反硝化除磷污水處理工藝影響因素分析

黃健平，閆閣，卞曉崢，程鵬

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450046；2.河南省水體污染與土壤損害修復工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046)

根據(jù)國家生態(tài)環(huán)境部公布的2019年生態(tài)環(huán)境狀況公報，我國湖泊面臨的富營養(yǎng)化形勢嚴峻。污水中大量的氮、磷和有害物質(zhì)進入河流，加劇了河流、湖泊的富營養(yǎng)化[1]。進行污水處理廠的提標改造，特別是提高出水氮、磷的排放標準，是預防和控制水體富營養(yǎng)化發(fā)生的有效措施之一。傳統(tǒng)脫氮除磷技術(shù)存在碳源和污泥齡的矛盾及碳源競爭等問題，難以滿足日趨嚴格的污水中氮、磷的排放標準，反硝化除磷工藝的出現(xiàn)，使得生活污水深度脫氮除磷成為可能。該技術(shù)以反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphate Accumulating Organisms，DPAOs)為主導菌群，通過厭氧/缺氧環(huán)境交替運行，利用硝酸鹽為電子受體，以微生物胞內(nèi)貯存的聚-β-羥基丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate，PHB)為電子供體，完成同步脫氮除磷的反應過程。與傳統(tǒng)工藝相比，反硝化脫氮除磷工藝可減少30%～50%的碳源使用量，節(jié)省30%的曝氣量，降低50%剩余污泥量的產(chǎn)生[2]。

根據(jù)DPAOs與硝化細菌是否為同一污泥處理系統(tǒng)，反硝化除磷(Denitrifying Phosphorus Removal，DPR)工藝可分為單污泥工藝和雙污泥工藝。單污泥工藝如UCT(University of Cape Town)工藝和BCFS(Biologische-Chemische-Fosfaat-Stikstoverwijdering)工藝，由于沒有從根本上解決不同菌群間碳源和污泥齡的矛盾，從而在一定程度上限制了該工藝的深度脫氮除磷。雙污泥工藝如A2N(Anaerobic-Anoxic-Nitrification two-sludge system)工藝和Dephanox工藝，聚磷菌和硝化細菌分開培養(yǎng)，解決了兩種菌群之間污泥齡長短不一的矛盾，避免了聚磷菌與反硝化細菌對碳源的競爭，使得生物系統(tǒng)的各類菌群在最優(yōu)的環(huán)境下生長，在強化微生物的功能特性的同時，提高了脫氮除磷效率。目前，針對DPR工藝存在的工藝穩(wěn)定性較差、單污泥工藝脫氮除磷效率難以提高、雙污泥工藝氨氮出水較高、工藝流程長等問題，許多學者進行了相應的工藝改進和優(yōu)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]工藝和短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化耦合反硝化除磷工藝等在內(nèi)的新型DPR工藝。這些DPR工藝中，碳源、污泥齡、電子受體、回流比等參數(shù)是影響整個工藝脫氮除磷效率的關(guān)鍵，而且不同工藝的最優(yōu)工藝參數(shù)值不盡相同甚至差異較大。文中綜述了近年來不同污水處理工藝中關(guān)于碳源、不同電子受體、污泥超越比、回流比及污泥齡等重要參數(shù)對反硝化除磷工藝脫氮除磷的影響，總結(jié)了不同工藝中DPAOs的菌群特性及差異，為解決DPR工藝的固有缺陷，從而確定工藝能夠穩(wěn)定運行的最優(yōu)參數(shù)提供參考依據(jù)，同時也為DPR工藝實現(xiàn)工程應用總結(jié)經(jīng)驗。

1 影響反硝化除磷的關(guān)鍵因素

DPR工藝關(guān)系到多個反應機理，任何一個條件的改變都能影響工藝的整體運行效果。因此，必須綜合考慮影響反硝化除磷的各個工藝參數(shù)，以保證DPR工藝的穩(wěn)定運行并實現(xiàn)對污水的高效脫氮除磷。

