摘要：反硝化除磷将反硝化和除磷两个过程合二为一，一碳两用，达到了同步脱氮除磷的目的。本文在简要介绍废水生物脱氮除磷研究领域发展现状的基础上，分析了现有生物脱氮除磷工艺难以达到N、P同时高效去除的原因，探讨了反硝化除磷工艺的发现以及证实过程，综合分析了几种反硝化除磷工艺的原理、特点以及在国内外的研究进展。
论文关键词：反硝化除磷,原理,研究进展
一．前言
1.1 脱氮除磷现状
近年来，随着各种工业的快速发展，低C/N、C/P比废水日益增多。而传统脱氮除磷工艺如A/A/O、SBR、氧化沟等均要求C/N大于6、C/P大于20，才能发挥出应有的功效[1]。另外，这些工艺多数不能满足氮磷的同时高效去除，因为在这些工艺中存在着难以协调的竞争和矛盾[2~5]：
1.微生物独立
这些工艺中存在着各种各样不同种类的微生物，它们的基质类型、对环境条件(pH、DO、T等)要求不同，由此产生了微生物之间的矛盾和竞争。
2.污泥龄的矛盾
在脱氮除磷工艺中，除磷是通过排出剩余污泥来实现的。聚磷菌多为短世代微生物，泥龄越长，污泥含磷量越低，而硝化菌的世代周期则较长。硝化过程需要的长泥龄和除磷需要的短泥龄之间存在矛盾。
3.对碳源有机物的竞争
在脱氮除磷系统中，碳源主要用于反硝化、释磷和异养菌的正常代谢。在缺氧段，反硝化菌先于聚磷菌利用有机碳源进行反硝化脱氮，导致聚磷菌没有充足的碳源，从而导致释磷程度降低。而对于硝化段来说，过多的碳源会使生长速率较高的异养菌迅速生长，争夺溶解氧，从而降低硝化速率。
4.硝酸盐的矛盾
聚磷菌需要在严格的厌氧条件下才可以发挥作用进行释磷，在传统工艺中，污泥回流会将一部分硝酸盐带入厌氧区，从而导致厌氧区的非严格厌氧，严重影响聚磷菌的释磷效率。
5.溶解氧的矛盾
传统的脱氮除磷工艺将厌氧、缺氧、好氧各处理过程同处一个活性污泥系统，而活性污泥絮体对气泡的吸附作用不可避免的将溶解氧带入缺氧段和厌氧段，从而影响了聚磷菌的释磷能力和反硝化菌的脱氮能力。
这些竞争和矛盾广泛存在于现有的脱氮除磷工艺中，严重影响了脱氮除磷效率。因此，如何对传统的脱氮除磷工艺进行改进，消除这些竞争和矛盾，并保证低碳源条件下脱氮除磷的效率，是目前水处理领域亟待解决的难题。
1.2反硝化除磷的提出
20世纪70年代以来，反硝化除磷渐渐引起人们的注意，并得到迅速发展。反硝化聚磷菌的发现和证实主要经历了以下几个阶段[6~9]：
1977年，Osborn和Nieholls在反硝化过程中首次观测到磷快速吸收现象，表明某些反硝化菌能超量吸磷；
1986年，Comeau发现一些聚磷菌在缺氧状态下具有利用硝酸盐作为电子受体除磷的功能，同时完成反硝化脱氮；
1987年，Vlekke等采用厌氧/缺氧SBR，证明NO3-可以作为电子受体除磷；
1992年，Wanner等通过反硝化除磷的特性自行开发的N、P去除新工艺的试验，证实了缺氧条件下一些除磷菌具有反硝化能力；
1993年，Kuba发现在厌氧/缺氧交替运行条件下，易富集一类兼有反硝化和除磷作用的兼性厌氧微生物，利用硝酸盐为电子受体，在缺氧环境下同时进行反硝化和除磷；
随后，Kerm-Jespersen通过试验指出，聚磷菌由两部分组成，一部分只能用氧作为电子受体，另一部分既能利用氧也能用NO3--N作为电子受体，即反硝化聚磷菌DPB（Denitrifying Phosphorus-removing Bacteria）；
