孫建升，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）

　　摘  要：本文介紹了生物脫氮除磷的機(jī)理，分析了當(dāng)前生物脫氮除磷工藝，并在此基礎(chǔ)上對(duì)生物脫氮、除磷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

　　關(guān)鍵詞：城市污水；脫氮除磷；A²/O；DPB

　　1 前言

　　隨著工業(yè)化及人口增長(zhǎng)的繼續(xù)，水體富營(yíng)養(yǎng)化所帶來(lái)的問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，從而加速了水體的污染和老化。而這一切都是因?yàn)榕湃胨w的污水中含有氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。于是人們?cè)谌コ鼴OD的基礎(chǔ)上開始探求高效、節(jié)能的生物脫氮除磷污水處理系統(tǒng)，80年代以來(lái)，大多數(shù)的研究均致力于此^[1]。

　　2 生物脫氮除磷基本原理^[2]

　　2.1 生物脫氮的基本原理

　　污水中氮的去除通常分為三步：氨化、硝化和反硝化，并分別由不同的細(xì)菌來(lái)完成。

　　① 氨化作用

　　含氮有機(jī)物經(jīng)微生物降解釋放出氨的過(guò)程，稱為氨化作用。這里的含氮有機(jī)物一般指動(dòng)物、植物和微生物殘?bào)w及其排泄物、代謝物所含的有機(jī)氮化合物，主要包括蛋白質(zhì)、核酸、尿素、尿酸、幾丁質(zhì)、磷酸脂等含氮有機(jī)物，它們都能被相應(yīng)的微生物分解并釋放出氨氮。

　　無(wú)論是在好氧還是在厭氧條件下，氨化作用在中性、酸性或堿性條件下均能進(jìn)行，只是作用的微生物種類不同、作用的強(qiáng)弱不一。只有當(dāng)環(huán)境中存在一定濃度的酚或木質(zhì)素—蛋白質(zhì)復(fù)合物時(shí)，才會(huì)阻滯氨化作用的進(jìn)行。

　?、?硝化作用

　　硝化作用是指將NH₃氧化成NO₂^-，然后再氧化成NO₃^-的過(guò)程。硝化作用由兩類細(xì)菌參與，亞硝化菌將NH₃氧化成NO₂^-，硝化桿菌將NO₂^-氧化成NO₃^-。由于它們均為自養(yǎng)菌，故能利用氧化過(guò)程釋放的能量，將CO₂合成為細(xì)胞有機(jī)物質(zhì)。硝化作用的程度往往是生物脫氮的關(guān)鍵所在。

　　硝化菌的生長(zhǎng)計(jì)量式（基于質(zhì)量）如下：

　　NH₄⁺＋3.3 O₂＋6.708 HCO₃^-→0.129 C₅H₇O₂N＋3.373 NO₃^-＋1.041 H₂O＋6.463 H₂CO₃

　　由上式可以看出，氨氧化為硝酸鹽的過(guò)程消耗了大量的堿度：6.708 mgHCO₃^-/mgNH₄⁺，相當(dāng)于8.62 mgHCO₃^-/mgNH₄⁺-N。堿度的大量消耗與中和氧化過(guò)程中釋放的氫離子有關(guān)，只有一小部分堿度轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)。如果細(xì)胞中的堿度不足，且未對(duì)pH值進(jìn)行控制，那么pH值將會(huì)下降到正常的生理范圍值以下，抑制自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌的活性，從而影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外硝化過(guò)程還需要相當(dāng)量的氧氣?？傊?，硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)中微生物的總量并沒(méi)有什么影響，但對(duì)需氧量和堿度卻有很大的影響。

　?、?反硝化作用

　　反硝化作用是指硝酸鹽和亞硝酸鹽被還原成氣態(tài)氮和氧化亞氮的過(guò)程。參與這一過(guò)程的細(xì)菌稱為反硝化菌。大多數(shù)反硝化菌是異養(yǎng)的兼性厭氧細(xì)菌。反硝化過(guò)程的電子受體是硝酸鹽根和亞硝酸鹽根，電子供體為各種各樣的有機(jī)基質(zhì)。

