反硝化除磷污水处理工艺影响因素分析

黄健平，闫阁，卞晓峥，程鹏

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.河南省水体污染与土壤损害修复工程技术研究中心，河南 郑州 450046)

根据国家生态环境部公布的2019年生态环境状况公报，我国湖泊面临的富营养化形势严峻。污水中大量的氮、磷和有害物质进入河流，加剧了河流、湖泊的富营养化[1]。进行污水处理厂的提标改造，特别是提高出水氮、磷的排放标准，是预防和控制水体富营养化发生的有效措施之一。传统脱氮除磷技术存在碳源和污泥龄的矛盾及碳源竞争等问题，难以满足日趋严格的污水中氮、磷的排放标准，反硝化除磷工艺的出现，使得生活污水深度脱氮除磷成为可能。该技术以反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms，DPAOs)为主导菌群，通过厌氧/缺氧环境交替运行，利用硝酸盐为电子受体，以微生物胞内贮存的聚-β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)为电子供体，完成同步脱氮除磷的反应过程。与传统工艺相比，反硝化脱氮除磷工艺可减少30%～50%的碳源使用量，节省30%的曝气量，降低50%剩余污泥量的产生[2]。

根据DPAOs与硝化细菌是否为同一污泥处理系统，反硝化除磷(Denitrifying Phosphorus Removal，DPR)工艺可分为单污泥工艺和双污泥工艺。单污泥工艺如UCT(University of Cape Town)工艺和BCFS(Biologische-Chemische-Fosfaat-Stikstoverwijdering)工艺，由于没有从根本上解决不同菌群间碳源和污泥龄的矛盾，从而在一定程度上限制了该工艺的深度脱氮除磷。双污泥工艺如A2N(Anaerobic-Anoxic-Nitrification two-sludge system)工艺和Dephanox工艺，聚磷菌和硝化细菌分开培养，解决了两种菌群之间污泥龄长短不一的矛盾，避免了聚磷菌与反硝化细菌对碳源的竞争，使得生物系统的各类菌群在最优的环境下生长，在强化微生物的功能特性的同时，提高了脱氮除磷效率。目前，针对DPR工艺存在的工艺稳定性较差、单污泥工艺脱氮除磷效率难以提高、双污泥工艺氨氮出水较高、工艺流程长等问题，许多学者进行了相应的工艺改进和优化研究，形成了包括AOA(Anaerobic-Oxic-Anoxic)[3]、A2O-BAF(Anaerobic/Anoxic/Oxic-Biological Aerated Filters)[4]、A2O-MBR(Anaerobic/Anoxic/Oxic-Membrane Bioreactor)[5]、A2O-MBBR(Anaerobic/Anoxic/Oxic-Moving Bed Biofilm Reactor)[6]工艺和短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化耦合反硝化除磷工艺等在内的新型DPR工艺。这些DPR工艺中，碳源、污泥龄、电子受体、回流比等参数是影响整个工艺脱氮除磷效率的关键，而且不同工艺的最优工艺参数值不尽相同甚至差异较大。文中综述了近年来不同污水处理工艺中关于碳源、不同电子受体、污泥超越比、回流比及污泥龄等重要参数对反硝化除磷工艺脱氮除磷的影响，总结了不同工艺中DPAOs的菌群特性及差异，为解决DPR工艺的固有缺陷，从而确定工艺能够稳定运行的最优参数提供参考依据，同时也为DPR工艺实现工程应用总结经验。

1 影响反硝化除磷的关键因素

DPR工艺关系到多个反应机理，任何一个条件的改变都能影响工艺的整体运行效果。因此，必须综合考虑影响反硝化除磷的各个工艺参数，以保证DPR工艺的稳定运行并实现对污水的高效脱氮除磷。

