRT这一不利条件。双污泥工艺主要有Dephanox工艺和A2NSBR工艺等[8]。2.1BCFS工艺BCFS工艺[9-11]实际上是UCT工艺的一种变型。由于实践中发现UCT工艺存在着不少DPB，为了最大程度地从工艺的角度创造DPB的富集条件，荷兰Delft工业大学的Kluyver生物技术实验室研发出一种改进工艺——BCFS工艺。工艺流程如图1所示。在这[收稿日期]2009-03-24[作者简介]黄梅(1979-)，女，广西宾阳人，硕士，助教，主要从事污水生物处理技术研究。广东化工2009年第6期·150·工艺脱氮除磷处理系统中，污泥能够利用硝酸盐作为电子受体，在缺氧环境条件下同时进行反硝化作用和超量聚磷。厌氧池接触池缺氧池混合池好氧池沉淀池出水(COD、NH4+、PO43-)进水QAQCQB污泥回流剩余污泥分离液磷沉淀图1BCFS工艺流程Fig.1TheschematicdiagramofBCFSprocess与UCT工艺相比较，BCFS工艺增加了两个反应池。第一个介于UCT工艺的厌氧池和缺氧池之间的接触池，回流污泥和来自厌氧池的混合液在池中充分混合以吸附剩余COD，并且，接触池的缺氧环境既使得来自回流污泥中的硝酸盐氮能被迅速反硝化脱除，也使得丝状菌的生长受到抑制，有效地防止污泥膨胀。第二个反应池是介于UCT工艺的缺氧池与好氧池之间的混合池，目的是形成低氧环境以获得同时硝化和反硝化，从而保证出水含有较低的总氮浓度。此外，BCFS工艺还增设了两个内循环QB和QC。从好氧池设置内循环QB到缺氧池，起辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸氮的作用；内循环QC的设置能在好氧池与混合池间建立循环，以增加硝化或同时硝化反硝化的机会，为获得良好的出水氮浓度创造条件。BCFS工艺突出了反硝化除磷在系统中的作用，将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一，使得整个工艺节省了大量的能源和资源，是一种可持续的污水处理技术。2.2Dephanox工艺Dephanox工艺[8-9]由Wanner工艺演变而来，是以厌氧污泥中PHB(聚-β-羟基丁酸)为反硝化碳源并兼具硝化和反硝化除磷功能的双泥回流系统。其工艺流程如图2所示。该工艺不仅解决了反硝化菌和聚磷菌对有机基质的竞争问题，同时也解决了活性污泥系统中硝化菌和聚磷菌泥龄不同的矛盾。进水出水厌氧沉淀池缺氧好氧二沉池污泥回流含DPB的污泥剩余污泥固定膜图2Dephanox工艺流程Fig.2TheschematicdiagramofDephanoxprocess在Dephanox工艺中，含DPB回流污泥首先在厌氧池中完成释磷和PHB的储存，经中间沉淀池进行泥水分离后，含氨氮上清液直接进入随后的固定膜反应池中进行硝化；而富含DPB的污泥则超越固定膜反应池进入缺氧池内，利用来自固定膜反应池的硝化液同时完成反硝化和摄磷过程；然后再进入后置好氧曝气池进行短暂曝气，可去除因硝态氮不足而剩余的磷，并氧化DPB体内残余的PHB，使其在下一循环的厌氧阶段中更有效地发挥释磷和PHB储备能力。从工艺流程看，反硝化除磷污泥在厌氧区吸收有机物合成PHB后，经泥水分离跨越好氧阶段直接进入缺氧区，聚磷菌体内的PHB全部用于反硝化摄磷而在好氧阶段未被消耗，从而保证了反硝化所需的碳源。另外，供氧仅用于对硝化和反硝化除磷后剩余有机物的氧化，从而减少了曝气量。可见，Dephanox双污泥系统具有能耗低、污泥产量低且COD消耗量低的特点。王亚宜[8]根据试验所得的Dephanox工艺缺氧吸磷效率变化曲线认为：当TKN/P很高时，也就是电子受体的量在缺氧吸磷段不受限制时，即使C/N比很低，Dephanox工艺缺氧除磷效率仍维持在90%以上。然而实际应用中此类工艺仍面临一些问题。大量研究表明磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度。