林燕，楊永哲，袁林江，彭黨聰，王志盈?
( 西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西西安710055)

　　摘　要：在參閱大量國內外文獻資料的基礎上，綜述了生物除磷脫氮技術的現狀及發展趨勢，介紹了針對系統環境條件、碳源需求以及對反硝化聚磷的誘導與調控等領域內的研究動向。?
　　關鍵詞：生物處理；除磷；脫氮?
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0020-03

　　氮、磷等植物營養型污染物的排放會導致水體的富營養化?！段鬯C合排放標準》(GB8978—1996)對所有排放污水中的氮、磷含量都做出了明確的規定，其中磷(以正磷酸鹽計)的排放要嚴格控制在0.5mg/L(一級標準)和1mg/L(二級標準)以下，因此今后大多數城市污水處理廠都要考慮采用除磷脫氮的技術措施。
　　生物脫氮除磷技術由于具有同時脫除C、N、P且處理成本低等優點而得到廣泛應用。各國學者根據厭氧、缺氧、好氧等池子的大小、排列、數量增減以及混合液循環和回流方式的變化，開發出了一系列生物除磷工藝和技術，其中有很多工藝是由A2/O工藝改進而來，如VIP工藝、UCT工藝以及JHB等。另外，還有通過對曝氣供氧的控制在空間和 時間上形成厭氧與缺氧環境的氧化溝工藝和SBR工藝。在這些生物除磷脫氮工藝中，目前發展并應用于工程實踐的有：Bardenpho工藝、A/O工藝、MUCT工藝、SBR工藝、Phoredox工藝和氧化溝工藝等，各種工藝都是盡可能將除磷和脫氮過程分開以排除相互干擾。雖然有些工藝幾乎完全 解決了兩者之間的主要矛盾，但工藝變得復雜了，增加了構筑物以及處理成本。
　　隨著近代生物學的發展以及人們對生物技術的掌握，脫氮除磷技術由以單純工藝改革向著以生物學特性研究、促進工藝改革的方向發展，以達到高效低耗。

1 對系統環境條件的研究

　　系統中硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要在于泥齡。由于硝化菌世代周期較長，而聚磷菌多為短世代微生物，在泥齡上存在著矛盾。針對此矛盾，在污水處理工藝的系統設計及運行中，一般將泥齡控制在較窄的范圍內，以兼顧除磷與脫氮的需要。另外為了能夠充分發揮脫氮菌與聚磷菌的各自優勢，有的研究者提出了改良的工藝流程以使兩種菌的泥齡矛盾得以解決。近幾年有很多研究提出將活性污泥法與生物膜法相結合以緩解這一矛盾^［1］，這時系統中就存在兩種菌群：短泥齡懸浮態活性污泥菌群和長泥齡的生物膜上附著的菌群，這樣就很好地解決了硝化菌與聚磷菌間的泥齡矛盾。?
　　由于快速生物降解COD理論的發展，人們逐漸認識到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要是由基質競爭引起的，因而現今有很大一部分研究者將工作的重點轉移到了對碳源需求的研究上。

2 解決碳源需求問題的研究

　　脫氮和除磷過程中的反硝化菌和聚磷菌間的矛盾主要是由基質競爭引起的。傳統生物除磷機理認為^［2～4］：在厭氧環境下，聚磷菌只能利用污水中的易生物降解物質，其他都要經水解/發酵后轉化為乙酸等VFA后才能被聚磷菌利用。而在缺氧環境下，反硝化菌先于聚磷菌利用這類有機物進行脫氮，導致PAO釋磷程度降低，細胞內PHB“庫存量”減少。同時厭氧條件下磷釋放的充分程度和合成的PHB量是隨后好氧條件下過量攝磷的充分條件和決定性因素。因此系統的除磷效率取決于污水中易生物降解的溶解性有機物(RBCOD)的多少，一般進水溶解性BOD/TP≥15時才能保證出水磷含量＜1mg/L，而實際上污水中這類有機物有限，這部分碳源相對不足導致整個系統脫氮除磷效率不佳^［2］。為此，國外自20世紀80年代以來進行了大量的研究，提出了向污水中投加甲醇(稱外加有機碳源)，并應用于工程實踐。然而，雖然外加有機碳源使反硝化速率加快，脫氮效率提高，但運行成本也相應大幅度增加，因而這種方法很少采用?；谝陨显?，研究者們進行了大量的工藝改進。?
　　①改進工藝以將除磷和脫氮在空間或時間上分開，即在不同反應器或同一反應器的不同時間段，分別設置厭氧、缺氧、好氧環境來滿足脫氮與除磷要求，這樣做一方面是為了使PAO能夠優先攝取到污水中的VFA，盡可能充分地釋放磷，聚積PHB(如A2/O工藝)；另一方面盡量避免脫氮過程中從好氧段回流來的混合液中的硝酸鹽與PAO接觸，以消除硝酸鹽對除磷過程所造成的不良影響(如Bardenphor工藝)。?
　?、诳焖倏商娲袡C碳源的研究。進入20世紀90年代后，尋找快速可替代有機碳源已經成了污水生物除磷脫氮的研究熱點之一。在城市污水中顆粒態有機物(占污水COD組成的60%) 可通過沉淀去除，其中一般初沉池對其去除率可達60%^［3］。這些顆粒態有機物再加上初沉池中的脂肪、蛋白質等就構成了大量的有機碳源，如果能將這些慢速降解有機碳源的一部分轉化為快速降解碳源再投加到污水中去，則該部分轉化來的快速有機碳源將使污水的生物除磷脫氮效率大大提高?；谶@一設想，有些污水處理廠設立初沉污泥發酵池，利用發酵池上清液來補充原水VFA含量之不足，但由于初沉污泥水解發酵需要較長停留時間，發酵池所需體積較大，而且有機物降解過程也不易控制在水解發酵階段，同時部分非聚磷苷糖元積累菌(GAO)和產甲烷菌的增殖也會消耗掉相當一部分由厭氧水解發酵菌產生的VFA，使得這一彌補碳源不足的方法難于收到預想的效果。所以國內有部分學者正在研究如何采用生物技術將初沉污泥這種潛在的碳源高速、高效地轉化為快速有機碳源，以達到提高污水除磷脫氮效果和廢 物利用的雙重目的。

