反硝化除磷技术的理论工艺及影响因素的研究进展陈彬

2009年第11期广东化工第36卷总第199期·121·反硝化除磷技术的理论、工艺及影响因素的研究进展陈彬，郑冰（广州市奥思贝斯环保技术有限公司，广东广州510760）[摘要]废水的反硝化除磷技术作为生物除磷的一个新思路，因其能够解决传统脱氮除磷工艺运行中碳源不足、菌群竞争、泥龄难以控制等诸多问题，已成为废水生物处理研究的一个重要方向。概括反硝化处理的基本理论与优点，阐述A2/O、A2N工艺中实现反硝化除磷的控制方法及研究应用情况，重点讨论C/N比、缺氧池NO2负荷及污泥回流比对反硝化除磷效果的影响。[关键词]反硝化除磷；理论；工艺；影响因素[中图分类号]X5[文献标识码]A[文章编号]1007-1865(2009)11-0121-03StudyofTheory,EchnologyandtheInfluencingFactorsonBiologicalDenitrifyingPhosphatationChenBin,ZhengBing(GuangzhouAuspiciousEnvironmentalProtectionTechnologyCo.,Ltd.,Guangzhou510760,China)Abstract:Anewwaytoachievewastewaterbiologyealphosphorusremoval,denitrifyingphosphorusremovaltechnologycanresolveproblemssuchasoganicdeficiency,floracompetitionanddifficulttocontrolsludgeage.Ithasbecomeahotissueinstudyofbiologicalwastewatertreatmentintherecentyears.Therefore,basictheoryandadvantagesofdenitrifyingdephosphatationwasintroduced,andthecontrolmethodandapplicationofA2/O,A2Nprocesstoachievedephosphatationweredescribed.Mainaffectingfactorsfortheoperationalprocessofdenitrifyingdephosphatationwasdiscussedemphatically,suchasC/Nratio,nitriteloadtoanoxicreactors,refluxratio,etc.Keywords:nitrifyingdephosphatation；theory；process；influencingfactors氮、磷等植物营养型污染物的排放会导致水体富营养化，这就要求大多数城市污水处理厂必须采用脱氮除磷的技术措施，降低氮、磷对环境的危害。生物除磷脱氮工艺具有污泥产量少、污泥沉降性能好、易脱水及肥效高等优点，已成为城市污水处理的主要技术。但是，在传统生物脱氮除磷工艺中，同时脱氮除磷存在着碳源不足、菌群竞争、泥龄难以控制等诸多问题。反硝化除磷是用厌氧/缺氧交替环境来代替传统的厌氧/好氧环境，驯化培养出一类以硝酸根作为最终电子受体的反硝化聚磷菌(denitrifyingphosphorusremovingbacteria，简称DPB)为优势菌种，通过它们的代谢作用来同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到脱氮除磷的双重目的。反硝化除磷理论从根本上解决了传统生物脱氮除磷工艺中存在的矛盾，并且是一种高效、节能的污水除磷脱氮技术，已得到广泛的研究与应用。笔者结合自己的实践经验，概括反硝化处理的基本理论与优点，阐述A2/O、A2N工艺中实现反硝化除磷的控制方法及研究应用情况，重点讨论C/N比、缺氧池NO2-负荷及污泥回流比对反硝化除磷效果的影响。