赵 娜

短程硝化—反硝化聚磷菌脱氮除磷技术的研究与应用进展

赵 娜

（沈阳市给排水勘察设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110021）

短程硝化—反硝化聚磷菌脱氮除磷工艺的出现，有效地克服了传统生物脱氮除磷工艺的诸多缺点，是一种节能、高效、运行费用低的新型生物脱氮除磷工艺。介绍反硝化聚磷菌的反应机理、综述了国内外研究进展，并指出了该工艺目前存在的主要问题。

A2N-SBR工艺；短程硝化；反硝化脱氮除磷；亚硝化细菌；反硝化聚磷菌

近年来，随着水体富营养化现象日益严重，我国于2002年颁布的《城镇污水厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中规定排入收纳水体中的出水 TP小于0.5 mg/L，TN小于15 mg/L（一级A排放标准），这对氮、磷排放标准限制的更加严格，因此对于现有污水处理厂面临着升级改造的问题，而新建污水处理厂需要考虑对污水增加深度脱氮除磷工艺。传统生物脱氮除磷工艺在实际运行过程中存在着诸多不足，例如反硝化细菌和聚磷菌对有机物的竞争以及两者污泥龄之间的矛盾，使得出水中氮、磷浓度很难同时达到排放标准[1]。在城市污水中C/N和C/P比值过低的情况下，反硝化细菌和聚磷菌争夺有机碳源的现象更加明显，因此需要额外投加有机物，增加了污水厂的运行投资费用。

近年来，国内外学者针对传统生物脱氮除磷工艺实践中出现的一系列问题进行了大量的研究，提出了一些新的观点和方法，其中短程硝化—反硝化脱氮除磷工艺有效地克服了传统生物脱氮除磷技术存在的诸多弊端，为城市污水提供了一种全新的脱氮除磷途径。该工艺具有以下显著优势[2-3]：（1）对有机碳源的需求量少，利用反硝化聚磷菌同时完成脱氮和除磷两个过程，适合用来处理碳氮比偏低的城市生活污水；（2）在不同的反应器中分开培养亚硝化细菌和反硝化聚磷菌，使其各自在最佳的环境条件下生长，避免了两者之间的相互影响，有利于各自性能的发挥；（3）剩余污泥量降低了50%，短程硝化阶段还节省了30%的曝气量。

1 反硝化聚磷菌的发现及除磷机理

1977年Nicolls和Osborn[4]在硝酸盐异化还原试验中发现了能快速吸收磷的现象，说明有些反硝化细菌也能吸收磷。1978年Nichollos和Osborn通过对活性污泥进行间歇试验，证明缺氧和好氧条件下污泥斗可以吸收磷，但好氧时的吸磷速率要高于缺氧的。1987年Vlekke[5]通过试验表明可以诱导培养出以硝酸盐为电子受体的聚磷菌。1987年，中国市政工程华北设计院也在中试试验中发现了反硝化脱氮除磷的现象[1]。1993年Kuba[6]发现，在缺氧和厌氧交替的条件下，易获得一种以O2或NO3–为电子受体的微生物，且其代谢机理与传统聚磷菌相似，能超量吸磷且同时具有反硝化和除磷作用，由于这种细菌的特性，人们将其称之为反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphorus Accumulation Organisms，DPAOs ）。

反硝化除磷机理与厌氧/缺氧交替运行条件下利用聚磷菌除磷机理相似，厌氧时两者的释磷过程是基本一致的，只是在缺氧时反硝化聚磷菌不是以O2而是利用NO3–为电子受体，利用厌氧时贮存在体内的PHB来产生能量。大部分能量用来合成自身细胞，还有一部分用来吸收污水中的磷酸盐，并将吸收的磷以多聚磷酸盐的形式贮存在体内，同时把NO3–还原为N2。通过反硝化聚磷菌实现同时脱氮除磷的效果，解决了传统脱氮除磷工艺中反硝化细菌和聚磷菌争夺碳源的问题，具有“一碳两用”的优点。