1.1 碳源

在反硝化除磷工藝中，碳源類型對廢水中有機基質(zhì)的釋磷效果有很大影響。目前實驗室DPR工藝研究常用的碳源類型有葡糖糖、乙酸鹽、丙酸鹽等。ADOONSOOK D等[7]在研究不同碳源類型對A/O-MBR工藝微生物群落影響時發(fā)現(xiàn)，以乙酸鹽做碳源時,該工藝的生物營養(yǎng)物去除(Biological Nutrient Removal，BNR)效率最高且過程較穩(wěn)定，顯著優(yōu)于以葡萄糖為碳源的工藝。潘婷等[8]研究了不同乙酸鹽、丙酸鹽配比對AAO-SBR工藝脫氮除磷影響時發(fā)現(xiàn)，當碳源僅為乙酸鈉時，獲得31.22 mg/L的最大釋磷質(zhì)量濃度，微生物多樣性分析也表明，單一的碳源類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]研究將厭氧/好氧SBR轉(zhuǎn)換成厭氧/缺氧SBR時，用乙酸鹽作碳源的生物除磷活性降低，而以丙酸鹽為碳源進行馴化時，DPR工藝能維持良好的反硝化除磷活性。由于DPAOs可利用的唯一碳源是VFA，而乙酸和丙酸作為最常見的VFA，在厭氧階段的利用速率不同。丙酸作為碳源時的除磷效果相較于乙酸的更為穩(wěn)定，而乙酸的利用速率更快，除磷效率更高。因此，應在DPAOs不同的培養(yǎng)方式下，根據(jù)污泥脫氮除磷特性選擇合適的碳源。

此外，進水碳源質(zhì)量濃度會影響到DPAOs在厭氧階段磷的釋放量。在單污泥工藝中，孫鵬展等[10]將COD質(zhì)量濃度控制在143～228 mg/L范圍內(nèi)，經(jīng)過19 d成功啟動氣提式UCT工藝，COD平均去除率達到86.17%。李微等[11]在考察碳源質(zhì)量濃度和種類對短程反硝化除磷序批式反應器(Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process，SBR)的影響時發(fā)現(xiàn),在進水COD的質(zhì)量濃度為200 mg/L時，磷的去除率為93.22%，缺氧吸磷速率最高。甄建園等[12]認為，當進水中COD的質(zhì)量濃度為300 mg/L、碳磷比由60降到30時，SBR脫氮除磷效率明顯提高。在連續(xù)式雙污泥工藝中，王亞宜等[13]在Dephanox反硝化脫氮除磷工藝中發(fā)現(xiàn)，隨著進水COD質(zhì)量濃度由100 mg/L增加至300 mg/L，磷的釋放量和缺氧吸磷速率也越來越高，但當碳源COD質(zhì)量濃度超過300 mg/L時，反而會抑制缺氧磷的吸收。綜上所述，反硝化除磷工藝更適用于處理低碳氮比的生活污水。因為，在較低的碳磷比(10～20)下有利于污水除磷，因此，進水碳源質(zhì)量濃度在300 mg/L以下為宜，工程應用中還需要根據(jù)工藝類型選擇合適的碳源投加量以保證反應器的穩(wěn)定運行。

1.2 污泥齡

污泥齡(Sludge Retention Time，SRT)直接關(guān)系著污泥活性和微生物菌群特性，是DPR工藝中一個關(guān)鍵的控制因素。SRT過長時會使污泥活性變差導致污泥老化，細胞內(nèi)儲存的PHA減少，影響反應器釋磷和吸磷速率[14]。SRT較短時，污泥活性較好但沉降性能變差，會使DPAOs隨剩余污泥被逐步排出，導致除磷效率降低。韋佳敏等[15]的試驗結(jié)果表明，當SRT為25 d時，反硝化除磷污水處理工藝的污泥活性最好，污泥含磷率高達5.33%，出水磷酸根質(zhì)量濃度小于0.5 mg/L，磷去除率達到95%以上；而當SRT分別為35 d和15 d時，污泥中DPAOs的含量均有所減少，導致磷的處理效果變差。王曉霞等[16]通過試驗發(fā)現(xiàn)，在同步硝化內(nèi)源反硝化除磷工藝中，當SRT小于10 d時，相對于傳統(tǒng)反硝化菌，DPAOs的生長不占優(yōu)勢，導致系統(tǒng)的脫氮除磷性能下降。趙偉華等[17]發(fā)現(xiàn)，將SRT控制在12 d時，更有利于富集到聚磷菌。同時FISH試驗估算得A2O-BCO工藝中聚磷菌所占比例為22%，這也從微生物學角度證明了A2O-BCO工藝采用雙污泥系統(tǒng)能夠更好地創(chuàng)造聚磷菌生長的最佳條件，且改良A2O-BCO工藝相較于A2O工藝的氮、磷處理效率均有所提高。幾種不同反硝化除磷污水處理工藝的最佳污泥齡見表1。

