反硝化除磷污水处理技术

反硝化除磷污水处理技术

随着我国城市的持续发展，人口数量也随之不断增加，所排放的生活

污水也日益增多，使大量污水进入到自然水体中，导致水体出现富营

养化。因此，去除污水中的有害物质对于水体资源的保护具有重要意

义，而提升污水处理标准，是控制水体污染较为有效的措施之一，但

却也提高了对能耗的需求。因此寻求经济、高效的处理工艺成为当下

污水处理领域研究的热点。我国城市生活污水中的碳氮比较低，利用

传统的生物脱氮除磷工艺处理，效果不理想，难以达到污水排放的相

关标准，而且在处理过程中，还需要外加碳源，这不仅会增加运行成

本，还会因部分碳源被氧化，不能被微生物利用而出现浪费现象,另

外，传统的脱氮除磷技术存在碳源与污泥龄的矛盾，而反硝化除磷污

水处理工艺能够对生活污水进行深度除氮除磷处理。

1、反硝化除磷污水处理工艺及其分类

反硝化除磷污水处理工艺的主导菌群为反硝化聚磷菌(DPAOs),

是利用厌氧环境、缺氧环境的交替，以硝酸盐作为电子受体，电子供

体为微生物胞内的PHB,在反应过程中，所需碳源和好氧吸磷过程

相比大幅度降低，而污泥的产量也能够有所下降，同时可以节省因曝

气而产生的成本，并实现了同步脱氮除磷效果。与传统污水处理工艺

相比，反硝化脱氮除磷工艺可以将碳源的使用量减少30%,甚至一半,

同时还可降低30%的曝气量和50%的剩余污泥量，因此该工艺的发

展具有十分重要的意义。

依据硝化细菌和DPAOs是否处于同一系统中，可将反硝化除磷污

水处理工艺分为单污泥工艺及双污泥工艺。单污泥系统有UCT、

(AO)2SBR以及BCFs工艺，单污泥工艺不能彻底解决不同菌群之间

碳源及污泥龄间的矛盾，因此在深度脱氮除磷中受到了一定的限制；

双污泥工艺主要有Dephanox、A2NSBR工艺，其硝化细菌和反硝化

聚磷菌分别处于两个反应器中，这种工艺解决了污泥龄不同的矛盾，

消除了聚磷菌和反硝化细菌之间的竞争，使各菌群能够在最适合生长

的环境中进行反应，提高了微生物的功能特性，同时也极大地提升了

脱氮除磷的效率。

在反硝化除磷污水处理工艺中，诸多研究者对于其在污水脱氮除

磷中的应用进行了许多研究。有研究者在SBR工艺中后置缺氧段，

采取反硝化除磷污水处理工艺，进行生活污水处理的相关研究；也有

研究者分析了双污泥系统的反硝化除磷特性；而在新型DPR工艺中,

影响脱氮除磷效率的关键参数有污泥龄、碳源、电子受体以及回流比

等，并且在不同工艺中，其最优工艺的参数值有着较大差异。

2、影响反硝化除磷污水处理工艺的因素

在DPR工艺中，各环节的改变都会对整体工艺效果产生相应的影

响，因此需要综合考虑各个环节的参数，以维持工艺运行的稳定性。

2.1污泥龄的影响

污泥龄(SRT)和污泥活性及微生物菌群的特性都有着一定的关

系，污泥龄会导致污泥活性变差，使污泥老化并使细胞内的PHA减

少，对反应器释磷及吸磷的速率造成影响；而污泥龄较短时，其活性

较好，但沉降性会降低，除磷效率也随之降低。研究发现，当SRT

小于10d时，与传统反硝化菌相比，DPAOs没有生长优势，且其脱

氮除磷的性能也有所下降；在反硝化除磷污水处理工艺中，SRT为

25d时，其污泥活性最好，磷去除率可以超过95%；SRT为12d时,

对聚磷菌的富集较为有利。在这几种反硝化除磷污水处理工艺中，最

佳的污泥龄见图lo

图1不同工艺的最佳污泥龄

由此可以看出，单污泥工艺的SRT比双污泥工艺的长，其原因是

在氮污泥工艺中，需要优先考虑硝化菌的SRT,而与DPAOs相比,

硝化菌的SRT较长。在双污泥工艺中，菌的培养是分开的，因此菌

可以在其最适宜的污泥龄下更好地生长。不同的DPR工艺，其SRT

需求也不同，需要选择对应的污泥龄，才能让环境更加适合微生物生

长，从而达到较好的污水处理效果。

