生物脱氮除磷

1、生物脱氮除磷工艺及研究随着水体富营养化问题的日渐突出，污水综合排放标准日趋严 格，污水处理技术逐渐从以单一去除有机物为目的的阶段进入既要去 除有机物又要脱氮除磷的深度处理阶段。生物脱氮除磷技术是经济、 高效的脱氮除磷技术，在污水处理领域已得到广泛的应用。1 反硝化除磷机理生物脱氮除磷主要是利用反硝化达到除磷的目的。 生物脱氮除磷 是在厌氧 / 缺氧环境的交替运行的条件下，易富集一类兼有反硝化作 用和除磷作用的兼性厌氧微生物， 该微生物能利用氧气或硝酸根作为 电子受体，通过他们的代谢作用同时完成过量吸磷和反硝化过程而达 到除磷脱氮的目的。 对于反硝化除磷现象研究者们提出了两种假说来 进行解释：（

2、1）两类菌属学说，即生物除磷系统中的聚磷菌（ PAO） 可分为两类菌属，其中一类PAO只能一氧气作为电子受体，而另一类 则既能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体， 因此他们在吸磷的同时能 进行反硝化；（2）一类菌属学说，即在生物除磷系统中只存在一类 PAQ他们在一定的程度上都具有反硝化能力，该能力能否表现出来 关键在于厌氧 / 缺氧这种交替运行的环境条件是否得到了强化。而 J.Y.Hu等通过试验发现厌氧/缺氧SBR系统中存在一类能以氧气、硝 态氮、和亚硝态氮作为电子受体的聚磷微生物，因此他将厌氧 /缺氧 型反硝化聚磷污泥系统的两类微生物的两类微生物菌属假说扩增到 三类微生物菌属； 第三类就是既能够

3、以氧气和硝酸盐氮， 也能以亚硝 酸盐氮作为电子受体的类聚磷微生物。通过总结可以确立的反硝化除磷机理： 反硝化除磷菌作为兼性厌 氧细菌可以通过厌氧 / 缺氧条件的驯化培养大量富集；在缺氧条件下 能产生分别或同时利用氧气， 亚硝酸盐、硝酸盐作为电子受体的 DPB。 并且通过胞内PHB和糖原质的生物代谢作用来过量吸收磷，其代谢作 用与传统PAO相似。DPB体内包含3类内聚物：PHB糖原和聚磷颗 粒。首先在厌氧条件下，DPBS过厌氧释放磷获取能量体内合成 PHB 在缺氧条件下DPB可利用3种物质作为电子受体完成磷的摄取，同时 完成反硝化过程，PHB消耗和聚磷颗粒的生长同时进行。糖原在这个 过程中维持细

4、胞内的氧化还原平衡； 在厌氧段糖原消耗用于有机物的 降解和磷的释放， 在缺氧段又重新生成， 从而调节细胞内物质和能量 平衡。2 反硝化脱氮除磷工艺从生物脱氮除磷的机理分析来看， 生物脱氮除磷工艺基本上包括 厌氧、缺氧、好氧三种状态。而脱氮除磷组合工艺也是前人在不断深 入研究脱氮工艺中意外发现的。从早期的SBF工艺到后来的Dephanox 工艺，反硝化除磷已经成为人们关注的热点。从工艺研究角度，反硝 化除磷工艺主要分为两大类： 一类是单污泥系统， 代表工艺是单污泥 SBF及改进工艺、好氧颗粒污泥工艺和 UCT改进工艺（BCFS）;另一类 是双污泥系统，代表工艺是 A2N和Dephanox工艺。2

5、.1 单污泥 SBR 及其改进工艺人们发现反硝化除磷这一过程最早采用的工艺就是SBR工艺；后来为了满足反硝化除磷的富集条件大量改进的SBR工艺出现了，通过调整SBR的运行方式使DPB的培养简单易操作，同时以SBR为基础的 AOA(厌氧/好氧/缺氧)、AIA、SAARI艺为反硝化除磷的工艺发展奠 定了基础。Satoshi Tsuneda 与Koichi Soejima 等人通过AOA运行方式的SBF反应器长时间的分析研究，培养出利用亚硝酸盐作为电子受体的 反硝化除磷菌，并且反应器的氮和磷的去除率分别达到80%和 90%以上。AOA运行的SBR对于磷的去除效果要优于 A2O (厌氧/缺氧/ 好氧)

