有機(jī)碳源及溶解氧對污水脫氮除磷的影響

許文澧

1 概述

如何有效提高城市污水脫氮除磷效率是目前城市污水處理研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，尤其是對我國普遍低碳、高氮磷的南方城市污水。目前，我國城市污水處理廠常用的生物脫氮除磷工藝主要有:A2O及其改進(jìn)工藝、氧化溝工藝、SBR及其改進(jìn)工藝等[1]。這些工藝中存在著一些影響脫氮除磷效率的普遍因素，包括:溶解氧、有機(jī)碳源、pH、溫度、污泥回流比等。其中，有機(jī)碳源濃度因水質(zhì)不同差異較大，直接影響著工藝的選擇和脫氮除磷效果。溶解氧是決定脫氮除磷系統(tǒng)中微生物優(yōu)勢種群及其活性的關(guān)鍵因素，有效調(diào)控溶解氧濃度和供氧模式不但能提高系統(tǒng)處理效果，還能節(jié)能降耗、節(jié)約運(yùn)行成本。

2 生物脫氮除磷機(jī)理

2.1 傳統(tǒng)生物脫氮機(jī)理

在好氧條件下，水中好氧菌硝酸菌把氨態(tài)氮依次轉(zhuǎn)化為亞硝酸、硝酸;在缺氧條件下，反硝化菌將硝酸最終還原為氮?dú)忉尫?，從而達(dá)到脫氮效果。其中，硝化菌(亞硝酸菌、硝酸菌)為化能自養(yǎng)菌，以 CO2為碳源，NH+4為電子供體，1 g氨氮完全氧化需4.57 g O2;反硝化菌為異養(yǎng)型兼性厭氧菌，其生長環(huán)境要求DO＜0.5 mg/L[2]。

2.2 傳統(tǒng)生物除磷機(jī)理

在厭氧條件下，兼性菌通過發(fā)酵作用將溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)酸，聚磷菌將VFAs同化為胞內(nèi)碳能源存貯物(PHB)，所需的能量少部分來自細(xì)胞內(nèi)糖的酵解，大部分來自聚磷的水解，并導(dǎo)致磷酸鹽的釋放。在好氧條件下，PAO利用O2作為最終電子受體氧化細(xì)胞內(nèi)PHB獲得能量，再從廢水中過量攝取磷酸鹽，并以高能聚磷酸鍵的形式存儲(chǔ)能量，通過排除富磷污泥達(dá)到去除磷的目的。

2.3 反硝化除磷機(jī)理

在厭氧/缺氧環(huán)境交替運(yùn)行條件下，易富集一類兼性厭氧反硝化聚磷菌，該細(xì)菌可以在缺氧條件下，利用硝酸鹽作為電子受體氧化PHB，并從環(huán)境中攝磷，實(shí)現(xiàn)同時(shí)反硝化和超量攝磷。與傳統(tǒng)脫氮除磷工藝相比，對COD的需求可減少50%左右，氧的消耗和污泥產(chǎn)量可分別減少30%和50%[3]。

3 有機(jī)碳源及溶解氧對污水生物脫氮除磷的影響

3.1 有機(jī)碳源(C/N，C/P)

A2O工藝是我國城市污水處理中最常用的同步脫氮除磷工藝[1]。有學(xué)者研究了不同C/P對A2O工藝中總氮、總磷等變化的影響，C/N=6時(shí)，進(jìn)水 C/P＜32，磷的去除效果隨C/P比降低而線性降低;C/P＞32，磷的去除效果穩(wěn)定在90%～98%。但C/P比變化，對總氮去除的影響較小[4]。傳統(tǒng)A2O工藝內(nèi)回流比(100%～400%)較高，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用提高。楊殿海等人采用改良型A2O工藝，通過設(shè)置后置反硝化而取消了內(nèi)回流，以厭氧池部分碳源分流(0.4Q左右)提供反硝化碳源。進(jìn)水COD≥300 mg/L，TN=40.3 mg/L，TP=3.82 mg/L時(shí)，對TN，TP及 COD的去除率分別可達(dá)70%，86%和88%;COD＜300 mg/L時(shí)，對 TP的去除效果較差，但對TN和COD的去除率仍分別可達(dá)60%和85%[5]。

此外，還有研究者采用外加有機(jī)碳源改變低碳源進(jìn)水C/N，研究其對缺氧/厭氧/好氧工藝脫氮除磷效果的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在污泥回流比為120%條件下，C/N=7，C/P=75時(shí)，缺氧/厭氧/好氧工藝對TN，NH+4-N和TP的去除率最佳，分別可達(dá)67%，98%和95%以上;當(dāng)進(jìn)水C/N=4時(shí)，缺氧段基本無反硝化作用[6]。

Carrousel氧化溝工藝具有很高有機(jī)物去除能力，同時(shí)也具有部分脫氮除磷功能。有研究得到進(jìn)水C/N=5～13時(shí)，C/N不影響系統(tǒng)對NH3-N的去除效果;C/N＜11時(shí)，TN，TP的去除率隨C/N的升高而快速大幅提高;C/N＞11時(shí)，氧化溝TN去除率提高幅度不大，但 TP去除率接近100%;此外，TP去除率與TN去除率具有較高的相關(guān)性[7]。

