生物脱氮除磷处理工艺的展望

1生物脱氮新理论与技术

1.1短程硝化反硝化理论与工艺

相对于传统的硝化反硝化脱氮理论只有NO3－为反硝化过程的电子受体，短程硝化反硝化利用NO2－作为反硝化过程的电子受体，整个生物脱氮过程可以通过NH4＋-N—NO2－-N—N2的途径完成。短程硝化反硝化反应步骤得到简化，不仅可以降低运行费用或在污水中碳源不足的情况下能获得较高的脱氮效率，减少污泥产量，还可以大大减少基建费［5］。目前所有分离的亚硝化细菌都归入β-Proteobacteria纲或γ-Proteobacteria纲。所有分离的硝化细菌都归于α-Proteobacteria纲，γ-Proteobacteria纲，δ-Proteobac－teria纲或Nitrospira门，除了γ-Proteobacteria纲中Ni－trosococcus与Nitrococcus的少数菌株具有相对较近的亲缘关系外，从进化谱系上看，亚硝化细菌和硝化细菌之间的亲缘关系并不密切，它们完全可以独立存在于处理系统中［6］。具体代表性的短程硝化反硝化工艺为SHARON工艺，它是利用在高温下（30~36℃）亚硝酸菌的最小泥龄小于硝酸菌最小泥龄的特性，将硝酸菌淘汰，维持了亚硝酸盐的积累，从而将氨的氧化控制在NO2－阶段，然后进行反硝化。温度、DO和pH值及游离氨（FA）是实现短程硝化的关键控制因素［4］。

1.2厌氧氨氧化理论与工艺

在厌氧条件下，以亚硝酸盐、硝酸盐作为电子受体，将氨转化为气态氮的这一过程称之为厌氧氨氧化。由于厌氧氨氧化细菌生长非常缓慢，代增时间长达11~20d，现有的微生物分离技术很难获得它的纯系菌株。目前多是通过反应器长时间富集培养，获得比例较高的菌株混合物。现在在不同的反应器和环境中发现的厌氧氨氧化细菌共有5个属，9个种［7］，均属于浮霉状菌（Planctomycetales），其中CandidatusKueneniastuttgartiensis的全基因组测序工作也已完成［8］。但Hu等发现了一株门多萨假单胞菌属的细菌也具有一定的厌氧氨氧化活性［9］，这表明除浮霉状菌外，还有其他厌氧氨氧化细菌属存在。基于厌氧氨氧化原理开发的工艺有OLAND工艺，SHARON-ANAMMOX工艺，CANON工艺。OLAND工艺由比利时Gent大学微生物生态实验室开发研制，Wyffels等成功利用OLAND工艺处理污泥消化液［10］，另外，Windey等的研究结果表明，OLAND工艺处理高盐废水也具有一定的可行性［11］。SHARON-ANAM-MOX工艺是荷兰Delft大学开发的一种新型脱氮工艺，与传统的硝化反硝化过程相比，SHARON-ANAM-MOX耗氧量节约50％，同时减少CO2的排放，无需有机物，不产生剩余污泥，节省占地，具有良好的应用前景［12］。目前，该工艺已成功应用于工程实际，如荷兰鹿特丹的Dokhaven废水处理厂。CANON工艺是荷兰Delft大学在SHARON-ANAMMOX基础上发展起来的一种全新的工艺，目前在国外该工艺已成功应用于处理垃圾渗滤液的高浓度氨氮。

1.3同步硝化反硝化理论与工艺

同步硝化反硝化技术指的是硝化和反硝化过程在同一个反应器中同时发生，系统不需要明显的缺氧时间段或缺氧分区而能将总氮脱除的技术。目前已知的好氧反硝化现象仅存在细菌中，多见于假单胞菌属（Pseudomonas）、产碱杆菌属（Alcaligenes）、副球菌属（Paracoccus）和芽孢杆菌属（Bacillus）中［13］。这类能在有氧条件下进行反硝化作用的微生物的发现为同步硝化反硝化理论提供了有力证据。利用固定化微生物技术进行同步硝化反硝化已有工程实践，如屈佳玉用包埋有硝化细菌的微生物载体投入某生活污水厂的好氧池中［14］，结果表明在添加硝化细菌载体的工程，氨氮去除率达到90%以上，明显高于不添加的处理效果。在实际工程运用中，硝化细菌载体的投加较方便、抗冲击负荷能力较强，运行管理方便，成本较低，处理效果好，具有良好的应用前景。