1.1 碳源

在反硝化除磷工艺中，碳源类型对废水中有机基质的释磷效果有很大影响。目前实验室DPR工艺研究常用的碳源类型有葡糖糖、乙酸盐、丙酸盐等。ADOONSOOK D等[7]在研究不同碳源类型对A/O-MBR工艺微生物群落影响时发现，以乙酸盐做碳源时,该工艺的生物营养物去除(Biological Nutrient Removal，BNR)效率最高且过程较稳定，显著优于以葡萄糖为碳源的工艺。潘婷等[8]研究了不同乙酸盐、丙酸盐配比对AAO-SBR工艺脱氮除磷影响时发现，当碳源仅为乙酸钠时，获得31.22 mg/L的最大释磷质量浓度，微生物多样性分析也表明，单一的碳源类型有利于在活性污泥中富集到聚磷菌(Phosphate Accumulating Organisms,PAOs)。但CARVALHO G等[9]研究将厌氧/好氧SBR转换成厌氧/缺氧SBR时，用乙酸盐作碳源的生物除磷活性降低，而以丙酸盐为碳源进行驯化时，DPR工艺能维持良好的反硝化除磷活性。由于DPAOs可利用的唯一碳源是VFA，而乙酸和丙酸作为最常见的VFA，在厌氧阶段的利用速率不同。丙酸作为碳源时的除磷效果相较于乙酸的更为稳定，而乙酸的利用速率更快，除磷效率更高。因此，应在DPAOs不同的培养方式下，根据污泥脱氮除磷特性选择合适的碳源。

此外，进水碳源质量浓度会影响到DPAOs在厌氧阶段磷的释放量。在单污泥工艺中，孙鹏展等[10]将COD质量浓度控制在143～228 mg/L范围内，经过19 d成功启动气提式UCT工艺，COD平均去除率达到86.17%。李微等[11]在考察碳源质量浓度和种类对短程反硝化除磷序批式反应器(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR)的影响时发现,在进水COD的质量浓度为200 mg/L时，磷的去除率为93.22%，缺氧吸磷速率最高。甄建园等[12]认为，当进水中COD的质量浓度为300 mg/L、碳磷比由60降到30时，SBR脱氮除磷效率明显提高。在连续式双污泥工艺中，王亚宜等[13]在Dephanox反硝化脱氮除磷工艺中发现，随着进水COD质量浓度由100 mg/L增加至300 mg/L，磷的释放量和缺氧吸磷速率也越来越高，但当碳源COD质量浓度超过300 mg/L时，反而会抑制缺氧磷的吸收。综上所述，反硝化除磷工艺更适用于处理低碳氮比的生活污水。因为，在较低的碳磷比(10～20)下有利于污水除磷，因此，进水碳源质量浓度在300 mg/L以下为宜，工程应用中还需要根据工艺类型选择合适的碳源投加量以保证反应器的稳定运行。

1.2 污泥龄

污泥龄(Sludge Retention Time，SRT)直接关系着污泥活性和微生物菌群特性，是DPR工艺中一个关键的控制因素。SRT过长时会使污泥活性变差导致污泥老化，细胞内储存的PHA减少，影响反应器释磷和吸磷速率[14]。SRT较短时，污泥活性较好但沉降性能变差，会使DPAOs随剩余污泥被逐步排出，导致除磷效率降低。韦佳敏等[15]的试验结果表明，当SRT为25 d时，反硝化除磷污水处理工艺的污泥活性最好，污泥含磷率高达5.33%，出水磷酸根质量浓度小于0.5 mg/L，磷去除率达到95%以上；而当SRT分别为35 d和15 d时，污泥中DPAOs的含量均有所减少，导致磷的处理效果变差。王晓霞等[16]通过试验发现，在同步硝化内源反硝化除磷工艺中，当SRT小于10 d时，相对于传统反硝化菌，DPAOs的生长不占优势，导致系统的脱氮除磷性能下降。赵伟华等[17]发现，将SRT控制在12 d时，更有利于富集到聚磷菌。同时FISH试验估算得A2O-BCO工艺中聚磷菌所占比例为22%，这也从微生物学角度证明了A2O-BCO工艺采用双污泥系统能够更好地创造聚磷菌生长的最佳条件，且改良A2O-BCO工艺相较于A2O工艺的氮、磷处理效率均有所提高。几种不同反硝化除磷污水处理工艺的最佳污泥龄见表1。