1反硝化除磷理论与优点早在20世纪80年代中期，国外研究者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。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：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，因此它们在反硝化的同时能进行吸磷。反硝化除磷过程是反硝化除磷细菌(DPB)以NO3--N取代O2作为电子接受体来除磷，也就是说DPB能将反硝化脱氮和除磷两个本来认为是彼此独立的作用有机地结合在一起。在缺氧条件下，DPB能够利用NO3--N充当电子受体，产生与O2同样的生物摄磷作用[1-2]。许多科学家对聚磷菌反硝化作用机理及其在实际工程中的应用进行了大量研究。研究发现，在反应器中创造厌氧、缺氧交替的环境就可筛选出以NO3--N作为电子受体的聚磷菌即DPB；对污水处理厂生物脱氮除磷工艺运行过程的研究也发现，当微生物依次经过厌氧、缺氧和好氧3个阶段后，约占50%的聚磷菌既能利用O2又能利用NO3--N作为电子受体来吸磷，而剩余的微生物仅能利用O2作为电子受体来吸磷。这些考察结果的表明：除了O2可作为电子受体外，NO3--N亦可作为微生物氧化PHB的电子受体；污水生物脱氮除磷系统中的确存在DPB类微生物，而且通过驯化可得到富集DPB的活性污泥[3]。相对于传统脱氮除磷联合工艺，DPB反硝化除磷技术的优势之处在于[4]：(1)节省碳源的消耗量，避免了反硝化菌和聚磷菌之间对有机物的竞争，适合处理低C/N的污水；(2)减少曝气量，节省了电能，DPB的吸磷由于用硝酸盐代替了氧气，故曝气量得到了节省；(3)减少了除磷脱氮运行中产生的污泥量，从而减少了污泥处理费用；(4)可缩小反应器的体积。2实现反硝化除磷的工艺随着反硝化除磷技术研究的不断深入，实现反硝化除磷的工艺也得到一定的发展。反硝化除磷工艺有以下几种：(1)BCFS工艺，此工艺是一种变型的UCT工艺，UCT工艺设计原理是基于对聚磷菌所需环境条件的工程强化，而BCFS的开发是为了从工艺角度创造DPB的富集条件[5]。(2)厌氧/缺氧和硝化(简称A2N)工艺，此工艺是一种双泥反硝化除磷工艺，硝化菌和DPB在不同的污泥系统分别进行培养，使硝化菌与DPB完全分离，A2N工艺最适合碳氮比较低的情形[6]；(3)在SBR中采用厌氧/缺氧/好氧(简称AOA-SBR)工艺，此工艺是近几年发展起来的反硝化处理新工艺，充分利用了DPB在缺氧且没有碳源的条件下能同时进行脱氮除磷的特性，使反硝化过程在没有碳源的缺氧段进行，不需要好氧池和缺氧池之间的循环，达到氮磷在单一的SBR中同时去除的目的[7]。另外，DEPHANOX工艺、颗粒污泥法、内循环气升式序批式生物膜法等反硝化除磷也得到一定的研究与应用。[收稿日期]2009-07-04[作者简介]陈彬(1981-)，男，广东潮州人，硕士，环保工程师，主要从事水污染处理工艺研发与设计。广东化工2009年第11期·122·、A2N工艺中实现反硝化处理的控制方法及研究应用情况。2.1A2/O工艺的反硝化除磷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，在同一污泥系统存在的硝化、反硝化、释磷和吸磷等多个生化反应过程，且各个过程对微生物组成、基质类型及环境条件的要求也各不相同。故A2/O工艺也存在基质竞争、泥龄矛盾、总氮去除率难以提高等一些弊端，特别是处理低C/比的污水时矛盾更加突出[8-9]。根据反硝化除磷的理论，实现微生物反硝化除磷途径是：促使反硝化聚磷菌(DPB)在缺氧池富集，并为其发挥除磷创造必要的环境。结合A2/O工艺的特点，可通过调整工艺参数实现提高A2/O工艺的反硝化除磷能力的目的，可采用的主要措施有2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NO3--N；(20降低回流至厌氧区内的NO3--N浓度，避免反硝化异养菌与聚磷菌竞争有限的有机物。