　　在硝化過(guò)程中耗去的氧能被回收并重復(fù)利用于反硝化過(guò)程中，使有機(jī)基質(zhì)氧化。另外，每還原1 mg硝酸鹽氮生成3.57 g堿度，這在一定程度上緩解了系統(tǒng)對(duì)堿度的需求。

　　2.2 生物除磷機(jī)理

　　目前普遍認(rèn)同的生物除磷理論是“聚合磷酸鹽累積聚合物”（Poly-phosphate Accumulating Organisms）的攝磷釋磷原理。在厭氧條件下，聚磷菌消耗糖元，將胞內(nèi)的聚磷水解為正磷酸鹽釋放到胞外，并從中獲取能量，同時(shí)將環(huán)境中的有機(jī)碳源（揮發(fā)性脂肪酸VFA）以胞內(nèi)碳能源存貯物（主要為PHB，聚-β-羥基丁酸）的形式貯存。

　　在好氧條件下，聚磷菌以O(shè)₂為電子受體，氧化胞內(nèi)貯存的PHB，利用產(chǎn)生的能量過(guò)量地從環(huán)境中攝取磷，以聚磷酸高能鍵的形式存貯。通過(guò)排放富磷的剩余污泥可實(shí)現(xiàn)磷的去除。

　　由上述機(jī)理可知，生物脫氮、除磷工藝應(yīng)包括厭氧、缺氧、好氧三種狀態(tài)。各工藝的出發(fā)點(diǎn)就是通過(guò)優(yōu)化三種狀態(tài)的組合方式和數(shù)量分布的時(shí)間變化以及回流方式和回流位置等創(chuàng)造出更適合特定微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，以達(dá)到高效脫氮、除磷的目的。

　　3 常規(guī)脫氮、除磷工藝的分析

　　3.1 A²/O工藝（Anaerobic-Anoxic-Oxic-process）

　　厭氧/缺氧/好氧(Anaerobic Anoxic Oxic)簡(jiǎn)稱A²/O工藝，是一種典型的生物脫氮除磷工藝，得到了廣泛的應(yīng)用。污水首先進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)與回流污泥混合，在兼性厭氧發(fā)酵菌的作用下將部分易生物降解的大分子有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為VFA；聚磷菌釋磷并吸收VFA以PHB的形式貯存于胞內(nèi)。在缺氧區(qū)，反硝化菌利用進(jìn)水中的有機(jī)物質(zhì)和回流中的硝酸鹽進(jìn)行反硝化，同時(shí)去碳、脫氮。在好氧區(qū)，有機(jī)物濃度相當(dāng)?shù)?，有利于自養(yǎng)硝化菌的繁殖，同時(shí)聚磷菌超量吸磷。通過(guò)高磷污泥的排放達(dá)到除磷的目的。

圖1  A²O工藝

　　我國(guó)已建成多座采用A²/O工藝的城市污水處理廠，如天津紀(jì)莊子污水處理廠。從運(yùn)行效果來(lái)看，其脫氮除磷效果不穩(wěn)定。這是因?yàn)樯锩摰?、除磷工藝包括硝化、反硝化、釋磷和攝磷過(guò)程，每一過(guò)程都有固定的或?qū)Ｐ晕⑸镱惾簛?lái)完成，不同的微生物對(duì)環(huán)境的要求不同，因此，不可避免的產(chǎn)生了矛盾。

　　3.2 生物除磷和脫氮之間的矛盾關(guān)系

　?、?泥齡問(wèn)題

　　硝化菌的最大比增值速度μ_max的值較小，因而繁殖速度慢，世代時(shí)間長(zhǎng)，故硝化需要較長(zhǎng)的泥齡，一般為10 ~ 15天。而除磷是通過(guò)高磷污泥的排放實(shí)現(xiàn)的，研究表明當(dāng)泥齡大于5天時(shí)，除磷效果隨泥齡的增加而降低，除磷的最佳泥齡為5 ~ 7天。因此，泥齡的矛盾影響整體的處理效果。

