反硝化除磷理论及运用现状

１９９２ 年，捷克的 Ｗａｎｎｅｒ 等［２０］首次采用交替的 厌氧和缺氧条件结合单独的固定生物膜硝化，来实 现生物反硝化除磷，ＣＯＤ、总 Ｎ、总 Ｐ 的去除率分别 达 ９６％、７７％、７９％，国内隋军 等 ［２１］ 人开发的反硝化 除磷一体化工艺设计思想与 Ｗａｎｎｅｒ 工艺基本一 致，邹卫国等开发的双污泥系统脱氮除磷工艺 ＰＡＳＦ 也与 Ｗａｎｎｅｒ 工艺相似，不同的是硝化段放在 了最后面，硝酸盐依靠回流进入缺氧池，污泥没有经 过沉淀直接进入缺氧池；Ｂｏｒｔｏｎｅ Ｇ 等 于 ［２２］ １９９６ 年 提出 Ｄｅｐｈａｎｏｘ 工艺，也即 Ｗａｎｎｅｒ 工艺的另一种称 谓；１９９６ 年，Ｋｕｂａ［２３］在 Ｄｅｐｈａｎｏｘ 基础上，提出了双 污泥脱氮除磷系统 Ａ２Ｎ 工艺，与 Ｄｅｐｈａｎｏｘ 不同的 是，缺氧池后的污泥不经历好氧池，直接沉淀回流至 厌氧池，厌氧 － 缺氧的环境更有利于 ＤＮＰＡＯｓ 的发 挥；罗固源［１７］提出了类似 Ａ２Ｎ 的双泥反硝化除磷工 艺（有 Ａ２Ｏ－ＳＢＲ 和 Ｎ－ＳＢＲ 两个不同功能的反应器 组成）；１９９８ 年，Ｖａｎ Ｌｏｓｄｒｅｃｈｔ ＭＣＭ 在 ［２４］ 开普敦大 学开发的脱氮除磷工艺 ＵＣＴ 的基础上开发了反硝 化及生物 － 化学沉淀除磷组合工艺（ＢＣＦＳ），该工 艺的特点是含 ＤＮＰＡＯｓ 的污泥首先进入选择器，与 进水混合后溶解氧迅速降低，剩余的硝酸盐利用有 机物进行反硝化，进入缺氧池后硝酸盐含量减少到 最低，回流至厌氧池的污泥可以充分发挥其释磷功 能；针对进水低碳氮比的条件下如何实现良好的脱 氮除磷效果， 顾国维等人开发了连续流序批式活性 污泥法新工艺（ＭＳＢＲ）［１５］，该工艺集中了 Ｂａｒｄｅｎ－ ｐｈｏ、 氧 化 沟 和 ＵＣＴ 等 工 艺 的 优 势 ， 当 进 水 的 ＣＯＤ／Ｐ 较低时，一般的生物处理工艺的处理效果都 会下降，但是该系统仍能保持良好的除磷效果。
１ 反硝化除磷理论
反硝化除磷的过程与传统的除磷过程相似，不同 的是在吸磷阶段以硝酸盐取代氧气为电子受体进行 缺氧摄磷，同时硝酸盐被还原为氮气而得以去除，达 到了同时脱氮除磷的目的。反硝化除磷技术中的碳源 发挥了“一碳两用”的功能，既合成了聚 β－ 羟基丁酸 盐（ＰＨＢ），也为反硝化脱氮提供了电子供体，同时节 约了曝气量，是一种低费高效的水处理技术。
重点说明了反硝化聚磷菌的研究现状和最新反硝化除磷工艺的特点。
关键词： 反硝化除磷； 工艺； 反硝化聚磷菌
中图分类号： Ｘ７０３．１
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－３７７０（２００８）０３－００７－０４
目前，氮磷等营养元素的过度排放已被公认为 是引起水体富营养化的主要原因，富含氮磷的废水 排放至湖泊、水库等相对静态水体会引起“水华”， 排至海洋则会引起“赤潮”。根据藻类生长遵循李比 西最小定律，磷被认为是引起富营养化的最主要因 素［１］，根据计算，每 １ｇ 氮可以增殖 １０．８ｇ 藻类，每 １ｇ 磷可以增殖 ７８ｇ 藻类，因此，只要从废水中除去磷， 就可以解决水体的富营养化问题［２］，但是城市污水 的氮和磷往往是同时并存的，如果只除磷不脱氮则 会引起其它危害：（１） 氨氮及亚硝酸盐的氧化消耗 水中的溶解氧；（２）增加给水处理成本，在用氯消毒 时，氨氮会与氯作用形成氯胺，明显降低氯的消毒效 率，大大增加氯的消耗量。（３）氮化合物对人和生物 有毒害作用，亚硝酸与胺作用生成的亚硝胺是“三 致”物质。因此，寻求一种能同时脱氮除磷的工艺显 得非常有意义，而当前大多数污水处理厂都不能满 足氮磷的同时达标排放，因为同时脱氮除磷存在着 碳源不足、菌群竞争、泥龄难以控制等诸多问题，而 反硝化除磷理论从根本上解决了这些矛盾，并具有 非常多的优势。