表1 不同反硝化除磷污水處理工藝的最佳污泥齡

從表1中可以看出，在反硝化除磷污水處理工藝中，前4個單污泥工藝比后3個雙污泥工藝的SRT要長。這是因為單污泥工藝要保證硝化反應的完全進行，因此，需要優(yōu)先考慮硝化菌的SRT，硝化菌的SRT比DPAOs的SRT長。雙污泥工藝將硝化細菌和聚磷菌分開培養(yǎng)，可以讓其在各自最佳的污泥齡下生長，解決了它們SRT長短不一的矛盾。選擇的DPR工藝不同，對SRT的要求也不同，應根據(jù)不同工藝選擇合適的污泥齡，以滿足活性污泥微生物的生長需求，獲得較優(yōu)的污染物去除效果。

1.3 電子受體

1.3.1 硝酸鹽

1.3.2 亞硝酸鹽

1.4 污泥回流比和超越比

在雙污泥工藝中，控制好污泥回流比和超越比對DPR工藝中厭氧池和缺氧池的污泥平衡至關(guān)重要。當回流污泥量過大時，缺氧池內(nèi)未反應完的硝態(tài)氮會隨著回流污泥進入?yún)捬醭?，使反硝化菌在微生物菌群中逐漸成為優(yōu)勢菌，影響聚磷菌的釋磷效果。污泥回流比對污水中的COD和磷的去除影響較小，但對氨氮、硝態(tài)氮、總氮去除的影響較大。楊慶娟等[30]研究發(fā)現(xiàn)，污泥回流比與出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度間存在良好的線性關(guān)系，出水硝態(tài)氮質(zhì)量濃度隨著回流比的增加而降低，但氨氮的去除率隨之降低，認為當污泥超越比和回流比都是0.4時，反硝化除磷污水處理工藝的反硝化除磷效率最高。呂貞等[31]在考察改良A2/O工藝時得出，將污泥回流比控制在50%時對污水中的總氮的去除效果較好，能耗最低。

同樣，污泥超越比是維持DPR工藝穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素。張立成等[32]研究了當污泥超越比分別為0.21、0.60和0.90時對雙污泥工藝的影響，結(jié)果表明，污泥超越比對污水中COD的去除影響較小，對污水中氨氮、磷酸根的去除影響較大，且污泥超越比為0.60時，DPR工藝脫氮除磷效果最好。超越污泥量過大，中沉池上清液中的氨氮流入缺氧池，將使出水中的氨氮不達標；超越污泥量過小，會影響DPR工藝缺氧段反硝化聚磷菌的生物量，導致反硝化除磷能力不足，進一步影響出水水質(zhì)和厭氧釋磷。綜上所述，在實際工程應用中，應當根據(jù)具體工藝特點和實際運行情況來調(diào)節(jié)合適的污泥回流比和超越比。

1.5 反硝化除磷污水處理工藝的處理效果

使用的DPR工藝不同，影響該工藝取得良好的運行效果的因素也不同。ZHANG Miao等[33]在考察回流比對厭氧/缺氧/好氧工藝耦合移動床生物膜反應器(A2O-MBBR)的污水處理效果時，得到該工藝穩(wěn)定運行時對污水中COD的去除率為56.09%～85.98%，TN的去除率為52.06%～80.50%，缺氧池DPAOs的貢獻率為70%，表明該工藝反硝化脫氮除磷效果較好。趙偉華等[34]在采用前置A2NSBR工藝考察該工藝反硝化除磷特性時，通過批次試驗得到缺氧段DPAOs占總PAOs的比例約為73.4%，DPAOs富集程度較高。ZHANG Chuanyi等[35]采用厭氧/缺氧/硝化/后曝氣序批式反應器耦合膜生物反應器(A2NO-MBR)處理生活污水，COD的去除率為86.4%～90.0%，總磷去除率為97.6%～99.3%，總氮去除率為61.8%～76%，出水滿足GB 18918—2002中一級A標準，缺氧吸磷速率為0.54～1.30 mg P/(g MLSS h)，反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例為75.9%～99.7%。DU Shiming等[36]在研究單污泥SBR反硝化除磷與同步硝化反硝化的可行性試驗中，經(jīng)過反應器160 d的運行，出水中氨氮、磷酸根、總氮的質(zhì)量濃度大幅降低，分別降低至1.0、0.1、7.2 mg/L，運行效果較好。幾種不同污水處理工藝的效果見表2。

