楊聰和，李秀敏，孫力平

（天津城市建設(shè)學(xué)院 市政與環(huán)境工程系，天津 300384）

　　1 前言

　　隨著工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的增長(zhǎng)以及人口的增加，含磷洗滌劑、農(nóng)藥、化肥的大量使用，導(dǎo)致近年來(lái)水體氮磷污染嚴(yán)重，富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題日益加劇。據(jù)全國(guó)水資源質(zhì)量評(píng)審統(tǒng)計(jì)，我國(guó)131個(gè)大型湖泊中，達(dá)富營(yíng)養(yǎng)化程度的湖泊有67個(gè)，太湖和滇池都出現(xiàn)了不同程度的氮磷污染。城市近郊水體富營(yíng)養(yǎng)化程度普遍偏高。水體大量富營(yíng)養(yǎng)化對(duì)位列于世界13個(gè)貧水國(guó)之一的我國(guó)無(wú)疑是雪上加霜。

　　為緩解水資源危機(jī)，建設(shè)部在2003年10月的全國(guó)城市污水再生利用經(jīng)驗(yàn)交流和技術(shù)研討會(huì)上全面下達(dá)要求污水再生利用的指示。但污水的再生利用離不開(kāi)除磷技術(shù)。磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制性因子，以磷含量高的再生水回用于景觀、城市二級(jí)河道等會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。傳統(tǒng)的除磷工藝能耗大，與可持續(xù)發(fā)展背道而馳。反硝化除磷技術(shù)在缺氧條件下，以硝態(tài)氮為電子受體，在除磷的同時(shí)，還能脫氮，被譽(yù)為可持續(xù)處理工藝。

　　2 反硝化除磷機(jī)理的發(fā)展

　　2.1 傳統(tǒng)的除磷機(jī)理

　　傳統(tǒng)的除磷主要是利用聚磷菌（PAOs）的聚磷作用。20世紀(jì)70年代中期，人們?cè)趥鹘y(tǒng)活性污泥工藝的運(yùn)行管理中，發(fā)現(xiàn)了一類特殊的兼性細(xì)菌，如不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）、氣單胞菌屬（Aeromonas）、棒桿菌屬（Gorymebacterium）等，在好氧狀態(tài)下能超量地將污水中的磷吸入體內(nèi)，使體內(nèi)的含磷量超過(guò)10%，有時(shí)甚至高達(dá)30%，而一般細(xì)菌體內(nèi)的含磷量只有2%左右。這類細(xì)菌被廣泛地用于生物除磷，稱之為聚磷菌。當(dāng)在厭氧條件時(shí)，聚磷菌吸收有機(jī)物（如脂肪酸），同時(shí)將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來(lái)，提供必需的能量。在隨后的好氧條件下，所吸收的有機(jī)物將被氧化并提供能量，同時(shí)從廢水中吸收超過(guò)其生長(zhǎng)需要的磷，并以聚磷酸鹽的形式貯存起來(lái)。由于系統(tǒng)必須經(jīng)常排放剩余污泥，被細(xì)菌過(guò)量攝取的磷也將隨著剩余污泥排出系統(tǒng)，從而得到較好的除磷效果[1]。

　　2.2 反硝化除磷機(jī)理

　　近幾年研究發(fā)現(xiàn)，一種反硝化聚磷菌（DPB，denitrifying phosphorus removing bacteria）能在缺氧條件（無(wú)氧，存在硝酸鹽）下過(guò)量吸磷[2]。DPB的生物吸/放磷作用被荷蘭Delft工業(yè)大學(xué)和日本東京大學(xué)研究人員合作研究確認(rèn)，并冠名“反硝化除磷”（denitrifying dephosphatation）。在磷的生物吸/放磷過(guò)程中，反硝化除磷細(xì)菌以硝酸氮取代氧作為電子受體，也就是說(shuō)反硝化除磷細(xì)菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個(gè)認(rèn)為彼此獨(dú)立的作用合二為一[3]。

　　反硝化除磷中硝酸鹽代替氧作為電子受體。硝酸鹽作為電子受體可從許多文獻(xiàn)中得到證明[4~7]，國(guó)內(nèi)也對(duì)此進(jìn)行了大量研究[8~10]。

　　硝酸鹽作為生物除磷的電子受體的研究已有許多，但對(duì)亞硝酸鹽是否可以作為生物除磷電子受體的研究卻不多見(jiàn)。1999年，Jens Meinhold等人[11]證明了亞硝酸鹽可作為電子受體，但他們?cè)囼?yàn)得出的亞硝酸鹽的峰頂濃度較低，約為8 mgNO2--N/L。而2003年，新加坡的J.Y.Hu等人[12]研究得到的亞硝酸鹽峰頂濃度則較高，為115 mgNO2--N/L。這使得我們?cè)趤喯跛猁}存在的缺氧環(huán)境下仍能開(kāi)發(fā)生物除磷工藝。

　　3 反硝化除磷工藝的發(fā)展

　　反硝化除磷工藝中有單級(jí)、雙級(jí)兩種系統(tǒng)。單級(jí)污泥系統(tǒng)中，DPB、硝化菌及非聚磷異養(yǎng)菌同時(shí)存在于同一懸浮污泥相中，共同經(jīng)歷了厭氧、缺氧和好氧環(huán)境，其中最具代表的工藝有BCFs；而在雙級(jí)污泥系統(tǒng)中，硝化菌則獨(dú)立于DPB而單獨(dú)存在于固定膜生物反應(yīng)器或好氧硝化SBR反應(yīng)器中。雙級(jí)污泥系統(tǒng)有Dephanox和A2NSBR等。其中BCFs工藝已運(yùn)用于工程實(shí)踐，而雙級(jí)污泥系統(tǒng)仍停留在小試階段，離實(shí)際運(yùn)用尚有不少距離。