2 反硝化聚磷菌的国内外研究进展

1992年Takahiro[7]利用SBR反应器进行试验研究，在缺氧和厌氧交替的条件下筛选出了以NO3--N为电子受体的反硝化聚磷菌。随后又有类似的试验研究表明，微生物依次经过厌氧、缺氧、好氧阶段后， 反硝化聚磷菌可以占到总聚磷菌的50%左右[8]。邹华[9]通过模拟废水和A/O工艺中的污泥进行试验研究，发现NO3--N的确可以作为反硝化聚磷菌电子受体，只是其吸磷效率比以氧气为电子受体时下降了24%左右。李勇智[10]利用厌氧/缺氧SBR反应器研究反硝化聚磷菌，发现运行稳定后反应结束时出水中磷的浓度小于1 mg/L，去除率大于89%。罗宁[11]采用双污泥系统处理合成废水，从中分离出了反硝化聚磷菌并建立了数学模型。杨庆娟[12]采用A2N工艺处理小区生活污水，通过适当的条件控制培养出反硝化聚磷菌，COD、TN和TP去除率分别可达90.3%、90%和99.6%，获得了较好的脱氮除磷效果。

大量研究表明，反硝化聚磷菌的生长与温度、pH值、DO浓度、水力停留时间、碳氮比等因素有关。陈晓旸[13]研究表明，在A/O/A膜生物反应器中，温度在（25±1）℃、SRT=15 d，DO=3.97 mg/L时，对氮、磷的去除效果最好。张超[14]使用人工配水，在SBR反应器内以A/O/A/O方式运行，当控制SRT=15 d，MLSS=3 200 mg/L，DO=2.5 mg/L时，TN、TP、COD去除率分别达到96.26%、99.87%、90.46%

NO3--N作为反硝化聚磷菌的电子受体已得到广大学者的认同和接受，但对于以NO2--N作为反硝化聚磷菌的电子受体还存在争议。Keren[15]在试验中发现当NO3--N消耗完后，污水中虽然还存在大量NO2--N，但并未发生吸磷现象，由此得出NO2--N不能作为反硝化聚磷菌的电子受体。但近年来，许多的研究成果认为只要合理的控制NO2--N浓度，NO2--N是可以作为反硝化聚磷菌的电子受体的。Meinhold[16]认为NO2--N浓度在4~5 mg/L时可以作为电子受体，只有当NO2--N浓度大于8 mg/L时才会对反硝化聚磷菌的活性产生抑制作用。彭永臻得出NO2--N浓度在5.5~9.5 mg/L时，反硝化聚磷菌可以进行吸磷反应，只有NO2--N浓度达到15 mg/L时才会抑制反硝化吸磷现象。李捷[17]得出NO2--N浓度小于65 mg/L时反硝化聚磷菌可以进行脱氮除磷，浓度大于95 mg/L时会导致反硝化聚磷菌释磷现象再次发生。王爱杰[18]得出NO2--N浓度为35 ± 5 mg/L时取得的反硝化除磷效果最好。J.Y.Hu[19]通过间歇试验得出NO2--N作为电子受体的上限浓度可以高达115 mg/L。张晓洁[20]通过批次试验研究得出在NO2--N浓度低于80 mg/L时不会对反硝化聚磷菌的吸磷现象产生抑制作用。

3 A2N-SBR工艺的应用进展

短程硝化-反硝化脱氮除磷工艺也称为连续流双污泥SBR工艺（A2N-SBR），该系统由厌氧/缺氧反应器（A2-SBR）和好氧反应器（N-SBR）组成。A2-SBR系统用来富集反硝化聚磷菌，去除有机物同时进行反硝化脱氮除磷反应；N-SBR系统用来富集亚硝化细菌，并为A2-SBR系统提供亚硝化液。两个SBR反应器中的优势菌种是完全分开培养的，彼此之间只是在沉淀后相互交换上清液，因此有利于两类细菌分别在各自适宜的环境下生长。在N-SBR内，NH4+只被氧化至NO2-而非NO3-，N-SBR系统的出水进入A2-SBR。在A2-SBR内，以NO2--N为电子受体的反硝化聚磷菌利用NO2--N进行反硝化吸磷，从而实现同步脱氮除磷的目的。工艺流程如图1所示。

