SBR工艺脱氮除磷研究进展

赵耘挚，刘振鸿
（东华大学 环境科学与工程学院，上海 200051）

　　摘要：总结了SBR脱氮工艺中的同步硝化/反硝化、亚硝化脱氮现象，讨论了影响SBR除磷的碳源、聚磷菌与非聚磷菌竞争、pH值、好氧曝气、污泥龄、水力停留时间等因素，并对SBR工艺中脱氮除磷的相互影响进行了探讨；最后，给出了可以同时脱氮除磷的一种SBR的运行方式。
　　关键词：SBR；脱氮除磷；EBPR
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009-2455(2002)04-0007-04

Development of SBR Process in Removing Nitrogen and Phosphorus
ZHAO Yun-zhi, LIU Zhen-hong
（School of Enviroamental Science & Engineering，Donghua University，Shanghai 200051，China）

　　Abstract：The phenomena of simultaneous nitrification and denitrification，and nitrite denitrification in SBR was summarized. The factors such as carbon source，competition of PAO_S and non-PAO_S，pH，aeration，sludge age and hydraulic residence time which affect phosphorus removal of SBR were discussed．The interaction of nitrogen and phosphorus removal was also approached．Finally，an operation way of SBR to simultaneously remove nitrogen and phosphorus was suggested．
　　Key words：SBR；nitrogen and phosphorus removal；EBPR

　　脱氮除磷是当今水污染控制领域研究的热点和难点之一，为了高效而经济地去除氮、磷，研究者开发了许多工艺和方法。SBR工艺由于操作灵活，脱氮除磷效果好，所以得到了广泛的应用。当前，对于SBR工艺脱氮除磷原理的研究，又有了新的进展。

1 SBR工艺中脱氮的研究

　　传统的脱氮理论认为，硝化与反硝化反应不能同时发生，硝化反应在好氧条件下进行，而反硝化反应在缺氧条件下完成，SBR工艺的序批式运行为这样的反应条件创造了良好的环境；但是，最近几年国内外有不少试验和报道证明SBR系统中存在同步硝化反硝化现象（Simultaneous Nitrification and Denitrification，简称SND）。
　　李锋^[1]等人认为，反应器内进行同时硝化/反硝化的必要条件是好氧和缺氧环境同时存在，所以应该控制DO一般在0.5～1.5mg/L这样一个较低的水平；他们引用的数据表明，采用SBR反应器，控制其中的DO在0.5～1mg/L，在反应器中形成厌氧（缺氧）和好氧并存的环境，可以实现同时硝化/反硝化的过程。
　　但是Hong W Zhao^[2]、Lesley^[3]等人的研究证明，许多异养微生物能够对有机及无机含氮化合物进行硝化作用，当BOD5与N的质量比大于6.9时异养硝化菌对氨的氧化会起很大的作用。李丛娜^[4]等人在控制SBR反应器保持良好的好氧状态（DO＞8mg/L），MLSS较低的情况下，对此进行了研究，他们发现，在每一工作周期的前期，硝化反应的进行使氨氮比较彻底地转化为硝酸盐氮，氨氮浓度逐渐降低同时总氮浓度也逐渐降低。并由此得出结论：在这一阶段既发生了好氧硝化也发生了好氧反硝化（即同步硝化反硝化）从而导致了比较可观的总氮去除率，并推断活性污泥絮体中同时存在着异养硝化菌与好氧反硝化菌。
　　此外，还有学者提出了亚硝酸型生物脱氮技术^[5-6]，认为亚硝酸型生物脱氮技术具有降低能耗、节省碳源、减少污泥生成量、反应器容积小及占地面积省等优点；这种技术的核心是将硝化过程控制在亚硝酸阶段，随后进行反硝化。Sung-Keun Rhee^[7]等人利用SBR反应器对此进行了研究。他们的结果表明，当系统中氨氮的浓度成为限制硝化细菌将亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮的时候，自养型硝化菌的活性就受到了抑制，从而出现了亚硝酸盐的积累；在后续的缺氧段中，所有的积累的亚硝酸盐和硝酸盐都能够得到反硝化而完全去除，系统对总氮的去除率在85％左右。