3 短程硝化反硝化的研究

　　近年來國內外學者對污水脫氮工藝實踐中暴露出的問題和現象進行了大量理論和試驗研究，并提出了一些新的觀點和方法，其中短程生物脫氮法由于具有節能、節約外加碳源、縮短水力停留時間和減少剩余污泥排放量等優點而頗受重視，具有重要的應用價值。早在1975年，Voet就發現亞硝酸鹽在硝化過程中的積累現象，并首先提出了短程硝化—反硝化的概念，隨后Sauter、Sutherson等先后進行了一些試驗。1984年美國普度大學Alleman根據Anthonisen的 間歇試驗結果提出了選擇性抑制理論，其后Mavinic又采用縮短污泥齡的方式進行了試驗，但效果并不明顯。有的研究采用雙重抑制(混合菌群同時接觸高濃度游離氨和酚)，但也發現硝化菌存在著適應性的現象。進入20世紀90年代以后，短程硝化—反硝化的研究再次進入高潮，法國應用科學研究所的Capdivil等在歐共體環境科學技術計劃的支持下分別對亞硝酸鹽在活性污泥、固定床以及三相流化床中的積累途徑和可行性進行了研究；Mulder發明了SHARON 工藝，該工藝使硝化系統中亞硝酸鹽的積累可接近100%，并且已經應用于荷蘭Rotterdam和Utrech兩座城市污水二級處理廠的消化上清液單獨生物脫氮處理中，但SHARON工藝的出水氨氮不能達到完全氧化(主要是污泥齡太短)，在冬季仍需加溫。在眾多影響工藝過程的參數中，溶解氧是影響硝化過程的重要因素之一，不少研究結果證明了低溶解氧下生物膜系統可獲得持久、穩定的亞硝酸鹽積累。本課題組采用下向流循環生物流化床反應器(DBFB)，分別在高濃度氨和低溶解氧條件下探討了亞硝化過程的穩定性，試驗結果證明：通過高濃度游離氨 對硝化菌選擇性抑制所獲得的亞硝酸鹽積累是不穩定的，在0.5～1.0mg/L溶解氧下，DO成為增殖的限制因素，可實現亞硝酸鹽的穩定積累^［4］。?
　　無論是SHARON工藝還是利用低溶解氧下亞硝酸鹽的積累，其本質均是利用了微生物動力學特性固有差異而實現兩類菌的動態競爭與選擇的結果，尤其是降低DO作為實現短程硝化的控制是對傳統好氧處理和傳統生物脫氮處理的深化，但諸如活性污泥的沉降性能和污泥膨脹、低DO下同步硝化反硝化等問題仍有待于進一步研究與完善。

4 對反硝化聚磷的誘導與調控研究

　　在以上所提到的諸多方法中，提高除磷效率往往伴隨著脫氮率的下降。比如，大部分改進的除磷脫氮工藝都是將厭氧區放于缺氧區之前，這樣水中的有機物在經厭氧區聚磷菌的利用后已經所剩無幾，因此就影響到了隨后的缺氧區的反硝化過程。所以我們希望聚磷菌或者聚磷菌的一部分能夠在缺氧條件下也進行反硝化作用，這樣對碳源的競爭就可以在很大程度上得到緩解了。因此國內外有些學者設想如果將反硝化與除磷這兩個需碳源的過程合二為一，即在缺氧環境下利用硝酸鹽作為電子受體，同時進行反硝化作用和超量聚磷，這樣就可以最大程度地減少碳源需求量。污泥中的細菌可以在缺氧條件下吸收一部分易生物降解溶解性有機物同時用于脫氮和攝磷，以克服污水中其不足的問題，提高脫氮除磷效率。近幾年國外Baker^［5］和Kuba^［6］等就發現在某些改良的UCT脫氮除磷處理系統中污泥能夠利用硝酸鹽作為電子受體，在缺氧環境下同時進行反硝化作用和超量聚磷，認為存在反硝化聚磷的細菌(DNPAO)。Meinhold^［2］在實驗室進行的小型間歇試驗也觀察到同步脫氮除磷的現象，證明部分PAO具有利用硝酸鹽進行脫氮的能力。在國內，筆者等在試驗中也觀察到了PAO的反硝化聚磷能力，即利用這種細菌來進行生物除磷脫氮既可以基本解決以上所提到的碳源需求等問題，又可以用DNPAO來實現傳統除磷脫氮工藝中的反硝化菌和聚磷菌兩類細菌的功能，減少污泥產量，降低污泥處置費用，當然還可以實現減少構筑物數量和所需體積。由于有的研究表明磷的去除效果在很大程度上取決于缺氧環境中硝酸鹽的濃度，硝酸鹽濃度不足則磷的過量攝取受限，硝酸鹽濃度過高時帶入厭氧段的硝酸鹽會影響磷的釋放。所以在不同環境條件下，DNPAO的誘導增殖與代謝途徑變化規律以及系統中DNPAO菌群演化數量的判定和調控方式等都是亟待研究的課題。

參考文獻：

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　　收稿日期：2001-11-27