反硝化除磷技术及其影响因素

摘" " " 要： 反硝化脱氮除磷技术与传统脱氮除磷方式相比，能够在缺氧段实现同步体脱氮除磷，具有节约碳源，减少能源消耗、污泥产量低等优点。简要概述了反硝化除磷的机理，总结并分析了碳源种类、碳源浓度、电子受体、温度、pH值、水力停留时间和污泥浓度等影响因素对反硝化脱氮除磷技术的影响。

关" 键" 词：脱氮除磷；反硝化除磷机理； 影响因素

中图分类号：X703.1" " "文献标识码： A" " "文章编号： 1004-0935（2023）05-0691-04

聚磷菌在厌氧/缺氧两种环境交替运行的情况下，可以驯化得到反硝化聚磷菌（DPB），DPB既能以O2也可以用NOx--N作为电子受体完成过量吸磷和反硝化两个过程[1-2]。目前面临碳源不足、C/N低会导致城镇污水厂出水总氮含量偏高的问题，应用DPB进行污水同步脱氮除磷可以有效的解决这一问题，反硝化除磷技术在同步脱氮除磷的基础上可以减少碳源的消耗，做到“一碳两用”，既减少了曝气所需的能量，也降低了污泥产量，在污水处理工艺中具有可持续发展的特点[3]。但由于反硝化除磷过程受到诸多因素的影响，一定程度上限制了该工艺的应用，因此研究反硝化除磷技术的影响因素具有重要的现实意义。

1" 反硝化除磷机理

国内外学者通过大量实验来探究反硝化除磷的机理，无机磷酸盐被DPB吸收和释放的代谢过程通常用Comeau-Wentze模式和MINO提出的Mino模式等来解释反硝化除磷[4-5]。DPB在厌氧环境中将体内的多聚磷酸盐（Ploy-P）水解成无机磷酸盐（PO43--P）并释放到菌体外，Ploy-P水解过程可以产生能量，同时吸收废水中的低分子挥发性脂肪酸（VFA），在菌体内合成聚羟基烷酸（PHA），PHA不断在菌体内累积，为缺氧DPB过量吸磷提供能量。DPB会以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮为主要电子受体在缺氧环境下进行代谢。在缺氧环境中菌体内PHA的分解产生能量，该能量主要用来吸收PO43--P到菌体内合成Ploy-P以及用来合成糖原。最终通过剩余污泥排放完成整个脱氮除磷过程。

2" 反硝化除磷的主要影响因素

2.1" 碳源

2.1.1" 碳源种类

在反硝化除磷过程中，碳源种类对污水中DPB释磷效果和PHA合成情况有很大影响，进而影响到氮、磷去除性能。目前实验室常用乙酸盐、丙酸盐、葡萄糖等作为人工模拟污水的碳源。含有丙酸盐、乙酸盐、葡萄糖等物质的污水中进入厌氧段后，能够诱发释放磷酸盐，但往往乙酸盐、丙酸盐的释放磷酸盐的效果最佳[6-7]，也有研究表明以乙酸盐与丙酸盐的混合碳源更能激发厌氧释磷，并且驯化培养的生物多样性要高于单一碳源[8]。吉芳英通过A2NSBR工艺研究反硝化脱氮除磷系效果的影响，使用葡萄糖、丙酸、乙酸三种单一碳源进行研究，结果表明乙酸能强化生物除磷效果 ，能够成为富集DPB的有效碳源，丙酸去除磷的效果则不如乙酸，葡萄糖对比其他两种碳源处理效果最差[9]。另一方面以乙酸盐、丙酸盐作为碳源，污泥产率更低，对此分析认为，在缺氧环境下，磷酸盐进入DPB形成Ploy-P是一个需要能量的过程，而提供反硝化除磷所需要的能量的物质正是碳源基质，因此在进水COD浓度一定的条件下，基质产生的部分能量用来反硝化聚磷，反硝化除磷菌最终剩下的用于自身繁殖的碳源就越少，简单来讲系统反硝化越彻底，吸磷能力越好，污泥浓度的增长就越慢。

