摘要
总结了污水反硝化除磷的机理、微生物、工艺以及影响因素等，重点分析了基于反硝化除磷原理研发的各种工艺的流程和特点，以及反硝化除磷性能的影响因素如碳源、电子受体、水力停留时间、温度和其他环境参数等。指出双污泥工艺的反硝化除磷率要高于单污泥工艺，但是双污泥工艺略为复杂，限制了其实际工程应用。如何提高单污泥工艺反硝化除磷率和简化双污泥工艺流程是未来工艺研发的重点方向，同时做好工艺影响参数优化，提高反硝化除磷技术在污水处理中的应用。
由于碳源缺乏、C/N比较低等问题突出，我国城镇污水厂普遍存在碳源不足的难题，导致出水TN浓度偏高，难以达标，而外加碳源措施则大大提高了吨水处理的运营费用。反硝化除磷与与传统的好氧除磷相比，能够“一碳两用”节省50%的碳源，缺氧吸磷代替好氧吸磷节省30%的曝气能耗，降低50%的污泥产量 ，是污水脱氮除磷领域的研究热点之一。因此，本文从反硝化除磷的机理、微生物、工艺以及影响因素等方面进行了论述，并对未来发展趋势进行展望，以期为反硝化除磷技术的研究和应用提供指导。
01. 机理与微生物
1.1 除磷机理
传统生物除磷是根据 EBPR （ E nhanced Biological P hosphorus Removal ）理论，通过聚磷菌厌氧释磷和好氧吸磷过程，将富含磷的污泥排出系统从而达到除磷目的 ，在厌氧段，聚磷菌体内的多聚磷酸盐（ P oly- P ）水解并将无机磷酸盐（ PO 4 3 - -P ）释放到体外，同时利用水解产生的能量将易降解的低分子脂肪酸 VFA （乙酸、丙酸、正丁酸、戊酸、异戊酸等）吸收到体内合成聚羟基烷酸 PHA ，聚羟基烷酸 PHA 包括聚 β 羟基丁酸盐（ PHB ）、聚 3- 羟基戊酸盐（ PHV ）和聚 3- 羟基 -2- 甲基戊酸盐（ PH 2 MV ）等，是一类可生物降解的碳聚合物，常用作生化反应的内碳源，同时厌氧过程伴随着糖原的酵解提供还原力。在好氧阶段，聚磷菌以氧气为电子受体进行好氧呼吸，体内聚羟基烷酸 PHA 分解，产生的能量一部分用来过量吸收磷酸盐到体内合成多聚磷酸盐（ P oly- P ），一部分用来合成糖原，最终通过好氧末端或者二沉池 进行排泥，从而达到系统除磷的目的。基于此原理的聚磷菌生化代谢模型主要有由C OMEAU 等提出的 EBPR 模型（ 1985 ）、 Comeau-Wentzel 模型，由 M INO 等提出的 Mino 模型（ 1988 ）等 。反硝化除磷与好氧除磷机理类似，不同的是在厌氧释磷并储存PHA后，在缺氧环境下以硝态氮代替氧气作为电子受体进行吸磷，同时将硝态氮还原为氮气 。
1.2 微生物
上世纪八九十年代反硝化除磷现象被发现以后，聚磷菌按照功能分类出现了两种观点，一种观点认为好氧聚磷菌和反硝化除磷菌是同一类菌，至于利用氧气还是硝态氮作为电子受体取决于好氧或者缺氧环境的驯化，另一种观点认为除磷菌分为两类，一类聚磷菌以氧气作为电子受体，另一类既能以氧气作为电子受体又能以硝态 氮作为电子受体。再后来又发现了能够同时利用氧气、硝氮和亚硝的反硝化聚磷菌，将聚磷菌分类方式扩大到三种。根据利用氧气、硝氮和亚硝的吸磷速率， H U 提出了估算三类聚磷菌比例的方法。
而对于聚磷菌微生物种群结构的认识和研究，目前通过 FISH 和 PCR 手段广泛被认可的是 Candidatus Accumulibacter phosphatis ，简称为 Accumulibacter ，属于 Betaproteobacteria 中和 Rhodocyclus 中相近的菌群 β-2 Proteobacteria 。同时研究证实 Microlunatus phosphovorus ， Actinobacteria ， Purple nonsulfur bacteria ， Tetrasphaera ， Dechloromonas 等种群都具有除磷功能， K IM 等 还发现了 Dechloromonas 具有明显的反硝化除磷功能，即能够以硝氮或者亚硝作为电子受体，张淼等 在AAO+BCO 反硝化除磷工艺中也发现了富集程度较高的 Dechloromonas ，认为是反硝化除磷的优势功能菌之一。但总体来说关于实际生活污水中反硝化聚磷菌的研究仍然较少，借助近几年快速发展的高通量测序、宏基因组等分子微生物技术等对机理的进一步探讨将是未来的研究方向之一。
