脱氮除磷的研究.doc

SBR中同步反硝化除磷研究进展武莉娅（天津大学环境科学与工程学院，天津，300072）摘要：本文介绍了了反硝化聚磷菌的发现过程，研究了近几年来反硝化除磷菌的应用，并探讨了反硝化除磷效果的主要影响因素，最后得出以下结论：双污泥系统效果优于单污泥系统；NO2-N可以作为电子受体，促进缺氧吸磷现象的发生。关键词：反硝化除磷菌；SBR；污泥系统；电子受体；污水处理Study on the Simultaneous Denitrification and Phosphorus Removal in the Sequencing Batch ReactorWU Liya （School of Enviromental Science and Engineering, Tianjin University，Tianjin 300072, China）Abstracts:In this paper, the development process of the denitrifying phosphorus removing bacteria (DPB) was introduced, the approach of the DPB was studied, and the main effect factor of DPB was discussed. In the end of paper, the conclusion was made: the dual sludge system was perior to the single sludge system and NO2-N can be served as electron acceptor and would promote anoxic phosphorus uptake activity.Keywords: denitrifying phosphorus removing bacteria (DPB); SBR; sludge system; electron acceptor; wastewater treatment反硝化除磷是用厌氧/缺氧交替环境来代替传统的厌氧/好氧环境，驯化培养出一类以NO3-N或NO2-N作为最终电子受体的反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus removing bacteria，简称DPB)为优势菌种，通过它们的代谢作用来同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到脱氮除磷的双重目的。应用反硝化除磷工艺处理城市污水时不仅可节省曝气量，而且还可减少剩余污泥量，即可节省投资和运行费用。这几年国内外关于反硝化除磷研究较多。1 反硝化聚磷菌的发现1993年Kuba1在试验中观察到：在厌氧/缺氧交替的运行条件下，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O2或NO3-N作为电子受体，且其基于胞内PHB和糖原质的生物代谢作用与传统A/O法中的聚磷菌(PAO)相似。1997年Kuba T等2和1998年Mino T等3的研究中也都发现了这一点。针对此种现象研究者们提出两种假说。两类菌属学说，1993年由Jens Peter等4提出，即生物除磷系统中的PAO可分为两类菌属，其中一类PAO只能以氧气作为电子受体，而另一类则既能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体，因此它们在吸磷的同时能进行反硝化。一类菌属学说，1997年由Wachtmeister A等5提出，即在生物除磷系统中只存在一类PAO，它们在一定程度上都具有反硝化能力，其能否表现出来的关键在于厌氧/缺氧这种交替环境是否得到了强化。如果交替环境被强化的程度较深则系统中PAO的反硝化能力较强，反之则系统中PAO的反硝化能力弱，即PAO不能进行反硝化除磷。也就是说，只有给PAO创造特定的厌氧/缺氧交替环境以诱导出其体内具有反硝化作用的酶，才能使其具有反硝化能力。这两种假说都有各自的支持者，但大部分研究人员都赞同前者。1994年张本兰等6研究者就意识到只有从生物学角度深入研究聚磷菌的生长条件和除磷机理，才能真正解释聚磷现象，进而提高生物除磷效率。直到2008年，范琛等7研究者，采用人工合成污水，在两个分别以厌氧/好氧(A/O)和厌氧/缺氧(A/A)运行的SBR反应器中进行生物除磷诱导与强化，并对聚磷菌(PAOs)的特性进行了研究。研究证明，以A/O方式运行的SBR反应器中细菌多样性和聚磷菌种类都较以A/A方式运行的SBR的多。在以A/A方式运行的SBR系统中,反硝化聚磷菌主要为假单胞菌属；而在以A/O方式运行的SBR系统中，除假单胞菌属外,还存在棒杆菌属、肠杆菌科和葡萄球菌属。纯种好氧聚磷菌的聚磷能力强于反硝化聚磷菌,其中葡萄球菌属的细菌除磷量最大。2 反硝化聚磷菌的应用自反硝化聚磷菌发现以来，人们就不断尝试着培养反硝化聚磷菌的培养，并对其去除效果进行深入研究。1996年Kuba T等8研究者，研究表明用硝酸盐代替氧作为电子受体，还可以减少曝气量和污泥产量，节省投资和运行费用。这就说明了，反硝化聚磷具有低碳耗、低能耗的优点。这些研究成果为利用好氧颗粒污泥实现同步脱氮除磷提供了坚实的理论基础。2003年Zeng R J等9以DPB替代SND过程中常规反硝化菌，成功地实现了SNDPR过程。2006年Tsuneda S等10发现兼性反硝化菌(即反硝化聚磷菌)具有很强的生物摄/释磷能力, 且在SBR中可以培养出厌氧、缺氧、好氧的颗粒污泥。颗粒污泥具有沉速快、活性高、污泥浓度和容积负荷高等优点。