针对反硝化聚磷菌的微生物种类，目前所见报 导不多。以前认为好氧除磷过程中聚磷菌（ＰＡＯｓ ）属 于不动杆菌（Ａｃｉｎｅｔｏｂａｃｔｅｒ）属［１４］，自 １９９０ 年以来， 采用非培养方法发现，不动杆菌只是 ＰＡＯｓ 的一个 属，且通常不是优势属。Ｂｒｏｄｉｃｈ 等［１５］发现其生物除 磷试验装置活性污泥的微生物中，不动杆菌属是少 数菌属，只占总量的 １％～１０％，而优势菌属为气单 胞菌属和假单胞菌属。Ｈｉｒａｉｓｈｉ 等［１６］比较了生物除磷 工艺活性污泥与非除磷工艺活性污泥的微生物组 成，发现两者中的不动杆菌都不占优势，在除磷 Ａ／Ｏ 法活性污泥中不动杆菌属只占大约 １％。罗宁等［１７］在 分析新型双泥生物反硝化除磷脱氮系统中微生物的 组成时得出以下结论：假单胞菌属、莫拉氏菌属、肠 杆菌科细菌和气单胞菌属占细菌总数的 ６６．６ ％，主 要起反硝化聚磷脱氮作用，且肠杆菌科细菌和气单 胞菌属占细菌总数的 ２８．１％，可发酵产酸；不动杆菌 属占细菌总数的 １２％，不能反硝化脱氮，主要起好 氧除磷作用，试验的研究结果与过去有关 ＤＮＰＡＯｓ 的研究［１８－１９］基本一致。
第 ３４ 卷 第 ３ 期 ２００８ 年 ３ 月
水处理技术 ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＯＦ ＷＡＴＥＲ ＴＲＥＡＴＭＥＮＴ
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．３
Ｍａｒ．，２００８
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反硝化除磷理论及运用现状
万金保，王建永
（南昌大学环境科学与工程学院，江西 南昌 ３３００２９）
摘 要： 在介绍反硝化除磷理论的基础上， 对反硝化除磷机理和工艺作了综合概括， 并与传统好氧除磷进行了比较，
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水处理技术
第 ３４ 卷 第 ３ 期
３ 反硝化除磷机理
４ 反硝化除磷工艺研究进展
反硝化除磷的机理，主要是围绕反硝化聚磷菌 （Ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｓｍｓ， ＤＮＰＡＯｓ）展开的，Ｈｕ 等 ［１１］分 别 以 ＮＯ３－、ＮＯ２－、Ｏ２ 三 种电子受体对厌氧 ／ 缺氧（Ａ／Ａ）条件下驯化的污泥 进行了反硝化除磷试验研究，发现只能利用 Ｏ２ 为电 子受体的占少数，大部分聚磷菌都能以 ＮＯ３－、ＮＯ２－、 Ｏ２ 作为电子受体，超过聚磷菌总数量的 ５０％，因此 可以充分利用这些细菌进行反硝化除磷。张洁等［１２］ 以污水处理厂二沉池的活性污泥为种泥，经过第一 阶段的厌氧 － 好氧培养，除磷效果稳定在 ８５％左右， 然后进入第二阶段的厌氧 － 缺氧驯化，经过 ６０ｄ 后， 磷的去除率基本稳定在 ７０％左右，硝酸盐的消耗量 与磷的吸收量基本呈线性关系，认为系统基本完成 了污泥的驯化，试验结果也证明了传统好氧吸磷过 程中存在着能以 ＮＯ３－ 为电子受体的反硝化聚磷菌。
类型
好氧除磷 反硝化除磷 参考文献
电子受体
Ｏ２ ＮＯ－Ｘ－Ｎ