　?、?碳源問(wèn)題

　　聚磷菌釋磷和反硝化都需要有機(jī)碳源，尤其是易生物降解的有機(jī)碳源。城市污水中易降解有機(jī)物質(zhì)含量較少，很難同時(shí)滿足釋磷和反硝化的要求，這就需要外加碳源，從而增加了運(yùn)行費(fèi)用；或者優(yōu)先考慮脫氮或除磷，從而影響了處理效果。

　　③ 硝酸鹽問(wèn)題

　　回流污泥中的硝酸鹽對(duì)聚磷菌的釋磷產(chǎn)生抑制，從而影響了整體的除磷效果。

　　3.3 改進(jìn)措施

　　針對(duì)上述問(wèn)題，許多研究者對(duì)A²/O工藝進(jìn)行了局部的改進(jìn)，主要有如下幾種：

　?、?介質(zhì)M-A²/O工藝

　　在好氧段投加填料，固定硝化菌，使其不受污泥回流的影響，從而解決了泥齡問(wèn)題。另外，增加了生物量，使減小反應(yīng)器體積成為可能。同濟(jì)大學(xué)的畢學(xué)軍^[3]采用聚乙烯懸浮小球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，均取得滿意的效果，TN去除率達(dá)到86%，TP去除率達(dá)到91%。

　?、?生物轉(zhuǎn)盤

　　J.L.Su和C.F.Ouyang^[4]利用生物轉(zhuǎn)盤固定硝化菌，解決了泥齡問(wèn)題。在厭氧和缺氧段采用完全浸沒(méi)式生物轉(zhuǎn)盤，在好氧段采用部分浸沒(méi)式生物轉(zhuǎn)盤。由于硝化菌不受排泥影響，故采用高的排泥量使系統(tǒng)的除磷率達(dá)到96%。

　?、?增加進(jìn)水中的易降解有機(jī)物質(zhì)

　　B.Terchgraber^[5]進(jìn)行了初沉污泥的酸化研究，研究結(jié)果表明初沉污泥酸化可使進(jìn)入生物處理階段的易生物降解COD增加10% ~ 15%，但該法存在著散發(fā)臭味氣體和有爆炸危險(xiǎn)等問(wèn)題。

　?、?改良A/A/O工藝^[6]

　　改良的A²/O工藝綜合了A²/O工藝和UCT工藝的優(yōu)點(diǎn)，提出了如圖所示的工藝。

圖2  改良的A/A/O工藝

　　4 生物脫氮除磷工藝研究新工藝

　　現(xiàn)有的生物脫氮、除磷組合工藝，主要是建立在傳統(tǒng)脫氮、除磷理論基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化厭氧、缺氧、好氧三種狀態(tài)的組合方式和數(shù)量分布的時(shí)間變化以及回流方式和位置等，創(chuàng)造出更適合微生物生長(zhǎng)的環(huán)境，以達(dá)到高效脫氮除磷的目的。其主要不足有：較大差別的微生物在同一系統(tǒng)中，相互影響，制約了處理工藝的高效和穩(wěn)定；較多的回流增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和運(yùn)行費(fèi)用；脫氮、除磷過(guò)程對(duì)能源（如氧和碳源）消耗過(guò)多；高磷污泥的后繼處理等。近年來(lái)出現(xiàn)的一些新工藝為解決這些問(wèn)題提供了新的思路。

　　4.1 同步硝化反硝化^[8]

　　傳統(tǒng)脫氮理論認(rèn)為硝化反應(yīng)在好氧條件下進(jìn)行，而反硝化在厭氧條件下進(jìn)行，二者不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。然而，近來(lái)的一些研究發(fā)現(xiàn)存在同步硝化反硝化現(xiàn)象，尤其是有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實(shí)存在于不同的生物處理系統(tǒng)中，如氧化溝、SBR工藝、間歇曝氣反應(yīng)器工藝等。研究者對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了廣泛的探求，認(rèn)為其主要原因在于反應(yīng)器中微環(huán)境的存在。另外，可能存在未被發(fā)現(xiàn)的微生物菌種。對(duì)其機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚處于探索階段。