6、和 AO 工艺。类似的运行方式 AIA (Anaerobic-intermittently aero-bic )方式，即前段设置厌氧区通过连续流厌氧过程后再进行交 替缺氧和好氧过程，同时完成硝化、反硝化和除磷过程，在反应器中 富集的DPB占总PAO的比例达到60%以上，同时发现在缺氧状态下 除磷效果要低于好氧状态下的除磷效果。为了更好的发挥SBR的运行优势，富集大量的 DPB有人引入 生物膜概念以 SBR 运行方式进行操作和运行，获得更好的脱氮除磷 效果，此改进工艺称为 SBBR( Sequencing batch biofilm reactor ) 工艺 Akihiko Terada 等人利

7、用 SBBR 工艺，利用中空纤维膜富集反 硝化除磷菌，使 DPB 在悬浮污泥中大量富集。在反应器内运行方式 是先厌氧反应再好氧反应作为一个反应周期， 通过长时间运行， TOC、 TN和TP的去除率分别达到 99%、96%和90%另外一种SBBF工艺是 类似生物接触氧化的生物膜工艺，由于生物膜存在厌氧 缺氧和好氧 层，本身具有内部反硝化除磷菌生长的条件， 因而更能有利于DPB的 生长和固定Lee J等人利用缺氧+BAF工艺培养反硝化除磷菌，完成 了温度小于15 C的低浓度废水的脱氮除磷研究 生物膜工艺的研究 为固化反硝化除磷菌提供了一种途径，从而更易于应用于工程实践。2.2 好氧颗粒污泥工艺随着

8、人们对生物反应器的研究又有一种反应器可培养出好氧颗粒污 泥，利用好氧颗粒污泥的特性生长大量的反硝化除磷菌， 此工艺可称 之为 AGS（ Aerobic granular sludge）好氧颗粒污泥工艺，也属于单污泥处理系统 国内研究较多的豆俊峰和罗固源等人发明的 SUFR 螺旋升流式反应器属于此种工艺， 采用 AAO 运行方式是厌氧 / 缺氧 /好氧（AAOG）方式，通过在缺氧条件下培养驯化出反硝化除磷菌（DPB颗粒污泥，发现反硝化聚磷菌约占全部聚磷菌总量的 72.4% , 约有 37% 39%的脱氮作用是由反硝化除磷菌完成的。在国外， Kishida N 等人利用颗粒污泥采用的运行方式是厌氧

9、/氧化（好氧）/缺氧（即AOAGS工艺过程发现在好氧过程中， 颗粒污泥中有缺氧过程发生， 从而存在反硝化除磷菌的作用机理， 对 脱氮除磷效果较好；同时在好氧段后端加设的缺氧过程更加促进了DPB的富集生长，从而使末端出水的氮磷值极低 通过采用FISH分 析发现好氧过程颗粒污泥的内部存在反硝化除磷菌， 是导致反硝化除 磷的主要因素。2.3 UCT改良工艺（BCFC工艺）BCFS工艺是荷兰代尔夫特大学 Kluyver生物技术实验室在帕 斯韦尔氧化沟（Pasveersloot ）与UCT工艺及原理基础上开发的新 型脱氮除磷工艺，同样也是一种单污泥系统 BCFS工艺由5个功 能独立的反应器（厌氧池/接触

