摘要：反硝化除磷将反硝化和除磷两个过程合二为一，一碳两用，达到了同步脱氮除磷的目的。本文在简要介绍废水生物脱氮除磷研究领域发展现状的基础上，分析了现有生物脱氮除磷工艺难以达到N、P同时高效去除的原因，探讨了反硝化除磷工艺的发现以及证实过程，综合分析了几种反硝化除磷工艺的原理、特点以及在国内外的研究进展。
关键词：反硝化除磷,原理,研究进展
一．前言
1.1 脱氮除磷现状
近年来，随着各种工业的快速发展，低C/N、C/P比废水日益增多。而传统脱氮除磷工艺如A/A/O、SBR、氧化沟等均要求C/N大于6、C/P大于20，才能发挥出应有的功效[1]。另外，这些工艺多数不能满足氮磷的同时高效去除，因为在这些工艺中存在着难以协调的竞争和矛盾[2~5]：
1.微生物独立
这些工艺中存在着各种各样不同种类的微生物，它们的基质类型、对环境条件(pH、DO、T等)要求不同，由此产生了微生物之间的矛盾和竞争。
2.污泥龄的矛盾
在脱氮除磷工艺中，除磷是通过排出剩余污泥来实现的。聚磷菌多为短世代微生物，泥龄越长，污泥含磷量越低，而硝化菌的世代周期则较长。硝化过程需要的长泥龄和除磷需要的短泥龄之间存在矛盾。
3.对碳源有机物的竞争
在脱氮除磷系统中，碳源主要用于反硝化、释磷和异养菌的正常代谢。在缺氧段，反硝化菌先于聚磷菌利用有机碳源进行反硝化脱氮，导致聚磷菌没有充足的碳源，从而导致释磷程度降低。而对于硝化段来说，过多的碳源会使生长速率较高的异养菌迅速生长，争夺溶解氧，从而降低硝化速率。
4.硝酸盐的矛盾
聚磷菌需要在严格的厌氧条件下才可以发挥作用进行释磷，在传统工艺中，污泥回流会将一部分硝酸盐带入厌氧区，从而导致厌氧区的非严格厌氧，严重影响聚磷菌的释磷效率。
5.溶解氧的矛盾
传统的脱氮除磷工艺将厌氧、缺氧、好氧各处理过程同处一个活性污泥系统，而活性污泥絮体对气泡的吸附作用不可避免的将溶解氧带入缺氧段和厌氧段，从而影响了聚磷菌的释磷能力和反硝化菌的脱氮能力。
这些竞争和矛盾广泛存在于现有的脱氮除磷工艺中，严重影响了脱氮除磷效率。因此，如何对传统的脱氮除磷工艺进行改进，消除这些竞争和矛盾，并保证低碳源条件下脱氮除磷的效率，是目前水处理领域亟待解决的难题。
1.2反硝化除磷的提出
20世纪70年代以来，反硝化除磷渐渐引起人们的注意，并得到迅速发展。反硝化聚磷菌的发现和证实主要经历了以下几个阶段[6~9]：
1977年，Osborn和Nieholls在反硝化过程中首次观测到磷快速吸收现象，表明某些反硝化菌能超量吸磷；
1986年，Comeau发现一些聚磷菌在缺氧状态下具有利用硝酸盐作为电子受体除磷的功能，同时完成反硝化脱氮；
1987年，Vlekke等采用厌氧/缺氧SBR，证明NO3-可以作为电子受体除磷；
1992年，Wanner等通过反硝化除磷的特性自行开发的N、P去除新工艺的试验，证实了缺氧条件下一些除磷菌具有反硝化能力；
1993年，Kuba发现在厌氧/缺氧交替运行条件下，易富集一类兼有反硝化和除磷作用的兼性厌氧微生物，利用硝酸盐为电子受体，在缺氧环境下同时进行反硝化和除磷；
随后，Kerm-Jespersen通过试验指出，聚磷菌由两部分组成，一部分只能用氧作为电子受体，另一部分既能利用氧也能用NO3--N作为电子受体，即反硝化聚磷菌DPB（Denitrifying Phosphorus-removing Bacteria）；
1995~1996年，Smolders等和Kuba等在UCT工艺中证实了中试规模的除磷脱氮系统中除磷菌的反硝化功能。
目前，某些反硝化除磷工艺在欧美一些国家已经应用于实际工程，并取得了良好的脱氮除磷效果。
二．反硝化聚磷原理及特点
多数研究者认为聚磷菌包括两类菌属[10]，一类只能以氧作为电子受体，被称作好氧聚磷菌，而另一类既能以氧又能以硝酸盐作为电子受体，即反硝化聚磷菌DPB。
DPB在缺氧条件下能以硝酸盐代替溶解氧作为电子受体进行聚磷，同时将硝酸盐还原成N2或氮化物，将反硝化和除磷这两个过程合二为一，一碳两用，达到同步脱氮除磷的目的。DPB的厌氧释磷机理与好氧聚磷菌相同，即在分解细胞内聚磷酸盐的同时产生ATP，并利用ATP将污水中的低分子发酵产物等有机物摄入细胞。缺氧吸磷机理与好氧聚磷菌吸磷的不同之处在于产生能量的电子传递链的最终电子受体不同[6]：
好氧：NADH2+0.5O2→δATP+H2O