图1 短程硝化-反硝化脱氮除磷工艺流程图

近年来A2N-SBR工艺逐渐成为研究热点。Kuba[21]通过试验验证了A2N-SBR工艺的可行性，并且证明了其与单污泥工艺相比脱氮除磷效果更好。HAO[22]将A2N-SBR工艺和UCT工艺进行了对比，结果表明前者对氮的去除率更高，同时曝气量节省了35%，混合液回流量节省了85%，占地面积减少了30%。王亚宜[23]得出A2N-SBR工艺对C/N为4~7的生活污水处理效果更佳，这个比值与我国生活污水的C/N较符合，有机物、TN和TP去除率分别可达95%、92.6%和98%。罗固源等[24]对A2N-SBR工艺进行了较系统的研究，取得了较好的脱氮除磷效果，指出该工艺适合处理低C/P的污水，并且建立了数学模型。李勇智[25]采用A2N-SBR工艺处理实际生活污水，脱氮和除磷效率分别达到95%和98%。

4 展望

短程硝化-反硝化脱氮除磷工艺的开发有效地解决了传统脱氮除磷工艺中存在的弊端，可以节省50%的有机物消耗量和30%的供氧量、减少了20%的大气CO2排放量以及50%的剩余污泥量，具有广泛的应用前景。近年来该工艺逐渐成为研究热点，其理论受到广泛重视及其工艺得到普遍认可。反硝化脱氮除磷理论虽然在上个世纪80年代就已经被提出，但是目前还存在以下问题有待于进一步解决：（1）反硝化聚磷菌的影响因素较多，目前对于影响因素的研究虽有了一定认识但还不够充分，理论解释还需要进一步补充，众学者得出的结论说法不一。特别是NO2-对反硝化聚磷菌的影响还需要深入研究。（2）现阶段，反硝化聚磷菌的研究还处于初级阶段，菌群的特性还没有完整的定论。反硝化脱氮除磷理论相应用到短程硝化-反硝化脱氮除磷工艺中的技术尚不成熟。该工艺连续运行后，会受到水质等各种影响因素的干扰，容易出现运行不稳定的现象，因此需要研究确定工艺运行的最佳控制参数。

［1］秦亚敏. 双污泥SBR工艺短程反硝化除磷脱氮的试验研究[D]. 沈阳: 沈阳建筑大学, 2010.

［2］李亚峰, 马晨曦, 张驰. 不同曝气方式下SBR亚硝化的实现及NO2--N积累效果[J]. 环境工程学报, 2014, 8(11): 4561-4567.

［3］李亚峰, 马晨曦, 张驰. pH值和有机碳源对匹配厌氧氨氧化的SBR亚硝化反应的影响研究[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2014, 30(6): 1128-1235.

［4］KubaT.，SmoldersG.，van Loosdreeht M.C.M.，et al. Biologiical phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor[J]. Wat.Sei. Teeh，1993，27（5-6）：241-252.

［5］Vlekke G.J.F.M.，ComeauY.，OldhamW.K.Biologieal phosphate removal from wastewater with Oxygen or nitrate in sequeneing bateh reactors [J].Environ.Teelinol.Lett，1988，9：791-796.

［6］KubaT.，SmoldersG.，van Loosdreeht M.C.M.，et al. Biologiical phosphorus removal from wastewater by anaerobic-anoxic sequencing batch reactor[J]. Wat.Sei. Teeh，1993，27（5-6）：241-252.

［7］Takeshita M，Soud H. FGD Performance and Experience on Coal-fired Plants[R]. London: IEACoalResearch, 1993：35-38.

［8］Bortone G.，Marsili Libelli S.，Tilche A.，et al.Anoxic Phosphate Uptake in the Dephanox Process[J]. Wat.Sci. Tech，1999，40（4-5）：177-183.

［9］邹华，阮文权，陈坚. 硝酸盐作为生物除磷电子受体的研究[J]. 环境科学研究，2002，15（3）：38-41.

［10］李勇智，彭永臻，王淑莹，等. 强化生物除磷体系中的反硝化除磷[J]. 中国环境科学，2003，23（5） ：543-546.