2.1.2" 碳源浓度

进水有机物浓度会对反硝化除磷过程产生重要影响，不同浓度COD对整个系统污染物去除性能有明显差异。高雅采用双阴极MFC系统对生活污水脱氮产电性能，在研究不同COD浓度的影响时发现，进水COD浓度处在较低水平时，污染物具有较高的去除率，在COD浓度达到一定值时，继续增加COD浓度几乎也不会对去除率有很大影响[10]。也就是说当废水有机物浓度低时，会导致反硝化聚磷菌菌体内合成的PHA不足，不能够为缺氧段吸磷贮存足够的能量。如果有机物浓度过高，未反应完全的有机物残留于缺氧段对缺氧吸磷产生抑制作用，这类似于在缺氧段外加了碳源，DPB会直接利用碳源进行外碳源反硝化，导致反硝化速率增大，吸磷速率降低[11]。因此将COD浓度稳定在一定范围内，可以保证污染物的高效率去除。

2.2" 电子受体

生物除磷技术中的关键影响因素之一就是电子受体，电子受体的研究经历了从O2到NO3--N、NO2--N的过程，反硝化除磷主要是以NO3--N和NO2--N做为电子受体，相比之下NO2--N作为电子受体更节省碳源，其次要想保证更好的脱氮除磷效果，就必须有足够浓度的NO3--N和NO2--N，如果电子受体的NOx--N数量有限，缺氧段菌体内PHA分解不足，会使缺氧吸磷量受到限制[12]。好氧污泥经过厌氧/缺氧驯化的就可以利用NO3--N和NO2--N作为电子受体进行过量吸磷，相比NO3--N，以NO2--N为电子受体能够进一步节省碳源、降低曝气量以及减少剩余污泥产量，但NO2--N浓度过高会对缺氧阶段过量吸磷产生一定的抑制作用。Jens Meinhold研究表明较低浓度的NO2--N对DPB缺氧吸磷几乎不产生影响，而NO2--N浓度为8 mg/L时，就会对DPB缺氧吸磷产生抑制作用[13]。也有学者通过研究表明，NO2--N并非真正的抑制剂，真正导致抑制作用的是游离亚硝酸FNA[14]。而FNA的浓度又与NO2--N的浓度和pH值息息相关，并随着NO2--N浓度的增加而增加，可以公式来表示，一旦FNA浓度过高时，会对硝酸盐的还原、亚硝酸盐的还原以及COD的去除产生影响，避免FNA浓度过高有利于整个反硝化过程。

2.3" 温度

温度会影响生物体内的酶促反应，酶促反应会直接影响DPB降解有机污染物的性能，其中温度对酶促反应的影响主要有酶在催化过程中的反应速率和基质扩散到细胞内的速率两种方式。首先是低温对反硝化除磷菌的影响，李微通过研究短程反硝化，系统温度在24 ℃时，亚硝态氮的还原速率、总磷的去除效果均达到最大值，温度在8 ℃时氮磷去除效果最差[15]。张兰河通过温度对反硝化除磷性能的测试中发现，温度在27 ℃时，缺氧段电子受体的还原速率及PHA的氧化速率均达到峰值[16]。一方面是在温度降低过程中，活性污泥中DPB占聚磷菌总量的比例随温度降低稍而有下降。另一方面反硝化除磷过程温度过低不仅会降低微生物的活性，还会对缺氧阶段NOx--N的传递以及PHA的分解造成一定影响。普遍认为温度控制在20～30 ℃之间，对整个系统反硝化除磷效果最佳[17]，温度过高由于受到酶活性的抑制会对厌氧释磷、缺氧吸磷以及缺氧反硝化过程产生不同程度的弱化。尤其在双污泥系统的反硝化除磷中，温度过低或者过高还会对硝化细菌硝化过程产生抑制，从而使电子受体NO3--N和NO2--N的浓度减少。

2.4" pH值

大量的研究和实际反应表明，pH值会对处理效果造成影响[18-19]。在生化反应过程中pH值是变化的，可以用来间接反应不同阶段的运行效果，理论上微生物分解利用有机物会产生CO2， CO2溶解于水中会产生碳酸导致pH值下降，厌氧阶段通过释磷机理可以看出，释磷过程也会产生弱酸H3PO4也会导致pH值降低，好氧阶段生物硝化作用会消耗碱度导致pH值降低，硝化反应过程如下：