10、选择池/缺氧池混合池/好氧池）及3 个循环系统构成循环1是为了提供释磷条件，因为回流污泥被直接 引入到选择池。所以，从好氧池设置内循环2到缺氧池十分重要，它起到辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸氮的作用循环3的设置是在好氧池与混合池之间建立循环，以增加硝化或同步硝化与反硝化的机 会，为获得良好的出水氮浓度创造条件 BCFS工艺增加了在线分离 离 线沉淀化学除磷单元，从而避开生物除磷的不利条件。FH I PriKei* 山皿 ol 卜2.4 A2N工艺及其改进工艺A2N工艺充分利用了反硝化除磷的理论，将反硝化聚磷菌和硝 化菌培养在不同的反应器中，创造最佳的运行条件，是典型的双污泥 系统Kuba T等人

11、最初利用A2N双污泥系统对反硝化除磷菌进行了研 究，并且通过分析得出 A2N过程可降低碳源（COD 50%勺需求，同时对氧气的需求也降低30%另外产生的污泥量减少了 50%,从而为 反硝化除磷工艺的推广应用奠定了基础。近几年来人们对A2N工艺的研究逐渐多了起来，罗固源等人将 双污泥系统与SBR结合起来形成的 A2NSBRT艺也是一种典型的双 污泥系统，通过设置厌氧和好氧生物膜两套 SBR系统，使得聚磷菌反 硝化菌共存于一个活性污泥系统中，硝化菌在另一个污泥系统，从而 解决了脱氮除磷的竞争问题，更有利于反硝化除磷菌的富集和优化， 其过程示于图3Hai-yan Pei等人利用SBR系统和两个污泥贮

12、斗进行双污泥系 统（称为DSS-SBF工艺）的研究将DPB污泥和硝化菌分别置于不同 的污泥贮斗中，通过厌氧-好氧-缺氧过程，利用两种不同菌在不 同时段分别打入SBR主反应器，获得理想的试验参数和好的脱氮除磷效果。张杰等人通过分析比较 A2N工艺提出改进的新型 A2N工艺（即 与BAF工艺相结合），增加的生物滤柱具有良好的硝化作用， 可以根 据反硝化聚磷菌能吸收的硝酸盐浓度确定硝化液的回流比， 达到最佳 的反硝化除磷效果，并且具有良好浊度去除效果，使得改进后A2N工 艺的出水能够达到再生水的水质标准。=E话性巧桃段I IftWI斷塹?VN工艺诞務F 1：1.4 PrDGg彗 flow of nc

13、Mk* A*N2.5 Dephanox 工艺Bortone G 等人根据Wanner理论研究开发的Dephanox工艺是 典型的双污泥系统，利用有机基质同时进行脱氮除磷，消除了 PAC和 反硝化菌对有机底物的竞争。Vladimir Torrico 和 Takahiro Kuba等人通过分析研究Depha nox工艺并得出其工艺特性：（1）在厌氧池后段设沉淀分离， 使硝化过程与除磷过程分离从而避免了菌种对碳源的竞争；（2）采用后置反硝化工艺（后置缺氧池）减少了硝酸盐的回流；（3）后置二次氧化和沉淀系统进一步加强了对磷的去除，从而获得稳定的去磷效果。2.6 工艺比较通过人们多年来对反硝化除磷机理和

14、工艺的研究， 反硝化除磷工 艺经历了单污泥到双污泥系统的工艺过渡单污泥系统由于易于试验 条件的操作， 多用于理论和试验研究， 为反硝化除磷的理论和工艺发 展奠定了坚实基础，同时也存在以下缺陷： （ 1）在低温条件下（小于 15C ）为满足硝化过程需要较长的污泥停留时间（SBT,从而造成 构筑物体积较大，增加了投资成本； （ 2）反硝化菌与生物除磷菌存在 对有机底物的竞争；（3）产生的剩余污泥量大 （ 4）工艺回流过程较 繁杂，控制较复杂，对操作要求较高。双污泥系统的开发应用为反硝化除磷工艺的优化提供了工程应 用依据，双污泥系统具有的工程应用优势： （1）低的能量需求，仅在 硝化段需要大量氧气，