　　雖然在單、雙級(jí)污泥系統(tǒng)中DPB都可利用由硝化產(chǎn)生的硝酸鹽作為電子受體在缺氧環(huán)境中實(shí)現(xiàn)反硝化除磷，但后者運(yùn)行更穩(wěn)定、處理效果也更好，其原因是雙污泥系統(tǒng)為硝化菌和反硝化除磷菌創(chuàng)造了最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，且硝化和反硝化聚磷各系統(tǒng)的SRT可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行要求來(lái)選定（硝化的SRT較長(zhǎng)不利于反硝化和除磷，主要原因是聚磷菌體內(nèi)相當(dāng)一部分PHB會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間的曝氣而被消耗掉，從而導(dǎo)致后續(xù)反硝化所需碳源的不足）。進(jìn)一步說(shuō)，在雙污泥系統(tǒng)中可采用生物膜反應(yīng)器進(jìn)行硝化來(lái)提供NO3-電子受體，這樣不僅給生長(zhǎng)速率較慢的硝化菌創(chuàng)造了穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，增加了系統(tǒng)中硝化菌量，提高了硝化率，也可減少水力停留時(shí)間和反應(yīng)器體積；同時(shí)在無(wú)需大規(guī)模污泥回流的前提下就能使出水保持較低的硝酸鹽濃度[13]。

　　4 反硝化除磷存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

　　反硝化除磷被譽(yù)為可持續(xù)處理技術(shù)，因?yàn)樵摮仔鹿に噷⒎聪趸摰蜕锍子袡C(jī)地合二為一，可最大限度地利用碳源，節(jié)省能源，并且污泥產(chǎn)量小。自從Kuba等人于1994年在小試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)生物除磷菌可進(jìn)行反硝化[14]以來(lái)，國(guó)外對(duì)反硝化除磷進(jìn)行了大量研究，且研發(fā)了許多工藝。

　　 反硝化除磷不管是在工藝還是在機(jī)理方面，都已有了很大發(fā)展，以NO3-作為最終電子受體的反硝化除磷已逐漸得到大家的認(rèn)可，但NO2-作為生物除磷的最終電子受體的研究在國(guó)外尚屬少見(jiàn)，而國(guó)內(nèi)尚無(wú)這方面的研究。

　　 反硝化除磷的機(jī)理已有很大發(fā)展，但許多反面還存在爭(zhēng)議。文獻(xiàn)中認(rèn)為生物除磷系統(tǒng)的除磷效果與排放的剩余污泥量直接相關(guān)[15]，降低系統(tǒng)的泥齡可以提高除磷效果[16]，但泥齡的減少將會(huì)導(dǎo)致反硝化聚磷菌從體系中流失[17]，如何控制反硝化除磷系統(tǒng)的泥齡及剩余污泥的排放量是亟待解決的。還有缺氧階段的COD問(wèn)題，鄒華等人[9]認(rèn)為缺氧階段有機(jī)碳源的存在會(huì)抑制磷的吸收，也有文獻(xiàn)認(rèn)為對(duì)同一硝酸鹽水平而言，初始COD濃度越高，由釋磷轉(zhuǎn)化為吸磷也越晚[18]，而許多文獻(xiàn)卻認(rèn)為有機(jī)碳源存在對(duì)磷的吸收沒(méi)有影響或有益[19]。鄒華等人[9]認(rèn)為厭氧時(shí)間越長(zhǎng)，除磷效果越好，但許多文獻(xiàn)中認(rèn)為磷的釋放有一級(jí)釋放和二級(jí)釋放[20,21]，并認(rèn)為只有一級(jí)釋放對(duì)吸磷有益，而二級(jí)釋放對(duì)吸磷起抑制作用。

　　 NO2-可作為生物除磷的電子受體已在Meinhold及J.Y.Hu的研究中被證實(shí)，但如何控制NO2-高濃度的問(wèn)題還有待解決。荷蘭TU Delft研發(fā)的中溫亞硝化（SHARON）技術(shù)中在30 ~ 35℃下，亞硝酸菌的生長(zhǎng)速率明顯高于硝酸菌，則在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，控制水力停留時(shí)間，可使亞硝酸菌成為優(yōu)勢(shì)菌種[22]，而陳韜等人[23]于18 ~ 25℃下發(fā)現(xiàn)短程硝化。有關(guān)亞硝酸鹽在反應(yīng)器累積的溫度及各工藝條件尚待解決。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　與傳統(tǒng)的生物除磷相比，反硝化除磷具有以下優(yōu)勢(shì)：

　?、?反硝化除磷能節(jié)約30%的氧消耗量；

　?、?反硝化除磷能節(jié)省50%的碳源，在碳源不足的情況下反硝化除磷可將脫氮和除磷同時(shí)兼顧，相應(yīng)減少50%的剩余污泥量；

　　③ 把反硝化除磷工藝和污泥利用結(jié)合起來(lái)，是一種環(huán)保又節(jié)能的工藝。剩余污泥體內(nèi)含有的聚羥基烷酸酯（PHA）具有生物可降解性和生物可相容性，如被開(kāi)發(fā)代替現(xiàn)有的塑料，亦可減少污染。

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