缺氧：NADH2+0.4HNO3→δNATP+0.2N2+1.2H2O
δ、δN为好氧和缺氧产能效率(molATP/molNADH2)
有文献表明[11]，充分利用反硝化除磷原理，可使COD需求量减少50%，耗氧量减少30%，剩余污泥量减少50%。反硝化除磷的优点是[12]：氮、磷的去除率高，出水TN<5mg/L，正磷几乎为零；SVI值低且稳定，一般在80～20 mL/g，能有效减少曝气池及二沉池的容积；能有效利用碳源，在C/N、C/P值较低时仍能良好运行；控制简单，通过ORP与DO可有效实现过程的稳定控制；可使用生物除磷器获得富磷污泥，使磷的循环利用成为可能。
三．反硝化除磷工艺简介
目前常见的反硝化除磷工艺有单泥系统和双泥系统之分。在单级工艺中，DPB、硝化菌以及非聚磷菌同时存在于悬浮增长的混合液中，顺序经历厌氧/缺氧/好氧三种环境，最具代表性的是BCFS工艺。在双级工艺中，硝化菌独立于DPB单独存在于固定膜生物反应器或好氧硝化SBR反应器中。在此类工艺中，反硝化除磷污泥在厌氧区吸收有机物合成PHB后，经泥水分离不经过好氧段直接进入缺氧区，PHB全部用于反硝化摄磷，保证了反硝化所需的碳源[13]。而供氧仅用于硝化和反硝化除磷后剩余有机物的氧化，从而减少了曝气量。主要有Dephanox工艺和A2NSBR工艺等。
3.1 BCFS工艺
BCFS（Biologische-Chemische-Fosfaat -Stikstof verwijdering）工艺由荷兰Delft工业大学kluyver生物技术实验室开发，现已在欧美多个污水处理厂得到初步应用，脱氮除磷效果极佳。BCFS实际上是UCT的变形工艺，包括厌氧池、缺氧池、好氧池，并增加了接触池和混合池以及两个内循环QB和QC[12]，见图1。
图1 BCFS工艺流程图(略）
Fig.1 BCFS process flow
厌氧池：厌氧条件是通过进水及从缺氧池回流的缺氧混合液(控制进入厌氧池的硝酸盐氮浓度足够低)来维持的，以确保污水中的挥发性脂肪酸(VFA)只被用于除磷菌释磷时所吸附。
接触池：在该选择器中氧浓度为零，该池的设置一方面是为了阻止污泥膨胀，另一方面DPB在该池中也同样发挥作用，此过程是厌氧池反应过程的延续。
缺氧池：该池的设置一是通过反硝化以获得不含硝酸盐的污泥，进而提高厌氧池的释磷效率；其次是利用好氧池中的硝酸盐来反硝化除磷，既强化了反硝化除磷菌从而达到真正的同步生物脱氮除磷的目的，同时也降低了对碳源的要求。
缺氧/好氧混合池：正常情况下该池可不充氧，缺氧条件通过好氧池回流的混合液来维持，可进一步进行反硝化。
好氧池：与常规处理工艺中功能相同，其主要作用是去除COD、BOD及进行硝化。
内循环QA：缺氧池到厌氧池的循环，可使进入厌氧池的硝酸盐浓度足够低，使污水中的VFA完全用于生物除磷。
内循环QB：好氧池到缺氧池的循环，可以辅助回流污泥向缺氧池补充硝酸氮。
内循环QC：好氧池到混合池的循环，增加硝化或同时反硝化的机会，有利于降低出水氨氮。
BCFS工艺一方面将好氧吸磷、缺氧吸磷及富磷上清液的离线化学沉淀有机结合起来，去除1mgP只需2mgCOD，出水TP≤0.2mg/L；另一方面将传统生物脱氮、同时硝化反硝化、反硝化除磷结合起来，出水TN≤0.5mg/L；另外，通过ORP和DO在线监测可方便地进行过程控制。
3.2 Dephanox工艺
Wanner在1992年开发出以厌氧污泥中PHB为反硝化碳源的工艺，取得良好脱氮除磷效果。之后据此提出了具有硝化和反硝化除磷双泥回流系统的Dephanox脱氮除磷工艺[7]，见图2。
图2 Dephanox工艺流程图（略）
Fig.2 Dephanox process flow
回流污泥在厌氧池中完成释磷和PHB的储备后，在沉淀池进行泥水分离。分离后的上清液进入固定膜反应池进行硝化，而污泥则直接进入缺氧池进行反硝化除磷（不经好氧阶段，聚磷菌体内PHB未被消耗，全部用于反硝化聚磷，保证了反硝化所需的碳源）。随后进入好氧池再生污泥（氧化细胞内残余的PHB），使其在下一个循环中发挥最大的释磷和PHB储备能力。该工艺供氧仅用于硝化和反硝化除磷后剩余有机物的氧化，减少了曝气量。
