反硝化除磷机理及影响因素研究

陈腾殊，白少元，徐建宇，林雨倩，温家鸣，付弘源

（桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004）

近年来，随着除磷研究在微生物学领域的深化，在污水处理试验和实际工程中人们都发现反硝化除磷现象，反硝化除磷技术是用厌氧/缺氧交替环境来代替传统的厌氧或好氧环境，培养驯化出以硝酸根作为最终电子受体的反硝化聚磷菌（denitrifying phosphorus removing bacteria， 简称DPB） 优势菌种，通过菌群的代谢作用在缺氧条件下同步实现吸磷和反硝化作用，实现“一碳两用”达到脱氮除磷的双重目的［1］。与传统生物脱氮除磷技术相比，该技术缓解了传统污水处理系统中反硝化和释磷对碳源的需求矛盾、硝化菌和聚磷菌（PAOs）所需的最佳SRT相抵触等矛盾［2］，同时能够起到减少曝气量、节约能耗、降低污泥产量的作用［1］。

1 反硝化除磷作用的发现

污水处理中在对除磷脱氮系统的研究过程中发现，活性污泥中的一部分聚磷菌能以硝酸盐作为电子受体在进行反硝化的同时完成过量吸磷。1993年荷兰Delft大学的Kuba在试验中观察到:在厌氧/缺氧交替运行条件下，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NO-3作为电子受体，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。对于这种现象有关研究学者认为生物除磷系统中的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［3］。

2 反硝化除磷机理

目前，国际普遍认可和接受的生物反硝化除磷理论是聚磷菌吸磷和释磷原理：在厌氧、缺氧交替运行条件下培养驯化出聚磷菌的一类微生物，它能够以硝酸盐、亚硝酸盐、氧气作为电子受体；其聚磷菌体内的PHB和糖原质生物代谢原理与传统A/O法中的PAOs极为相似［4］。反硝化除磷过程中厌氧释磷和缺氧吸磷两个过程的代谢模式如图1所示［5］。

图1 聚磷微生物放磷、聚磷机理

2.1 厌氧环境

在厌氧过程中，PAOs水解体内的ATP，形成ADP和能量，同时将胞内的多聚磷酸盐（Poly-p）分解，以无机磷酸盐（）的形式释放出去。同时PAOs利用原酵产物（NADH2）和能量摄取废水中的有机物来合成大量的有机颗粒PHB，贮存在细胞体内。此时表现的是磷的释放，其反应方程式基本关系为：

ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量

2.2 缺氧环境

ADP+H3PO4+能量→ATP+H2O

3 反硝化除磷工艺的影响因素

3.1 碳源

碳源是微生物生长过程中需求量最大的营养元素。在污水处理系统中碳源大部分用于释磷、反硝化和异养菌正常代谢等方面。许多研究已证明，污水中所含的有机基质对磷有很大影响。其中大部分聚磷菌只能利用以低级脂肪酸类小分子的有机基质，并将其合成的PHB以能量的形式贮存于细胞内。反硝化除磷有机物的影响主要是有机物类型与COD相对投加量的影响。有关研究表明，释磷菌在利用不同基质对磷的释放率存在着明显差异。Evans（1983年）等学者的试验结果表明，在厌氧段投加丙酸、乙酸、葡萄糖等简单有机物能诱发磷的释放，但以乙酸的效果为最佳。经研究发现，在生物除磷过程中，聚磷菌只有在厌氧段进行充分地放磷，才能保证在后续的吸磷段实现良好的效果［6-7］。故可以在厌氧段投加乙酸等易降解的低分子有机物来提高微生物的释磷量，增加体内有机物的贮存，为后续缺氧阶段更好地吸磷创造良好的条件。而且碳源只有投加在厌氧段才能使出水的磷含量减少，如将碳源投加在缺氧段，则会优先支持反硝化而使出水硝酸盐和亚硝酸盐的浓度降低，却不发生吸磷反应［8］。

