趙耘摯，劉振鴻
（東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200051）

　　摘要：總結(jié)了SBR脫氮工藝中的同步硝化/反硝化、亞硝化脫氮現(xiàn)象，討論了影響SBR除磷的碳源、聚磷菌與非聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)、pH值、好氧曝氣、污泥齡、水力停留時(shí)間等因素，并對(duì)SBR工藝中脫氮除磷的相互影響進(jìn)行了探討；最后，給出了可以同時(shí)脫氮除磷的一種SBR的運(yùn)行方式。
　　關(guān)鍵詞：SBR；脫氮除磷；EBPR
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：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

　　脫氮除磷是當(dāng)今水污染控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一，為了高效而經(jīng)濟(jì)地去除氮、磷，研究者開發(fā)了許多工藝和方法。SBR工藝由于操作靈活，脫氮除磷效果好，所以得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，對(duì)于SBR工藝脫氮除磷原理的研究，又有了新的進(jìn)展。

1 SBR工藝中脫氮的研究

　　傳統(tǒng)的脫氮理論認(rèn)為，硝化與反硝化反應(yīng)不能同時(shí)發(fā)生，硝化反應(yīng)在好氧條件下進(jìn)行，而反硝化反應(yīng)在缺氧條件下完成，SBR工藝的序批式運(yùn)行為這樣的反應(yīng)條件創(chuàng)造了良好的環(huán)境；但是，最近幾年國(guó)內(nèi)外有不少試驗(yàn)和報(bào)道證明SBR系統(tǒng)中存在同步硝化反硝化現(xiàn)象（Simultaneous Nitrification and Denitrification，簡(jiǎn)稱SND）。
　　李鋒^[1]等人認(rèn)為，反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行同時(shí)硝化/反硝化的必要條件是好氧和缺氧環(huán)境同時(shí)存在，所以應(yīng)該控制DO一般在0.5～1.5mg/L這樣一個(gè)較低的水平；他們引用的數(shù)據(jù)表明，采用SBR反應(yīng)器，控制其中的DO在0.5～1mg/L，在反應(yīng)器中形成厭氧（缺氧）和好氧并存的環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)硝化/反硝化的過程。
　　但是Hong W Zhao^[2]、Lesley^[3]等人的研究證明，許多異養(yǎng)微生物能夠?qū)τ袡C(jī)及無機(jī)含氮化合物進(jìn)行硝化作用，當(dāng)BOD5與N的質(zhì)量比大于6.9時(shí)異養(yǎng)硝化菌對(duì)氨的氧化會(huì)起很大的作用。李叢娜^[4]等人在控制SBR反應(yīng)器保持良好的好氧狀態(tài)（DO＞8mg/L），MLSS較低的情況下，對(duì)此進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)，在每一工作周期的前期，硝化反應(yīng)的進(jìn)行使氨氮比較徹底地轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，氨氮濃度逐漸降低同時(shí)總氮濃度也逐漸降低。并由此得出結(jié)論：在這一階段既發(fā)生了好氧硝化也發(fā)生了好氧反硝化（即同步硝化反硝化）從而導(dǎo)致了比較可觀的總氮去除率，并推斷活性污泥絮體中同時(shí)存在著異養(yǎng)硝化菌與好氧反硝化菌。
　　此外，還有學(xué)者提出了亞硝酸型生物脫氮技術(shù)^[5-6]，認(rèn)為亞硝酸型生物脫氮技術(shù)具有降低能耗、節(jié)省碳源、減少污泥生成量、反應(yīng)器容積小及占地面積省等優(yōu)點(diǎn)；這種技術(shù)的核心是將硝化過程控制在亞硝酸階段，隨后進(jìn)行反硝化。Sung-Keun Rhee^[7]等人利用SBR反應(yīng)器對(duì)此進(jìn)行了研究。他們的結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)中氨氮的濃度成為限制硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮的時(shí)候，自養(yǎng)型硝化菌的活性就受到了抑制，從而出現(xiàn)了亞硝酸鹽的積累；在后續(xù)的缺氧段中，所有的積累的亞硝酸鹽和硝酸鹽都能夠得到反硝化而完全去除，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率在85％左右。