2 SBR工艺中的除磷的研究

　　增强性生物除磷（Enhanced Biological Phosphorus Removal，简称EBPR）也是得到广泛注意的技术，其表现为厌氧状态释放磷的活性污泥在好氧状态下有很强的磷吸收能力，吸收的磷量超过了微生物正常生长所需要的磷量。一般认为其过程为：①厌氧段：聚磷菌（PAO_S）吸收废水中的有机物，将其同化成聚羟基烷酸（PHA），其所需要的三磷酸腺苷（ATP）及还原能是通过聚磷菌细胞内贮存的聚磷和糖原的降解来提供的，这个过程会导致反应器中磷酸盐的增加；②好氧段：聚磷菌利用PHA氧化代谢产生的能量来合成细胞、吸收反应器中的磷来合成聚磷，同时，利用PHA合成糖原。
　　EBPR技术的关键在于厌氧区的选择，在厌氧段合成的PHA量对于好氧段磷的去除具有决定性意义。一般而言，合成的PHA越多，则释放的磷越多，好氧段就能吸收更多的磷。但是，控制良好的SBR反应器，也会发生EBPR失效的现象，研究表明主要存在以下影响：
2.1 碳源的影响
　　研究表明，要实现EBPR的效果，系统中COD与P的质量比的值应大于35，BOD5与P的质量比的值应大于20。如果原水中短链脂肪酸（VFA_S）的含量较高，则有利于EBPR的发生并提高EBPR的效果；厌氧段废水中VFA_S的含量应大于25mg[COD]/L，但是当VFA_S的含量过大（＞400mg[COD]/L）时，也会导致EBPR的失效洞时，碳源的不同可以导致释磷速率及PHA合成种类的不同。
2.2 聚磷菌与非聚磷菌竞争的影响
　　一般认为，由于一些非聚磷菌也能够在厌氧段吸收有机物而不用同时水解聚磷，从而形成了对聚磷菌的竞争反应，但是竞争的引发原因，却没有共同的解释。Liu^[8]等人认为，如果用葡萄糖为外碳源，容易发生聚糖菌（GAO_S）与聚磷菌的竞争，但是Che Ok Jeon^[9]等人的研究表明，SBR系统中，用葡萄糖作为碳源，也能够达到EBPR的效果，而没有产生聚糖菌的增殖。Satohl^[10]等人的理论认为，如果好氧段进水中的氨基酸或蛋白质的含量过低，聚磷菌的生长速率就会减慢，从而导致聚糖菌占优势；如果进水中没有氨基酸，则由于聚糖菌分解无机氮和核酸产生氨基酸的速度比聚磷菌快，从而导致聚糖菌占优势。
2.3 pH值的影响
　　聚磷菌在厌氧段时的释磷量一般随pH值的升高而增加，而pH值是否影响聚磷菌对有机物的吸收仍有矛盾之处。当pH＜5时，EBPR现象不会发生，pH值在8.5～9.0之间是EBPR发生的最佳范围。Che Ok Jeon等人的试验^[11]表明，pH对聚磷菌和聚糖菌的竞争也有一定影响，当控制厌氧段的pH在7.0（或8.0）时，聚糖菌在菌群中占优势，从而导致EBPR的失效；当不控制pH值时，由于反硝化的发生和乙酸盐的同化，厌氧段的pH值升高到了8.4，这时完全的EBPR是可以发生的。
2.4 好氧曝气的影响
　　好氧段曝气量过大或曝气时间过长，会使聚磷菌消耗过多的PHA从而影响对磷的吸收，当处于厌氧段后，虽然聚磷菌能以最快速率释放磷，但是这些磷在后续的好氧段内却不能再被完全吸收，即过量吸磷受到破坏，EBPR失效。所以，适当地使聚磷菌保留一部分PHA，可以保持聚磷菌的过量吸磷能力^[12]。
2.5 污泥龄的影响
　　缩短污泥龄，可以排放较多的污泥，从而去除较多的磷，但是会恶化出水质量和增加污泥处理费用；延长污泥龄，由于聚磷菌的衰亡速度较慢，所以可以使聚磷菌在污泥中的数量增加，同样可以使磷的去除量增加。同时，污泥龄的长短会影响到聚磷菌胞内聚合物的含量。所以，EBPR系统中污泥龄不应太短，一般应大于3d。
2.6 水力停留时间的影响
　　由于聚磷菌对有机物的吸收在厌氧段内是很快完成的，所以厌氧段内更重要的是污泥龄；适当延长厌氧段的水力停留时间，会提高EBPR的效果，这可能是可以形成更多的PHA的原因。但是，如果厌氧/好氧水力停留时间比过大，也会使EBPR失效。