　　4.2 短程硝化反硝化

　　長(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)論是在廢水生物脫氮理論上還是在工程實(shí)踐中，都一直認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)廢水生物脫氮就必須使NH₃-N經(jīng)歷典型的硝化和反硝化過(guò)程才能完全被除去。但許多實(shí)驗(yàn)證明可以按照氨氮－亞硝酸鹽－氮?dú)獾倪^(guò)程實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化。從氮的微生物轉(zhuǎn)化過(guò)程來(lái)看，氨被氧化成硝態(tài)氮是由兩類獨(dú)立的細(xì)菌催化完成的兩個(gè)不同反應(yīng)，應(yīng)該可以分開。這兩類細(xì)菌的特征也有明顯的差異。對(duì)于反硝化菌，無(wú)論是NO₂^-還是NO₃^-均可以作為最終受氫體，因而整個(gè)生物脫氮過(guò)程可以通過(guò)NH₃→NO₂^-→N₂這樣的途徑完成。荷蘭Delft大學(xué)已經(jīng)利用該技術(shù)開發(fā)出SHARON工藝^[8]。SHARON工藝通過(guò)控制溫度和停留時(shí)間，將硝化菌從反應(yīng)器中洗脫，使反應(yīng)器中亞硝化菌占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，從而使氨氧化控制在亞硝化階段。李春杰、周琪、顧國(guó)維等人利用MSMBR反應(yīng)器內(nèi)膜對(duì)有害物質(zhì)的截留作用以及對(duì)泥齡的控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)硝酸鹽細(xì)菌生長(zhǎng)的抑制。

　　4.3 反硝化除磷^[9]

　　荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)的T.Kuba有關(guān)兼性厭氧“反硝化除磷菌”（DPB）的研究表明，DPB能夠在缺氧條件下利用硝酸鹽作為電子受體氧化胞內(nèi)PHB，同時(shí)實(shí)現(xiàn)反硝化和過(guò)渡攝磷。在保證硝化的同時(shí)，與傳統(tǒng)好氧除磷菌相比，DPB還具有相同的除磷潛力。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題日益嚴(yán)峻，污水處理工作任重道遠(yuǎn)。一方面，針對(duì)現(xiàn)有污水處理廠，我們要綜合考慮碳源、泥齡和硝酸鹽問(wèn)題，改進(jìn)處理工藝，在保證去除效果的前提下降低能耗；另一方面，積極探索生物脫氮、除磷機(jī)理以指導(dǎo)實(shí)踐，開發(fā)更為經(jīng)濟(jì)有效的除磷、脫氮工藝。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] C.P. Leslie Grady, Jr. Biological Wastewater Treatment [M]. MARCEL DEKKER NEWYORK, 1999. 3-10.

　　[2] C.P. Leslie Grady, Jr. Biological Wastewater Treatment [M] MARCEL DEKKER NEWYORK, 1999. 35-53.

　　[3] 畢學(xué)軍. 生物脫氮除磷工藝好氧區(qū)硝化功能的強(qiáng)化試驗(yàn). 上海環(huán)境科學(xué), 2002, 19(4): 183-186.

　　[4] Koji Mishima, Takahiko Nishimura, Masahide Coi, et al. Characterisitics of nitrification and denitrification of the media-anaerobic-anoxic-oxic process. Wat. Sci. Tech., 1996, 34(1-2) 137-143

　　[5] Deguchi H. Study on nitrified liquor recycling process operation using polyurethane foam eponge cubes as a biomass support medium. Wat. Sci. Tech., 1994, 30(6): 143-149.

　　[6] 鄭興燦, 李亞新. 污水除磷脫氮技術(shù). 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1998. 214-215.

　　[7] Hyungseok You, et al. Nitrogen removal from synthetic wastrwater by simultaneous nitrification and denitrification CSND cia nitriate in an reacter Wat. Tech., 1994, 29(10-11) 339-346

　　[8] Hel mer C, et al. Nitrogen loss in a nitrifying biofilm system. Wat. Sci. Tech. 1999, 39(7): 13-21.

　　[9] T.Kuba. Effect of cyclic oxygen exposure on the acticity of DPB.

　　[10] Wat. Sci. Tech. 1996. 34(1-2): 33-40.