NH4++O2—→NO3-+2H++H2O

缺氧段生物反硝化作用会产生碱度导致pH值升高，反硝化过程如下（以乙酸为碳源，NO3--N为电子受体）：

5CH3COOH+8NO3-—→4N2+10CO2+6H2O+8OH-

pH值在不同阶段的变化不仅可以反应出释磷、硝化、反硝化的效果，在一定程度上也会影响微生物的代谢活动，韦佳敏通过研究发现随着pH值的升高（7.5～8.0），厌氧释磷及缺氧吸磷速率也升高，pH超过8.0以后磷去除效率明显下降[20]。分析认为适合的pH值会增强微生物代谢活动，提高处理效果，但pH值过高会引起磷酸盐沉淀，因此在实际处理过程中应注意将pH控制在合理范围内。

2.5" 水力停留时间

反硝化除磷过程需要经历厌氧、缺氧两个阶段，水力停留时间能够直接影响反硝化除磷技术对碳、氮、磷的去除效果。令云芳通过控制厌氧段水力停留时间探究A2N工艺脱氮除磷效果，试验结果表明厌氧阶段水力停留时间过长，会增加溶解性磷酸盐的释放，缺氧阶段反硝化聚磷菌对硝态氮和磷酸盐的去除并未增加，厌氧段水力停留时间过短，则不能保证DPB充分吸收污水中的有机物，进而影响PHA的合成，导致缺氧吸磷量下降[21]。也有研究表明，提高缺氧段水力停留时间可以提高电子受体NOx--N的利用率，随着缺氧水力停留时间的增加，反硝化除磷系统TN、TP去除率都会随之增加[22]，但值得注意的是，缺氧水力停留时间不宜过长，避免反硝化聚磷菌出现“二次释磷”现象。

2.6" 污泥浓度

污泥浓度能够反应反硝化除磷工艺中DPB含量的多少，适宜的污泥浓度能够保证工艺的稳定运行。王春英研究了不同污泥浓度下DPB的厌氧释磷和缺氧反硝化吸磷效果，研究发现当污泥浓度越高时，厌氧释磷速率、缺氧吸磷速率和缺氧反硝化速率越高，并且在碳源充足的情况下，过高的污泥浓度更能激发厌氧环境中磷酸盐的释放，出现缺氧段电子受体不足的现象，如果污泥浓度偏低，则反硝化除磷速率偏低[23]。朱文韬、吕娟均采用SBR装置进行试验，研究表明，活性污泥浓度的提高会增加反硝化吸磷速率，但污泥浓度高出一定值后，单位污泥对磷摄取量会降低[24-25]。因此，在反硝化除磷工艺中，合理控制厌氧段、缺氧段的污泥浓度更有利于脱氮除磷。

3" 结论

反硝化除磷技术兼具反硝化和除磷性能，也为传统脱氮除磷过程中存在的碳源竞争和泥龄差异的矛盾提供了解决方案。该技术在应用过程中受到碳源、电子受体、温度、pH值、水力停留时间、污泥浓度及其他因素的影响，因此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。在开展试验过程中应该注意以下几个方面：①大多数试验只关注单一因素对反硝化除磷的影响，而该过程受到多因素的影响，研究时应注意多因素复合下的脱氮除磷效果。②反硝化除磷技术适用于低C/N的废水，但除磷效果往往不佳，研究反硝化除磷技术和其他技术联合脱氮除磷可以发挥更好的脱氮除磷效果。

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Abstract： Compared with traditional nitrogen and phosphorus removal methods， denitrifying phosphorus removal technology can achieve simultaneous nitrogen and phosphorus removal in anoxic phase， it has the advantages of saving carbon source， reducing energy consumption and low sludge production. In this paper， the mechanism of denitrifying phosphorus removal was summarized; the influence of carbon source type， carbon source concentration， electron acceptor， temperature， pH value and hydraulic retention time on denitrifying nitrogen and phosphorus removal technology was analyzed.

Key words： Nitrogen and phosphorus removal; Mechanism of denitrifying phosphorus removal; Influence factor