3 SBR艺中脱氮与除磷之间的相互影响

　　SBR工艺中脱氮与除磷之间的关系较为复杂，这主要是因为活性污泥中菌种种群的多样性而造成的，当不同的菌群占优势时，表现的规律不尽相同。
3.1 硝酸盐氮对EBPR的影响
　　由于EBPR过程的发生需要完全的厌氧阶段，而厌氧段硝酸盐的存在会破坏生物除磷的效果。这是由于反硝化菌会与聚磷菌竞争废水中的有机基质，而且能优先于聚磷菌利用这些有机基质进行反硝化，从而在真正厌氧状态形成之间形成了一个兼性的状态。生活污水排水中的硝酸盐氮一般在2～5mg/S之间，所以不会导致生物除磷的失效，但是如果废水中硝酸盐的浓度很高，就可能导致反硝化菌与聚磷菌对有机基质的竞争反应而导致生物除磷的失效。
　　Chang C H^[13]等人的研究发现，如果SBR排水中的硝酸盐浓度从10.9mg/L减少到5.6mg/L时，磷的去除率可以从80％提高到98％。Pitman^[14]等人的研究证明，如果回流污泥中硝酸盐的浓度低于5mg/L的时候，生物可以很容易取得良好的释磷效果，但是当硝酸盐的浓度达到10mg/L以上时，磷的释放就受到抑制从而导致生物除磷的失败。
　　尽管生物除磷的效果取决于操作方式，但是最重要的限制因子还是进水的COD值。一般认为，要达到良好的脱氮除磷效果，废水的COD与总氮的质量比值应大于9。Ruya^[15]等人对SBR工艺的研究证明，废水中的总COD值并不是可以反映污水脱氮除磷所需碳源的有效参数，而COD中的易生物降解部分才是可以评价系统功能的主要参数。Tam^[16]等人的研究认为，当进水的有机基质主要为易生物降解的组分时，反硝化和生物释磷可以同时发生，然而当难生物降解组分为主时，生物释磷是在反硝化之后发生的。
3.2 可脱氮聚磷菌（DPAO_S）对系统脱氮除磷的影响
　　因为系统中的硝酸盐氮对EBPR有不利影响，所以最初的研究认为，能发生EBPR反应的细菌不能够进行反硝化反应，但是现在有很多研究表明，聚磷菌中至少有一部分能够在缺氧条件下利用硝酸盐为氧供体进行吸磷而发生反硝化反应^[17]，所以好氧段只需进行到硝化阶段即可，反硝化及吸磷可以在后续的兼性阶段完成。这种情况下，可以节省能耗和避免厌氧段反硝化菌对碳源的竞争，污泥产量和SVI值都会减小^[18]，但是缺氧条件下的吸磷速率较为缓慢。
3.3 亚硝酸盐氮的影响
　　Meinhold^[19]等人对SBR反应器的研究表明，兼性状态下存在的亚硝酸盐氮对可脱氮聚磷菌的整体效果存在影响，当亚硝酸盐氮的浓度为4～5mg/L时，这种影响不是很明显，亚硝酸盐氮甚至可以作为电子供体为可脱氮聚磷菌吸磷使用，但是再高一些浓度的亚硝酸盐氮就会产生抑制作用。他们的研究表明，亚硝酸盐氮的限制浓度在5～8mg/L之间，这和污泥状况是有关的。

4 同时脱氮除磷SBR运行方式的选择

　　从上文的讨论可以看出，SBR工艺的脱氮和除磷的反应条件有相同之处，也有不同之处，有相互的不利影响，也有互促互生的方面。
　　对于需要同时脱氮除磷的场合，SBR反应器可采用图1所示流程。

　　静止进水可以使进水阶段结束后反应器中形成较高的基质浓度梯度，节省能耗；搅拌进水可以使反应器保持厌氧状态，保证磷的释放；曝气后的反应混合可以进行反硝化反应；随后的曝气可以吹脱污泥释放的氮气，保证沉淀效果，避免磷过早释放；为了防止沉淀阶段发生磷的提前释放问题，让排泥和沉淀同时进行^[20]。

5 结论

　　SBR艺是一种高效、经济、可靠、适合中小水量污水处理的工艺，符合我国的国情；尤其是SBR工艺对于污水中氮、磷的去除，有其独到的优势，所以SBR工艺及其新工艺在我国有着广阔的应用前景。

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作者简介：
赵耘挚（1976～），男，河北石家庄人，东华大学在读研究生，研究水污染控制，电话(021)62374815，[email protected]。