1、1 本科毕业论文 文献综述 环境 工程 废水反硝化除磷机理及影响因素的探讨 摘要： 水体富营养污染日益严重，过量磷元素进入水体会加快水体的富营养化，如何控制水体的磷元素引起人们的高度关注。 反硝化除磷工艺是近几年新兴的除磷工艺，具有耗能低、流程简单等优点。 本文 在简要介绍废水生物脱氮除磷现状的基础上， 介绍了反硝化除磷的原理，着重阐 述了 C/N，水力停留时间，泥龄，pH等对反硝化除磷过程及处理效果的影响作用，为实际的工程应用提供一定的理论指导。 关键字 ：反硝化除磷；除磷菌；作用机理；影响因素 1.前言 当今，工、农业迅猛发展 ，人们的生活水平逐年提高，大量氮、磷等营养元素不断进入水体，致
2、使水体富营养化污染日趋严重， 迫使人们去寻找经济、有效的污水除磷工艺。传统的生物脱氮和除磷工艺存在 反硝化菌和聚磷菌对碳源的竞争利用，这使其不能达到良好的同步脱氮除磷效果。而反硝化除磷菌 （ DPB） 在缺氧条件下 ，能 以硝酸盐代替 O2为电子受体 ， 同步完成反硝化脱氮和过量吸磷过程。 这就 缓解了反硝化过程和释磷过程的碳源需求矛盾以及硝化菌和聚磷菌（ PAOs） 的最佳 SRT要求 的矛盾，弥补了传统工艺的不足。 本文系统的介绍了反硝化除磷的机理及其影响因素 2-5。 2.反硝化除磷的基本原理 生物诱导化学沉淀作用和生物过量聚磷作用是微生物除磷机理的两种不同代表性观点。一般认为废水中磷的
3、去除是一种生物过程，即是生物过量聚磷作用。在厌氧条件下， PAO的生长受到抑制，为了其自身的生长便释放出其细胞中的聚磷酸盐，同时产生 ATP来摄取废水中的溶解性有机基质以合成聚 -羟基丁酸盐（ PHB） 颗粒，此时表现为磷的释放，即磷酸盐由微生物体内向废水的转移。而在好氧条件下， PAO的活力充分恢复，在其充分降解 PHB同时，从废水中摄取大大量的溶解态正磷酸盐，在自身细胞内合成多聚磷酸盐，并加以积累 。这种对磷的积累作用大大超过微生物正常生长所需的磷量，可达细胞自身重量 6%-10%。2 这一阶段表现为微生物对磷的过量吸收，即磷酸盐由废水向聚磷体内的转移。图1所示为上述生物除磷机理的概化图，
4、图 2所示为除磷过程中不同物质的转化过程8,9。 图 1 PAO在厌氧 -好氧环境中的作用机理 图 2 生物除磷过程中不同物质的转化 研究认为聚磷菌包括两类菌属，一类是只能以氧作为电子受体的好氧聚磷菌，而另一类是 既能以氧又能以硝酸盐作为电子受体的反硝化聚磷菌 DPB（ Denitrifying Phosphorus-removing Bacteria） 。 DPB 能在缺氧条件下以硝酸盐代替溶解氧作为电子受体进行聚磷，同时将硝酸盐还原成 N2 或氮化物，将反硝化和除磷这两个过程合二为一，达到同步脱氮除磷的目的 。 DPB 的生物代谢作用与 PAO 相似 ， 在厌氧段 ， DPB 将 COD
5、降解为低分子脂肪酸并快速吸收，然后大量繁殖 ， 同时水解细胞内的 Poly-p， 以无机磷酸盐 （ PO43-） 的形式释放出来。利用上述释磷过程产生的 ATP 和糖原酵解还原性产物 NADH2， DPB 能合成大量兼性菌 乙酸等 VFA 产物 聚磷酸盐 聚磷酸盐 PHB 进水基质 能量 PHB 能量 BOD5+O2 PO43- CO2+H2O + 厌氧 好氧 PAO PAO 增值 PO43- PAO ADP 有机 磷 ATP 无 机 磷 释磷 溶解质 PHB ATP ADP 合成 PAO ATP 无机磷 ADP 有机磷 PHB 无机物 ADP ATP 摄磷 降解 二沉池 进水 出水 污泥回流
6、 剩余污泥 厌氧段 好氧段 3 的 PHB 贮存在体内。而在缺氧段 ， DPB 以 NO3-作为电子受体，氧化 PHB， 利用降解 PHB 产生的 ATP， 一部分供给 DPB 细菌合成和维持生命活动 ，另 一部分则用于过量摄取水中的无机磷酸盐并 以 Poly-p的形式储存在细胞体内 ， 同时将 NO3-还原为 N2， 这样在厌氧 /缺氧的环境中 ， 实现 DPB 反硝化除磷效果 ， 具体过程如图 3 所示 10。 图 3 反硝化除磷过程示意图 3.反硝化除磷的影响因素 3.1 C/N 比对反硝化除磷的影响 C/N比对 反硝化除磷系统的处理效果有很大影响 ， 控制 C/N比实际就是控制了系统中
