反硝化除磷技術(shù)分析及展望

邴 帥，趙 萌

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

氮(N)、磷(P)是動(dòng)植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，但在水中含量過(guò)多會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化[1，2]。化肥、農(nóng)藥和含磷洗滌劑的大量使用導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重[3～5]，而控制富營(yíng)養(yǎng)化程度的關(guān)鍵在于控制水體中磷的含量[6]，因此，廢水的除磷技術(shù)十分重要，其中高效生物除磷技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

1 反硝化除磷機(jī)理

2 反硝化除磷工藝

2.1 單污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝

單污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝BCFS工藝[12～15]由荷蘭Delft大學(xué)的Mark教授開發(fā)，工藝流程如圖1所示。

圖1 BCFS工藝流程

與UCT(University of cape town process)工藝相比，BCFS工藝增加了兩個(gè)反應(yīng)池：一個(gè)設(shè)置在UCT工藝的厭氧池和缺氧池之間。在此反應(yīng)池中，回流污泥與混合液充分混合，吸附污水中殘留的COD，抑制絲狀菌生長(zhǎng)，防止污泥膨脹；另一個(gè)增設(shè)在UCT工藝的缺氧池與好氧池之間，以形成低氧環(huán)境，獲得同時(shí)硝化反硝化的效果，保證出水中的總氮濃度較低。且為使回流污泥向缺氧池中補(bǔ)充硝酸鹽氮，工藝流程中特意增加了兩個(gè)混合液的內(nèi)循環(huán)，這樣更增加了同時(shí)硝化反硝化的機(jī)會(huì)，以達(dá)到良好的出水效果。

2.2 雙污泥系統(tǒng)反硝化除磷工藝

2.2.1 A2N雙污泥系統(tǒng)工藝[12～14]

A2N工藝流程如圖2所示。

圖2 A2N工藝流程

污水首先進(jìn)入?yún)捬醭蒯屃祝缓筮M(jìn)入沉淀池進(jìn)行泥水分離，含氨較多的上清液進(jìn)入固定生物膜反應(yīng)池進(jìn)行硝化反應(yīng)，沉淀下來(lái)的污泥跨越固定生物膜反應(yīng)池進(jìn)入缺氧池完成反硝化除磷。

2.2.2 DEPHANOX工藝[12，13，15]

DEPHANOX工藝是在A2N工藝的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，其工藝流程如圖3所示。

圖3 DEPHANOX工藝流程

與A2N工藝相比，DEPHANOX工藝在缺氧池后面添加了一個(gè)好氧池。該工藝能耗低，不會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥，但受硝酸鹽濃度的影響較大。當(dāng)缺氧池中的硝酸鹽不足時(shí)，磷的過(guò)量攝取會(huì)受到限制；當(dāng)硝酸鹽充足時(shí)，其又會(huì)隨回流污泥進(jìn)入?yún)捬醭兀蓴_磷的釋放和PHB的合成。

3 反硝化除磷工藝的影響因素

3.1 亞硝酸鹽濃度

亞硝酸鹽濃度的增加對(duì)反硝化吸磷產(chǎn)生抑制作用。裴寧等[16]以SBR反應(yīng)器為靜態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也得到了相同的結(jié)果。亞硝酸鹽對(duì)反硝化的抑制作用可能有兩個(gè)原因：亞硝酸還原酶的活性下降了；亞硝酸鹽抑制了磷的吸收或反硝化聚磷菌DPB的增長(zhǎng)，使得消耗的ATP減少，最終導(dǎo)致反硝化速率的降低。

3.2 硝酸鹽濃度

硝酸鹽濃度不同，除磷效果也不同。在不同的硝酸鹽濃度下，初始都存在釋磷現(xiàn)象，但隨著硝酸鹽初始濃度的增大，釋磷率快速降低。硝酸鹽初始濃度較高時(shí)，存在著釋磷與吸磷的過(guò)渡區(qū)，凈磷吸收量隨著硝酸鹽初始濃度的增大而增加。

王輝等[17]研究了進(jìn)水的硝酸鹽濃度對(duì)反硝化除磷過(guò)程的影響。結(jié)果表明，進(jìn)水COD濃度為220 mg·L-1、正磷濃度為6.8 mg·L-1、硝酸鹽初始濃度為26 mg·L-1時(shí)，系統(tǒng)的脫氮除磷效果最佳，除磷過(guò)程中亞硝酸鹽作為中間產(chǎn)物，其濃度累積到10.71 mg·L-1。采用連續(xù)投加硝酸鹽的方式更利于氮磷的高效去除。

3.3 pH值

pH值對(duì)除磷效率有一定影響。Liu等[18]研究表明，當(dāng)pH值在6.4～7.2時(shí)除磷效率最高。

DPB在厭氧段的釋磷量和pH值有一定關(guān)系。Kuba等[19]在不同pH值下對(duì)DPB在厭氧段的釋磷量和醋酸消耗量進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然pH值對(duì)醋酸的消耗量沒有影響，但隨著pH值的增大，P/C比值相應(yīng)增大。