2.2碳源的影响

在反硝化除磷污水处理工艺中，碳源的类型对其释磷效果有着较

大的影响。在DPR工艺中，较为常用的碳源有葡萄糖、乙酸盐等，

对碳源的研究表明，如果整个工艺使用单一的碳源龄，能够更好地富

集聚磷菌；用乙酸盐作为处理工艺中的碳源时，能够达到去除生物营

养物的最高效率，且反应过程较稳定，与以葡萄糖作为碳源相比具有

较大的优势；将厌氧/好氧SBR转换为厌氧/缺氧SBR,碳源选择乙酸

盐的时候，其工艺中生物除磷的整体活性会降低，而当碳源选择丙酸

盐的时候，在DPR工艺中，可以维持较好的反硝化除磷的活性。因

反硝化聚磷菌只能使用VFA作为碳源，而常见的有乙酸以及丙酸，

其在厌氧阶段的利用率也是不相同的。在整体除磷效果中，以乙酸作

为碳源时处理速率较快，同时处理效率也较高，而以丙酸作为碳源时,

其反应较为稳定。因此，当反硝化聚磷菌处于不同环境时，需要以其

污泥脱氮除磷特性作为依据，选择最佳的碳源。同时在反硝化聚磷菌

处于厌氧阶段时，其磷的释放量会受到进水中碳源质量浓度的影响。

通过分析碳源质量浓度及种类对短程反硝化处理反应器的影响得知，

当进水中COD质量浓度达到200mg/L的时候，磷的去除率可以高达

93.22%,且具有最高的缺氧吸磷速率；在COD质量浓度为143〜

228mg/L、时长在19d时，COD的去除率可以达到86.17%；有研究

者认为，当进水中COD的质量浓度达到300mg/L,且碳磷比从60下

降到30的时候，能够明显提升SBR脱氮除磷的效果。而在双污泥工

艺中，D叩hanox反硝化脱氮除磷工艺进水中COD的质量浓度会持续

增加，当其质量浓度达到300mg/L时一，磷的释放量及其缺氧吸磷的

速度也会随之提升，但是当碳源COD的质量浓度大于300mg/LE勺时

候，又会反过来抑制对缺氧磷的吸收。由此可知，反硝化除磷污水处

理工艺较适用于处理低碳氮比的生活污水。当碳磷比较低时，对污水

除磷较为有利。因此在污水处理系统中，进水碳源的质量浓度以控制

在300mg/L以内较佳，但在具体工程中，还需要依据不同的工艺类

型，选择较为合适的碳源加入量，由此才能维持整体反应的稳定性。

2.3电子受体的影响

在反硝化除磷污水处理工艺中，电子受体主要有两种，即NO3・N

与NO2-N,在碳源的用量上，NO2-N类型的碳源用量较少，由于

其是消化除磷的底物，只有当NO3-N与NO2-N充足的情况下，才

能够保证消化除磷的效果，即NO3-N与NO2-N不能和碳源同时存

在，并需要合理的调整参数，例如对消化回流比进行相应调整，才能

使电子受体维持在充足的状态。

2.3.1硝酸盐

在DPR反应当中，NO3一可作为电子受体，而在缺氧阶段的污水

处理过程中，其缺氧吸磷速率是由加入的硝酸盐的具体量决定的，当

反应条件不同时，其需要加入硝酸盐的量也需要做出相应的调整。通

过对不同硝酸盐浓度下，反硝化系统中的脱氮除磷特性进行了研究,

结果表明，在缺氧段，电子受体浓度过高或过低时，都会对反硝化除

磷效果造成负面影响，而当N03一的质量浓度控制在30〜40mg/L范

围内时，能够使脱氮除磷效率达到最佳，使碳源得到高效利用。在厌

氧段，当NO3—的质量浓度过高时，反硝化细菌在进行反硝化反应

时，会优先使用碳源而导致释磷的抑制以及PHB合成的抑制，而当

NO3一的质量浓度过低时，体系中的电子受体不足，使PHB氧化不

完全，对吸磷造成影响，除磷效果也会随着硝酸盐质量浓度的提升而

相应地增加，但是当其超过最佳值时，则会抑制整个系统中的生物对

磷的吸收，同时使出水中NO3—的质量浓度增加，对整体脱氮效果

造成一定程度的影响。

2.3.2亚硝酸盐

在反应体系中，NO2—对聚磷菌会产生一定程度的抑制作用。而

DPR工艺在缺氧段，一定的亚硝酸盐浓度能够提升反硝化吸磷的整