3.2 硝酸盐和亚硝酸盐

研究发现，硝酸盐和亚硝酸盐亦可作为生物除磷的电子受体。有关资料表明，厌氧段如果存在则反硝化菌将优先利用碳源进行反硝化反应而抑制聚磷菌的释磷和PHB的合成［9］。然而，缺氧段的吸磷量和硝酸盐投量有关［10］。Merzouki等在考察硝酸盐投加量对A2NSBR工艺除磷效果的影响时发现：系统的除磷效果主要取决于缺氧段所投加的硝酸盐量及水力停留时间。在碳源充足的前提下，硝酸盐氮浓度是决定吸磷能否完全的限制性因素［11］。 Meinhold（1999年）认为当亚硝酸盐浓度不是很高（≤4～5mgNN/L）时其可作为吸磷的电子受体；但当浓度较高时（≥8mgN/L）亚硝酸盐对缺氧吸磷完全起抑制作用。 Jiang等［12］对（A/O）2SBR系统中的反硝化除磷现象进行了考察，采用把硝化控制在阶段和控制在阶段两种策略，两种污泥对亚硝酸盐氮的耐受质量浓度分别达到10mg/L和30mg/L，他们认为反硝化聚磷菌对的耐受力和利用其进行反硝化吸磷的能力，都可以通过驯化加以提高。

3.3 温度

污水生物处理实质是利用微生物体内的酶促生化反应来实现对有机物污染物的代谢过程。酶的本质是蛋白质，其催化作用受到温度的限制，由于酶本身所具有的蛋白质特性决定了污水生物处理反应器为了取得良好的处理效果就必须将温度控制在一定的范围内运行。研究表明，A2N双污泥反硝化除磷系统在低温下的硝化反硝化效果好于单污泥反硝化除磷系统，但5℃的低温对聚磷菌的生长有抑制作用，并且低温对A2N双污泥系统的影响更显著。王亚宜等［13］认为低温条件将减小生物除磷过程厌氧放磷和缺氧吸磷的生化反应速率，但是低温对系统整体吸磷效果的负面影响不大。随着温度增高，释磷和吸磷速率都略有增加，对磷的去除影响非常小。吉芳英等［14］在除磷脱氮SBR系统中考查了温度对反硝化除磷能力的影响。结果表明，反硝化除磷适宜温度范围为18℃～37℃，在此温度范围内反硝化除磷速率随温度升高而提高，而且温度变化基本上不影响反硝化除磷系统去除量和转化量之间的定量关系。

3.4 溶解氧及ORP

反硝化除磷系统中厌氧段溶解氧过高会影响该段磷的有效释放，缺氧段溶解氧过高则会影响反硝化过程，所以反硝化除磷过程中厌氧和缺氧段都要求较低溶解氧。令云芳等［15］认为反硝化除磷厌氧和缺氧段应保持ρ（DO）<0.2mg/L。厌氧段的溶解氧含量（<0.2mg/L）通常用氧化还原电位（ORP）来度量。研究表明，ORP值和磷含量之间呈良好的相关关系，能直观地反映P浓度的变化，从而能定量反映聚磷菌的性能特征，因此可把它作为厌氧释磷过程扰动的一个实时指标。当ORP值为正值时聚磷菌不释磷，而当ORP值为负值时绝对值越高则其释磷能力就越强，一般认为应把ORP值控制在-200～-300mV。

3.5 C/N和C/P值

污水处理中，按照理想的除磷理论，碳源（电子供体）和氧化剂（电子受体）不能同时出现，否则脱氮和除磷的效果都会受到影响［10］。在实际污水处理中不可能达到完全理想的条件，故在提供给厌氧段足够的碳源和足量的硝酸盐的同时应该注意协调。以平衡进水的C、N和P最佳比例以达到最佳的处理效果。当进水C/N值较高时，由于量不足将导致吸磷不完全而使出水的磷含量偏高；而由于碳源的过量使得在后续的缺氧段过剩碳源被用于反硝化菌进行反硝化而未进行吸磷。进水C/N值较低时，则会因过量而造成反硝化不彻底。1996年，Kuba在考察A2NSBR工艺的运行特征时发现其最佳C/N值为3.4，此时除磷率几乎达到100%。当C/N值高于此值时（硝酸盐量不足）可在缺氧段后引入一个短时曝气（以O2作为电子受体）将残留的磷去除；当C/N值低于此值时可通过外加碳源来去除过量的硝酸盐。1999年，G.Bortone在对Dephanox和JHB两工艺进行对比试验中得到两者在不同C/N值时的除磷率。为此在实际污水处理中工作人员为达到最佳的除磷率应根据当地的水质情况通过试验来确定最佳C、N和P的比例。

3.6 pH值

pH值对微生物的生命活动影响很大。微生物常常由于某些底物的消耗和代谢产物的积累而使系统的pH值发生变化。如生物硝化反应会消耗碱度，引起pH值下降；而反硝化过程产生碱度，会造成pH值的升高。

