與短程反硝化耦合的脫氮除磷工藝的研究進展

摘 要： 短程反硝化是將反硝化過程控制在硝酸鹽還原的第一步來積累NO2—N，可以有效的節約碳源和、減少溫室氣體的排放。并且積累的NO2--N可以與厭氧氨氧化、反硝化除磷等諸多工藝耦合。簡要介紹了短程反硝化工藝、反硝化除磷和厭氧氨氧化工藝的發展背景，討論短程反硝化耦合工藝，并對其未來發展進行展望。

關鍵詞： 生物脫氮;短程反硝化;厭氧氨氧化;反硝化除磷

由于現行的污水脫氮除磷工藝中存在各種矛盾，如：硝化菌與聚磷菌對溶解氧DO的競爭;反硝化菌與聚磷菌對碳源的競爭，使得生活污水同步脫氮除磷很難有效實現。另外，國內95%的污水廠出水中氮和磷的排放都難以達到城鎮污水國家一級A排放標準。這些矛盾和問題在處理碳、氮、磷比例失調的生活污水（尤其是我國南方地區）時變得尤為突出，碳源不足已成為污水脫氮除磷工藝的“瓶頸”。

反硝化除磷技術[1]，通過利用內碳源PHA，以“一碳兩用”的方式同時實現反硝化脫氮和除磷，很好地解決了傳統工藝中因碳源不足引起的氮磷去除不穩定的問題，且與傳統的脫氮除磷工藝相比，不僅能節省50%的碳源，30%的曝氣量，亦能減少50%的污泥產量。

短程反硝化技術和厭氧氨氧化技術都是如今較為前沿的工藝。短程反硝化將反硝化反應控制在生成亞硝態氮階段，生成的亞硝態氮可作為厭氧氨氧化反應的底物[2]。厭氧氨氧化是指厭氧氨氧化菌在缺氧或厭氧條件下，以二氧化碳或碳酸為碳源，以氨氮和亞硝酸鹽為基質，最終還原成氮氣排入到大氣的一種新型生物脫氮技術。與其他傳統工藝相比，具有無需添加有機碳源，運行成本低，脫氮效能高等優點[3]。

1.與短程反硝化反應耦合的相關工藝

1.1通過內源部分反硝化和反硝化除磷實現亞硝酸鹽的積累和磷的去除（endogenous partial denitrification and denitrifying phosphorus removal，EPDPR）

1.1.1工藝簡介及運行流程

Wang[4]等的工藝處理水質為低氨氮城市污水。本研究在厭氧/缺氧/好氧序批反應器中，將內源部分反硝化和反硝化除磷相結合，同時處理高濃度硝酸鹽廢水（NO3--N：186.5 mg/L）和城市污水（NH4+-N： 52.6 mg/L，化學需氧量（COD）： 242.7 mg/L），實現了亞硝酸鹽積累和磷的去除。138 d后，亞硝積累率（NTR）為75.3%，PO43-P的去除率達到92.3%。運行流程如圖1-1所示， EPDPR系統SBR反應器工作容積8L，SBR反應器在厭氧、缺氧和短時間好氧（DO：0.5～1.5mg/l）條件下運行。延長厭氧階段（150-180 min）可提高進水碳源的利用率和胞內碳源的形成。而缺氧階段（120-170 min）用于發生內源性部分反硝化和反硝化除磷反應。同樣，較短的曝氣階段（10-30分鐘）用于確保在亞硝酸鹽不氧化的情況下進一步清P。在每個運行周期（6h）中，有3L城市污水在厭氧階段前10min注入SBR反應器，在缺氧前10min添加2 L硝酸鹽合成污水。在好氧階段最后2分鐘的排出200 - 250ml混合液。

1.1.2處理效果及相關結論

在階段1 （1 - 22 d），平均進水COD濃度為238.2 mg/L，PO43-P出水很低，但是好氧硝化效果差，出水NH4+-N濃度從10.4 mg/L逐漸增加到15.7 mg/L。出水NO2--N和NO3--N濃度分別為0.6和8.5 mg/L。第2階段（23-45 d）（缺氧時間120min和厭氧排水比為3/8，）抑制了P的去除，出水PO43-P增加到1.3 mg/L。NTR從23日的54.7%上升到45日的85.6%。在第三階段（46-81 d），有氧持續時間延長至30min，出水PO43-P濃度下降至0.2 mg/L。出水NH4+-N， NO2--N和NO3--N濃度分別穩定在26.2、30.8和0.7 mg/L，而NTR約為65.7%，表示此階段的內源性部分反硝化穩定。在第4階段（82-104 d），用185.6 mg/L硝酸鹽溶液代替缺氧進水以測定EPDPR性能。缺氧時間延長至170 min。出水PO43-P濃度始終低于0.5 mg/L，表明延長缺氧期有利于DPR完全去除磷。廢水NH4+-N和NO3--N濃度分別維持在27.1和0.9 mg/L，與第三階段相同，該階段平均NTR達到73.4%。第5階段（105-138 d） 缺氧時間縮短至150min，出水PO43-P濃度低于0.5 mg/L，出水NH4+-N和NO2--N濃度分別為26.2和26.5 mg/L。但NO3--N濃度因為缺氧時間縮短有所增加。

