反硝化除磷技术分析及展望

邴 帅，赵 萌

(昆明理工大学建筑工程学院，云南 昆明 650500)

氮(N)、磷(P)是动植物生长所必需的营养元素，但在水中含量过多会引起水体富营养化[1，2]。化肥、农药和含磷洗涤剂的大量使用导致水体富营养化问题日益严重[3～5]，而控制富营养化程度的关键在于控制水体中磷的含量[6]，因此，废水的除磷技术十分重要，其中高效生物除磷技术是目前国内外研究的热点。

1 反硝化除磷机理

2 反硝化除磷工艺

2.1 单污泥系统反硝化除磷工艺

单污泥系统反硝化除磷工艺BCFS工艺[12～15]由荷兰Delft大学的Mark教授开发，工艺流程如图1所示。

图1 BCFS工艺流程

与UCT(University of cape town process)工艺相比，BCFS工艺增加了两个反应池：一个设置在UCT工艺的厌氧池和缺氧池之间。在此反应池中，回流污泥与混合液充分混合，吸附污水中残留的COD，抑制丝状菌生长，防止污泥膨胀；另一个增设在UCT工艺的缺氧池与好氧池之间，以形成低氧环境，获得同时硝化反硝化的效果，保证出水中的总氮浓度较低。且为使回流污泥向缺氧池中补充硝酸盐氮，工艺流程中特意增加了两个混合液的内循环，这样更增加了同时硝化反硝化的机会，以达到良好的出水效果。

2.2 双污泥系统反硝化除磷工艺

2.2.1 A2N双污泥系统工艺[12～14]

A2N工艺流程如图2所示。

图2 A2N工艺流程

污水首先进入厌氧池释磷，然后进入沉淀池进行泥水分离，含氨较多的上清液进入固定生物膜反应池进行硝化反应，沉淀下来的污泥跨越固定生物膜反应池进入缺氧池完成反硝化除磷。

2.2.2 DEPHANOX工艺[12，13，15]

DEPHANOX工艺是在A2N工艺的基础上改进而成，其工艺流程如图3所示。

图3 DEPHANOX工艺流程

与A2N工艺相比，DEPHANOX工艺在缺氧池后面添加了一个好氧池。该工艺能耗低，不会产生大量剩余污泥，但受硝酸盐浓度的影响较大。当缺氧池中的硝酸盐不足时，磷的过量摄取会受到限制；当硝酸盐充足时，其又会随回流污泥进入厌氧池，干扰磷的释放和PHB的合成。

3 反硝化除磷工艺的影响因素

3.1 亚硝酸盐浓度

亚硝酸盐浓度的增加对反硝化吸磷产生抑制作用。裴宁等[16]以SBR反应器为静态实验装置进行实验，也得到了相同的结果。亚硝酸盐对反硝化的抑制作用可能有两个原因：亚硝酸还原酶的活性下降了；亚硝酸盐抑制了磷的吸收或反硝化聚磷菌DPB的增长，使得消耗的ATP减少，最终导致反硝化速率的降低。

3.2 硝酸盐浓度

硝酸盐浓度不同，除磷效果也不同。在不同的硝酸盐浓度下，初始都存在释磷现象，但随着硝酸盐初始浓度的增大，释磷率快速降低。硝酸盐初始浓度较高时，存在着释磷与吸磷的过渡区，净磷吸收量随着硝酸盐初始浓度的增大而增加。

王辉等[17]研究了进水的硝酸盐浓度对反硝化除磷过程的影响。结果表明，进水COD浓度为220 mg·L-1、正磷浓度为6.8 mg·L-1、硝酸盐初始浓度为26 mg·L-1时，系统的脱氮除磷效果最佳，除磷过程中亚硝酸盐作为中间产物，其浓度累积到10.71 mg·L-1。采用连续投加硝酸盐的方式更利于氮磷的高效去除。

3.3 pH值

pH值对除磷效率有一定影响。Liu等[18]研究表明，当pH值在6.4～7.2时除磷效率最高。

DPB在厌氧段的释磷量和pH值有一定关系。Kuba等[19]在不同pH值下对DPB在厌氧段的释磷量和醋酸消耗量进行研究，结果发现，虽然pH值对醋酸的消耗量没有影响，但随着pH值的增大，P/C比值相应增大。

