低C/N比污水脫氮除磷技術應用研究進展

郝建軍，王薪惠，丁佳琪，李妍妍，解澍帆，趙榮興

低C/N比污水脫氮除磷技術應用研究進展

郝建軍*1，王薪惠1，丁佳琪1，李妍妍1，解澍帆1，趙榮興2

（1. 沈陽理工大學環境與化學工程學院，遼寧 沈陽 110159；2. 中國石油遼河石化分公司，遼寧 盤錦 124000）

人類的生存依賴水資源，工業的快速進步發展對水體產生負面影響，氮、磷過度排放使得水體持續惡化，隨之而來的水污染成為不可小覷的重大環境問題, 干擾人類正常生命活動，毀壞生態平衡，是國民經濟綠色長遠發展停滯的根源?，F已通過多種技術對水環境進行改善修復，其中低C/N比污水脫氮除磷是解決環境問題的重要方法和研究熱點。以傳統工藝和新型工藝為切入點，以應用型和改進型為分類方法，對現今低C/N比污水脫氮除磷處理工藝進行總結，旨在為低C/N比污水脫氮除磷技術的發展提供新參考和新思路。

低C/N比； 污水； 脫氮除磷技術

經濟的發展不可避免的向環境中輸出大量污廢水，污水中所含氮磷元素為水體富營養化提供條件，因此污水氮磷問題的整頓日趨緊要。污染源的調控和處理是有效的方式[1]。污水中的有機氮在氨化菌的作用下氨化為氨氮，成為以下兩方面的供給：一方面在好氧環境下，經由硝化菌的亞硝化、硝化作用氧化為硝態氮，產生的硝態氮經反硝化菌的反硝化作用還原為N2；另一方面氨氮可作為微生物的營養補給，為合成新細胞供能，使微生物得以增殖，最終以剩余污泥的形式排放，達到污水氮去除的目的。沿襲至今的污廢水氮磷轉換技術種類繁多[2-6]。

目前國內城鎮污水碳氮比(C/N)多在3.8～8.5范圍內，當C/N比小于7.1時屬于低C/N比污水[7-8]，應用A2/O生物法脫氮除磷工藝在處理低C/N比污水時，由于生物脫氮工藝反硝化碳源不足無法滿足脫氮要求[9]，導致A2/O生物法脫氮除磷效率較低。近年來研究者志在改良工藝，簡化操作，力求在傳統工藝的基礎上進行優化，提升污廢水的除害再利用，為污水環境治理提供新展望。因此低C/N比情況下，探求新型生物脫氮除磷工藝，提高脫氮除磷效果是當前污水處理的主要研究方向，具有重要的現實意義。本文對低C/N比條件下脫氮除磷工藝進行歸納分析，為處理低C/N比廢水提供依據。

1 脫氮除磷工藝組合應用型

1.1 A2/O-MBR組合工藝

A2/O-MBR處理工藝按照種類不同的微生物對于生長環境要求的不同將整個處理過程劃分為厭氧段，缺氧段和好氧段三部分接續進行。丁毅、廖蔚峰、袁志紅等研究者[10-13]利用A2/O-MBR組合工藝處理農村生活污水和有機污水，發現出水COD可達80%～90.0%、BOD5可達90.1%～98.9%、NH3-N可達92.3%～99.7%、TN 均值可達75%～78.6%、TP均值可達69.8%～74.3%，有效去除生產生活中產生的氮磷污廢水。

1.2 倒置A2/O-MBR組合工藝

MBR是一種將膜分離與生物處理相結合的新型污廢水處理工藝，相對于傳統單一沉淀池的分離效果，其優勢顯而易見，且處理后的水質澄澈，水中所含懸浮物僅有極少量，水體濁度趨近于零[14-16]。齊梓漩等[17]在綜合考慮總氮（TN）和膜的污染情況下，研究倒置A2/O-MBR組合工藝處理低碳氮比污水的脫氮除磷，獲得組合工藝的最佳工藝條件為氣水比=25∶1，回流比=250%，MLSS=7 000～9 000 mg·L-1，對低碳氮比污水的處理效果趨于平穩，且在未施加強化處理下，使得處理后出水COD，BOD5，NH3-N，SS滿足污廢水一級排放標準，出水TN，TP(總磷)的排出濃度為19 mg·L-1和1.88 mg·L-1，使得優化的傳統工藝處理效果顯著提升。