7、反硝化菌和 DPB的优势生长 。 在反硝化除磷过程中 ， SRT适宜的条件下 ，要想获得理想的反硝化除磷效果 ， 应尽可能使外碳源和硝酸盐不在同一时间内共存 。 反硝化除磷系统中的主要微生物种群有水解产酸菌、反硝化菌、 PAO及 DPB。在厌氧条件下，水解产酸菌将大分子有机物水解为小分子有机物 ， 为 DPB提供了易于吸收利用的短链脂肪酸 （ SCFAs） ， 促进释磷的进行。但是外碳源和硝酸盐共存时 ， 反硝化菌能进行反硝化作用 ， 因此 ， 厌氧段若存在硝态氮 ， 反硝化菌会与 DPB竞争有 机底物 ， 影响释磷效果 ； 在缺氧段若存在耗氧有机物 ， 反硝化菌又会与 DPB竞争硝态氮 ，
8、影响吸磷效果。由此可见在反硝化除磷系统中 ， 反硝化菌与 DPB是一对矛盾 ， 处理好这一对矛盾对控制反硝化除磷系统稳定高效运行有重要影响 。 C/N比主要影响这两类菌的生长 ， 因此 ， 控制 C/N比实际上就是控制了反硝化菌和 DPB的优势生长 11。 3.2 泥龄对反硝化除磷的影响 泥龄 （ SRT） 反映了活性污泥系统中微生物的生长状态、生长条件、世代期等一系列基本特性 ， 并对活性污泥系统的运行状况如出水水质、产泥量、需氧量等都有重大影响 18。 研究 发现 SRT 对反硝化除磷系统降解有机物并无明显影响 ， 磷酸盐 有机底物 厌氧 聚磷菌 能量 聚磷 PHA 聚磷 PHA 磷酸盐
9、聚磷菌 硝酸盐 氮气 能量 缺氧 4 不同 SRT 情况下 ， 系统对有机物的去除效果稳定。但 SRT 对反硝化除磷系统的除磷效能有较为复杂的影响 ， SRT 过低和过高都不利于系统的稳定运行， SRT较短会使得系统中的 PAOs 首先被淘洗出去 ， 生物除磷系统将会遭到破坏 ， 除磷率也会随之降低，并且在短 SRT 时 （ 8d） 几乎没有反硝化除磷作用 ， 随着 SRT的延长 ， 缺氧吸磷在系统除磷中所起的作用也越来越大 。 但是 ， SRT 过长会使磷 “ 自溶 ”，同样 会降低除磷效率 。 王春丽等 研究发现 SRT 为 18d 时是维持污泥浓度和除磷效果的最佳结合 点。在实际运行中
10、， 由于实际污水中还会带入大量的菌体和固体悬浮物 ， 所以 SRT 可以考虑选择更短些 20。 3.3 pH对反硝化除磷 的影响 pH 值对厌氧释磷和缺氧吸磷均有影响。在厌氧条件下， pH 值对 DPB 释磷过程有较大影响 ， 随着 pH 值增大， P/C 值随之提高 ， 释磷量也随之增加；但当pH 值过高时，会导致磷酸盐沉淀 ， 释磷量反而会有所下降。 pH值对缺氧吸磷亦有一定的影响 ， 尤其是当 pH8 时 ， 浓度会因化学沉淀作用而大幅下降 ， 导致无法正确判断磷是通过生物作用去除还是通过化学沉淀去除 21。 3.4其他影响因素 （ 1） MLSS。 适当 增大 MLSS可以提高反硝化除
11、磷系统的反应速度，但若MLSS过大，不仅提高剩余污泥处置的费用，而且也可能在缺氧吸磷的过程中由于 NO3- 较低导致磷的二次释放 。 因此，保持 MLSS在适当的范围，在反硝化除磷工艺的设计时是很重要的因素之一 。 （ 2） 聚糖原菌。在 厌氧条件下， GAOs 会利用糖原分解产生的能量吸收碳源并转化为 PHA 存储在体内；在好氧条件下， GAOs 又会利用 PHA 进行糖原的恢复和生长，可见在代谢过程中，并未发生磷的释放和过量吸收 。 部分 GAOs还可以反硝化， GAOs 会与 PAOs 竞争有限的基质 ， 因此， 如果出现 GAOs 增强的情况则将导致生物除磷效率的下降。 （ 3） 水力
12、停留时间 （ HRT） 。 在厌氧段，微生物将吸收利用进水中的有机碳源 ，并 为后续除磷脱氮过程提供电子供体的阶段 ， 可见 ， 厌氧段 HRT长短对系统的除磷和脱氮效果以及系统的处理能力起着关键的影响 。研究表明 厌氧段 HRT太长会出现无效释磷致使出水磷含量较高 ，而 HRT过短又不能充分吸收和转化进水 COD， 不能为缺氧吸磷提供足够的电子供体 PHB， 影响系统的脱氮和除磷效率 。5 因此 ，应 在保证后续反应的前提下尽量缩短厌氧段 HRT。 4.结束语 反硝化除磷工艺被誉为适合可持续 发展的绿色工艺 ，它 将反硝化脱氮和生物除磷这两个本来认为彼此独立的作用 有机地合二为一 ， 在反硝
