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

　　摘　要：在參閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，綜述了生物除磷脫氮技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，介紹了針對系統(tǒng)環(huán)境條件、碳源需求以及對反硝化聚磷的誘導(dǎo)與調(diào)控等領(lǐng)域內(nèi)的研究動向。?
　　關(guān)鍵詞：生物處理；除磷；脫氮?
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2002)07-0020-03

　　氮、磷等植物營養(yǎng)型污染物的排放會導(dǎo)致水體的富營養(yǎng)化。《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978—1996)對所有排放污水中的氮、磷含量都做出了明確的規(guī)定，其中磷(以正磷酸鹽計(jì))的排放要嚴(yán)格控制在0.5mg/L(一級標(biāo)準(zhǔn))和1mg/L(二級標(biāo)準(zhǔn))以下，因此今后大多數(shù)城市污水處理廠都要考慮采用除磷脫氮的技術(shù)措施。
　　生物脫氮除磷技術(shù)由于具有同時脫除C、N、P且處理成本低等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。各國學(xué)者根據(jù)厭氧、缺氧、好氧等池子的大小、排列、數(shù)量增減以及混合液循環(huán)和回流方式的變化，開發(fā)出了一系列生物除磷工藝和技術(shù)，其中有很多工藝是由A2/O工藝改進(jìn)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(huán)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(fā)展并應(yīng)用于工程實(shí)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(fù)雜了，增加了構(gòu)筑物以及處理成本。
　　隨著近代生物學(xué)的發(fā)展以及人們對生物技術(shù)的掌握，脫氮除磷技術(shù)由以單純工藝改革向著以生物學(xué)特性研究、促進(jìn)工藝改革的方向發(fā)展，以達(dá)到高效低耗。

1 對系統(tǒng)環(huán)境條件的研究

　　系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中，一般將泥齡控制在較窄的范圍內(nèi)，以兼顧除磷與脫氮的需要。另外為了能夠充分發(fā)揮脫氮菌與聚磷菌的各自優(yōu)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(jié)合以緩解這一矛盾^［1］，這時系統(tǒng)中就存在兩種菌群：短泥齡懸浮態(tài)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(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾主要是由基質(zhì)競爭引起的，因而現(xiàn)今有很大一部分研究者將工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)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(zhì)競爭引起的。傳統(tǒng)生物除磷機(jī)理認(rèn)為^［2～4］：在厭氧環(huán)境下，聚磷菌只能利用污水中的易生物降解物質(zhì)，其他都要經(jīng)水解/發(fā)酵后轉(zhuǎn)化為乙酸等VFA后才能被聚磷菌利用。而在缺氧環(huán)境下，反硝化菌先于聚磷菌利用這類有機(jī)物進(jìn)行脫氮，導(dǎo)致PAO釋磷程度降低，細(xì)胞內(nèi)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(tǒng)的除磷效率取決于污水中易生物降解的溶解性有機(jī)物(RBCOD)的多少，一般進(jìn)水溶解性BOD/TP≥15時才能保證出水磷含量＜1mg/L，而實(shí)際上污水中這類有機(jī)物有限，這部分碳源相對不足導(dǎo)致整個系統(tǒng)脫氮除磷效率不佳^［2］。為此，國外自20世紀(jì)80年代以來進(jìn)行了大量的研究，提出了向污水中投加甲醇(稱外加有機(jī)碳源)，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。然而，雖然外加有機(jī)碳源使反硝化速率加快，脫氮效率提高，但運(yùn)行成本也相應(yīng)大幅度增加，因而這種方法很少采用。基于以上原因，研究者們進(jìn)行了大量的工藝改進(jìn)。?
　　①改進(jìn)工藝以將除磷和脫氮在空間或時間上分開，即在不同反應(yīng)器或同一反應(yīng)器的不同時間段，分別設(shè)置厭氧、缺氧、好氧環(huán)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(yōu)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)。?
　　②快速可替代有機(jī)碳源的研究。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，尋找快速可替代有機(jī)碳源已經(jīng)成了污水生物除磷脫氮的研究熱點(diǎn)之一。在城市污水中顆粒態(tài)有機(jī)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(dá)60%^［3］。這些顆粒態(tài)有機(jī)物再加上初沉池中的脂肪、蛋白質(zhì)等就構(gòu)成了大量的有機(jī)碳源，如果能將這些慢速降解有機(jī)碳源的一部分轉(zhuǎn)化為快速降解碳源再投加到污水中去，則該部分轉(zhuǎn)化來的快速有機(jī)碳源將使污水的生物除磷脫氮效率大大提高。基于這一設(shè)想，有些污水處理廠設(shè)立初沉污泥發(fā)酵池，利用發(fā)酵池上清液來補(bǔ)充原水VFA含量之不足，但由于初沉污泥水解發(fā)酵需要較長停留時間，發(fā)酵池所需體積較大，而且有機(jī)物降解過程也不易控制在水解發(fā)酵階段，同時部分非聚磷苷糖元積累菌(GAO)和產(chǎn)甲烷菌的增殖也會消耗掉相當(dāng)一部分由厭氧水解發(fā)酵菌產(chǎn)生的VFA，使得這一彌補(bǔ)碳源不足的方法難于收到預(yù)想的效果。所以國內(nèi)有部分學(xué)者正在研究如何采用生物技術(shù)將初沉污泥這種潛在的碳源高速、高效地轉(zhuǎn)化為快速有機(jī)碳源，以達(dá)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(nèi)外學(xué)者對污水脫氮工藝實(shí)踐中暴露出的問題和現(xiàn)象進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究，并提出了一些新的觀點(diǎn)和方法，其中短程生物脫氮法由于具有節(jié)能、節(jié)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(yōu)點(diǎn)而頗受重視，具有重要的應(yīng)用價值。早在1975年，Voet就發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽在硝化過程中的積累現(xiàn)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(jìn)行了一些試驗(yàn)。1984年美國普度大學(xué)Alleman根據(jù)Anthonisen的 間歇試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行了試驗(yàn)，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(fā)現(xiàn)硝化菌存在著適應(yīng)性的現(xiàn)象。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，短程硝化—反硝化的研究再次進(jìn)入高潮，法國應(yīng)用科學(xué)研究所的Capdivil等在歐共體環(huán)境科學(xué)技術(shù)計(jì)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(jìn)行了研究；Mulder發(fā)明了SHARON 工藝，該工藝使硝化系統(tǒng)中亞硝酸鹽的積累可接近100%，并且已經(jīng)應(yīng)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(dú)生物脫氮處理中，但SHARON工藝的出水氨氮不能達(dá)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(shù)中，溶解氧是影響硝化過程的重要因素之一，不少研究結(jié)果證明了低溶解氧下生物膜系統(tǒng)可獲得持久、穩(wěn)定的亞硝酸鹽積累。本課題組采用下向流循環(huán)生物流化床反應(yīng)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(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定的，在0.5～1.0mg/L溶解氧下，DO成為增殖的限制因素，可實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)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(zhì)均是利用了微生物動力學(xué)特性固有差異而實(shí)現(xiàn)兩類菌的動態(tài)競爭與選擇的結(jié)果，尤其是降低DO作為實(shí)現(xiàn)短程硝化的控制是對傳統(tǒng)好氧處理和傳統(tǒng)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(jìn)一步研究與完善。