3.4 溶解氧

在反硝化除磷工艺中，控制释磷的厌氧条件极为重要。只有保证绝对厌氧，聚磷菌才能将溶解性COD转化为PHB储存在体内从而充分释磷[20]。厌氧段的溶解氧含量通常用氧化还原电位(ORP)来度量。王亚宜等[21]研究表明，当ORP值为负值时，其绝对值越高，释磷能力就越强，ORP值控制在-200～-300 mV之间最佳。

3.5 碳源类型和浓度

只要保证供给厌氧段充足的可降解COD，碳源浓度对有机物和总磷的去除影响不大。林金銮等[22]研究了碳源浓度对同步硝化反硝化协同除磷的影响，结果表明，C/N值为6.7时，总氮去除率最高，达到98.4%；COD∶TN∶TP约为200∶30∶7时，系统同步脱氮除磷运行效果最好。

邓靖等[23]就A2N反硝化脱氮除磷工艺中不同碳源类型和碳源浓度对厌氧释磷的影响进行研究。结果表明，碳源类型对厌氧释磷作用有重要的影响，其中投加醋酸钠的效果最好。随着碳源浓度的不断增大，厌氧阶段释磷量和磷的释放速率都有所增加。

3.6 水力停留时间

水力停留时间对反硝化除磷工艺的除磷效果影响较大，同时还会影响去除单位氮和磷所需要的COD量，从而影响到污水厂的占地面积和基建费用。王春英等[24]研究表明，对反硝化除磷工艺，好氧段的水力停留时间满足充分硝化即可；厌氧段DPB吸附转化COD的同时充分释放磷为下一步做准备；缺氧段则需要有充足的吸磷时间，保证出水水质达标，但不宜过长，否则会导致磷的二次释放。

4 反硝化除磷技术与传统技术的比较

现有的除磷方法主要有物理法、化学法和生物法，其中生物法又分传统生物除磷和反硝化生物除磷。物理法成本高、技术复杂，已经很少采用；化学法会产生大量的剩余污泥，加大后续处理的经济投入，其应用也逐渐减少。目前处理生活污水大部分采用生物法[25]，生物法得到了社会的广泛重视，虽然单独利用生物法除磷可能达不到国家规定的出水标准，但再辅以化学除磷则很容易达到出水水质指标。

反硝化除磷和传统的生物除磷技术有着本质上的区别：传统生物除磷是利用聚磷菌等微生物，从环境中过量地摄取磷，将磷以聚合态形式贮藏在菌体内，形成高磷污泥，排出系统，从而达到除磷效果[26]。传统生物除磷中存在着脱氮和除磷的矛盾，硝酸盐含量是其除磷的限制性因素，聚磷菌和反硝化菌等共存于同一环境，对污水中的基质存在着严重的竞争，无法保证每种微生物都获得各自最佳的生长环境。而反硝化除磷工艺中，DPB作为优势菌群，减少了其和反硝化菌之间对有机物的竞争，可对污水中更多的有机物进行反硝化和脱磷，由于反硝化菌和DPB可在各自最佳环境中生长、可共用碳源，达到一碳两用的效果，因此硝化反应不再是限制性因素，曝气区的容积得以缩小，从而减少了曝气能耗，产生的污泥量大大减少，因此也节省了后续污泥的处理费用。与传统技术相比，反硝化除磷技术优势独特，发展潜力巨大。

5 展望

反硝化除磷作为一种新的可持续发展的生物处理工艺，发展前景广阔，其节约能源与碳源、可实现污泥减量的特点引起了研究者广泛的兴趣。但目前生物除磷机理尚不十分清楚，除磷工艺流程有待进一步优化，工业废水中磷的浪费严重。未来研究大致集中在生物除磷原理的探讨、生物与化学联合除磷工艺的研究、在线监测技术的利用及工业废水中磷的回收等，通过对反硝化除磷技术的深入研究，从而提高工艺脱氮除磷效果，促进节能减排，满足经济社会可持续发展战略。

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