摘要:綜述了反硝化除磷技術(shù)的原理、主要影響因素和實(shí)現(xiàn)反硝化除磷的新途徑。國內(nèi)外對碳氮質(zhì)量比,亞硝酸鹽對硝化除磷的影響的研究結(jié)果存在爭議;對硝酸鹽投加方式和SRT如何影響系統(tǒng)內(nèi)微生物的研究還尚未深入。重點(diǎn)對有爭議和有待于深入研究的影響因素作了總結(jié)。目前,關(guān)于在工藝中如何實(shí)現(xiàn)反硝化除磷的研究有了突破性進(jìn)展,這些新途徑有:AOA-SBR工藝、好氧顆粒污泥法和內(nèi)循環(huán)氣升式SBBR。提出了為使反硝化除磷工藝的運(yùn)轉(zhuǎn)和控制更加穩(wěn)定需要將反硝化除磷系統(tǒng)的微生物學(xué)與工程緊密聯(lián)系,了解工程中操作參數(shù)如何影響系統(tǒng)中微生物。
反硝化除磷技術(shù)是由反硝化聚磷菌(DPB)在厭氧/缺氧(A/A)交替環(huán)境中,通過它們獨(dú)特的新陳代謝功能同時(shí)完成過量吸磷和反硝化脫氮雙重目的。反硝化除磷技術(shù)作為一種新型高效低能耗的技術(shù)成為近年來水處理領(lǐng)域的熱點(diǎn)。反硝化除磷作用可以在缺氧段無碳源的情況下進(jìn)行,不僅實(shí)現(xiàn)同時(shí)除磷脫氮,還克服了生活污水中基質(zhì)缺乏的問題,尤其適用于高氮磷廢水及產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸潛力低的城市污水。目前,國內(nèi)外對于此項(xiàng)技術(shù)的研究還處在初級(jí)階段。在影響因素方面,像碳氮濃度比、亞硝酸鹽等因素的研究結(jié)果各異,象硝酸鹽投加方式等因素的研究甚少。本文總結(jié)了反硝化除磷技術(shù)除磷的最新途徑。
1、反硝化除磷機(jī)理
高酸菌在厭氧條件下分解大分子有機(jī)物為低分子脂肪酸,DPB則在厭氧條件下分解體內(nèi)的多聚磷酸鹽產(chǎn)生能量ATP,以主動(dòng)運(yùn)輸方式吸收脂肪酸并合成聚β-羥基丁酸鹽(PHB),與此同時(shí)釋放出PO43-。積累了大量PHB的DPB進(jìn)入缺氧狀態(tài)后,以NO3-作為氧化PHB的電子受體,利用降解PHB以產(chǎn)生能量并提供還原力尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH),并以NADH+H+作為電子運(yùn)輸鏈的載體以排除質(zhì)子,從而形成質(zhì)子推動(dòng)力,質(zhì)子推動(dòng)力將體外PO43-輸送到體內(nèi),在ATP酶作用下合成ATP,將過剩的PO43-聚合成多聚磷酸鹽。DPB在缺氧條件下通過電子傳遞鏈產(chǎn)生的ATP超過在厭氧條件下通過分解體內(nèi)聚磷酸鹽產(chǎn)生的ATP,所以缺氧攝取的磷多于厭氧釋放的磷。因此DPB具有過量攝取廢水中磷的作用。
2、反硝化除磷的主要影響因素
2.1碳氮質(zhì)量比
按照傳統(tǒng)的除磷理論,碳源存在于缺氧段或者硝酸鹽存在于厭氧段都會(huì)導(dǎo)致反硝化菌與DPB對電子受體硝態(tài)氮或?qū)μ荚吹母偁?從而降低DPB的選擇性優(yōu)勢,影響除磷效果,這就要求進(jìn)水的碳氮質(zhì)量比達(dá)到一個(gè)合適的范圍。但Ahn J.等的研究表明在厭氧/好氧(A/O)條件下,碳源和少量硝酸鹽一起進(jìn)入?yún)捬醵蔚拈L期馴化結(jié)果是促進(jìn)DPB的富集,而且DPB在A/O條件下可以保持其缺氧吸磷的能力。從微生物學(xué)角度有兩種解釋,一是DPB通過三羧酸循環(huán)(TCA)直接利用碳源在厭氧段生長;二是DPB在厭氧期通過TCA循環(huán)氧化碳源得到還原力和能源來積累聚羥基烷酸,并在好氧期生存。關(guān)于DPB這方面的生理特性還沒有其他報(bào)道。