表1 不同反硝化除磷污水处理工艺的最佳污泥龄

从表1中可以看出，在反硝化除磷污水处理工艺中，前4个单污泥工艺比后3个双污泥工艺的SRT要长。这是因为单污泥工艺要保证硝化反应的完全进行，因此，需要优先考虑硝化菌的SRT，硝化菌的SRT比DPAOs的SRT长。双污泥工艺将硝化细菌和聚磷菌分开培养，可以让其在各自最佳的污泥龄下生长，解决了它们SRT长短不一的矛盾。选择的DPR工艺不同，对SRT的要求也不同，应根据不同工艺选择合适的污泥龄，以满足活性污泥微生物的生长需求，获得较优的污染物去除效果。

1.3 电子受体

1.3.1 硝酸盐

1.3.2 亚硝酸盐

1.4 污泥回流比和超越比

在双污泥工艺中，控制好污泥回流比和超越比对DPR工艺中厌氧池和缺氧池的污泥平衡至关重要。当回流污泥量过大时，缺氧池内未反应完的硝态氮会随着回流污泥进入厌氧池，使反硝化菌在微生物菌群中逐渐成为优势菌，影响聚磷菌的释磷效果。污泥回流比对污水中的COD和磷的去除影响较小，但对氨氮、硝态氮、总氮去除的影响较大。杨庆娟等[30]研究发现，污泥回流比与出水硝态氮质量浓度间存在良好的线性关系，出水硝态氮质量浓度随着回流比的增加而降低，但氨氮的去除率随之降低，认为当污泥超越比和回流比都是0.4时，反硝化除磷污水处理工艺的反硝化除磷效率最高。吕贞等[31]在考察改良A2/O工艺时得出，将污泥回流比控制在50%时对污水中的总氮的去除效果较好，能耗最低。

同样，污泥超越比是维持DPR工艺稳定运行的关键因素。张立成等[32]研究了当污泥超越比分别为0.21、0.60和0.90时对双污泥工艺的影响，结果表明，污泥超越比对污水中COD的去除影响较小，对污水中氨氮、磷酸根的去除影响较大，且污泥超越比为0.60时，DPR工艺脱氮除磷效果最好。超越污泥量过大，中沉池上清液中的氨氮流入缺氧池，将使出水中的氨氮不达标；超越污泥量过小，会影响DPR工艺缺氧段反硝化聚磷菌的生物量，导致反硝化除磷能力不足，进一步影响出水水质和厌氧释磷。综上所述，在实际工程应用中，应当根据具体工艺特点和实际运行情况来调节合适的污泥回流比和超越比。

1.5 反硝化除磷污水处理工艺的处理效果

使用的DPR工艺不同，影响该工艺取得良好的运行效果的因素也不同。ZHANG Miao等[33]在考察回流比对厌氧/缺氧/好氧工艺耦合移动床生物膜反应器(A2O-MBBR)的污水处理效果时，得到该工艺稳定运行时对污水中COD的去除率为56.09%～85.98%，TN的去除率为52.06%～80.50%，缺氧池DPAOs的贡献率为70%，表明该工艺反硝化脱氮除磷效果较好。赵伟华等[34]在采用前置A2NSBR工艺考察该工艺反硝化除磷特性时，通过批次试验得到缺氧段DPAOs占总PAOs的比例约为73.4%，DPAOs富集程度较高。ZHANG Chuanyi等[35]采用厌氧/缺氧/硝化/后曝气序批式反应器耦合膜生物反应器(A2NO-MBR)处理生活污水，COD的去除率为86.4%～90.0%，总磷去除率为97.6%～99.3%，总氮去除率为61.8%～76%，出水满足GB 18918—2002中一级A标准，缺氧吸磷速率为0.54～1.30 mg P/(g MLSS h)，反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例为75.9%～99.7%。DU Shiming等[36]在研究单污泥SBR反硝化除磷与同步硝化反硝化的可行性试验中，经过反应器160 d的运行，出水中氨氮、磷酸根、总氮的质量浓度大幅降低，分别降低至1.0、0.1、7.2 mg/L，运行效果较好。几种不同污水处理工艺的效果见表2。