2 SBR工藝中的除磷的研究

　　增強(qiáng)性生物除磷（Enhanced Biological Phosphorus Removal，簡(jiǎn)稱EBPR）也是得到廣泛注意的技術(shù)，其表現(xiàn)為厭氧狀態(tài)釋放磷的活性污泥在好氧狀態(tài)下有很強(qiáng)的磷吸收能力，吸收的磷量超過了微生物正常生長(zhǎng)所需要的磷量。一般認(rèn)為其過程為：①厭氧段：聚磷菌（PAO_S）吸收廢水中的有機(jī)物，將其同化成聚羥基烷酸（PHA），其所需要的三磷酸腺苷（ATP）及還原能是通過聚磷菌細(xì)胞內(nèi)貯存的聚磷和糖原的降解來提供的，這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器中磷酸鹽的增加；②好氧段：聚磷菌利用PHA氧化代謝產(chǎn)生的能量來合成細(xì)胞、吸收反應(yīng)器中的磷來合成聚磷，同時(shí)，利用PHA合成糖原。
　　EBPR技術(shù)的關(guān)鍵在于厭氧區(qū)的選擇，在厭氧段合成的PHA量對(duì)于好氧段磷的去除具有決定性意義。一般而言，合成的PHA越多，則釋放的磷越多，好氧段就能吸收更多的磷。但是，控制良好的SBR反應(yīng)器，也會(huì)發(fā)生EBPR失效的現(xiàn)象，研究表明主要存在以下影響：
2.1 碳源的影響
　　研究表明，要實(shí)現(xiàn)EBPR的效果，系統(tǒng)中COD與P的質(zhì)量比的值應(yīng)大于35，BOD5與P的質(zhì)量比的值應(yīng)大于20。如果原水中短鏈脂肪酸（VFA_S）的含量較高，則有利于EBPR的發(fā)生并提高EBPR的效果；厭氧段廢水中VFA_S的含量應(yīng)大于25mg[COD]/L，但是當(dāng)VFA_S的含量過大（＞400mg[COD]/L）時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致EBPR的失效洞時(shí)，碳源的不同可以導(dǎo)致釋磷速率及PHA合成種類的不同。
2.2 聚磷菌與非聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)的影響
　　一般認(rèn)為，由于一些非聚磷菌也能夠在厭氧段吸收有機(jī)物而不用同時(shí)水解聚磷，從而形成了對(duì)聚磷菌的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，但是競(jìng)爭(zhēng)的引發(fā)原因，卻沒有共同的解釋。Liu^[8]等人認(rèn)為，如果用葡萄糖為外碳源，容易發(fā)生聚糖菌（GAO_S）與聚磷菌的競(jìng)爭(zhēng)，但是Che Ok Jeon^[9]等人的研究表明，SBR系統(tǒng)中，用葡萄糖作為碳源，也能夠達(dá)到EBPR的效果，而沒有產(chǎn)生聚糖菌的增殖。