2.2硝酸鹽投加方式
在缺氧段投加硝酸鹽有瞬間投加和持續(xù)投加兩種方式,以持續(xù)投加效果稍好,且持續(xù)投加也會(huì)避免亞硝酸鹽的積累。對于持續(xù)投加時(shí)間對吸磷率的影響,鄒華等研究表明,持續(xù)投加時(shí)間為2h比3.5 h時(shí)的吸磷率要大。但目前還沒有關(guān)于投加速率和吸磷率之間具體關(guān)系的報(bào)道。同時(shí)可以查看中國污水處理工程網(wǎng)更多技術(shù)文檔。
2.3 SRT
DPB在A/A條件下生長,比A/O條件下生長的聚磷菌生長速率要慢。SRT太短會(huì)使反應(yīng)器中的DPB被淘汰,過長則會(huì)使污泥老、含磷量下降。Merzouki M.報(bào)道:SBR反硝化除磷系統(tǒng)的SRT為15 d時(shí)比7.5 d時(shí)除磷效率高1.8倍。對于除磷脫氮顆粒污泥法,由于其生物相更加豐富且處于一體中,污泥結(jié)構(gòu)復(fù)雜,如何通過泥齡來平衡DPB、聚磷菌、硝化菌還沒有確切報(bào)道。
2.4亞硝酸鹽
目前對于亞硝酸鹽對吸磷是否有抑制作用存在兩種說法,而這兩種說法存在的前提是研究對象不一致。以沒有經(jīng)過反硝化除磷馴化的污泥為研究對象,結(jié)果均表明亞硝酸鹽超過臨界濃度則抑制吸磷。王亞宜等試驗(yàn)表明當(dāng)亞硝氮的質(zhì)量濃度超過15 mg/L時(shí),吸磷反應(yīng)受到抑制,Meinhold J.等驗(yàn)表明臨界亞硝氮的質(zhì)量濃度是5～8 mg/L。利用經(jīng)過反硝化除磷馴化的污泥做研究對象,結(jié)果則與上述情況不同。Hu J.Y.的試驗(yàn)表明除了被廣泛認(rèn)可的聚磷菌和DPB還存在第三族聚磷菌,它可以利用亞硝酸根做電子受體吸磷,另外試驗(yàn)明當(dāng)亞硝氮起始質(zhì)量濃度小于115 mg/L時(shí)沒有明顯的吸磷抑制作用,而在生活污水處理廠的亞硝酸根濃度顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此臨界濃度,所以不會(huì)對生物除磷產(chǎn)生不利影響。影響反硝化除磷的因素還有很多,如溫度(DPB對溫度特別是低溫比較敏感)、陽離子(Mg2+和K+)等,目前對這幾方面的研究很少,且各種因素間的相互作用加深了研究的難度。
3、實(shí)現(xiàn)反硝化除磷新途徑
傳統(tǒng)典型反硝化除磷工藝有以下幾種:
①厭氧/缺氧和硝化(簡稱A2N)工藝。此工藝是一種雙泥反硝化除磷工藝,硝化菌和DPB在不同的污泥系統(tǒng)分別進(jìn)行培養(yǎng),使硝化菌與DPB完全分離。A2N工藝最適合碳氮比較低的情形。②DEPHANOX工藝。當(dāng)進(jìn)水碳氮比較高時(shí),需要在A2N工藝的缺氧池后添加曝氣池,這就形成了DEPHANOX工藝。
