反硝化除磷污水處理技術(shù)

隨著我國城市的持續(xù)發(fā)展，人口數(shù)量也隨之不斷增加，所排放的生活污水也日益增多，使大量污水進入到自然水體中，導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化。因此，去除污水中的有害物質(zhì)對于水體資源的保護具有重要意義，而提升污水處理標(biāo)準(zhǔn)，是控制水體污染較為有效的措施之一，但卻也提高了對能耗的需求。因此尋求經(jīng)濟、高效的處理工藝成為當(dāng)下污水處理領(lǐng)域研究的熱點。我國城市生活污水中的碳氮比較低，利用傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝處理，效果不理想，難以達到污水排放的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而且在處理過程中，還需要外加碳源，這不僅會增加運行成本，還會因部分碳源被氧化，不能被微生物利用而出現(xiàn)浪費現(xiàn)象。另外，傳統(tǒng)的脫氮除磷技術(shù)存在碳源與污泥齡的矛盾，而反硝化除磷污水處理工藝能夠?qū)ι钗鬯M行深度除氮除磷處理。

1、反硝化除磷污水處理工藝及其分類

反硝化除磷污水處理工藝的主導(dǎo)菌群為反硝化聚磷菌（DPAOs），是利用厭氧環(huán)境、缺氧環(huán)境的交替，以硝酸鹽作為電子受體，電子供體為微生物胞內(nèi)的PHB，在反應(yīng)過程中，所需碳源和好氧吸磷過程相比大幅度降低，而污泥的產(chǎn)量也能夠有所下降，同時可以節(jié)省因曝氣而產(chǎn)生的成本，并實現(xiàn)了同步脫氮除磷效果。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比，反硝化脫氮除磷工藝可以將碳源的使用量減少30%，甚至一半，同時還可降低30%的曝氣量和50%的剩余污泥量，因此該工藝的發(fā)展具有十分重要的意義。

依據(jù)硝化細(xì)菌和DPAOs是否處于同一系統(tǒng)中，可將反硝化除磷污水處理工藝分為單污泥工藝及雙污泥工藝。單污泥系統(tǒng)有UCT、(AO)2SBR以及BCFs工藝，單污泥工藝不能徹底解決不同菌群之間碳源及污泥齡間的矛盾，因此在深度脫氮除磷中受到了一定的限制；雙污泥工藝主要有Dephanox、A2NSBR工藝，其硝化細(xì)菌和反硝化聚磷菌分別處于兩個反應(yīng)器中，這種工藝解決了污泥齡不同的矛盾，消除了聚磷菌和反硝化細(xì)菌之間的競爭，使各菌群能夠在最適合生長的環(huán)境中進行反應(yīng)，提高了微生物的功能特性，同時也極大地提升了脫氮除磷的效率。

在反硝化除磷污水處理工藝中，諸多研究者對于其在污水脫氮除磷中的應(yīng)用進行了許多研究。有研究者在SBR工藝中后置缺氧段，采取反硝化除磷污水處理工藝，進行生活污水處理的相關(guān)研究；也有研究者分析了雙污泥系統(tǒng)的反硝化除磷特性；而在新型DPR工藝中，影響脫氮除磷效率的關(guān)鍵參數(shù)有污泥齡、碳源、電子受體以及回流比等，并且在不同工藝中，其最優(yōu)工藝的參數(shù)值有著較大差異。

2、影響反硝化除磷污水處理工藝的因素

在DPR工藝中，各環(huán)節(jié)的改變都會對整體工藝效果產(chǎn)生相應(yīng)的影響，因此需要綜合考慮各個環(huán)節(jié)的參數(shù)，以維持工藝運行的穩(wěn)定性。

2.1 污泥齡的影響

污泥齡（SRT）和污泥活性及微生物菌群的特性都有著一定的關(guān)系，污泥齡會導(dǎo)致污泥活性變差，使污泥老化并使細(xì)胞內(nèi)的PHA減少，對反應(yīng)器釋磷及吸磷的速率造成影響；而污泥齡較短時，其活性較好，但沉降性會降低，除磷效率也隨之降低。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SRT小于10d時，與傳統(tǒng)反硝化菌相比，DPAOs沒有生長優(yōu)勢，且其脫氮除磷的性能也有所下降；在反硝化除磷污水處理工藝中，SRT為25d時，其污泥活性最好，磷去除率可以超過95%；SRT為12d時，對聚磷菌的富集較為有利。在這幾種反硝化除磷污水處理工藝中，最佳的污泥齡見圖1。