1.3 A2/O-BAF(曝氣生物濾池)組合工藝

A2/O-BAF組合工藝是將A2/O和BAF生物膜系統進行連續接連，BAF系統主要負責發生硝化反應，從而為A2/O中反硝化菌和反硝化聚磷菌供給NO3--N，實現“一碳兩用”，高效處理低C/N生活污水[18]。趙鑫磊等[19]采用A2/O-BAF雙污泥系統，研究池容比(厭氧∶缺氧∶好氧)對放置時間達2個月的活性污泥去除污染物性能的情況，發現當厭氧∶缺氧∶好氧=3∶5∶2時，其出水TN和TP去除率可達80.47%、92.02%。呂冬梅等[20]研究厭氧段化學需氧量(COD)和厭氧反應耗費時間和對A2/O-BAF工藝反硝化聚磷效果的相關性，分析發現處理過程中隨著COD和反應耗費時間的延長均呈現不同程度的增加，但反硝化聚磷量與釋磷量的比值恒定不變。黃劍明[21]對A2/O-BAF系統處理低C/N和低C/P生活污水進行研究，發現最優處理條件為低溫（11～14 ℃），控制系統污泥齡12 d、硝化液回流比200%，污泥回流比100%，可使處理后出水COD、氨氮、TN、TP 的量符合排放標準。

表1 脫氮除磷工藝組合應用型處理效果對比表

2 脫氮除磷改進工藝組合型

2.1 A/O-MBR組合工藝

A/O-MBR是將傳統的A/O活性污泥法和MBR膜工藝相結合，利用MBR膜實現水與污泥停留時間的分離，達到泥水分離和污泥濃縮的處理工藝[22]。苑紹鵬等[23-26]用A/O-MBR組合工藝處理低C/N比污水，發現污水硝化及脫氮效果改善明顯，100%回流比條件下的脫氮效果最佳；張遠鵬[27]建立新型活性污泥ASM3模型，該模型可預測出水中的常規水質和反應器內的EPS、SMP濃度，為合理控制MBR內得膜污染提供依據；楊超等[28]利用聚氨酯泡沫有效減緩A/O-MBR工藝處理低C/N比生活污水過程的膜污染。鄭凱等[29]通過更改處理污廢水過程中污泥回流位置對多級A/O-MBR組合工藝進行改良，達到優化除磷效率的目的，TP平均去除率達到86.36%，COD、TN及氨氮處理后均達到一級A排放標準。

2.2 SBR工藝

序批式活性污泥法工藝(SBR)是一種以間歇曝氣為運行方式為的活性污泥污廢水處理工藝。其特有的SBR反應池是將均化、初沉、生物降解、二沉等工序劃歸為統一的反應池，適用于污廢水處理空間有限的場景，具有分離污泥污水效果好、推動氧轉移動力足、產出污泥率小、微生物活性高、可控性好、占地面積小等優點。蔡英英等[30]采用改良型SBR工藝處理豬場廢水,發現出水COD含量低至401～544 mg·L-1；NH4+-N低至10 mg·L-1；磺胺和β-內酰胺類抗生素去除率達72.97%～90.82%。謝謙[31]通過厭氧/好氧/缺氧SBR工藝，在反應器內初步實現短程硝化反硝化與除磷的耦合，通過控制C/N比、進水pH值以及曝氣量，比較不同條件下SBR系統COD、NH4+-N、TN、TP平均去除率可分別達到95%、98%、89%、94%，證實SBR對城市高氨氮、低碳氮比污水進行同步脫氮除磷的可利用性。

3 新型脫氮除磷工藝

3.1 SND工藝

SND中硝化反應所得產物可直接進入反硝化階段[32]，有效規避抑制硝化反應的硝酸根累積，促進硝化反應的進行，簡化操作難度。有研究者發現可利用氧擴散使微生物膜和生物絮體的內外溶解氧(DO)濃度出現差異，外層DO含量高，有利于好氧硝化菌和氨化菌存活；內層DO含量低，有利于外部好氧菌的消耗和反硝化菌存活[33-34]。劉俞辰等[35]研究了DO濃度、pH、C/N比、水力停留時間(HRT)等因素對SND的影響，發現當DO質量濃度=2.5 mg·L-1、 pH=8、C/N=12、HRT=8.0 h時SND易于發生，脫氮效果最佳。陳翠忠等[36]研究了不同C/N比下SND處理的脫氮效能，分析得到隨著C/N比的降低，SND對總氮去除率由89%下降到63.7%，過低的C/N比抑制了SND總氮去除率。