③BCFS工藝。此工藝是一種變型的UCT工藝,UCT工藝設(shè)計(jì)原理是基于對聚磷菌所需環(huán)境條件的工程強(qiáng)化,而BCFS的開發(fā)是為了從工藝角度創(chuàng)造DPB的富集條件。近來,關(guān)于反硝化除磷技術(shù)應(yīng)用的研究又有了突破性的進(jìn)展。有廢水需要處理的單位，也可以到污水寶項(xiàng)目服務(wù)平臺(tái)咨詢具備類似污水處理經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)。
3.1 AOA-SBR法
厭氧/缺氧/好氧(簡稱A2O)工藝是脫氮除磷的常用形式,它主要通過聚磷菌、硝化菌、反硝化菌的代謝來運(yùn)轉(zhuǎn),那么含有硝酸鹽和亞硝酸鹽的液體在此工藝中循環(huán)是必須的。Tsuneda S.等]提出了SBR中采用厭氧/好氧/缺氧(簡稱AOA)工藝,充分利用了DPB在缺氧且沒有碳源的條件下能同時(shí)進(jìn)行脫氮除磷的特性,使反硝化過程在沒有碳源的缺氧段進(jìn)行,不需要好氧池和缺氧池之間的循環(huán),達(dá)到氮磷在單一的SBR中同時(shí)去除的目的。而且試驗(yàn)也證明采用此工藝處理碳氮質(zhì)量比低于10的合成廢水 可以得到良好的脫氮除磷效果,平均氮磷去除率分別為83%、92%。此工藝不僅可富集DPB,而且使DPB在除磷脫氮過程中起主要作用。試驗(yàn)結(jié)果顯示在AOA-SBR工藝中DPB占總聚磷菌的比例是44%,遠(yuǎn)比常規(guī)工藝A/O-SBR(13%)和A2O工藝(21%)要高。
AOA-SBR工藝有兩個(gè)特點(diǎn):
①在好氧期開始時(shí)加入適量碳源以抑制好氧吸磷,此試驗(yàn)中好氧期加入最佳碳源量是40 mg/L。
②在此工藝中,亞硝酸鹽可以做吸磷的電子受體。
3.2顆粒污泥法
顆粒污泥脫氮除磷目前還處在研究階段。與普通污泥法相比,好氧顆粒污泥沉降性能較好,生物濃度高,污泥含水率低。隨著顆粒污泥的應(yīng)用,存在于普通污泥中的(諸如污泥膨脹、處理構(gòu)筑物占地面積大、澄清池二次釋磷等)問題都可以被克服。Dulekgurgen E.等試驗(yàn)表明顆粒污泥具有穩(wěn)定的生物量,COD、磷、氮的去除率分別為95%、99.6%、71%。國內(nèi)研究結(jié)果與其一致,而且好氧顆粒污泥具反硝化除磷能力,由于顆粒污泥獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及氧擴(kuò)散梯度的存在為聚磷菌、硝化菌、DPB提供了共存的環(huán)境,大量DPB與硝化菌在顆粒污泥中富集,楊國靖等試驗(yàn)表明在顆粒污泥中DPB占全部聚磷菌的73.1%。顆粒污泥的培養(yǎng)比普通污泥難度大,影響因素也相對復(fù)雜。
除了具有普通污泥反硝化除磷脫氮的影響因素外,顆粒污泥有它獨(dú)特的影響因素:
①DO濃度和顆粒粒度的相互作用對于反硝化除磷效果影響很大,如果顆粒粒徑過小,那么氧氣的穿透力相對較強(qiáng),影響缺氧區(qū)的形成,導(dǎo)致反硝化除磷和脫氮不能實(shí)現(xiàn)。
②維持適當(dāng)?shù)牡踪|(zhì)量比對于污泥的顆粒化和除磷能力非常重要,當(dāng)?shù)踪|(zhì)量比由2.36上升至4.0時(shí),除磷率由85.0%下降至54.1%。
③Lin Y-M等試驗(yàn)表明顆粒與磷碳質(zhì)量比關(guān)系密切,高磷碳質(zhì)量比可以使顆粒小而結(jié)構(gòu)更致密,SVI也隨之降低,而且有助于聚磷菌的富集。