2005年Rikke等11研究者通过SBR反应器内污泥絮体颗粒内部硝化菌、反硝化菌、PAOs等各种微生物共存时竞争与活性的研究，证明了同步反硝化除磷发生的可行性。2009年Kapagiannidis A G等12研究证明了反硝化除磷系统关于除磷效率方面是可以与传统的UCT工艺相比较的，同时还具有运行方便的优点。近几年中国在这方面的研究较多。2008年刘小英等13在SBR反应器中，采用厌氧/缺氧/好氧(A/A/O) 交替运行的方式，将富集聚磷菌(PAOs) 的颗粒污泥成功地诱导为具有反硝化聚磷能力的颗粒污泥。诱导结束后P的去除率在90%以上，NOx-N的去除率在93%以上，厌氧段释磷量在25-33mg/L ,缺氧段每去除1gNOx-N 吸收P约1.3g；典型运行结果显示，厌氧段最大比释磷速率(SRPR)为18.39mg/(gh)，缺氧段最大比吸磷速率(SUPR)为23.72mg/(gh) ,最大比反硝化速率(SDNR)为18.19mg/(gh)，好氧段最大SUPR为17.15 mg/(gh)，颗粒污泥中DNPAOs的数量由诱导前的14.9%增加到80.7%。与除磷颗粒污泥相比，硝化聚磷颗粒污泥沉速提高0.16-0.7倍，比重提高0.0031。同年杨国靖等14研究者，以普通絮状活性污泥为种泥,采用人工配制的模拟生活污水,在序批式反应器(SBR)中成功地培养出了具有同步脱氮除磷功能的好氧颗粒污泥。研究表明该颗粒污泥对NH4+-N的去除率接近100%，对COD和PO43-P的平均去除率均在80%以上，而且颗粒污泥中的微生物种群具有多样性,所形成的微生态系统更稳定,抗外界干扰及自身恢复调节能力较强。2009年杨文婷等15以某污水处理厂活性污泥作为种泥、生活污水作为原水，采用间歇反应器进行反硝化聚磷菌的培养驯化研究。结果表明，以进水-闲置-厌氧-缺氧-沉淀-排水的运行方式运行40d后，出水PO43-P的浓度稳定在0.2mg/L以下，去除率达95%；出水NH4+-N浓度稳定在8mg/L以下，去除率达90%。NO3-N的消耗量和PO43-P的吸收量呈线性关系，表明采用间歇反应器进行反硝化菌的培养驯化是可行的。2.1 污泥系统对反硝化除磷效果的影响 反硝化除磷脱氮反应器有单污泥和双污泥系统之分。在单污泥系统中，反硝化除磷菌、硝化菌及非聚磷异养菌存在于同一悬浮污泥相中，共同经历了厌氧、缺氧和好氧环境；而在双污泥系统中，硝化菌则独立于DPB而单独存在于固定膜生物反应器或好氧硝化SBR反应器中。随着研究者对反硝化除磷脱氮的深入研究，近几年人们逐渐发现了双污泥系统优于单污泥系统。2007年刘雪飞等16研究者，成功启动了双SBR脱氮除磷系统。磷的去除率达96.3%，总氮的去除率为72.6%，优于Bardenpho工艺除磷效果。2009年马斌等17研究者利用单污泥SBR工艺处理模拟生活污水进行研究，结果表明：单污泥SBR工艺可以稳定高效地去除水中的有机污染物和TN，对其平均去除率分别为81.49%和93.07%；但除磷效果不稳定,对此可采用实时控制策略加以解决。在单污泥SBR工艺的前好氧段发生了NO2-N的积累,平均积累率为21.25%，此积累现象未对反硝化产生抑制作用,并可使工艺进一步节省碳源和曝气量。2009年高大文等18研究者，将短程硝化与反硝化除磷工艺相结合而构建了两段SBR双污泥短程硝化反硝化除磷工艺。在成功启动短程硝化反应器后，亚硝酸盐氮的积累率达到94.23%，系统对氨氮的平均去除率95%；在以亚硝酸盐氮为电子受体的反硝化除磷菌培养驯化阶段，吸磷率达到了64.44%。2009年奉林玉等19研究者，通过实验室小试，以人工模拟生活污水为研究对象，试验结果表明：双泥膜法SBR工艺能使硝化菌和除磷菌各自在最佳的环境中生长，解决了传统工艺中脱氮和除磷的矛盾，节省了碳源和能源，并取得了稳定高效的脱氮除磷效果。在进水C:N:P为25:5:1，上清液交换比为75%的情况下，系统对COD，TP和NH4+-N的平均去除率分别为89.13%、96.12%和86.78%。2.2 NO2-N对反硝化除磷效果的影响NO2-N是硝化和反硝化的中间产物关于NO2-N对生物除磷影响，这方面研究成果也较多。1994年Kerm Jespersen J P等20提出NO2-N的积累会导致缺氧吸磷能力的降低，2004年Saito T等21也得出类似的结论。1999年Meinhold J等 22研究表明，低浓度NO2-N可以作为电子受体，浓度较高时反硝化除磷现象不会发生，过高浓度时反硝化除磷菌不仅不吸磷，还会释磷并影响除磷菌的活性。2001年Lee D S等23研究也得出类似的结论。2001年Ahn J等24研究认为高浓度NO2-N不会对缺氧吸磷产生不利影响，NO2-N可以和NO3-N、O样作为电子受体。2003年Hu J Y等25研究得出类似的结论。2007年张晓洁等26研究者，结果证实：只要有电子受体存在，不论是硝氮(NO3-N)还是亚硝氮(NO2-N)，缺氧吸磷都会发生，但NO2-N的缺氧吸磷量相对较少。2010年Zhou S Q等27研究得到，对于不同电子受体NO3-N和NO2-N，它们与磷的最佳化学计量负荷量比分别是0.89和0.60。如果最初的电子受体浓度控制在最佳比之下，随着浓度增加，磷的吸收量也增加，否则就会降低。在最佳化学计量负荷比时，缺氧磷的吸收效果最佳。3 结论综上所述，我们不难发现，随着人们对反硝化除磷脱氮工艺的不断研究，该工艺的运行越来越稳定，去除效果越来越好。并且双污泥系统效果优于单污泥系统。NO2-N不仅不会对反硝化除磷造成负面影响，相反可以作为电子受体，促进缺氧吸磷现象的发生。参考文献：1 Kuba T, van Loosdrecht M C M. 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