Satohl^[10]等人的理論認(rèn)為，如果好氧段進(jìn)水中的氨基酸或蛋白質(zhì)的含量過低，聚磷菌的生長(zhǎng)速率就會(huì)減慢，從而導(dǎo)致聚糖菌占優(yōu)勢(shì)；如果進(jìn)水中沒有氨基酸，則由于聚糖菌分解無機(jī)氮和核酸產(chǎn)生氨基酸的速度比聚磷菌快，從而導(dǎo)致聚糖菌占優(yōu)勢(shì)。
2.3 pH值的影響
　　聚磷菌在厭氧段時(shí)的釋磷量一般隨pH值的升高而增加，而pH值是否影響聚磷菌對(duì)有機(jī)物的吸收仍有矛盾之處。當(dāng)pH＜5時(shí)，EBPR現(xiàn)象不會(huì)發(fā)生，pH值在8.5～9.0之間是EBPR發(fā)生的最佳范圍。Che Ok Jeon等人的試驗(yàn)^[11]表明，pH對(duì)聚磷菌和聚糖菌的競(jìng)爭(zhēng)也有一定影響，當(dāng)控制厭氧段的pH在7.0（或8.0）時(shí)，聚糖菌在菌群中占優(yōu)勢(shì)，從而導(dǎo)致EBPR的失效；當(dāng)不控制pH值時(shí)，由于反硝化的發(fā)生和乙酸鹽的同化，厭氧段的pH值升高到了8.4，這時(shí)完全的EBPR是可以發(fā)生的。
2.4 好氧曝氣的影響
　　好氧段曝氣量過大或曝氣時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使聚磷菌消耗過多的PHA從而影響對(duì)磷的吸收，當(dāng)處于厭氧段后，雖然聚磷菌能以最快速率釋放磷，但是這些磷在后續(xù)的好氧段內(nèi)卻不能再被完全吸收，即過量吸磷受到破壞，EBPR失效。所以，適當(dāng)?shù)厥咕哿拙Ａ粢徊糠諴HA，可以保持聚磷菌的過量吸磷能力^[12]。
2.5 污泥齡的影響
　　縮短污泥齡，可以排放較多的污泥，從而去除較多的磷，但是會(huì)惡化出水質(zhì)量和增加污泥處理費(fèi)用；延長(zhǎng)污泥齡，由于聚磷菌的衰亡速度較慢，所以可以使聚磷菌在污泥中的數(shù)量增加，同樣可以使磷的去除量增加。同時(shí)，污泥齡的長(zhǎng)短會(huì)影響到聚磷菌胞內(nèi)聚合物的含量。所以，EBPR系統(tǒng)中污泥齡不應(yīng)太短，一般應(yīng)大于3d。
2.6 水力停留時(shí)間的影響
　　由于聚磷菌對(duì)有機(jī)物的吸收在厭氧段內(nèi)是很快完成的，所以厭氧段內(nèi)更重要的是污泥齡；適當(dāng)延長(zhǎng)厭氧段的水力停留時(shí)間，會(huì)提高EBPR的效果，這可能是可以形成更多的PHA的原因。但是，如果厭氧/好氧水力停留時(shí)間比過大，也會(huì)使EBPR失效。