02. 工艺种类
2.1 单污泥工艺
应用反硝化除磷原理的单污泥工艺主要有 A 2 O 工艺 、 UCT 工艺和 BCFs 工艺， 简述如下 。
（ 1 ） A 2 O 工艺。 A 2 O 工艺由厌氧 / 缺氧 / 好氧段顺序链接而成，同时硝化液从好氧区回流到缺氧区，污泥回流从二沉池底部回流到厌氧区，是污水厂应用最多的连续流工艺之一。污水首先进入厌氧区，发生碳源吸附储存和厌氧释磷反应，然后混合液进入缺氧区同回流的硝化液发生反硝化脱氮反应，同时缺氧区也为反硝化除磷反应提供了可能性，最后混合液进入好氧区发生硝化和吸磷反应。通过对 A 2 O 工艺厌氧 / 缺氧 / 好氧功能区的组合、硝化液回流比、进水分配比、 HRT 等工艺参数的优化调整，能够使其发生反硝化除磷反应：王晓莲等 优化了 A 2 O 工艺的硝化液回流比，在 A 2 O 工艺实现反硝化除磷，并且通过污泥吸磷小试证明，缺氧吸磷速率为 4.62 mg / (L · h) ，好氧吸磷速率为 6.7 0 mg / (L · h) ；马勇等 将进水分成两股，使进水大部分进入厌氧区，小部分进入好氧区，从而将 A 2 O 工艺的反硝化除磷率进一步提高。
（ 2 ） UCT 工艺。 UCT （ Uni versity of cape town ）工艺是在 A 2 O 工艺基础上改进而成，反应区由厌氧 / 缺氧 / 好氧顺序链接而成，硝化液回流从好氧区回流到缺氧区，不同的是污泥回流，污泥回流首先从二沉池回流到缺氧区，然后经反硝化去除硝氮后，再从缺氧区回流到厌氧区。与 A 2 O 工艺相比，通过污泥回流的不同路径设置，大大减少了最终回流到厌氧区污泥中含有的硝态氮，确保良好的厌氧环境，使得进水有机物被优先用于释磷，然后在缺氧区进行反硝化脱氮和反硝化除磷，在好氧区进行好氧吸磷和硝化反应，显著提高了同步脱氮除磷效果。 WELANDER 等 在 1997 年发现通过 UCT 工艺可以将系统缺氧吸磷率提高到 30% ，从而能够进一步节省碳源和能耗。
（ 3 ） BCFs 工艺。 BCFs 工艺是基于 UCT 工艺原理的改进，主要由厌氧区、选择区、缺氧区、缺氧 / 好氧区、好氧区等 5 个单元组成，并通过 3 个回流创造各个单元最适合功能菌生长的条件，通过灵活控制可实现更深度的脱氮除磷，研究表明约 50% 的磷去除是通过反硝化除磷途径实现 。
在单污泥工艺中 ，脱氮除磷主要是通过传统硝化反硝化脱氮和厌氧 / 好氧除磷途径，反硝化除磷作为辅助措施，能够进一步提高氮磷去除率。
2. 2 双污泥工艺
应用反硝化除磷原理的双污泥工艺主要有 A 2 NSBR 工艺 （含前置 A 2 NSBR ）、 Dephanox 工艺和 A 2 O+BAF 工艺（含 A 2 O+B CO ）等， 简述如下 。
（ 1 ） A 2 NSBR 工艺。 KUBA 等 在上世纪 90 年代提出了 A 2 NSBR 工艺， A 2 NSBR 系统由一个反硝化除磷 A 2 SBR 反应器和一个硝化 N-SBR 反应器组成，工艺流程和原理是：污水首先进入 A 2 SBR 进行碳源吸附储存和厌氧释磷，然后沉淀排水，富含氨氮的上清液进入 N-SBR 完成硝化，硝化液再回流到 A 2 SBR 进行反硝化除磷。该系统采用 “双污泥龄”，硝化反应和反硝化除磷反应在两个不同的反应器中进行，通过反硝化除磷“一碳两用”，节省碳源和能耗，降低污泥产量。
（ 2 ） 前置 A 2 NSBR 工艺。污水首先进入 A 2 SBR 反应器，在 A 2 SBR 的厌氧段发生释磷反应，同时储存内碳源 PHA ，然后缺氧段硝化液回流进行反硝化除磷反应，缺氧反应结束后进行后曝气进一步吸磷和吹脱反硝化产生的氮气，后曝气反应结束后，静止沉淀泥水分离，富含氨氮的上清液进入 N-SBR 进行硝化反应，硝化反应结束一部分出水回流到 A 2 SBR 反应器下个周期的缺氧段，一部分出水后直接排放，最终硝化出水几乎不含有氨氮，氨氮去除理论上能够接近完全，前置 A 2 NSBR 工艺通过反应时序的调整，将反硝化除磷反应段和硝化反应段顺序置换，成功解决了传统 A 2 NSBR 工艺出水氨氮浓度高的瓶颈问题 。