该工艺最大的优点是使附在生物膜上的敏感的硝化菌不暴露在缺氧条件下，而传统的活性污泥系统则做不到这一点。经证实该工艺能耗低、污泥产量低且对有机基质的利用非常有效，解决了反硝化菌和聚磷菌对有机基质的竞争问题，同时也解决了活性污泥中异养菌和硝化细菌的竞争问题[14]。但是，磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度，当硝酸盐量不足时会限制磷的过量摄取，富余时硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌PHB的合成。实际应用时进水中氮磷比是很难恰好满足缺氧摄磷的要求的，这给系统的控制带来了困难。
3.3 A2NSBR工艺
A2NSBR工艺由厌氧/兼氧序批式反应器(Anaerobic/aerobic SBR)和硝化序批式反应器(SBR for Nitrification)组成。A2/O-SBR反应器主要功能是去除COD和进行反硝化除磷，N-SBR反应器主要起硝化作用。这两个反应器的活性污泥完全分开，只将各自沉淀后的上清液相互交换，见图3。
图3 A2NSBR工艺流程图（略）
Fig.2 A2NSBR process flow
进水和回流污泥完全混合后进入厌氧池，在此聚磷菌吸收易于降解的有机物进行PHB储备，同时释磷；随后混合液进入中间沉淀池，泥水分离：一部分是富集氨氮的上清液，进入侧流好氧固定生物膜反应池进行硝化反应；另一部分是含有大量PHB的DPB沉淀污泥，同好氧固定生物膜反应池流出的硝化液一起进入主流缺氧反应池，在此利用氧化PHB放出的能量，以硝态氮作为电子受体进行反硝化除磷。
与Dephanox工艺一样，A2NSBR可分别控制聚磷菌和反硝化菌的泥龄，有利于反硝化除磷与硝化的各自优化。两个反应器的沉淀上清液相互交换，保证了原水中85%~90%的COD在A2/O-SBR的厌氧段被活性污泥快速吸附或降解并用于该段厌氧释磷和缺氧段反硝化，提高了有机物利用率。在N/P比最优的情况下，比传统工艺节省50％的COD，除磷率接近100％，脱氮率约90％[15]。
A2NSBR工艺的缺点是脱氮效率不高，主要原因是DPB污泥中残存NH4+，厌氧结束后只是上清液转移至硝化反应器，而污泥中残存的NH4+进入缺氧段，只有当缺氧段的NH4+与DPB生长所需的NH4+浓度相持平时，N的去除率才能达到100％，实际中很难达到，从而使出水中含有部分NH4+。
四．反硝化除磷研究进展
近年来，国内外关于反硝化除磷的研究越来越多，自从1986年，Comeant首次将传统生物除磷工艺的除磷菌生化代谢模型应用到反硝化除磷菌中以来，反硝化除磷工艺得到了迅速的发展，1995年，Kuba等又将Smolders提出的A/O工艺生物除磷菌代谢模型经过修正，应用到了反硝化除磷代谢模型中。随后，新加坡的J.Y.Hu[16]等人提出了3种聚磷菌学说，并且他认为：亚硝酸盐在聚磷阶段并不是一种抑制因素，反而是可以取代O2与NO3--N的电子受体。目前，荷兰BDG与WGS工程咨询公司对BCFS技术合作开发设计出同心圆反应池，实现了计算机自动控制。
国内对反硝化除磷也有一些研究，2002年，广州市政工程设计研究院的隋军发明了新型反硝化聚磷一体化设备[17]，较常规工艺节省了85%的回流液，反应器与沉淀池体积可减少30%；2004年，上海市政设计研究院的邹伟国开发了活性污泥法与曝气生物滤池相结合的PASF双泥工艺[18]，现已应用于上海曲阳污水处理厂改建工程；2006年，任南琪提出了连续流HITNP双泥工艺[19]，流程简单、易于控制、出水水质较好；2005年，李勇智和王爱杰[20]均提出可利用NO2--N为电子受体完成反硝化除磷，并可联合sharon工艺，实现短程硝化反硝化聚磷，进一步节省耗氧量和碳源，减少剩余污泥量；随后，任南琪、王爱杰采用A/A-SBR反应器，证实了厌氧/缺氧条件下以NO2--N为电子受体的反硝化聚磷工艺的可行性。
五．结语
目前，反硝化除磷技术已从基础性研究发展到了工程应用阶段。实践表明它对城市污水，特别是C/N值较小的污水有很好的处理效果。反硝化除磷工艺首先要考虑DPB的富集，因此，在反硝化除磷的机理和影响因素、改进反硝化除磷工艺和开发更合理的数学模型等方面仍需进一步研究。另外，如何更稳定和有效地处理污水及协调好处理过程中各菌种间的矛盾也是今后值得研究的问题。
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