体速率。通过观察SBR体系中亚硝态氮质量浓度对反硝化聚磷菌的

影响得知，当亚硝酸盐质量浓度达到40mg/L时，仍然没有对缺氧磷

的吸收造成负面影响。在普通的反硝化除磷污泥中，NO2-N没有对

其进行驯化，且在较短时间内，难以对NO2-N进行利用，实现反硝

化吸磷反应；同时表明，在碳源的选择上，乙酸钠是较为理想的碳源；

提升硝态氮的负荷能够使反硝化除磷率随之提升，同时对于富集反硝

化聚磷菌来说，也较为有利；当N02-N的质量浓度控制在20mg/L

的时候，污泥的整体除磷能力会急剧下降；当体系中的亚硝酸盐质量

浓度过高、超过了80^^时・，就会对反应中的缺氧磷吸收带来较强

的负面影响。

24水力停留时间(HRT)的影响

反硝化污水处理需要经过两个阶段，即厌氧阶段和缺氧阶段，而

合适的HRT能够保证生化反应顺利完成，但是HRT不能超出一定范

围。在厌氧环节中，若HRT过长，会造成无效释磷，而在缺氧环节

中，若HRT过长则会导致二次释磷；在曝气段中，若HRT过长会导

致硝化。在A2N工艺中增加后曝气阶段，HRT控制在1.3h时，可以

使除磷率达到90%o相关研究者通过对A2N反硝化除磷污水处理工

艺进行深入研究，结果表明，在厌氧段，HRT过长会提升PO43-P

的总体释放量，但是在后续的缺氧段，吸磷量没有随之增加；而在厌

氧段，HRT过短时，反硝化聚磷菌不能完全吸收和降解有机物，难

以保证内碳源PHA的合成，而在后续的缺氧段，体系中的吸磷能力

持续下降。

2.5污泥回流比以及超越比的影响

在双污泥工艺中，将污泥回流比及超越比控制在合理范围内，对

于厌氧池及缺氧池中污泥的平衡具有关键任用。若体系中的回流污泥

量超过一定范围，在缺氧池中，没有反应完全的硝态氮会随着回流污

泥流动进入到厌氧池中，使微生物菌群中反硝化菌成为体系中的优势

菌，对聚磷菌造成影响，并使释磷效果受到一定程度的影响。在去除

污水中的COD及磷时，污泥回流比对其造成的影响较小，但是对于

氨氮、硝态氮以及体系中总氮的去除影响比较大。通过对改良A2/0

工艺进行考察得知，将污泥回流比控制在50%时，能够使污水中的总

氮去除达到较好效果，同时能耗也最低。体系中的污泥回流比与出水

硝态氮的质量浓度之间存在着较为良好的线性关系，出水硝态氮的质

量浓度会随着回流比的增加而有所降低，但是氨氮的去除率也会随之

下降。研究表明，当污泥超越比为0.4,且回流比也为0.4时，反硝

化除磷的效率达到顶峰。而污泥超越比对于维持DPR工艺的稳定性

也起了关键作用。污泥超越比对去除污水中的COD影响不大，而对

去除污水中的磷酸根及氨氮有着较大的影响。当污泥超越比为0.6时,

在DPR工艺中，能够使脱氮除磷达到最佳效果。当超越污泥量过大

时，在中沉池内，其上清液中的氨氮会流入到缺氧池中，导致出水中

的氨氮达不到相应标准；而超越污泥量过小时，则会在DPR工艺中

的缺氧段，使反硝化聚磷菌的量受到相应影响，导致反硝化除磷能力

下降，也会对出水水质造成一定程度的负面影响。因此，在具体实践

中，技术人员需要依据不同工艺自身的特点以及实际的运行情况，进

行相应地调节，使污泥回流比以及超越比处于比较合适的状态。

2.6不同反硝化除磷污水处理工艺效果的影响

不同的DPR工艺，影响其运行效果的因素也各不相同。在几种不

同的污水处理工艺中，其处理效果见图2、图3。由图中结果可以得

知，不同工艺的处理效果存在一定程度的差异。单污泥处理工艺运行

比较简单，效果较为稳定，而双污泥处理工艺在处理效率上比单污泥

工艺高，但是双污泥工艺的整体流程较为复杂，且存在出水氨氮质量

浓度较高的问题。在处理工艺上，各有优缺点，因此在具体应用中，

相关人员需要依据污水的实际特点及具体情况，对污水处理工艺进行

择优选择。

■氮去除率■磷去除率