（ 3 ） Dephanox 工艺。 Dephanox 工艺是由厌氧池、快沉池、好氧膜池、缺氧池、再曝气池和二沉池组成连续流工艺，在厌氧池进行厌氧释磷，快沉池泥水分离，富含氨氮的上清液进入膜池硝化，储存内碳源之后的污泥直接超越到缺氧池进行反硝化除磷，再曝气进一步吸磷，经二沉池泥水分离后排放。 Dephanox 工艺为反硝化除磷提供了良好的条件，通过反硝化除磷节省碳源和曝气能耗，同时硝化菌固定在好氧膜池内，与聚磷菌污泥龄分离，解决了污泥龄矛盾。
（ 4 ） A 2 O+BAF 工艺。主要由一个 A 2 O 单元和一个 BAF 单元组成， A 2 O 单元厌氧 / 缺氧区较长，分别进行厌氧储存内碳源释磷和反硝化除磷反应，好氧区进一步吸磷并吹脱氮气， BAF 单元承担硝化功能，同时 A 2 O 单元和 BAF 单元污泥龄分离能够创造聚磷菌和硝化菌最佳生长条件，二沉淀回流到厌氧区的污泥不含有硝酸盐能够保证严格的厌氧环境，研究表明反硝化聚磷菌占聚磷菌的比例为 67.0% ，反硝化除磷率高达 93.7% 。 60m 3 /d 中试规模的 A 2 O+BAF 工艺实现快速启动并满足城镇污水处理厂污染物排放标准（ GB 18918-2002 ）中的一级 A 标准 。
张淼等基于 A 2 O+BAF 工艺提出了改进的 A 2 O+BCO 工艺 ， BCO 单元采用聚丙烯塑料环，能够避免 BAF 滤池反冲洗的繁琐步骤，通过反硝化除磷实现节能降耗和深度脱氮除磷效果，并且 A 2 O+BCO 工艺比 A 2 O 工艺显著提高了脱氮除磷效果 。
在双污泥工艺中，反硝化除磷是脱氮除磷的主要途径，较高的反硝化除磷率在提高氮磷去除率的同时，能够节省碳源和能耗，但是双污泥工艺略为复杂，实际工程应用较少。
03. 影响因素
反硝化除磷技术因为节省碳源和能耗 、 降低污泥产量的诸多优势被广泛研究 ，其中 影响因素的研究主要围绕在以下几方面 。
3 .1 碳源浓度或 C/N 比
反硝化除磷需要先在厌氧条件下储存 PHA ，在后续的缺氧段才能为反硝化除磷提供充足的电子供体，碳源浓度太低， PHA 合成不足，碳源浓度过高导致厌氧段剩余的有机物直接进入缺氧段进行外源反硝化，从而抑制反硝化除磷，碳源浓度对反硝化除磷的影响研究通常可以参考 C/N 比等参数。吴鹏 通过对厌氧折流板反应器（ ABR ）和膜生物反应器（ MBR ）的研究发现，在 C/N 为 3.6~6.0 时，工艺中缺氧吸磷量与 TN 去除量呈良好的线性关系，在进水 C/N 比为 6 时最有利于氮和磷的同步去除。张淼 通过对 A 2 O+BCO 反硝化除磷工艺的研究发现，当进水 C/N 比为 4~5 时， COD 、 TN 和 PO 4 3- -P 去除率分别达到 88% 、 80% 和 96% ，系统实现了有机物和氮磷的同步高效去除。张为堂 通过对 A 2 O+BAF 反硝化除磷工艺的研究认为， C/N 比介于 4~7 时，系统对 COD 、 TN 和 PO 4 3 - - P 的去除率分别可达 86% 、 78% 和 90% 以上， C/N 比过高 （ C/N ＞ 9.5 ）会使缺氧区内存在大量可利用有机物，导致普通反硝化菌与反硝化聚磷菌对电子受体 NO 3 - -N 的竞争。
3 .2 碳源类型
碳源类型 决定了反硝化速率和 PHA 的合成情况，进而影响氮磷去除性能 ，反硝化除磷能够直接利用的碳源是挥发性脂肪酸（ VFA ）， VFA 的种类不同如乙酸、丙酸等，合成 PHA 的效率也不同。不过关于碳源种类对反硝化除磷的影响研究一直存在争议，吉芳英 研究发现，乙酸能够大幅提高除磷效果，可以作为富集反硝化除磷菌的优质碳源，丙酸对反硝化除磷的促进作用不如乙酸明显，葡萄糖最差。夏雪 在厌氧 / 缺氧条件下分别以乙酸钠、甘油、丙酸钠为单一碳源，考察不同碳源对反硝化除磷效果和污泥菌群结构的影响，结果发现三种碳源条件下 TP 去除率分别为 82. 5% 、 79. 2% 、 93. 4% ， 聚磷菌比例分别为 9. 5% 、 8. 0% 、 41.5% ，认为丙酸钠是反硝化除磷的最佳碳源。