王晓莲等[10]以啤酒废水为研究对象，采用不同运行策略强化A2/O工艺反硝化除磷性能，从而提高营养物去除效果、并实现节能的目的。采用的3种运行控制策略是：(1)根据缺氧区末端出水硝酸盐的浓度控制内循环回流量；(2)凋节厌氧/缺氧/好氧区体积比以减少厌氧区出水剩余COD对缺氧磷吸收的影响；(3)向缺氧区引入旁流并调节旁流比。试验结果表明，当缺氧区末端出水NO3--N浓度控制在1～3mg·L-1时，不仅可强化反硝化除磷效果，而且可以节省内循环所需能耗；厌氧/缺氧/好氧区最佳体积比为1/1/2；旁流的引入可以提高低C/N比条件下TN的去除，最优旁流比为0.32。2.2A2N工艺的反硝化除磷A2N(anaemhic]naoxicnadnitirfyign)连续流反硝化除磷脱氮双泥系统利用反硝化聚磷菌(DPB)体内PHB的“一碳两用”来实现脱氮除磷，从而为改良现有污水生物脱氮除磷工艺提供了一个新思路。其工艺流程如图1所示。进水厌氧池中沉池膜法好氧池缺氧池快速好氧池终沉池出水回流污泥超越污泥剩余污泥剩余污泥图1A2N化除磷工艺流程Fig.1A2NdenitrifyingphosphorusremovalprocessA2N工艺的最大特点是：COD被最大程度地用于厌氧释磷时DPB合成PHB的消耗，在缺氧环境中这部分PHB被DPB同时用于反硝化脱氮除磷，通过“一碳两用”实现了系统的脱氮除磷，故该系统适合于COD/TN较低的污水处理。A2N工艺中的第一个好氧反应池一般采用膜法好氧池，这为了给生长速率较慢的硝化菌创造了一个稳定的生活环境，增加了系统中的硝化菌量，提高了硝化率，也可减少水力停留时间和反应器体积。而DPB悬浮生长于另一反应器中，两者的分离解决了传统工艺中聚磷菌和硝化菌的竞争矛盾，它们都可在各自最佳的环境中生长，这更有利于除磷、脱氮系统的高效稳定运行[7]。王亚宜等[11]研究了基于缺氧吸磷理论开发出的A2N反硝化除磷脱氮新工艺对生活污水氮、磷的去除，重点考察了不同COD/TN、投碳方式及碳源对DPB反硝化吸磷和脱氮的影响。试验结果表明：当进水COD/TN在3.94～7变化时，反硝化除磷较好，除磷率稳定在87%～93%，脱氮率从81%提高到了93%；而当COD/TN达到9.6以后，系统脱氮效果稳定在92%以上，除磷率却降至74%以下，TP去除量中反硝化吸磷比率下降，好氧吸磷比率升高；将外碳源投加在缺氧段，只能优先支持反硝化脱氮反应，而对缺氧吸磷有抑制作用。可见，理想的反硝化除磷环境为外碳源(电子供体)和NO3--N(电子受体)不能同时存在于一个体系中。A2N双泥系统的建立有利于除磷、脱氮的稳定和高效。A2N工艺在实际应用中面临的主要问题是：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[12]。3反硝化除磷的影响因素从上述工艺介绍可知，反硝化除磷效果受到诸多因素的影响。可见，掌握各种因素与反硝化聚磷菌之间的关系，是提高反硝化除磷效果的关键。已报道的文献中，充分论述了C/P比、NO3--N浓度、溶解氧、pH、MLSS和SRT等因素对反硝化除磷效果的影响，文章不再重复概括。笔者主要探讨C/N比、NO3--N浓度、污泥回流比等因素对反硝化除磷效果的影响。3.1C/N比C/N比是影响反硝化处理效果一个最关键的因素。要使系统达到理想的反硝化除磷效果，应尽可能使外在碳源和硝酸盐不在同一时间内共存；若二者共存，则需调整好二者的比例才能获得完全的氮、磷去除。反硝化除磷系统中的主要微生物种群有水解产酸菌、反硝化菌、PAO及DPB。水解产酸菌在厌氧条件下将大分子有机物水解为小分子有机物，为DPB提供了易于吸收利用的短链脂肪酸，促进释磷的进行。若外碳源和硝酸盐共存时，反硝化菌能进行反硝化作用。因此，厌氧段若存在硝态氮，反硝化菌