表 １ 反硝化除磷与好氧除磷的比较 Ｔａｂｌｅ１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇ ａｎｄ ａｅｒｏｂｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ ｒｅｍｏｖａｌ
Ｃ／Ｐ
单位 ＮＡＤＨ２
消耗单位 ＰＨＢ 所
产生的 ＡＴＰ（ｍｏｌ） 吸收的磷（ｍｇ）
耗氧量 （ｍｇＯ２／ｍБайду номын сангаасＰ）
吸磷速率 （ｍｇＰ／ｇＭＬＶＳＳ·ｈ）
３０～４０
１．８５
０．８３
１４．２
１０～１５
１５～２０
１．０
０．６３
０
５～１２
［３、４］
［５］
［６］
［７］
［８、９、１１］
污泥产量 （ｇ／ｍｇＰ）
７．１３ ３．３５ ［１０、７］
收稿日期：２００７－０４－１７ 作者简介：万金保（１９５２－），男，博士生导师，研究方向为废水处理及资源化技术 联系作者：王建永，硕士研究生；联系电话：１３９７０８３７０８５；Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎｃｙ１９１５＠１６３．ｃｏｍ。
沉淀排水，所以最终的污泥颗粒直径都在 ５００μｍ 左
右。通过试验发现好氧存在大部分氮的损失，而反应
器中的 ＤＯ 控制在 ２．５ｍｇ／Ｌ，因此可以说明污泥颗粒
内部存在缺氧区才导致反硝化脱氮，如果反硝化全
部由 ＤＮＰＡＯｓ 完成 （还有可能由聚糖菌 ＧＡＯｓ 参
与 ）， 根 据 Ｋｕｂａ 得 出 的 反 硝 化 除 磷 耗 氮 量
２ 与好氧除磷的比较
反硝化除磷和好氧除磷由于电子受体的不同， 各方面的性能必然有不同之处，目前研究的主要内 容是碳源消耗量、吸磷速率、曝气量、污泥产量和微 生物种类等，比较内容见表 １。
通过比较可知，反硝化除磷技术可以节约碳源 ５０％，污泥产量减少 ５０％，除磷过程只需硝化曝气 量，总体曝气量可减少 ３０％左右。但由于单位还原 辅酶 Ｉ（ＮＡＤＨ２）产生的三磷 酸腺苷（ＡＴＰ）比好氧 时少 ４０％，因此需要消耗更多的 ＰＨＢ，导致吸磷速 率比好氧时低 ４０％左右。
（Ａｎａｅｒｏｂｉｄ／ｏｘｉｃ／ａｎｏｘｉｃ ｇｒａｎｕｌａｒ ｓｌｕｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ），试验
采用一个 ９Ｌ 的 ＳＢＲ 反应器，ＨＲＴ 为 １８ｈ，操作周期
为 ６ｈ，包括 ２０ｍｉｎ 进水，１．５ｈ 厌氧搅拌，２ｈ 好氧，
０．５ｍｉｎ 沉淀，９．５ｍｉｎ 排水，ＮＨ４＋－Ｎ、ＮＯｘ－ －Ｎ、ＰＯ３４－ －Ｐ 的 出水浓度都小于 １ｍｇ／Ｌ。污泥开始培养时采用快速
部分在 １ｍｍ 左右，因此存在足够的缺氧区，通过荧
光原位杂交技术（ＦＩＳＨ）分析方法得知，ＧＡＯｓ 只存
在污泥颗粒的外表面，而 ＤＮＰＡＯｓ 既存在于外表
面，也存在于内表面，所以可以肯定好氧段的氮损失
是由 ＤＮＰＡＯｓ 完成的，也即达到了反硝化除磷的目
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的。周期中的后续缺氧段是为了进一步脱氮除磷，并 且减少进入下一周期厌氧段的 ＤＯ 含量，还提出通 过 ｐＨ 的突变化来控制缺氧期时间的想法。 ４．３ 气动内循环反应器反硝化除磷［２８］
袁林江［１３］等人利用厌氧 － 好氧培养出聚磷菌进 行静态反硝化聚磷试验，在缺氧段加入 ５０ｍｇ／Ｌ 的 ＮＯ３－，缺氧结束后，Ｐ 和 ＮＯ３－ 都低于 ５ｍｇ／Ｌ，同时还 证明聚磷菌能以 ＮＯ２－ 为电子受体，反硝化聚磷过程 中通过在厌氧和缺氧中间加入好氧段，试验表明在 缺氧段同样发生反硝化除磷，这表明反硝化聚磷菌 是稳定的微生物代谢。