3.3內(nèi)循環(huán)氣升式序批式生物膜法
內(nèi)循環(huán)氣升式序批式生物膜法(內(nèi)循環(huán)氣升式SBBR)主要是為除磷脫氮一體化而設(shè)計(jì)的。ZhangZ.Y.等研究表明內(nèi)循環(huán)氣升式SBBR得到了穩(wěn)定的氮磷去除率。COD、N、P在最佳填料密度和有機(jī)負(fù)荷下的去除率分別為95.3%±3.3%、94.6%±4.1%、73.1%±8.3%。反應(yīng)器被隔板分為2個(gè)區(qū)———好氧區(qū)和回流區(qū),硝化菌和好氧聚磷菌主要存在于好氧區(qū),DPB存在于回流區(qū)。厭氧期,處于回流區(qū)的DPB和好氧區(qū)的聚磷菌吸收有機(jī)基質(zhì);好氧/缺氧期,處在好氧區(qū)的硝化菌產(chǎn)生NO3-、NO2-以提供DPB吸磷的電子受體,這樣氮磷就被去除了。排泥是影響磷去除的重要因素,這點(diǎn)可以通過調(diào)節(jié)纖維填料密度來實(shí)現(xiàn)。常規(guī)SBBR脫氮除磷效果不佳,主要是由于硝化菌和異氧菌在生物膜中彼此競爭氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)。比起常規(guī)SBBR,內(nèi)循環(huán)氣升式SBBR避免了硝化菌和異氧菌的競爭;比起常規(guī)活性污泥法,此反應(yīng)器節(jié)省了能源和投資
4、展望
國內(nèi)外對反硝化除磷技術(shù)的研究已取得了初步成果,反硝化除磷技術(shù)也已從基礎(chǔ)性研究發(fā)展到工程應(yīng)用階段。目前,我們對反硝化除磷系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能方面的知識(shí)還了解甚少。微生物種群結(jié)構(gòu)在不同系統(tǒng)中變化明顯,同一系統(tǒng)中微生物相也很復(fù)雜。利用分子生物學(xué)技術(shù)可以進(jìn)行菌群動(dòng)態(tài)跟蹤和功能群種鑒定,揭示菌群結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系,從而更好的控制生物處理工程。研究生物除磷的分子生物學(xué)技術(shù)有:聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)技術(shù)、限制性片段長度多態(tài)性技術(shù)、寡核苷酸探針技術(shù)。研究普遍認(rèn)為聚磷菌是β-Proteobacteria中的Rhodocyclus組和Dechlorimonas組菌,SatoshiT.等采用RFLP技術(shù)研究DPB特性,結(jié)果表明DPB是Rhodocyclus組中的Thauera mechrnichensis和Azoarcus tolulyticus。我們需要將反硝化除磷系統(tǒng)的微生物學(xué)與工程緊密聯(lián)系,通過對微生物檢測和生態(tài)學(xué)研究,來分析和確定系統(tǒng)中DPB的數(shù)量和群體結(jié)構(gòu),了解工程中操作參數(shù)是怎樣影響聚磷菌、硝化菌、DPB等的菌群特性、種群密度分布及空間分布,從而實(shí)現(xiàn)人工強(qiáng)化反硝化除磷系統(tǒng),優(yōu)化處理過程,加強(qiáng)新工藝的開發(fā)和應(yīng)用。來源：谷騰水網(wǎng)