［11］罗宁. 双泥生物反硝化吸磷脱氮系统工艺的试验研究[D]. 重庆：重庆大学，2003.

［12］杨庆娟，王淑莹，刘莹，等. 污泥回流比对A2N反硝化除磷工艺脱氮除磷的影响[J]. 中国给水排水，2008，24（13）：37-41.

［13］陈晓旸，薛智勇，肖竟霓，等. 曝气强度对AOA膜生物反应器脱氮除磷性能的影响[J]. 环境科学，2011, 32(10): 2979-2985

［14］张超，王罗春. 溶解氧对反硝化除磷的影响[J]. 水处理技术，2009, 35 (12): 27-30

［15］Jens Peter Kerren-Jespersen，Mogens Henze，Rune Strube.Biological PhosPhorus release and uptake under alternating anaerobic and anoxic conditions in a fixed- film reactor[J]. Water Research，1994，28（5）：1253-1255.

［16］Jens Meinhold，Eva Arnold，Steven Isaacs.Eeffct of nitrite on anoxic phosphate uptake in biological phosphours removal activated sludge[J]. Water Research，1999，33（8）：1871-1883.

［17］李捷，熊必永，张杰.电子受体对厌氧/好氧反应器聚磷菌吸磷的影响[J]. 哈尔滨工业大学学报，2005，37（5）：619-622.

［18］王爱杰，吴丽红，任南琪，等. 亚硝酸盐为电子受体反硝化除磷工艺的可行性[J]. 中国环境科学，2005，25（5）：515-518.

［19］J.Y. Hu，S.L.Ong，W. J. Ng，et al.A new method for characterizing denitrifying phosphorus removal bacteria by using three different types of electron acceptors[J]. Water Research，2003，37（14）：3463 - 3471.

［20］张晓洁，周少奇，朱明石.亚硝氮为电子受体缺氧吸磷的试验研究[J].净水技术，2007，26（1）：41-46.

［21］Kuba T，Van Loosdrecht M C M，Heijnen J J.Phosphorus and nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying and dephosphatation and nitrification in a two sludge system[J]. Wat.Res，1996，30（7） ：1702-1710.

［22］X.Hao，J.J.Heijnen，Y.Qian，et al. Contribution of P-Bacteria in Biological Nutrient Removal Processes to Overall Effects on the Environment[J]. Water Science Technology，2001，44（1） ：67-76.

［23］王亚宜，杜红，彭永臻，等. A2N反硝化除磷脱氮工艺及其影响因素[J]. 中国给水排水，2003，19（9） ：8-11.

［24］罗固原，吉芳英，罗宁，等.硝酸盐电子受体反硝化同时除磷试验研究[J].环境工程，2004，22（1） ：32-35.

［25］李勇智，李安安，彭永臻，等. A2N-SBR双污泥反硝化生物除磷系统效能分析[J]. 北京工商大学学报，2007，25（1）：10-14.

Research Progress and Application of Denitrification and Phosphorus Removal Technology With Shortcut Nitrification and Denitrifying Phosphorus Accumulating Bacteria

（Shenyang Water Supply＆Drainage Prospecting Design Research Institute Co.,Ltd., Liaoning Shenyang 110021, China）

The denitrification and dephosphorization process with short-cut nitrification and denitrifying phosphorus accumulating bacteria effectively overcomes the shortcomings of the traditional biological nitrogen and phosphorus removal process, and it is a new biological nitrogen and phosphorus removal process with energy saving, high efficiency and low running cost . In this paper, the mechanism of denitrifying polyphosphate accumulating bacteria was introduced. The research progress was summarized, and the main problems of the process were pointed out.

A2N-SBR process, shortcut nitrification, denitrifying denitrification and dephosphorization, nitrite bacteria, denitrifying phosphorus accumulating bacteria

2016-11-25

赵娜（1982-）,女，硕士研究生，工程师，辽宁沈阳人，研究方向：水源工程、给水及污雨水泵站、给水处理厂、污水处理厂、中水回用、城市输配管网、给排水管道等给排水工程设计。E-mail：zhaoyayatong@126.com。

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1004-0935（2017）01-0099-04