城市污水生物脱氮除磷技术

随着工农业生产的迅速发展以及城市化进程的 加快，含有高浓度氮磷物质的生活污水、工业废水 和农田地表水径流汇入湖泊、水库、河流和海湾水 域，使藻类等植物大量繁殖，导致水体的富营养化。 富营养化的水体含有大量的硝酸盐和亚硝酸盐，长 期饮用严重危害人类健康。因此，对城市污水进行 脱氮除磷处理成为当今污水处理的一个研究热点。 常用的污水处理方法以物理法、化学法和生物法为 主。物理法和化学法过程复杂、成本较高，对环境 容易产生二次污染，再生方法不完善，只适合中小 水量使用，难以推广应用。而生物法适用范围广， 投资及运转成本低，操作简单，无二次污染，处理 后的废水易达标排放，已成为脱氮除磷常用的处理 方法。实践经验表明，生物脱氮除磷工艺是消除水 体富营养化的有效方法，正在广泛应用于各种污水 处理系统之中[1]。
SHARON组合法、好氧同步脱氮除磷法和倒置A2/O法，并比较了各种工艺的优缺点。指出反硝化聚磷技术在倒置
A2/O工艺中的应用将成为城市污水同步脱氮除磷研究的一个重要发展方向。
关键词：生物脱氮除磷；ANAMMOX-SHARON 组合工艺；好氧颗粒污泥；倒置 A2/O；反硝化除磷菌
中图分类号：X 703
0.05NO3－
0.75O2
SHARON
ANAMMOX
图 2 SHARON-ANAMMOX 联合工艺示意图[15]
此外，C.Picioreanu 等[20]运用 AQUASIM 技术 模拟出多孔载体上生物体的分布区域，真实反应了 生物膜厚度变化和各菌种的生长过程，如图 3 所示。 该图揭示了微生物种群的微观变化过程，对深入研 究 SHARON-ANAMMOX 工艺的反应机理提供了 有力的帮助。
Abstract：The research progress of biological removal of nitrogen and phosphorus for treating
municipal wastewater is reviewed. Three advanced processes of biological nutrient removal are emphasized：combined ANAMMOX-SHARON process，aerobic granular sludge process and reversed Anaerobic/Anoxic/oxic (A2/O) process .The advantages and disadvantages of various processes are compared. Consequently，applying denitrifying phosphorus removal bacteria to the reversed A2/O
process is considered to be an important trend of simultaneous removal of nitrogen and phosphorus. Key words：biological removal of nitrogen and phosphorus；combined ANAMMOX-SHARON process； aerobic granular sludge process；reversed A2/O process; denitrifying phosphorus removal bacteria
收稿日期 2006–07–06；修改稿日期 2006–12–20。 基金项目 天津市自然科学基金重点资助项目(No. 05TFJZTC00500)。 第一作者简介 侯金良（1981—），男，硕士研究生。电话 022– 87401578。联系人 康勇，博士，教授。电话 022–27408813；E– mail ykang@tju.edu.cn。
1 生物脱氮除磷机理及研究进展
1.1 生物脱氮 生物脱氮是在好氧环境中，硝化细菌将污水中
有机胺转化成氨氮，经过好氧硝化细菌的硝化作用 转化为硝态氮或亚硝态氮；在缺氧环境中，利用反 硝化细菌将硝态氮或亚硝态氮转化成氮气，达到脱 氮的目的。研究表明，NO3－是反硝化过程中优先利 用的电子受体[2]。Ahn 等[3]实验证实，NO2－同样是 反硝化过程中重要的电子受体，但会对缺氧摄磷产 生抑制作用。