由此可以看出，單污泥工藝的SRT比雙污泥工藝的長，其原因是在氮污泥工藝中，需要優(yōu)先考慮硝化菌的SRT，而與DPAOs相比，硝化菌的SRT較長。在雙污泥工藝中，菌的培養(yǎng)是分開的，因此菌可以在其最適宜的污泥齡下更好地生長。不同的DPR工藝，其SRT需求也不同，需要選擇對應(yīng)的污泥齡，才能讓環(huán)境更加適合微生物生長，從而達到較好的污水處理效果。

2.2 碳源的影響

在反硝化除磷污水處理工藝中，碳源的類型對其釋磷效果有著較大的影響。在DPR工藝中，較為常用的碳源有葡萄糖、乙酸鹽等，對碳源的研究表明，如果整個工藝使用單一的碳源齡，能夠更好地富集聚磷菌；用乙酸鹽作為處理工藝中的碳源時，能夠達到去除生物營養(yǎng)物的最高效率，且反應(yīng)過程較穩(wěn)定，與以葡萄糖作為碳源相比具有較大的優(yōu)勢；將厭氧/好氧SBR轉(zhuǎn)換為厭氧/缺氧SBR，碳源選擇乙酸鹽的時候，其工藝中生物除磷的整體活性會降低，而當(dāng)碳源選擇丙酸鹽的時候，在DPR工藝中，可以維持較好的反硝化除磷的活性。因反硝化聚磷菌只能使用VFA作為碳源，而常見的有乙酸以及丙酸，其在厭氧階段的利用率也是不相同的。在整體除磷效果中，以乙酸作為碳源時處理速率較快，同時處理效率也較高，而以丙酸作為碳源時，其反應(yīng)較為穩(wěn)定。因此，當(dāng)反硝化聚磷菌處于不同環(huán)境時，需要以其污泥脫氮除磷特性作為依據(jù)，選擇最佳的碳源。同時在反硝化聚磷菌處于厭氧階段時，其磷的釋放量會受到進水中碳源質(zhì)量濃度的影響。通過分析碳源質(zhì)量濃度及種類對短程反硝化處理反應(yīng)器的影響得知，當(dāng)進水中COD質(zhì)量濃度達到200mg/L的時候，磷的去除率可以高達93.22%，且具有最高的缺氧吸磷速率；在COD質(zhì)量濃度為143～228mg/L、時長在19d時，COD的去除率可以達到86.17%；有研究者認(rèn)為，當(dāng)進水中COD的質(zhì)量濃度達到300mg/L，且碳磷比從60下降到30的時候，能夠明顯提升SBR脫氮除磷的效果。而在雙污泥工藝中，Dephanox反硝化脫氮除磷工藝進水中COD的質(zhì)量濃度會持續(xù)增加，當(dāng)其質(zhì)量濃度達到300mg/L時，磷的釋放量及其缺氧吸磷的速度也會隨之提升，但是當(dāng)碳源COD的質(zhì)量濃度大于300mg/L的時候，又會反過來抑制對缺氧磷的吸收。由此可知，反硝化除磷污水處理工藝較適用于處理低碳氮比的生活污水。當(dāng)碳磷比較低時，對污水除磷較為有利。因此在污水處理系統(tǒng)中，進水碳源的質(zhì)量濃度以控制在300mg/L以內(nèi)較佳，但在具體工程中，還需要依據(jù)不同的工藝類型，選擇較為合適的碳源加入量，由此才能維持整體反應(yīng)的穩(wěn)定性。

2.3 電子受體的影響

在反硝化除磷污水處理工藝中，電子受體主要有兩種，即NO3-N與NO2--N，在碳源的用量上，NO2--N類型的碳源用量較少，由于其是消化除磷的底物，只有當(dāng)NO3-N與NO2--N充足的情況下，才能夠保證消化除磷的效果，即NO3-N與NO2--N不能和碳源同時存在，并需要合理的調(diào)整參數(shù)，例如對消化回流比進行相應(yīng)調(diào)整，才能使電子受體維持在充足的狀態(tài)。