SBR工藝交替進(jìn)行進(jìn)水、缺氧攪拌、厭氧攪拌、曝氣和沉淀潷水，高效、經(jīng)濟(jì)，適用于中小型污水處理廠。趙慶等采用厭氧/缺氧/好氧方式運(yùn)行SBR，研究不同C/P與C/N對系統(tǒng)脫氮除磷的影響，結(jié)果表明C/P＞23，C/N＞5時(shí)，磷、氮及碳的去除率均在90%以上，其中反硝化聚磷的比重高達(dá)60%～70%。進(jìn)一步提高C/P，C/N，對除磷的影響不顯著，但對反硝化速率的影響相對明顯[8]。Kuba等在研究厭氧/缺氧SBR工藝的運(yùn)行特征時(shí)發(fā)現(xiàn)C/N值為3.4時(shí)，磷的去除率幾乎達(dá)到100%[9]。

由此可見，為達(dá)到較好的生物脫氮除磷效果，A2O工藝及其改良工藝相比Carrousel，SBR工藝需要更高的有機(jī)碳濃度，其中C/N≥6，C/N≥32。而后兩種工藝，可能因?yàn)橄到y(tǒng)更利于反硝化聚磷作用，而該機(jī)理已被證實(shí)具有節(jié)約碳源的特點(diǎn)。

3.2 溶解氧

溶解氧影響著生物脫氮除磷系統(tǒng)中微生物優(yōu)勢菌種及其活性，從而影響了系統(tǒng)的脫氮除磷效果。有效調(diào)控溶解氧濃度和供養(yǎng)模式還可以達(dá)到節(jié)約碳源、節(jié)能降耗的效果。

對于A2O工藝，好氧池中DO濃度對氨氮的去除起著關(guān)鍵作用，而過低、過高的DO濃度對總氮的去除都不利。有研究得出當(dāng)DO＜3.0 mg/L時(shí)，氨氮去除率隨DO增大而升高，DO=1.5 mg/L～2.5 mg/L時(shí)，總氮去除效果最佳[10]。好氧池DO過高會(huì)增加內(nèi)回流至缺氧區(qū)的DO濃度，抑制反硝化作用，從而降低總氮去除率。王曉蓮和王佳偉等[3，11]的研究一致表明好氧池過度曝氣還會(huì)降低生物除磷能力，其原因?yàn)檫^量曝氣消耗了聚磷菌內(nèi)部儲(chǔ)存的PHB，導(dǎo)致放磷率和吸磷率的不平衡，致使磷的去除率下降。但也有研究者發(fā)現(xiàn)總磷去除效果幾乎不受好氧池DO的影響，但對厭氧池和缺氧池的釋磷、吸磷過程影響較大，其解釋為回流污泥中過量硝酸鹽氮會(huì)抑制聚磷菌利用碳源合成PHB，進(jìn)而影響磷的釋放[10]。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)通過在好氧段末端設(shè)置20 min～30 min的非曝氣區(qū)，使得DO降低至 2 mg/L～3 mg/L，當(dāng)內(nèi)回流比為400%時(shí)可節(jié)約碳源 28 mg/L～41 mg/L。

還有研究者對SBR生物脫氮除磷工藝供氧模式進(jìn)行了研究。有研究發(fā)現(xiàn)采用厭氧/缺氧/好氧模式，通過逐步增加缺氧段運(yùn)行時(shí)間可以提高污泥的反硝化除磷性能。對于含碳量低，碳、氮、磷濃度比例失調(diào)的城市污水，厭氧運(yùn)行 30 min、缺氧運(yùn)行3 h、好氧運(yùn)行1 h可保證對磷的穩(wěn)定高效去除，出水TP＜1 mg/L[13]。

以上研究表明間歇曝氣和低氧運(yùn)行可以有效實(shí)現(xiàn)生物脫氮除磷效果，它不但能節(jié)約碳源，還能降低能耗，對低碳、高氮磷特點(diǎn)的城市污水處理具有良好的應(yīng)用前景，但我國這方面的研究目前主要是針對Carrousel，SBR工藝。

4 結(jié)語

隨著我國對城市污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，對城市污水脫氮除磷的要求更加嚴(yán)格。有機(jī)碳源、溶解氧是影響城市污水脫氮除磷效果的關(guān)鍵因素，目前，最為常用的城市污水脫氮處理工藝中A2O工藝及其改良工藝相比Carrousel，SBR工藝需要更高的有機(jī)碳濃度，其中C/N≥6，C/N≥32，過高、過低的溶解氧濃度都會(huì)降低A2O工藝脫氮除磷效果，其中氧化溝溶解氧濃度一般控制在 2 mg/L～3 mg/L較為理想。對于 Carrousel，SBR工藝已有間歇曝氣、低氧脫氮除磷方面的研究，并獲得了良好的脫氮除磷效果。

反硝化除磷、間歇曝氣、低氧脫氮除磷技術(shù)具有節(jié)約碳源、節(jié)能降耗的優(yōu)點(diǎn)，這些技術(shù)在現(xiàn)有常用工藝上的研究及應(yīng)用將有助于解決我國南方城市低碳、高氮磷的城市污水生物脫氮除磷難題。

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