厌氧反应中产生有机酸，故反硝化除磷过程中，厌氧反应pH值将出现下降趋势，污泥厌氧放磷的基本关系式如下：

2C2H4O2+HPO3+H2O→（C2H4N2）2（贮存的有机物）+3H-

缺氧反应反硝化和聚磷的共同作用会使得该区域pH上升。反应关系式如下：

在缺氧反硝化和吸磷过程中pH值均会有大幅度的升高，当pH>8时，磷浓度会因化学沉淀作用而大幅下降，无法正确判断磷是生物作用去除，还是通过化学沉淀去除。任南琪在试验中发现在缺氧段pH值为7±0.1，厌氧段pH值为7～8时，在较高的pH值条件下脱氮除磷效果最好；在pH值在7～8时，释磷吸磷速率最快。

3.7 污泥停留时间（SRT）

污泥龄时间的长短对反硝化除磷工艺性能的影响较大。Merzouki等研究表明：SBR反硝化除磷系统，SRT=15d的除磷率比SRT=7.5d除磷率高1.8倍，甚至提高83%。SRT较短使得系统中的PAOs首先被淘洗出去，生物除磷系统遭到破坏，除磷率降低。但是，SRT过长会出现磷的“自溶”现象，SRT长短将对连续流A/A/O工艺中反硝化除磷性能产生较大影响，同时还会影响去除单位氮和磷所需的COD数量。在短SRT时（8d）几乎没有反硝化除磷作用，然而随着SRT的延长，缺氧吸磷在系统除磷中所起的作用也越来越大，但SRT过长时（15d）会降低除磷效率。同时提出在其试验条件下以SRT为12d时反硝化除磷和系统脱氮除磷效果最好。

3.8 水力停留时间（HRT）

生物除磷系统中，水力停留时间很大程度上决定了污水的处理程度，厌氧过程是微生物吸收进水中的有机碳源、为后续除磷脱氮提供电子供体的主要场所。故厌氧段HRT长短对系统的除磷脱氮效果起着关键的影响。研究发现，A2N工艺中厌氧段HRT对厌氧释磷和后续缺氧聚磷产生极大的影响。厌氧段的HRT过长，系统将出现了没有有机物吸附的无效释磷。而无效释磷对于DPB胞内PHA的合成没有任何贡献，并且缺氧段氮和磷的去除率并没有因为厌氧段释磷量的增加而提高。如果厌氧段的HRT较短，DPB在厌氧段则不能以完全吸收进水中的易降解COD并转化成PHA储存，然而后续的缺氧段和好氧段，DPB就不会有足够的PHA作为电子供体过量吸磷。而且由于电子供体的不足，缺氧段对氮的去除也受到影响。

3.9 其他影响因素

3.9.1 生物膜扩散和层状分布

底物扩散渗透作用的强弱会影响反应级数、生物膜自内向外的生物种类和特性。况且，扩散作用又涉及到溶液浓度、生物膜厚度及微生物呈层分布等诸多因素，这些影响因素在生物膜反硝化除磷系统中必须予以考虑［16］。

3.9.2 搅拌

厌氧区和缺氧区不需供氧，但要使反应充分则需要搅拌，使污泥处于悬浮态，同时应注意搅拌速度，太大会导致溶氧增加，太小悬浮污泥则不均匀。

3.9.3 容积交换比

要提高A2NSBR工艺的脱氮除磷率，最可行的方法是增大A2SBR和NSBR的容积交换比，或者考虑利用两个SBBR（Sequencing Batch Biofilm Reactor）来进行反硝化除磷脱氮。

3.9.4 MLSS

通常系统中的MLSS越大，则说明DPB含量越多，在厌氧过程的释磷效果越好，并且在缺氧段DPB的吸磷能力也更强［16］。但是MLSS也不能过大，否则会给沉淀分离带来困难，还会增加污泥处理成本。

4 结语

反硝化除磷菌工艺被誉为21世纪适合可持续发展的绿色工艺，能将反硝化脱氮和生物除磷这两个本来认为彼此独立的作用合二为一，同时能够节省碳源和曝气量，减少污泥产量，特别是能够解决我国南方城市市政污水普遍存在C/N或C/P比偏低的问题。因而，反硝化除磷工艺是一种具有成本低、运行效果好的新的脱氮除磷工艺，对我国的市政污水的深度除磷脱氮处理具有相当大的现实意义。

随着学科和技术的发展，基础研究向工艺改革的转化，需要开发各种在线监测技术，利用数学模型来优化工艺进一步提高反硝化除磷技术。

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