2.3.1 硝酸鹽

在DPR反應(yīng)當(dāng)中，NO3－可作為電子受體，而在缺氧階段的污水處理過程中，其缺氧吸磷速率是由加入的硝酸鹽的具體量決定的，當(dāng)反應(yīng)條件不同時，其需要加入硝酸鹽的量也需要做出相應(yīng)的調(diào)整。通過對不同硝酸鹽濃度下，反硝化系統(tǒng)中的脫氮除磷特性進行了研究，結(jié)果表明，在缺氧段，電子受體濃度過高或過低時，都會對反硝化除磷效果造成負(fù)面影響，而當(dāng)NO3－的質(zhì)量濃度控制在30～40mg/L范圍內(nèi)時，能夠使脫氮除磷效率達到最佳，使碳源得到高效利用。在厭氧段，當(dāng)NO3－的質(zhì)量濃度過高時，反硝化細(xì)菌在進行反硝化反應(yīng)時，會優(yōu)先使用碳源而導(dǎo)致釋磷的抑制以及PHB合成的抑制，而當(dāng)NO3－的質(zhì)量濃度過低時，體系中的電子受體不足，使PHB氧化不完全，對吸磷造成影響，除磷效果也會隨著硝酸鹽質(zhì)量濃度的提升而相應(yīng)地增加，但是當(dāng)其超過最佳值時，則會抑制整個系統(tǒng)中的生物對磷的吸收，同時使出水中NO3－的質(zhì)量濃度增加，對整體脫氮效果造成一定程度的影響。

2.3.2 亞硝酸鹽

在反應(yīng)體系中，NO2－對聚磷菌會產(chǎn)生一定程度的抑制作用。而DPR工藝在缺氧段，一定的亞硝酸鹽濃度能夠提升反硝化吸磷的整體速率。通過觀察SBR體系中亞硝態(tài)氮質(zhì)量濃度對反硝化聚磷菌的影響得知，當(dāng)亞硝酸鹽質(zhì)量濃度達到40mg/L時，仍然沒有對缺氧磷的吸收造成負(fù)面影響。在普通的反硝化除磷污泥中，NO2--N沒有對其進行馴化，且在較短時間內(nèi)，難以對NO2--N進行利用，實現(xiàn)反硝化吸磷反應(yīng)；同時表明，在碳源的選擇上，乙酸鈉是較為理想的碳源；提升硝態(tài)氮的負(fù)荷能夠使反硝化除磷率隨之提升，同時對于富集反硝化聚磷菌來說，也較為有利；當(dāng)NO2--N的質(zhì)量濃度控制在20mg/L的時候，污泥的整體除磷能力會急劇下降；當(dāng)體系中的亞硝酸鹽質(zhì)量濃度過高、超過了8mg/L時，就會對反應(yīng)中的缺氧磷吸收帶來較強的負(fù)面影響。

2.4 水力停留時間（HRT）的影響

反硝化污水處理需要經(jīng)過兩個階段，即厭氧階段和缺氧階段，而合適的HRT能夠保證生化反應(yīng)順利完成，但是HRT不能超出一定范圍。在厭氧環(huán)節(jié)中，若HRT過長，會造成無效釋磷，而在缺氧環(huán)節(jié)中，若HRT過長則會導(dǎo)致二次釋磷；在曝氣段中，若HRT過長會導(dǎo)致硝化。在A2N工藝中增加后曝氣階段，HRT控制在1.3h時，可以使除磷率達到90%。相關(guān)研究者通過對A2N反硝化除磷污水處理工藝進行深入研究，結(jié)果表明，在厭氧段，HRT過長會提升PO43--P的總體釋放量，但是在后續(xù)的缺氧段，吸磷量沒有隨之增加；而在厭氧段，HRT過短時，反硝化聚磷菌不能完全吸收和降解有機物，難以保證內(nèi)碳源PHA的合成，而在后續(xù)的缺氧段，體系中的吸磷能力持續(xù)下降。