3.2 Anammox工藝

Anammox工藝是以NO2-N和NH4+-N為反應基質的一種生物酶促反應[37]，在厭氧氨氧化菌(AOB、NOB、DNB和AAOB)驅動下，將短程硝化反應與厭氧氨氧化反應所結合構建的厭氧氨氧化自養脫氮工藝[38]，具有脫氮方式簡單、無需曝氣和有機物、污泥產出少等優勢，是當前最經濟友好的生物脫氮工藝[39-40]。Anammox工藝有穩定的亞硝酸鹽氮(NO2-N)電子受體供給源，污廢水總氮去除率效能高。馬瑞婕等[41-43]研究諸多因素對PNA工藝及機理的影響，發現乙酸鈉可作為理想碳源；最佳工藝為COD/NO3-N：2～3，溫度：25～35 ℃，pH=8.3；濃度過大的鐵離子、錳離子積累的毒性和外界強光均可破壞厭氧氨氧化菌活性，影響氨氮的去除率。李天皓等[44]在低溫(<20 ℃)實驗條件下研究發現采用間接投加廢鐵屑的方式可以促進厭氧氨氧化菌的生命活動，且效果顯著。

3.3 交替AAO短程硝化反硝化工藝

交替AAO短程硝化反硝化工藝工藝流程所應用的原理為：含氮磷污廢水進入聚磷菌存在的厭氧段，聚磷菌釋放磷，將污廢水中部分有機大分子逐步生物降解為揮發性物質，并將有機質脂肪酸轉換為PHB的形式存儲于微生物細胞中,期間所釋放的能量用于供給聚磷菌維持生命活動；缺氧段的反硝化細菌將硝酸鹽轉化成無毒無害的氮氣釋放到大氣中，完成降低污廢水COD與脫氮的指標；硝化細菌通過生物硝化作用，將進入在好氧段的氨氮和胺氮轉化生成硝酸鹽輸送至缺氧段進一步轉換[45]；二次進入缺氧段的污廢水利用殘留的有機基質和轉換所得PHB，汲取磷酸鹽，得以實現磷的去除[46-49]。葉嘯天等[50]已證明反應器內DO、NO2-N的濃度對AOB的生物毒性和污泥的大量排除抑制反硝化菌活性，降低氨氮去除率。王文琪等[51]研究表明亞硝酸鹽間歇生成，脫氮除磷性能更穩定，實現短程硝化與反硝化除磷過程的反應平衡，使得系統平穩運行。

4 結束語

低C/N比污水脫氮除磷技術的種類繁多，各有利弊，不同組合工藝的產生有效實現低成本、低污泥產量、綠色化學的行業要求而具有廣闊的應用前景，為突破實際應用中面臨的反應底物不足、易受環境干擾、系統運行不穩定等挑戰提供新思路，新見解。針對現存問題，研究可側重以下幾點：(1)探究不同種類功能菌的作用及代謝機理，為脫氮除磷的最佳工藝參數篩選提供微觀理論根據；(2)探究影響不同種類功能菌活性的因素，規避功能酶活性的抑制，使功能性酶的活性達到維穩態；(3)創建新的組合工藝，對現今投入生產的工藝進行優化，致力于精簡脫氮除磷工藝步驟，降低能耗成本，提升去除效率，加大對污泥的回收再利用。

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Research Progress in Application of Nitrogen and Phosphorus Removal Technology in Low C/N Ratio Wastewater

*1,1,1112

（1. School of Environmental and Chemical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China; 2. PetroChina Liaohe Petrochemical Company, Panjin Liaoning 124000, China）

Human survival depends on water resources. The rapid progress and development of industry has a negative impact on the water body. The excessive discharge of nitrogen and phosphorus makes the water body continue to deteriorate. The subsequent water pollution has become a major environmental problem that cannot be underestimated, interfering with human normal life activities and destroying the ecological balance. It is the root cause of the stagnation of the green long-term development of the national economy. At present, a variety of technologies have been used to improve and repair the water environment, among which nitrogen and phosphorus removal from low C/N ratio sewage is an important method and research hotspot to solve environmental problems. In this paper, the traditional and new processes were taken as the breakthrough point, and the applied and improved processes were taken as the classification methods. The current low C/N ratio sewage nitrogen and phosphorus removal treatment processes were summarized, in order to provide some reference and new ideas for the development of low C/N ratio sewage nitrogen and phosphorus removal technology.

Low C/N ratio; Sewage; Nitrogen and phosphorus removal technology

沈陽市科技計劃項目（項目編號：21-108-9-39）

2022-06-27

郝建軍（1970-），男，教授，博士，內蒙古省赤峰市人，2006年畢業于東北大學材料學專業，研究方向：金屬表面處理、功能材料。

X703

A

1004-0935（2023）01-0094-04