1995~1996年，Smolders等和Kuba等在UCT工艺中证实了中试规模的除磷脱氮系统中除磷菌的反硝化功能。
目前，某些反硝化除磷工艺在欧美一些国家已经应用于实际工程，并取得了良好的脱氮除磷效果。
二．反硝化聚磷原理及特点
多数研究者认为聚磷菌包括两类菌属[10]，一类只能以氧作为电子受体，被称作好氧聚磷菌，而另一类既能以氧又能以硝酸盐作为电子受体，即反硝化聚磷菌DPB。
DPB在缺氧条件下能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一，一碳两用，达到同步脱氮除磷的目的。DPB的厌氧释磷机理与好氧聚磷菌相同，即在分解细胞内聚磷酸盐的同时产生ATP，并利用ATP将污水中的低分子发酵产物等有机物摄入细胞。缺氧吸磷机理与好氧聚磷菌吸磷的不同之处在于产生能量的电子传递链的最终电子受体不同[6]：
好氧：NADH2+0.5O2→δATP+H2O
缺氧：NADH2+0.4HNO3→δNATP+0.2N2+1.2H2O
δ、δN为好氧和缺氧产能效率(molATP/molNADH2)
有文献表明[11]，充分利用反硝化除磷原理，可使COD需求量减少50%，耗氧量减少30%，剩余污泥量减少50%。反硝化除磷的优点是[12]：氮、磷的去除率高，出水TN<5mg/L，正磷几乎为零；SVI值低且稳定，一般在80～20 mL/g，能有效减少曝气池及二沉池的容积；能有效利用碳源，在C/N、C/P值较低时仍能良好运行；控制简单，通过ORP与DO可有效实现过程的稳定控制；可使用生物除磷器获得富磷污泥，使磷的循环利用成为可能。
三．反硝化除磷工艺简介
目前常见的反硝化除磷工艺有单泥系统和双泥系统之分。在单级工艺中，DPB、硝化菌以及非聚磷菌同时存在于悬浮增长的混合液中，顺序经历厌氧/缺氧/好氧三种环境，最具代表性的是BCFS工艺。在双级工艺中，硝化菌独立于DPB单独存在于固定膜生物反应器或好氧硝化SBR反应器中。在此类工艺中，反硝化除磷污泥在厌氧区吸收有机物合成PHB后，经泥水分离不经过好氧段直接进入缺氧区，PHB全部用于反硝化摄磷，保证了反硝化所需的碳源[13]。而供氧仅用于硝化和反硝化除磷后剩余有机物的氧化，从而减少了曝气量。主要有Dephanox工艺和A2NSBR工艺等。
3.1 BCFS工艺
BCFS（Biologische-Chemische-Fosfaat -Stikstof verwijdering）工艺由荷兰Delft工业大学kluyver生物技术实验室开发，现已在欧美多个污水处理厂得到初步应用，脱氮除磷效果极佳。BCFS实际上是UCT的变形工艺，包括厌氧池、缺氧池、好氧池，并增加了接触池和混合池以及两个内循环QB和QC[12]，见图1。
图1 BCFS工艺流程图
Fig.1 BCFS process flow
厌氧池：厌氧条件是通过进水及从缺氧池回流的缺氧混合液(控制进入厌氧池的硝酸盐氮浓度足够低)来维持的，以确保污水中的挥发性脂肪酸(VFA)只被用于除磷菌释磷时所吸附。
接触池：在该选择器中氧浓度为零，该池的设置一方面是为了阻止污泥膨胀，另一方面DPB在该池中也同样发挥作用，此过程是厌氧池反应过程的延续。
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