反硝化除磷理论及工艺研究进展

张馨方

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

生活污水和工业废水中的氮、磷大量进入水体后，藻类等水生生物大量繁殖，水生生物死亡后，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水中溶解氧浓度大幅下降，水体富营养化严重。在此背景下，反硝化除磷工艺应运而生，为污水脱氮除磷提供了良好的支持。

1 反硝化除磷原理

聚磷菌有两种，好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌（DPAOs）。好氧聚磷菌以氧为电子受体，反硝化聚磷菌既能以氧为电子受体也能以硝酸盐为电子受体。反硝化聚磷菌兼性厌氧，厌氧环境下，反硝化聚磷菌释磷的同时产生ATP，并利用ATP 合成大量有机颗粒聚β 羟基丁酸（PHB）并贮存。缺氧环境下，反硝化聚磷菌以NO3-或NO2-为电子受体，氧化分解体内贮存的PHB，使NO3-或NO2-被还原为N2排出系统，达到脱氮的效果。与此同时，反硝化聚磷菌超量吸磷合成聚磷酸盐并贮存，富磷污泥则通过排放剩余污泥的形式排出，实现了同步脱氮除磷。

2 反硝化除磷工艺

反硝化除磷工艺将传统的脱氮和除磷工艺结合，在节省了反硝化脱氮过程中对碳源的需求的同时降低曝气所消耗的能源，还减少了富磷污泥排放量，是一种节能减排的污水处理工艺。自DPAOs 被发现以来，为了更好地利用其菌种在同步脱氮除磷方面的优势，关于满足其反应条件的工艺研究就从未停止，海内外大量专家对其进行了丰富的研究。

反硝化除磷工艺可分为两类即单污泥系统和双污泥系统[1]。单污泥系统中，反硝化聚磷菌和硝化菌存在于同一装置中，一同经过厌氧、缺氧、好氧三种环境，单污泥系统的代表性工艺有UCT、MUCT 和BCFS。双污泥系统中，DPAOs 与硝化菌单独存在，置于不同的反应装置之中，主要代表工艺有A2N 和Dephanox。下面就对这几个代表性工艺进行简单的介绍。

2.1 UCT 工艺及MUCT 工艺

UCT 工艺、MUCT 工艺是南非开普顿大学以传统A2/O 工艺为基础的改良工艺，污泥回流至缺氧池，而非传统A2/O 工艺的厌氧池，使回流污泥中的硝酸盐对厌氧释磷的影响降低，缺氧池与厌氧池之间还增加了一个内部回流，混合液中BOD 值较高，为厌氧水解提供了良好的条件，除磷效果提高，其工艺流程如图1和图2 所示[2]。

图2 MUCT 工艺流程图

UCT 工艺及MUCT 工艺虽本不是基于反硝化除磷原理设计的，但工艺中厌氧、缺氧环境的反复交替，为反硝化聚磷菌的富集提供了有利条件。UCT 工艺及MUCT 工艺也有一定的局限性，装置中反硝化聚磷菌、硝化细菌和反硝化异养菌共存，存在着竞争关系，或多或少影响了反硝化聚磷菌的功效。

2.2 BCFS 工艺

BCFS 工艺是由荷兰Delft 科技大学实验室在Pasveersloot 和UCT 工艺及原理的基础上开发的，已在欧美多个污水处理厂应用，可以增强反硝化聚磷菌的富集条件和活性，脱氮除磷效果极佳。具体流程如图3 所示。

图3 BCFS 工艺流程图

BCFS 工艺包括了5 个独立的反应池和3 个内循环。其优点如下：厌氧池和缺氧池之间增加了内循环，反硝化聚磷菌主要在厌氧池和缺氧池之间进行反应，避免了反硝化聚磷菌释磷受到干扰，增设了接触池，厌氧池出水和从沉淀池回流的污泥在接触池充分混合，将剩余的COD 更加充分的利用；增设了混合池，形成了低氧环境，反硝化、硝化同时进行，保证出水氮含量低；增加了磷分离工艺，减少了化学药剂的使用量。研究发现，BCFS 工艺的脱氮除磷效果显著，可使出水中总氮质量浓度小于5 mg/L，正磷酸盐极低。

不过，BCFS 工艺也有一定的局限性：氧化沟单元体积较大，使得工艺占地面积大；反应池和回流池结构较多，基础设施成本较高[3]。

2.3 Dephanox 工艺

Wanner 等在1993 年率先双污泥反硝化聚磷工艺，此后被Bortonc 等称为Dephanox 工艺，此后，海内外诸多学者如Kuba、彭永臻等对其进行了更深入的研究。其具体流程如图4 所示。

图4 Dephanox 工艺流程图

污水首先流入厌氧池，与回流污泥充分混合，在厌氧环境中化除磷菌充分释磷，贮存大量的PHB，之后流入中沉池进行沉淀，含有高浓度的NH4+-N 的上清液进入固定膜反应池，并在其中进行硝化作用，产生了NO3--N，富集大量反硝化聚磷菌的污泥则超越至缺氧池，反硝化聚磷菌以NO3--N 为电子受体进行同步脱氮除磷。接着混合液进入了好氧池，在好氧池中将残留的物质进一步氧化，最终在二沉池进行沉淀然后排放，还有一部分回流至厌氧池重复这一流程。Dephanox 工艺的创新点在于，厌氧池和缺氧池之间增加了固定膜反应池，这样就解决了硝化细菌和反硝化聚磷菌的污泥龄矛盾，提高了反硝化除磷的效果。

Dephanox 工艺也有一定的局限性，在处理生活污水时，进水中氮磷比经常不能满足缺氧吸磷的要求，限制了该工艺的应用[4]。现如今Dephanox 工艺被用于处理碳氮比较低的生活污水。

2.4 A2N 工艺

A2N 工艺中硝化细菌独立于反硝化细菌，在不同的污泥系统中分别培养，解决了两种菌种对基质的竞争以及污泥龄的矛盾问题，其工艺流程图如图5 所示。

图5 A2N 工艺流程图

废水首先流入厌氧池充分释磷，反硝化聚磷菌将小分子脂肪酸吸收，合成PHB 并贮存。然后混合液在中沉池中进行沉淀，含有大量DPAOs 的污泥超越进入缺氧池，而含有大量NH3-N、PO43--P 的上清液进入到生物膜池，在其中进行硝化作用，接着流入缺氧池，与富集反硝化聚磷菌的污泥充分接触，完成反硝化反应并过量吸磷。最后，在二沉池中进行沉淀，由于反硝化聚磷菌没有经过好氧池曝气，所以几乎细胞内贮存的所有PHB 都用在了缺氧吸磷。

A2N 工艺的局限性有：进水氨氮中会有一部分直接超越进入缺氧池，还未经过硝化反应，使得出水的氨氮浓度较高；反应流程长，基建费用高。