3 .3 电子受体
反硝化除磷的电子受体主要是 NO 3 - -N 和 NO 2 - -N ，一般来说， NO 2 - -N 型反硝化除磷更节省碳源 ， 作为反硝化除磷的底物 ， 充足的 NO 3 - -N 和 NO 2 - -N 才能保证反硝化除磷效果，这就意味着 NO 3 - -N 和 NO 2 - -N 与 碳源不能共存 ， 同时合理调整硝化液回流比等参数确保电子受体充足 。张建华 通过添加不同浓度的 NO 3 - -N 和 NO 2 - -N 测试污泥性能试验发现，普通反硝化除磷污泥在未经 NO 2 - -N 驯化的条件下，短时间内很难利用 NO 2 - -N 进行反硝化吸磷，同时试验表明乙酸钠是反硝化除磷的理想碳源。陈永志 认为提高硝态氮负荷可以提高反硝化除磷率，并且有利于富集反硝化聚磷菌。
3 .4 水力停留时间 HRT
反硝化除磷需要经历厌氧 / 缺氧两个阶段，适当的 HRT 是生化反应完成的保证，但 HRT 不可过长，厌氧 HRT 过长造成无效释磷，缺氧 HRT 过长会造成二次释磷，后曝气段 HRT 过长会造成硝化。令云芳通过对 A 2 N 反硝化除磷工艺的研究认为，厌氧段 HRT 过长， PO 4 3- - P 的总释放量增加，但后续缺氧吸磷量并没有相应地增加，厌氧段 HRT 过短，反硝化聚磷菌对有机物吸收降解不完全，内碳源 PHA 合成不足，后续缺氧吸磷能力下降。 DANESH 的研究认为HRT 过长会导致二次释磷。王希明 认为在 A 2 N 工艺增加后曝气阶段， HRT 为 1.3 h 可保证除磷率达到 90% 。
3 .5 其他环境因素
除了以上因素，反硝化 除磷 还与 C /P 比 、 温度 、 pH 、 DO 、 污泥龄 、 污泥浓度等因素密切相关 ，吉芳英 认为反硝化除磷适宜温度范围为 18 ～ 37 ℃，任南琪 研究认为当厌氧段 pH = 8 、缺氧段 pH = 7 左右时 ，反硝化除磷效果最好。常飞 认为缩短泥龄可以适当提高系统的同化除磷能力。王春英 认为污泥浓度越高，释、吸磷速率及反硝化速率越高，但只影响到达释磷平衡的时间。
04. 结语
反硝化除磷具有节省碳源和能源、降低污泥产量的优势，针对反硝化除磷研发了 A 2 O 、 UCT 、 BCFs 等单污泥工艺和A 2 NSBR 、前置 A 2 NSBR 、 Dephanox 、 A 2 O+BAF 、 A 2 O+BCO 工艺等，并对反硝化除磷性能的影响因素如碳源、电子受体、水力停留时间、温度和其他环境参数等进行了深入研究。双污泥工艺的反硝化除磷率要高于单污泥工艺，但是双污泥工艺略为复杂，限制了其实际工程应用。如何提高单污泥工艺反硝化除磷率和简化双污泥工艺流程是未来工艺研发的方向之一 ，对于单污泥工艺，可以尝试通过在普通 A 2 O 工艺之后增加一个缺氧单元去除硝态氮，从而确保回流污泥总不含有硝态氮保证良好厌氧环境，从而强化反硝化除磷效果；双污泥工艺可以通过 MBR 膜出水代替沉淀池，简化工艺流程，同时做好工艺影响参数的调整优化。 关于反硝化聚磷菌种群结构的研究较少，借助近几年快速发展的高通量测序、宏基因组等分子微生物技术等对机理的进一步探讨将是未来的研究方向之一。我国污水 C/N 比较低，排放标准不断提高，大多数污水厂不能达标或者需要外加碳源，因此反硝化除磷技术会获得越来越广泛的研究和应用。
来源： 赵伟华 , 等 . 污水反硝化除磷技术的机理与工艺研究进展 [J]. 水处理技术 , 2020(7):1-5. （中文核心）
0人已收藏
0人已打赏
免费1人已点赞
分享
回帖成功
经验值 +10
全部回复（1 ）
只看楼主 我来说两句 抢板凳好资料，对于污水除磷技术的学习有很好的参考作用，，学习啦，谢谢楼主分享
回复 举报