4 對反硝化聚磷的誘導(dǎo)與調(diào)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(jìn)的除磷脫氮工藝都是將厭氧區(qū)放于缺氧區(qū)之前，這樣水中的有機(jī)物在經(jīng)厭氧區(qū)聚磷菌的利用后已經(jīng)所剩無幾，因此就影響到了隨后的缺氧區(qū)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(jìn)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(nèi)外有些學(xué)者設(shè)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(huán)境下利用硝酸鹽作為電子受體，同時進(jìn)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(xì)菌可以在缺氧條件下吸收一部分易生物降解溶解性有機(jī)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(fā)現(xiàn)在某些改良的UCT脫氮除磷處理系統(tǒng)中污泥能夠利用硝酸鹽作為電子受體，在缺氧環(huán)境下同時進(jìn)行反硝化作用和超量聚磷，認(rèn)為存在反硝化聚磷的細(xì)菌(DNPAO)。Meinhold^［2］在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的小型間歇試驗(yàn)也觀察到同步脫氮除磷的現(xiàn)象，證明部分PAO具有利用硝酸鹽進(jìn)行脫氮的能力。在國內(nèi)，筆者等在試驗(yàn)中也觀察到了PAO的反硝化聚磷能力，即利用這種細(xì)菌來進(jìn)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)除磷脫氮工藝中的反硝化菌和聚磷菌兩類細(xì)菌的功能，減少污泥產(chǎn)量，降低污泥處置費(fèi)用，當(dāng)然還可以實(shí)現(xiàn)減少構(gòu)筑物數(shù)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(huán)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?yún)捬醵蔚南跛猁}會影響磷的釋放。所以在不同環(huán)境條件下，DNPAO的誘導(dǎo)增殖與代謝途徑變化規(guī)律以及系統(tǒng)中DNPAO菌群演化數(shù)量的判定和調(diào)控方式等都是亟待研究的課題。

參考文獻(xiàn)：

　　［1］Chuang S H.Effects of SRT and DO on nutrient removal in a combined AS-BIOFILM process［J］.Water Research & Technology，1997，36(12):19-27.
　　［2］Carucci A，Kuhni M，BrunR，et al.Microbial cpmpetition for the organic substrates and its impact on Ebpr system under conditions of changing carbon feed［J］.Water Science & Technology，1997，36(12):19-27.
　　［3］Henze M,Gujer W,Mino T.Activated sludge model No.2nd?,Asm 2d［J］. Water Research & Technology，1999，39(1):165-182.
　　［4］王志盈，袁林江，彭黨聰，等.內(nèi)循環(huán)生物流化床硝化過程的選擇特性研究［J］.中國給水排水,2000,16(4):1-4.　　　　　［5］ Baker P S，Dold P L.Denitrification behavior in biological excess phosphorus removal activated sludge system［J］.Water Research，1996，30:769-780.
　　［6］Kubat T，van Loosdrecht,MCM，et al.Occurrence of denitrifying phosphorus removing bacteria in modified UCT-type wastewater treatment plants［J］. Water Research，1997，31(4):777-786.

---

　　電 　話：(029)3054212
　　收稿日期：2001-11-27