3 SBR藝中脫氮與除磷之間的相互影響

　　SBR工藝中脫氮與除磷之間的關(guān)系較為復(fù)雜，這主要是因?yàn)榛钚晕勰嘀芯N種群的多樣性而造成的，當(dāng)不同的菌群占優(yōu)勢(shì)時(shí)，表現(xiàn)的規(guī)律不盡相同。
3.1 硝酸鹽氮對(duì)EBPR的影響
　　由于EBPR過程的發(fā)生需要完全的厭氧階段，而厭氧段硝酸鹽的存在會(huì)破壞生物除磷的效果。這是由于反硝化菌會(huì)與聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)廢水中的有機(jī)基質(zhì)，而且能優(yōu)先于聚磷菌利用這些有機(jī)基質(zhì)進(jìn)行反硝化，從而在真正厭氧狀態(tài)形成之間形成了一個(gè)兼性的狀態(tài)。生活污水排水中的硝酸鹽氮一般在2～5mg/S之間，所以不會(huì)導(dǎo)致生物除磷的失效，但是如果廢水中硝酸鹽的濃度很高，就可能導(dǎo)致反硝化菌與聚磷菌對(duì)有機(jī)基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)而導(dǎo)致生物除磷的失效。
　　Chang C H^[13]等人的研究發(fā)現(xiàn)，如果SBR排水中的硝酸鹽濃度從10.9mg/L減少到5.6mg/L時(shí)，磷的去除率可以從80％提高到98％。Pitman^[14]等人的研究證明，如果回流污泥中硝酸鹽的濃度低于5mg/L的時(shí)候，生物可以很容易取得良好的釋磷效果，但是當(dāng)硝酸鹽的濃度達(dá)到10mg/L以上時(shí)，磷的釋放就受到抑制從而導(dǎo)致生物除磷的失敗。
　　盡管生物除磷的效果取決于操作方式，但是最重要的限制因子還是進(jìn)水的COD值。一般認(rèn)為，要達(dá)到良好的脫氮除磷效果，廢水的COD與總氮的質(zhì)量比值應(yīng)大于9。Ruya^[15]等人對(duì)SBR工藝的研究證明，廢水中的總COD值并不是可以反映污水脫氮除磷所需碳源的有效參數(shù)，而COD中的易生物降解部分才是可以評(píng)價(jià)系統(tǒng)功能的主要參數(shù)。Tam^[16]等人的研究認(rèn)為，當(dāng)進(jìn)水的有機(jī)基質(zhì)主要為易生物降解的組分時(shí)，反硝化和生物釋磷可以同時(shí)發(fā)生，然而當(dāng)難生物降解組分為主時(shí)，生物釋磷是在反硝化之后發(fā)生的。
3.2 可脫氮聚磷菌（DPAO_S）對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷的影響
　　因?yàn)橄到y(tǒng)中的硝酸鹽氮對(duì)EBPR有不利影響，所以最初的研究認(rèn)為，能發(fā)生EBPR反應(yīng)的細(xì)菌不能夠進(jìn)行反硝化反應(yīng)，但是現(xiàn)在有很多研究表明，聚磷菌中至少有一部分能夠在缺氧條件下利用硝酸鹽為氧供體進(jìn)行吸磷而發(fā)生反硝化反應(yīng)^[17]，所以好氧段只需進(jìn)行到硝化階段即可，反硝化及吸磷可以在后續(xù)的兼性階段完成。這種情況下，可以節(jié)省能耗和避免厭氧段反硝化菌對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，污泥產(chǎn)量和SVI值都會(huì)減小^[18]，但是缺氧條件下的吸磷速率較為緩慢。
3.3 亞硝酸鹽氮的影響
　　Meinhold^[19]等人對(duì)SBR反應(yīng)器的研究表明，兼性狀態(tài)下存在的亞硝酸鹽氮對(duì)可脫氮聚磷菌的整體效果存在影響，當(dāng)亞硝酸鹽氮的濃度為4～5mg/L時(shí)，這種影響不是很明顯，亞硝酸鹽氮甚至可以作為電子供體為可脫氮聚磷菌吸磷使用，但是再高一些濃度的亞硝酸鹽氮就會(huì)產(chǎn)生抑制作用。他們的研究表明，亞硝酸鹽氮的限制濃度在5～8mg/L之間，這和污泥狀況是有關(guān)的。

4 同時(shí)脫氮除磷SBR運(yùn)行方式的選擇

　　從上文的討論可以看出，SBR工藝的脫氮和除磷的反應(yīng)條件有相同之處，也有不同之處，有相互的不利影響，也有互促互生的方面。
　　對(duì)于需要同時(shí)脫氮除磷的場(chǎng)合，SBR反應(yīng)器可采用圖1所示流程。

　　靜止進(jìn)水可以使進(jìn)水階段結(jié)束后反應(yīng)器中形成較高的基質(zhì)濃度梯度，節(jié)省能耗；攪拌進(jìn)水可以使反應(yīng)器保持厭氧狀態(tài)，保證磷的釋放；曝氣后的反應(yīng)混合可以進(jìn)行反硝化反應(yīng)；隨后的曝氣可以吹脫污泥釋放的氮?dú)猓ＷC沉淀效果，避免磷過早釋放；為了防止沉淀階段發(fā)生磷的提前釋放問題，讓排泥和沉淀同時(shí)進(jìn)行^[20]。

5 結(jié)論

　　SBR藝是一種高效、經(jīng)濟(jì)、可靠、適合中小水量污水處理的工藝，符合我國(guó)的國(guó)情；尤其是SBR工藝對(duì)于污水中氮、磷的去除，有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，所以SBR工藝及其新工藝在我國(guó)有著廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：
趙耘摯（1976～），男，河北石家莊人，東華大學(xué)在讀研究生，研究水污染控制，電話(021)62374815，zhaoyunzhi@citiz.net。