2.5 污泥回流比以及超越比的影響

在雙污泥工藝中，將污泥回流比及超越比控制在合理范圍內(nèi)，對于厭氧池及缺氧池中污泥的平衡具有關(guān)鍵作用。若體系中的回流污泥量超過一定范圍，在缺氧池中，沒有反應(yīng)完全的硝態(tài)氮會隨著回流污泥流動進入到厭氧池中，使微生物菌群中反硝化菌成為體系中的優(yōu)勢菌，對聚磷菌造成影響，并使釋磷效果受到一定程度的影響。在去除污水中的COD及磷時，污泥回流比對其造成的影響較小，但是對于氨氮、硝態(tài)氮以及體系中總氮的去除影響比較大。通過對改良A2/O工藝進行考察得知，將污泥回流比控制在50%時，能夠使污水中的總氮去除達到較好效果，同時能耗也最低。體系中的污泥回流比與出水硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度之間存在著較為良好的線性關(guān)系，出水硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度會隨著回流比的增加而有所降低，但是氨氮的去除率也會隨之下降。研究表明，當(dāng)污泥超越比為0.4，且回流比也為0.4時，反硝化除磷的效率達到頂峰。而污泥超越比對于維持DPR工藝的穩(wěn)定性也起了關(guān)鍵作用。污泥超越比對去除污水中的COD影響不大，而對去除污水中的磷酸根及氨氮有著較大的影響。當(dāng)污泥超越比為0.6時，在DPR工藝中，能夠使脫氮除磷達到最佳效果。當(dāng)超越污泥量過大時，在中沉池內(nèi)，其上清液中的氨氮會流入到缺氧池中，導(dǎo)致出水中的氨氮達不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；而超越污泥量過小時，則會在DPR工藝中的缺氧段，使反硝化聚磷菌的量受到相應(yīng)影響，導(dǎo)致反硝化除磷能力下降，也會對出水水質(zhì)造成一定程度的負(fù)面影響。因此，在具體實踐中，技術(shù)人員需要依據(jù)不同工藝自身的特點以及實際的運行情況，進行相應(yīng)地調(diào)節(jié)，使污泥回流比以及超越比處于比較合適的狀態(tài)。

2.6 不同反硝化除磷污水處理工藝效果的影響

不同的DPR工藝，影響其運行效果的因素也各不相同。在幾種不同的污水處理工藝中，其處理效果見圖2、圖3。由圖中結(jié)果可以得知，不同工藝的處理效果存在一定程度的差異。單污泥處理工藝運行比較簡單，效果較為穩(wěn)定，而雙污泥處理工藝在處理效率上比單污泥工藝高，但是雙污泥工藝的整體流程較為復(fù)雜，且存在出水氨氮質(zhì)量濃度較高的問題。在處理工藝上，各有優(yōu)缺點，因此在具體應(yīng)用中，相關(guān)人員需要依據(jù)污水的實際特點及具體情況，對污水處理工藝進行擇優(yōu)選擇。

2.7 其他因素

反硝化除磷影響因素還包括環(huán)境溫度、pH值、C/P及DO含量等。當(dāng)厭氧段pH值為8，且缺氧段pH值為7時，反硝化除磷污水處理工藝能夠達到最好的效果，而pH值過高會在系統(tǒng)中產(chǎn)生磷酸鹽沉淀，使碳磷比持續(xù)升高；反硝化除磷過程最適宜的溫度為18～37℃，而厭氧段及缺氧段，對DO質(zhì)量濃度進行嚴(yán)格控制，能夠使其工藝在穩(wěn)定狀態(tài)下運行。

3、結(jié)語

隨著污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，越來越多的研究人員對脫氮除磷廢水處理工藝進行了研究。該工藝具有節(jié)約曝氣量、減少污泥產(chǎn)量等諸多優(yōu)勢，由于城市生活污水中碳氮比較低，因而該工藝對城市生活污水的處理具有較理想的效果，且其應(yīng)用前景非常廣闊。隨著反硝化除磷污水處理工藝的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了一系列新的組合工藝，其中雙污泥工藝的處理流程相對較為復(fù)雜，只有少數(shù)的運行參數(shù)可以借鑒，因此在具體實踐中應(yīng)用并不廣泛。（來源：杭州天創(chuàng)水務(wù)有限公司，天津創(chuàng)業(yè)環(huán)保集團股份有限公司）