2生物除磷新理论和新技术

2.1反硝化除磷机理

硝化除磷的机理和传统的厌氧—好氧除磷的机理极为相似，其优势菌种为反硝化除磷菌（DPAO），该类微生物能够利用O2或NO3-作为电子受体进行吸磷，并以聚合磷酸盐的形式储存在细胞内，同时NO3-被还原为N2。这样在厌氧—缺氧交替运行的条件下，通过DPAO的新陈代谢活动即可实现同步的反硝化和除磷的效果。反硝化除磷机理的研究，主要是围绕反硝化聚磷菌的微生物行为特征和种类。Hu认为大部分聚磷菌都能以NO3－，NO2－，O2作为电子受体［15］，超过聚磷菌总数量的50％，因此可以充分利用这些细菌进行反硝化除磷。焦中志分离出15株菌［16］，分别属于肠杆菌科、假单胞菌属、气单胞菌属、弧菌科、微球菌属、链球菌属和产碱菌属。周康群认为假单胞菌属的聚磷作用很强［17］，利用硝酸盐较彻底，肠杆菌科聚磷作用次之，副球菌聚磷作用最弱，肠杆菌科和副球菌聚磷过程中硝酸盐利用不完全。

2.2反硝化除磷脱氮工艺

2.2.1BCFS工艺

BCFS工艺是在UCT工艺基础之上增加了2个反应池。由厌氧池、接触池、缺氧池、混合池及好氧池这5个功能相对专一的反应器组成。通过反应器之间的3个循环来实现反应器内DPB富集和氮、磷的最佳去除。BCFS工艺的主要特点有［18］：对氮、磷的去除率高；抑制污泥膨胀；控制简单，通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现反应器稳定的运行；充分利用DPB倍增时间长的特点，污泥量减少10％左右；利用DPB实现生物除磷，使碳源能被有效地利用，使该工艺在COD（/N+P）值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态。

2.2.2Dephanox工艺

Dephanox工艺在厌氧池和缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池。污水在厌氧池中释磷，在沉淀池中进行泥水分离，含氨较多的上清液进入固定膜反应池进行硝化，污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧段，完成反硝化除磷。该工艺具有能耗低、污泥产量低且COD消耗量低的特点，但该工艺中磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度，当缺氧段硝酸盐不充足时，磷的过量摄取受到限制，反之硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌体的PHB的合成。

3研究展望

在生物脱氮方面，我国对生物脱氮微生物学机制的研究较少，尤其是对生物脱氮限速步骤硝化作用的研究还停留在菌种的分离、纯化和生理生化特性的研究，很少涉及分子生物学方面的研究，因此与国外研究水平的差距还很大。为此，需要加强以下几个方面的研究：（1）高效硝化细菌的分离和筛选，特别是耐受高浓度氨氮和对极低浓度氨氮具有高效亲和力菌株的分离筛选，以及低温或高温下高效硝化菌株的分离筛选。（2）开展特殊脱氮微生物（如异养硝化菌、好氧反硝化菌）分离筛选及应用和生理生化条件与机制、酶学机理等研究，具有重要的意义。（3）开展硝化作用微生物的分子生态学和分子生物学方面的研究。在生物除磷方面，应加强不同水质条件下的优势聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）种群结构及其生态位关系解析，进一步研究可能影响PAOs和GAOs竞争的各种环境因素及其作用规律，促进EBPR系统中PAOs的优势生长。另外，充分利用现代分析检测技术深入研究除磷微生物的生物化学代谢机制，阐明生物除磷（EBPR）机制，推动EBPR的不断发展。

作者：康乐单位：广东联泰环保股份有限公司