13、化的同时进行吸磷 ，实现了低能耗，易于控制， 并减少了污泥产量 。 对我国污水的深度除磷脱氮处理具有相当大的现实意义 。 由于 C/N、 NO3-、 NO2-等对反硝化除磷均会产生一定的影响 ， 在污水处理厂的设计和运行管理中 ， 如果合理选择工艺运行参数 ， 严格控制影响因素 ， 将会大大提高生物除磷的效率 ， 使污水处理厂实现达标排放 。 参考文献 1邵友元 ,姚创 ,汪义勇 ,等 .生物废水处理中除磷机理及工艺分析 J.化学与生物工程 ,2007,24 (10):5-8. 2郝晓地等 .可持续除磷脱氮工艺 J.给水排水 ,2002,28(9):7-9. 3王春丽 ,马放 ,米海蓉 ,等
14、.反硝化除磷系统的启动及其稳定性研究 J.给水排水 ,2006,32(增刊 ):126-129. 4华光辉 ,张波 .城市污水生物除磷脱氮工艺中的矛盾关系及对策 J.给水排水 ,2000,26(12): 1-4. 5万金保 ,王建永 .反硝化除磷理论及运用现状 J.水处理技术 ,2008,34(3):7-10. 6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. 7王春英等 .反硝化聚磷机理试验 J.环境污染治理技术与设备 ,2002,6(6): 65-68. 8陈腾殊 ,白少元 ,徐建宇 ,等 .反硝化
15、除磷机理及影响因素研究进展 J.水科学与工程技术 , 2010,4:47-48. 9张红 ,张可方 ,张朝升 ,等 .反硝化除磷菌的培养及驯化 J.广东化工 ,2009,36(6):35-37. 10赵晓靓 .反硝化除磷技术及其影响因素研究进展 J.山西筑 ,2007,33(29):173-174. 11郭海娟 ,马放 ,沈耀良 .C/N比对反硝化除磷效果的影响 J.环境科学学报 ,2005,25(3):367 -370. 12李勇智 ,彭永臻 ,张艳萍 .硝酸盐浓度及投加方式对反硝化除磷的影响 J.环境污染与防治 , 2003,25(6):323-325. 13孙晓洁 ,周少奇 ,丁进军 ,
16、等 .不同电子受体影响下的反硝化除磷过程 J.华南理工大学学报6 (自然科学版 ),2007,35(6):120-126 . 14赵庆 ,关卫省 ,王志盈 .电子受体对同步脱氮除磷的影响 J.长安大学学报 :自然科学版 ,20 05,25(4):103-106. 15张晶莉 ,文一波 ,李林宝 ,等 .反硝化除磷脱氮工艺的影响因素探讨 J.安全与环境工程 ,20 07,14(4):67-70. 16李捷 ,熊必永 ,张树德 ,等 .亚硝酸盐对聚磷菌吸磷效果的影响 J.环境科学 ,2006,27(4):701- 703. 17曹长青 ,雷中方 ,胡志荣 ,等 .反硝化除磷过程中的影响因素探讨 J
17、.中国给水排水 ,2005,21 (7):22-25. 18周海东 ,刘勤亚 ,张业健 .泥龄应用中有关问题的探讨 J.污染防治技术 ,2003,16(2):13-16. 19唐艳葵 ,童张法 ,张寒冰 ,等 .颗粒污泥的反硝化除磷研究 J.中国给水排水 ,2007,23(17):32- 36. 20王春丽 ,马放 ,刘慧 ,等 .泥龄对反硝化除磷效能的影响 J.东北农业大学学报 ,2007,38(5): 637-640. 21王亚宜 ,王淑莹 ,彭永臻 .MLSS、 pH及 NO2-N对反硝化除磷的影响 J.中国给水排水 ,2005, 21(7):47-51. 22董继红 .反硝化除磷过程中
18、的影响因素探讨 J.辽宁化工 ,2009,38(12):924-926. 23裘湛 .污水反硝化除磷技术研究进展 J.污染防治技术 ,2009,22(3):79-82. 24刘占会 ,张雁秋 ,李燕 ,等 .反硝化除磷机理及电子受体研究进展 J.环境科学与管理 ,2008, 33(10):134-140. 25王亚宜 ,彭永臻 ,王淑莹 ,等 .碳源和硝态氮浓度对反硝化聚磷的影响及 ORP的变化规律 J. 环境科学 ,2004,25(4):54-58. 26李相昆 ,张杰 ,黄荣新 ,等 .反硝化除磷菌的脱氮除磷特性研究 J.中国给水排水 ,2006,22 (3):35-39. 27朱洪山 .反硝化除磷理论与工艺研究进展 J.山西建筑 ,2011,37(22):132-133. 28尹军 ,谢滔 ,李瑞 ,等 .污水生物处理过程中反硝化除磷影响因素探讨 J.中国资源综合利用 ,2011,29(3):52-56.