將高濃度硝酸鹽（186.5 mg/L）污水和低C/N（4.0）城市污水結合，實現了亞硝酸鹽的積累和磷的去除。138天后，通過適當控制厭氧排水比例和缺氧/好氧持續時間，可以獲得高NTR（75.3%）和PO43-P去除率（92.3%），平均出水NH4+-N， NO2--N、NO3--N， COD和PO43-P濃度分別為26.5，27.1，1.8，23.5和0.4 mg/L， NH4+-N / NO2--N比為1：1.02。這表明后續工藝仍有和厭氧氨氧化（anammox）工藝耦合的可能。

1.1.3工程運用及可行性分析

與硝化反應或外源部分反硝化作用相比，EPDPR方法不僅可以去除磷，還可以為厭氧氨氧化（anammox）提供亞硝酸鹽來源，同時內碳源相比于外碳源碳源利用率高，節約COD。但是因為DPAOs和DGAOs會競爭有限的碳源和硝酸鹽來源，DGAOs通過EPD產生的亞硝酸鹽將被利用DPAOs進行DPR，導致亞硝酸鹽產量低。此外，可能會出現磷去除率低的問題。

1.2通過內源部分反硝化耦合厭氧氨氧化實現低C/N污水深度脫氮工藝研究（endogenous partial denitrification and anammox，EPDA）

1.2.1工藝簡介及運行流程

Ji[5]等的工藝處理水質為低氨氮生活污水。本研究提出了一種內源部分反硝化耦合厭氧氨氧化實現低C/N污水深度脫氮的工藝。運行流程如圖1-2，廢水首先進入EPD反應器，其中生物可降解碳源以聚羥基烷酸酯（PHAs）的形式儲存。然后上層清液被送入硝化反應器進行硝化，出水回到EPD反應器，在那里利用PHAs還原硝酸鹽為亞硝酸鹽。最后，上清液中含有亞硝酸鹽和氨氮被送入厭氧氨氧化反應器進行高級脫氮。從理論上講，與傳統的硝化反硝化相比，只有55%的進水氨氮轉化為硝態氮，溶解氧和有機物的需要量分別降低了45%和79%。此外，通過內源反硝化，充分利用節約了碳源。

1.2.2處理效果及實驗結論

EPD-SBR反應器中，第1階段（0～51d）出水NTR達80%，出水NO2--N/NH4+-N小于1：1，為提高其比值，提高EPD-SBR和N-SBR體積交換率從50%增加到60%。第2階段（52～115d），出水NO2--N/NH4+-N高于1：1，發生污泥膨脹，NTR降至60%。第3階段（116～220d）為了避免污泥膨脹，缺氧后沉降時間從30min下降到10min，到第133d，污泥膨脹問題解除，出水NO2--N/NH4+-N達到1.2。

Anammox反應器中，在運行前13天（137～149d），出水TN濃度降至6.5mgN/l，亞硝酸鹽接近于0，在穩定期間（149～220d），TN去除率保持在81.4%左右。

本研究探討污水處理中EPD-Anammox實現的可行性。亞硝酸鹽由EPD產生。具有內源反硝化的GAOS（36.6%）和Candidatus Brocadia （34.6%）分別在EPD-SBR和anammox-UASB占主導地位。最后，在低C/N（～2.9）條件下，不增加碳源，大約90%的氮被去除。anammox脫氮量占總脫氮量的49.8%，節省約40%的氧氣需求。

1.2.3工藝運行及可行性研究

與傳統脫氮工藝相比，EPDA不外加碳源，大約90%的氮被去除。anammox脫氮量占總脫氮量的49.8%，節省約40%的氧氣需求，且利用內碳源COD利用率更高。但這個反應器的主要挑戰是在亞硝酸鹽產生的同時，交替厭氧/缺氧條件下實現廢水中適宜的亞硝酸鹽與氨氮的比例，否則不利于后續厭氧氨氧化反應的進行，這一點較難控制。

2.結論

通過上述兩種工藝介紹，我們可以認識到短程反硝化反應已經與諸如厭氧氨氧化和反硝化除磷等工藝進行了很好的耦合，可以節約大量的COD并減少曝氣量，節約能耗，屬于低碳減排、綠色、可持續的發展工藝。同時兩種工藝同樣面臨著一些問題，如EPDPR工藝中可能存在P去除率低，后續亞硝產量不足難以與厭氧氨氧化繼續耦合的問題;EPDA工藝中存在的亞硝酸鹽與氨氮濃度比例較難控制的問題。這些問題都需要進一步的研究和探討。

參考文獻：

[1]李微，高明杰，曾飛，劉靜，孫慧智，李大爭.溫度和碳源對短程反硝化除磷效果的影響[J].水處理技術，2020，46（08）：55-59.

[2]張星星，張鈺，王超超.短程反硝化耦合厭氧氨氧化工藝及其應用前景研究進展[J].化工進展，2020，39（05）：1981-1991.

[3]張金銘，王宇佳，胡雪松.強化厭氧氨氧化工藝的研究進展[J].遼寧化工，2021，50（06）：822-827.

[4]Wang， X.， et al.， Stable nitrite accumulation and phosphorous removal from nitrate and municipal wastewaters in a combined process of endogenous partial denitrification and denitrifying phosphorus removal （EPDPR）. Chemical Engineering Journal， 2019. 355：

[5] Ji J ， Peng Y ， Mai W ， et al. Achieving Advanced Nitrogen Removal from Low C/N Wastewater by Combining Endogenous Partial Denitrification with Anammox in Mainstream Treatment[J]. Bioresource Technology， 2018， 270：S0960852418312288-.

作者簡介：

朱晨杰（1997.08-），男，江蘇常州人，揚州大學市政工程專業 專業碩士研究生，研究方向污泥短程反硝化。