当缺氧段硝酸盐量不充足时磷的过量摄取受到限制，而硝酸盐量富余时硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌PHB的合成。实际应用时进水中氮和磷的比例是很难恰好满足缺氧摄磷的要求，这就给系统的控制带来了困难。2.3A2NSBR工艺A2NSBR工艺是开创较早的一种反硝化除磷脱氮间歇工艺[12]，由两个独立的SBR反应器组成[13]：一个是An/A-SBR反应器，其主要功能是去除COD和反硝化除磷脱氮；另一个是N-SBR反应器，主要起硝化作用。这两个反应器的活性污泥是完全分开的，只将各自沉淀后的上清液相互交换。整个工艺流程如图3所示。污水进入An/A-SBR反应器后依次经历厌氧/缺氧段：在厌氧段，水中的NH4+浓度几乎保持不变，反硝化聚磷菌在厌氧环境下充分地释磷并吸收快速降解有机物合QAQCQB2009年第6期广东化工第36卷总第194期·151·成大量的PHB，静置沉淀后含NH4+的上清液进入N-SBR反应器完成硝化反应，含DPB的污泥则进入缺氧段，利用N-SBR反应器提供的硝化液同时完成反硝化脱氮和吸磷过程。N-SBR好氧硝化上清液上清液排水缺氧静置换水厌氧进水好氧静置换水An/A-SBR图3A2NSBR工艺流程Fig.3TheschematicdiagramofA2NSBRprocessA2NSBR工艺采用双泥系统使硝化菌与DPB相互独立，为硝化菌和DPB创造了各自最佳的生长环境，避免了反硝化菌与DPB对有机物的竞争，满足了硝化反应所需的最小泥龄。经研究表明[8-9]，A2NSBR工艺由An/A-SBR和N-SBR系统的结合表现出稳定的脱氮除磷特性，除磷率几乎达到100%，脱氮率稳定在90%左右；同时与传统脱氮除磷工艺相比较，COD消耗量减少50%，耗氧量和污泥产量也可分别减少约30%和50%。因此该工艺特别适合处理BOD5/TP值较低的污水[13]。但A2NSBR工艺仍存在一些缺点[15]，如污水经厌氧段后部分NH4+未经硝化直接和含DPB污泥一起进入了缺氧段，无法完成反硝化过程，从而使出水中含有部分的NH4+。这是导致该工艺脱氮效率不高的原因之一。重庆大学的罗固源和罗宁等[13]对通过A2NSBR工艺进行了较系统的研究，并在此基础上提出了新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺(如图4)，即在缺氧段后加入一个好氧段，其主要作用是去除系统中残留的NH4+、少量的可生物降解的COD以及由于硝酸盐氮不足而剩余的磷。好氧段的引入以及选取合理的曝气时间可以使整个反硝化除磷系统得以长期稳定地运行[14-15]。但这种改进后的双泥工艺只是将残留的NH4+转化为硝酸盐氮，总氮的去除率并没有得到相应提高。因此该工艺仍有待改进以适应日趋严格的总氮排放标准。A2/O-SBRN-SBR好氧硝化上清液上清液排水好氧缺氧静置换水厌氧进水好氧静置换水图4新型双泥生物反硝化除磷脱氮工艺流程Fig.4Theschematicdiagramofanewtwo-sludgetreatmentsystem3结语反硝化除磷脱氮技术是目前比较受关注的一种生物脱氮除磷新技术，它较好地解决了传统生物脱氮技术中存在的各种矛盾和弊端，具在高效、低能耗、产泥量低等特点，尤其适合用来处理低C/N比的城市污水。该技术还处在理论研究阶段，工程实践应用比较少，要想将尽快转化为生产性的工艺，需从生物学角度进一步探索反硝化除磷脱氮的确切机理以及增强系统过程的优化控制，从而加快该技术在工程实践中的推广应用。参考文献[1]汤琪．生物脱氮除磷新技术[J]．重庆大学学报：自然科学版，2006，29(9)：138-143．[2]王亚宜，彭永臻，王淑莹，等．反硝化除磷理论、工艺及影响因素[J]．中国给水排水，2003，19(1)：33-36．[3]GerberA，VilliersRH，MostertES，etal．ThePhenomenonofSimult