3.4 溶解氧

在反硝化除磷工藝中，控制釋磷的厭氧條件極為重要。只有保證絕對(duì)厭氧，聚磷菌才能將溶解性COD轉(zhuǎn)化為PHB儲(chǔ)存在體內(nèi)從而充分釋磷[20]。厭氧段的溶解氧含量通常用氧化還原電位(ORP)來(lái)度量。王亞宜等[21]研究表明，當(dāng)ORP值為負(fù)值時(shí)，其絕對(duì)值越高，釋磷能力就越強(qiáng)，ORP值控制在-200～-300 mV之間最佳。

3.5 碳源類型和濃度

只要保證供給厭氧段充足的可降解COD，碳源濃度對(duì)有機(jī)物和總磷的去除影響不大。林金鑾等[22]研究了碳源濃度對(duì)同步硝化反硝化協(xié)同除磷的影響，結(jié)果表明，C/N值為6.7時(shí)，總氮去除率最高，達(dá)到98.4%；COD∶TN∶TP約為200∶30∶7時(shí)，系統(tǒng)同步脫氮除磷運(yùn)行效果最好。

鄧靖等[23]就A2N反硝化脫氮除磷工藝中不同碳源類型和碳源濃度對(duì)厭氧釋磷的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，碳源類型對(duì)厭氧釋磷作用有重要的影響，其中投加醋酸鈉的效果最好。隨著碳源濃度的不斷增大，厭氧階段釋磷量和磷的釋放速率都有所增加。

3.6 水力停留時(shí)間

水力停留時(shí)間對(duì)反硝化除磷工藝的除磷效果影響較大，同時(shí)還會(huì)影響去除單位氮和磷所需要的COD量，從而影響到污水廠的占地面積和基建費(fèi)用。王春英等[24]研究表明，對(duì)反硝化除磷工藝，好氧段的水力停留時(shí)間滿足充分硝化即可；厭氧段DPB吸附轉(zhuǎn)化COD的同時(shí)充分釋放磷為下一步做準(zhǔn)備；缺氧段則需要有充足的吸磷時(shí)間，保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，但不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致磷的二次釋放。

4 反硝化除磷技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的比較

現(xiàn)有的除磷方法主要有物理法、化學(xué)法和生物法，其中生物法又分傳統(tǒng)生物除磷和反硝化生物除磷。物理法成本高、技術(shù)復(fù)雜，已經(jīng)很少采用；化學(xué)法會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，加大后續(xù)處理的經(jīng)濟(jì)投入，其應(yīng)用也逐漸減少。目前處理生活污水大部分采用生物法[25]，生物法得到了社會(huì)的廣泛重視，雖然單獨(dú)利用生物法除磷可能達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的出水標(biāo)準(zhǔn)，但再輔以化學(xué)除磷則很容易達(dá)到出水水質(zhì)指標(biāo)。

反硝化除磷和傳統(tǒng)的生物除磷技術(shù)有著本質(zhì)上的區(qū)別：傳統(tǒng)生物除磷是利用聚磷菌等微生物，從環(huán)境中過(guò)量地?cái)z取磷，將磷以聚合態(tài)形式貯藏在菌體內(nèi)，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，從而達(dá)到除磷效果[26]。傳統(tǒng)生物除磷中存在著脫氮和除磷的矛盾，硝酸鹽含量是其除磷的限制性因素，聚磷菌和反硝化菌等共存于同一環(huán)境，對(duì)污水中的基質(zhì)存在著嚴(yán)重的競(jìng)爭(zhēng)，無(wú)法保證每種微生物都獲得各自最佳的生長(zhǎng)環(huán)境。而反硝化除磷工藝中，DPB作為優(yōu)勢(shì)菌群，減少了其和反硝化菌之間對(duì)有機(jī)物的競(jìng)爭(zhēng)，可對(duì)污水中更多的有機(jī)物進(jìn)行反硝化和脫磷，由于反硝化菌和DPB可在各自最佳環(huán)境中生長(zhǎng)、可共用碳源，達(dá)到一碳兩用的效果，因此硝化反應(yīng)不再是限制性因素，曝氣區(qū)的容積得以縮小，從而減少了曝氣能耗，產(chǎn)生的污泥量大大減少，因此也節(jié)省了后續(xù)污泥的處理費(fèi)用。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，反硝化除磷技術(shù)優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

5 展望

反硝化除磷作為一種新的可持續(xù)發(fā)展的生物處理工藝，發(fā)展前景廣闊，其節(jié)約能源與碳源、可實(shí)現(xiàn)污泥減量的特點(diǎn)引起了研究者廣泛的興趣。但目前生物除磷機(jī)理尚不十分清楚，除磷工藝流程有待進(jìn)一步優(yōu)化，工業(yè)廢水中磷的浪費(fèi)嚴(yán)重。未來(lái)研究大致集中在生物除磷原理的探討、生物與化學(xué)聯(lián)合除磷工藝的研究、在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的利用及工業(yè)廢水中磷的回收等，通過(guò)對(duì)反硝化除磷技術(shù)的深入研究，從而提高工藝脫氮除磷效果，促進(jìn)節(jié)能減排，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

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