厌氧氨氧化(简称ANAMMOX)是指在厌氧条件 下，微生物直接以NH4＋为电子供体，以NH2－或NH3－ 为电子受体，将NH4＋转变成N2的生物过程。厌氧氨 氧化工艺主要在流化床反应器中实现，其优点是：可 以大幅度降低硝化反应的充氧能耗；免去反硝化反应 的外加碳源；可节省传统硝化反硝化反应过程中所需 的中和试剂；产泥量少[13]。到目前为止，厌氧氨氧化 的反应机理、参与菌种和各项操作参数还不明确。 Jettern[14]提出ANAMMOX工艺的温度范围是20～ 43 ℃，最佳温度为40 ℃，pH值在6.7～8.3(最佳pH＝ 8)时运行得最好，但乙炔、磷酸和氧都会强烈抑制 ANAMMOX中菌群的活性[15]。Stijn Wyffels等[16]首次 使用示踪剂15N对N2的形成原因进行研究，实验证实 两个氮原子分别来自于氨盐和亚硝酸盐，这一发现为
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化工进展
2007 年第 26 卷
研究厌氧氨氧化菌的代谢过程提供了帮助。
SHARON(single reactor system for high ammonia removal over nitrite)工艺是由荷兰Delft工业大学运 用短程反硝化原理开发的脱氮新工艺[17]，即在高温 (30～35 ℃)条件下，利用亚硝化菌的生长速率快、 最小停留时间短的特点，控制系统的水力停留时间 使其介于硝化菌和亚硝化菌的最小停留时间之间， 硝化菌被自然淘汰，严格控制pH值，进行反硝化过 程，以节省有机碳源。SHARON工艺对高浓度氨氮 废水具有良好的处理效果[18]，可使硝化系统中亚硝
NO3− + 1.09CH3OH + H+ ⎯→ 0.074C5H7O2 N + 0.463N2 +
0.72CO2 + 2.421H2O
同时，实验发现在连续流反应器中，以甲醇为 碳源，25℃、pH 值为 6.8 时，复合菌群的反硝化速 率达 142 mg(NO3－-N)/[g(VSS)·h]，大大高于 Bernet 等[9]以工业废水为碳源时的最大反硝化速率 32.6～ 35.25 mg(NO3－-N)/[g(VSS)·h]，为实现多菌群联合脱 氮提供了有力的依据。但也有报道称在流化床反应 器中，反硝化菌株 Alcaligenes denitrificans 在玄武岩 载体表面易导致生物体积累，降低生物膜活性。
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化工进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
2007 年第 26 卷第 3 期
城市污水生物脱氮除磷技术的研究进展
侯金良，康 勇
（天津大学化工学院，天津 300072）
摘 要：评述了近年来城市污水生物脱氮除磷技术的研究进展，重点介绍了生物处理的新方法：ANAMMOX–
文献标识码：A
文章编号：1000–6613（2007）03–0366–06
Research progress of biological removal of nitrogen and phosphorus in municipal sewage
HOU Jinliang，KANG Yong
(School of Chemical Engineering and Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
酸盐积累达100%。
由于SHARON工艺在反硝化过程中需要消耗
有机碳源，并且出水亚硝酸盐浓度相对较高，因此
以该工艺作为硝化反应器、ANAMMOX工艺作为反
硝化反应器进行组合，可以有效提高脱氮效率。通
过SHARON工艺[19]控制部分硝化，使出水中NH4+ 与NO2－比例为1∶1，即
NH
− 4
+
HCO