由表2可知，上述反硝化除磷污水处理工艺的出水大部分具有较好的处理效果，DPR工艺稳定可行。但是不同工艺的处理效果存在差异。总体来说，每种处理工艺都有其特点，单污泥工艺处理污水的效果稳定，工艺简单，双污泥工艺解决了菌群污泥龄长短不一的矛盾和碳源的竞争，处理效率略高于单污泥工艺的，但双污泥工艺存在着处理流程复杂，出水氨氮质量浓度较高等问题。在实际应用中，应根据污水特点和实际情况选择合适的处理方法。

表2 几种不同污水处理工艺的处理效果

1.6 其他环境参数

pH值、DO质量浓度、温度等指标也会对反硝化除磷污水处理工艺产生影响。OEHMEN A等[44]在研究pH值对聚磷菌和聚糖菌竞争的影响时发现，当pH值从7增加到8时，更有利于反硝化除磷污水处理工艺中磷的去除，且高pH值的PAOs比GAOs对污水反硝化除磷方面更具有优势。但是，pH值过高会使反硝化除磷系统中产生磷酸盐沉淀，导致碳磷比升高。严格控制厌氧段和缺氧段DO的质量浓度对维持反硝化除磷污水处理工艺的稳定运行至关重要。YUAN L M等[45]考察DO的质量浓度对反硝化除磷的影响特性时发现，DO的质量浓度对COD的去除影响不大，对氮、磷的去除影响较大，好氧池DO的质量浓度为0.8～1.2 mg/L时，TN和TP的平均去除率分别为74.8%和71.4%，该污水处理工艺能获得较好的脱氮除磷效果。因此，硝化池应保持足够的DO质量浓度，以维持硝化菌的正常生长，保证对污水的硝化效果。

2 反硝化聚磷菌菌群特性

DPAOs的存在和生长是反硝化除磷污水处理工艺的关键技术难点。目前缺乏对DPAOs的菌群结构、种类和代谢途径的研究，荧光原位杂交、高通量测序、系统发育树等分子生物学手段为进一步研究细菌群落和代谢关系提供了途径。随着DPAOs微生物群落研究的不断细化，具有除磷特性的微生物将不断被鉴定和发现，这对于生物除磷意义重大。

3 结语

随着氮、磷排放标准的日益提高，反硝化除磷污水处理工艺得到了越来越多学者的关注。该工艺具有一碳两用、节约曝气量、减少污泥产量等优势，特别适合处理低碳氮比的城市生活污水，具有广阔的应用前景。

碳源、污泥龄、电子受体、污泥超越比和回流比、运行工艺、pH值、DO质量浓度、污泥质量浓度等参数的改变都会对反硝化除磷污水处理工艺产生影响，且该影响往往是相互的，综合考虑控制参数的适用范围，对反硝化除磷污水处理工艺的稳定及高效运行极为重要。亚硝酸盐的质量浓度过高会阻碍磷的吸收效果，但对DPAOs除磷产生抑制作用的质量浓度范围一直存在争议。

反硝化除磷污水处理工艺发展迅速，陆续出现了多种新的组合工艺，如与短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等耦合的新型反硝化除磷污水处理工艺。双污泥工艺的污水处理流程复杂，且可供借鉴的运行参数少，实际工程化应用并不多，通过对反硝化聚磷菌脱氮除磷机理和菌群的深入研究，确定出使反硝化除磷污水处理工艺稳定运行的参数，是未来双污泥反硝化除磷污水处理工艺的研究难点。