15、 即使末端增加二次好氧过程， 需氧量较单污泥 系统也大为减少； （2）反应构筑物体积大大减小； （3）减少了污泥回 流系统，剩余污泥量大幅减少；（ 4）污泥沉降效果好， SVI 值低（小 于 60 mg L-1 ），不易发生污泥膨胀，易脱水。3 反硝化除磷技术的影响因素研究3.1 亚硝酸盐浓度 荣宏伟等采用 （AO） 2 -S BBR 工艺研究反硝 化除磷发现 , 反硝化聚磷菌能够以低浓度的亚硝酸盐氮作为电子受 体 , 进行缺氧吸磷 , 如亚硝酸盐氮 > 10 mg/L, 则会抑制反硝化除磷 菌的活性 , 而且这种抑制作用并不是瞬时的 , 至少要持续一段时间 , 其活性才能恢复。 J .

16、 Y .Hu 等也研究了亚硝酸盐对 A /A 体系的反 硝化作用影响 。研究发现 , 亚硝酸盐浓度低于 115 mg/L 时 , 亚硝 酸盐不是反硝化除磷的抑制物 , 可以作为氧气或是硝酸盐替代的电 子受体。黄荣新等研究了亚硝酸盐对反硝化除磷的影响 , 在静态烧杯 试验中研究发现 , 在亚硝酸氮浓度大于 30 mg/L 时, 存在严重的抑制 作用 , 当其浓度低于 25 mg/L 时, 不会对反硝化条件下磷的吸收产生 毒害作用 , 而可以取代氧气、 硝酸盐氮作为良好的电子受体 , 用来 进行缺氧段磷的生物摄取。3.2 硝酸盐浓度 王晓莲等人研究了 A2O 工艺中曝气浓度对啤酒 废水的去除效果

17、, 研究发现 , 在系统中 ,A2O 工艺中反硝化吸磷量明 显高于好氧吸磷量 ; 为了提高缺氧区的吸磷量 , 必须提供充足的电子 受体 ( 即 NO-3 ) , 否则电子受体不充分 , 一方面会降低缺氧区的吸 磷量 , 另外会导致缺氧区二次放磷 , 所以对内循环的控制非常重要。 唐艳葵等在S BR反应器内培养了颗粒污泥，研究发现，在进水中添 加 NO-3 - N, 对颗粒污泥的除磷效果有一定的促进作用 , 说明反硝化 聚磷菌利用厌氧段吸收的有机物及内碳源 , 同样可以进行反硝化除 磷 , 且速度很快 , 加入的电子受体迅速被利用 , 体系中没有 NO-2 - N的积累。刘慧等在对(A /A)

18、S BR反应器研究发现，进水硝氮浓度 大于 1 . 5 mg/L 时 , 释磷量与释磷速率都随着硝氮浓度的升高而下 降 , 反硝化除磷 S BR 反应器的出水硝氮质量浓度控制在 4 mg/L 以 下最佳 , 最多不可超过 7 mg/L, 否则系统除磷效果迅速下降。3.3 PH pH值对反硝化聚磷菌厌氧释磷影响较大，随着pH值增 大，则P /C值也随之升高，但当pH值过高时，P /C值会有所降低， 这主要是由磷酸盐沉淀引起的。缺氧段 pH 过低 , 缺氧吸磷菌不能适 应 , 吸磷作用破坏 ;缺氧段 pH 中性偏碱性的时候 , 磷的释放与吸收 效果稳定 , 因此缺氧段在偏碱性条件下 , 反硝化除磷仍能够稳定运 行。3.4 污泥龄 污泥龄长短对工艺的反硝化除磷性能影响较大 , 同时还会影响去除单位氮和磷所需的 COD 数量。徐伟锋等人采用 A /A /O 工艺研究了反硝化除磷的影响因素 , 研究发现 , 随着污泥龄的 延长 , 反硝化除磷对系统除磷的效果越好。3.5 溶解氧 在反硝化除磷工艺中 , 控制释磷的厌氧条件极为 重要 , 厌氧段的溶解氧含量通常用氧化还原电位来度量。 研究表明 , ORP直和磷含量之间呈良好的相关关系，能直观地反映PO34 - P浓 度的变化 , 从而能