由表2可知，上述反硝化除磷污水處理工藝的出水大部分具有較好的處理效果，DPR工藝穩(wěn)定可行。但是不同工藝的處理效果存在差異?？傮w來說，每種處理工藝都有其特點，單污泥工藝處理污水的效果穩(wěn)定，工藝簡單，雙污泥工藝解決了菌群污泥齡長短不一的矛盾和碳源的競爭，處理效率略高于單污泥工藝的，但雙污泥工藝存在著處理流程復雜，出水氨氮質(zhì)量濃度較高等問題。在實際應用中，應根據(jù)污水特點和實際情況選擇合適的處理方法。

表2 幾種不同污水處理工藝的處理效果

1.6 其他環(huán)境參數(shù)

pH值、DO質(zhì)量濃度、溫度等指標也會對反硝化除磷污水處理工藝產(chǎn)生影響。OEHMEN A等[44]在研究pH值對聚磷菌和聚糖菌競爭的影響時發(fā)現(xiàn)，當pH值從7增加到8時，更有利于反硝化除磷污水處理工藝中磷的去除，且高pH值的PAOs比GAOs對污水反硝化除磷方面更具有優(yōu)勢。但是，pH值過高會使反硝化除磷系統(tǒng)中產(chǎn)生磷酸鹽沉淀，導致碳磷比升高。嚴格控制厭氧段和缺氧段DO的質(zhì)量濃度對維持反硝化除磷污水處理工藝的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。YUAN L M等[45]考察DO的質(zhì)量濃度對反硝化除磷的影響特性時發(fā)現(xiàn)，DO的質(zhì)量濃度對COD的去除影響不大，對氮、磷的去除影響較大，好氧池DO的質(zhì)量濃度為0.8～1.2 mg/L時，TN和TP的平均去除率分別為74.8%和71.4%，該污水處理工藝能獲得較好的脫氮除磷效果。因此，硝化池應保持足夠的DO質(zhì)量濃度，以維持硝化菌的正常生長，保證對污水的硝化效果。

2 反硝化聚磷菌菌群特性

DPAOs的存在和生長是反硝化除磷污水處理工藝的關(guān)鍵技術(shù)難點。目前缺乏對DPAOs的菌群結(jié)構(gòu)、種類和代謝途徑的研究，熒光原位雜交、高通量測序、系統(tǒng)發(fā)育樹等分子生物學手段為進一步研究細菌群落和代謝關(guān)系提供了途徑。隨著DPAOs微生物群落研究的不斷細化，具有除磷特性的微生物將不斷被鑒定和發(fā)現(xiàn)，這對于生物除磷意義重大。

3 結(jié)語

隨著氮、磷排放標準的日益提高，反硝化除磷污水處理工藝得到了越來越多學者的關(guān)注。該工藝具有一碳兩用、節(jié)約曝氣量、減少污泥產(chǎn)量等優(yōu)勢，特別適合處理低碳氮比的城市生活污水，具有廣闊的應用前景。

碳源、污泥齡、電子受體、污泥超越比和回流比、運行工藝、pH值、DO質(zhì)量濃度、污泥質(zhì)量濃度等參數(shù)的改變都會對反硝化除磷污水處理工藝產(chǎn)生影響，且該影響往往是相互的，綜合考慮控制參數(shù)的適用范圍，對反硝化除磷污水處理工藝的穩(wěn)定及高效運行極為重要。亞硝酸鹽的質(zhì)量濃度過高會阻礙磷的吸收效果，但對DPAOs除磷產(chǎn)生抑制作用的質(zhì)量濃度范圍一直存在爭議。

反硝化除磷污水處理工藝發(fā)展迅速，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的組合工藝，如與短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等耦合的新型反硝化除磷污水處理工藝。雙污泥工藝的污水處理流程復雜，且可供借鑒的運行參數(shù)少，實際工程化應用并不多，通過對反硝化聚磷菌脫氮除磷機理和菌群的深入研究，確定出使反硝化除磷污水處理工藝穩(wěn)定運行的參數(shù)，是未來雙污泥反硝化除磷污水處理工藝的研究難點。