综上所述，Sharon-Anammox 联合工艺适合处理 高浓度氨氮废水而不需外加碳源，与传统工艺相比， 耗氧量节约 50％，同时减少 CO2 的排放，与其他工 艺相比对环境造成的污染小，具有良好的应用前景。 2.2 好氧同步脱氮除磷工艺
好氧同步脱氮除磷是利用好氧颗粒污泥自身的 结构特点以及氧扩散梯度的存在，在污泥颗粒上形
第3期
侯金良等：城市污水生物脱氮除磷技术的研究进展
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乙酸
聚磷酸盐
PHA O－
ATP
糖原
+ TCA Poly-P
H+
cycle
Poly-P 糖原
ATP
O2
PHA
厌氧环境
聚磷酸盐
好氧环境
CO2+H2O
图 1 生物除磷示意图[4]
1.2 生物除磷 生物除磷在厌氧、好氧交替的环境中进行，如
图 1 所示。在厌氧阶段，聚磷菌吸收污水中极易降 解的有机物，同时将体内存储的聚磷酸盐释放出来， 以获得能量。在好氧环境，聚磷菌将体内存贮的有 机物氧化分解，同时超量摄取污水中的聚磷酸盐， 通过排除污泥达到除磷的目的。而聚磷菌(PAOs)属 嗜低温菌，在 20 ℃或更低的温度，与聚糖原菌(GAOs) 竞争有机物的过程中处于优势地位。因此，在 20 ℃ 时强化除磷系统（EBPR）会有明显的摄磷和释磷 过程[5]。A.Pala 等[6]在间歇实验中发现，缺氧摄磷速 率大于好氧摄磷速率，而在碳源不足时，聚磷菌由 于内源呼吸存在厌氧释磷现象，即“二次释磷”[6]。
− 3
+ 0.75O 2
⎯→0.5NH
Байду номын сангаас
+ 4
+
0.5NO
− 2
+
CO2+
1.5H
2
O
将 SHARON 工艺的出水作为 ANAMMOX 工
艺的进水，将氨氮和亚硝酸根在厌氧条件下转化为
N2 和水，即：
NH
− 4
+
NO
− 2
⎯⎯→ N2
+
2H2O
其工艺流程如图 2 所示：
CO2
0.95N2
NH4+
0.5NH4+ 0.5NO2－
2 新型生物脱氮除磷工艺介绍
经过几十年的发展，生物脱氮除磷工艺日趋完 善。目前，以传统的生物脱氮除磷理论为基础的 A2O 及其改良工艺成为主流。同时，随着研究的深入， ANAMMOX-SHARON 组合工艺和好氧颗粒同步脱 氮除磷等新型的处理工艺应运而生，为提高污水处 理效率提供了更多的途径。 2.1 ANAMMOX-SHARON 组合工艺
目前，新型菌株的研发和生物膜活性的研究成 为城市污水脱氮除磷技术发展的重要方面。Chih Cheng Chang 等[7]将自养型反硝化细菌 Alcaligenes eutrophus 固定于有机载体上，该菌种以氢气为电子 供体，抗冲击能力强，对硝氮去除速率达到 0.6～0.7 kg/(m3·d) 。 而 Lucijia Foglar 等 [8] 采 用 复 合 菌 株 Pseodomonas 和 Paracoccus sp.对反硝化过程进行深 入研究，通过测量 N2 体积，利用线性回归分析法， 计算出复合菌群反硝化的基本方程式：
L.Y.Lee 等[10]在填充床反应器中对硝化细菌生物
膜进行修复实验，在 HRT 为 8.7 h、气体流速为 2.0 cm/s、颗粒载体填充率 4.0%(体积分数)时，异养菌生 物膜由于水力剪切作用而完全脱落，硝化细菌生物膜 修复成功，生物膜密度和活性增加，这一研究为提高 硝化反应速率奠定基础。C.F.Alves 等[11]在研究生物 膜组成与污水成分和生物体活性的关系后发现，随着 磷酸盐浓度增加，生物代谢由合成聚糖体转向细胞生 长。此外，Hisashi Satoh 等[12]在膜生物反应器中实现 了同步硝化反硝化，形成明显的好氧和缺氧生物膜 层，而且缺氧区和好氧区的位置不受有机物负荷和膜 内气压影响，有机物和氮的去除率可达 90％。
亚硝化菌 氨氧化菌
厌氧氨氧化菌 （a）生物体分布模拟图
NO2－最低浓度 0.325kg/m3，最高浓度 0.842 kg/m3
0 200 400 600 800 1000
z/µm
100 0
1000
1000
800
800
y/µm
600
600
400
400
200
200
0
0 200 400 600 800 1000 0 100