楊聰和，李秀敏，孫力平

（天津城市建設學院 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)的增長以及人口的增加，含磷洗滌劑、農(nóng)藥、化肥的大量使用，導致近年來水體氮磷污染嚴重，富營養(yǎng)化問題日益加劇。據(jù)全國水資源質(zhì)量評審統(tǒng)計，我國131個大型湖泊中，達富營養(yǎng)化程度的湖泊有67個，太湖和滇池都出現(xiàn)了不同程度的氮磷污染。城市近郊水體富營養(yǎng)化程度普遍偏高。水體大量富營養(yǎng)化對位列于世界13個貧水國之一的我國無疑是雪上加霜。

　　為緩解水資源危機，建設部在2003年10月的全國城市污水再生利用經(jīng)驗交流和技術(shù)研討會上全面下達要求污水再生利用的指示。但污水的再生利用離不開除磷技術(shù)。磷是水體富營養(yǎng)化的限制性因子，以磷含量高的再生水回用于景觀、城市二級河道等會引起水體富營養(yǎng)化問題。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，還能脫氮，被譽為可持續(xù)處理工藝。

　　2 反硝化除磷機理的發(fā)展

　　2.1 傳統(tǒng)的除磷機理

　　傳統(tǒng)的除磷主要是利用聚磷菌（PAOs）的聚磷作用。20世紀70年代中期，人們在傳統(tǒng)活性污泥工藝的運行管理中，發(fā)現(xiàn)了一類特殊的兼性細菌，如不動桿菌屬（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10%，有時甚至高達30%，而一般細菌體內(nèi)的含磷量只有2%左右。這類細菌被廣泛地用于生物除磷，稱之為聚磷菌。當在厭氧條件時，聚磷菌吸收有機物（如脂肪酸），同時將細胞質(zhì)內(nèi)聚合磷酸鹽異染粒的磷釋放出來，提供必需的能量。在隨后的好氧條件下，所吸收的有機物將被氧化并提供能量，同時從廢水中吸收超過其生長需要的磷，并以聚磷酸鹽的形式貯存起來。由于系統(tǒng)必須經(jīng)常排放剩余污泥，被細菌過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（無氧，存在硝酸鹽）下過量吸磷[2]。DPB的生物吸/放磷作用被荷蘭Delft工業(yè)大學和日本東京大學研究人員合作研究確認，并冠名“反硝化除磷”（denitrifying dephosphatation）。在磷的生物吸/放磷過程中，反硝化除磷細菌以硝酸氮取代氧作為電子受體，也就是說反硝化除磷細菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個認為彼此獨立的作用合二為一[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中得到證明[4~7]，國內(nèi)也對此進行了大量研究[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。1999年，Jens Meinhold等人[11]證明了亞硝酸鹽可作為電子受體，但他們試驗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。這使得我們在亞硝酸鹽存在的缺氧環(huán)境下仍能開發(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、雙級兩種系統(tǒng)。單級污泥系統(tǒng)中，DPB、硝化菌及非聚磷異養(yǎng)菌同時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；而在雙級污泥系統(tǒng)中，硝化菌則獨立于DPB而單獨存在于固定膜生物反應器或好氧硝化SBR反應器中。雙級污泥系統(tǒng)有Dephanox和A2NSBR等。其中BCFs工藝已運用于工程實踐，而雙級污泥系統(tǒng)仍停留在小試階段，離實際運用尚有不少距離。

　　雖然在單、雙級污泥系統(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)境中實現(xiàn)反硝化除磷，但后者運行更穩(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)造了最佳的生長環(huán)境，且硝化和反硝化聚磷各系統(tǒng)的SRT可根據(jù)實際運行要求來選定（硝化的SRT較長不利于反硝化和除磷，主要原因是聚磷菌體內(nèi)相當一部分PHB會因長時間的曝氣而被消耗掉，從而導致后續(xù)反硝化所需碳源的不足）。進一步說，在雙污泥系統(tǒng)中可采用生物膜反應器進行硝化來提供NO3-電子受體，這樣不僅給生長速率較慢的硝化菌創(chuàng)造了穩(wěn)定的生長環(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間和反應器體積；同時在無需大規(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題及發(fā)展趨勢

　　反硝化除磷被譽為可持續(xù)處理技術(shù)，因為該除磷新工藝將反硝化脫氮和生物除磷有機地合二為一，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年在小試試驗中發(fā)現(xiàn)生物除磷菌可進行反硝化[14]以來，國外對反硝化除磷進行了大量研究，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可，但NO2-作為生物除磷的最終電子受體的研究在國外尚屬少見，而國內(nèi)尚無這方面的研究。

　　 反硝化除磷的機理已有很大發(fā)展，但許多反面還存在爭議。文獻中認為生物除磷系統(tǒng)的除磷效果與排放的剩余污泥量直接相關[15]，降低系統(tǒng)的泥齡可以提高除磷效果[16]，但泥齡的減少將會導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問題，鄒華等人[9]認為缺氧階段有機碳源的存在會抑制磷的吸收，也有文獻認為對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]，而許多文獻卻認為有機碳源存在對磷的吸收沒有影響或有益[19]。鄒華等人[9]認為厭氧時間越長，除磷效果越好，但許多文獻中認為磷的釋放有一級釋放和二級釋放[20,21]，并認為只有一級釋放對吸磷有益，而二級釋放對吸磷起抑制作用。

　　 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，但如何控制NO2-高濃度的問題還有待解決。荷蘭TU Delft研發(fā)的中溫亞硝化（SHARON）技術(shù)中在30 ~ 35℃下，亞硝酸菌的生長速率明顯高于硝酸菌，則在這個溫度范圍內(nèi)，控制水力停留時間，可使亞硝酸菌成為優(yōu)勢菌種[22]，而陳韜等人[23]于18 ~ 25℃下發(fā)現(xiàn)短程硝化。有關亞硝酸鹽在反應器累積的溫度及各工藝條件尚待解決。

　　5 結(jié)語

　　與傳統(tǒng)的生物除磷相比，反硝化除磷具有以下優(yōu)勢：

　　① 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兼顧，相應減少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，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，如被開發(fā)代替現(xiàn)有的塑料，亦可減少污染。

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