趙耘摯，劉振鴻
（東華大學 環境科學與工程學院，上海 200051）

　　摘要：總結了SBR脫氮工藝中的同步硝化/反硝化、亞硝化脫氮現象，討論了影響SBR除磷的碳源、聚磷菌與非聚磷菌競爭、pH值、好氧曝氣、污泥齡、水力停留時間等因素，并對SBR工藝中脫氮除磷的相互影響進行了探討；最后，給出了可以同時脫氮除磷的一種SBR的運行方式。
　　關鍵詞：SBR；脫氮除磷；EBPR
　　中圖分類號：X703.1
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：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

　　脫氮除磷是當今水污染控制領域研究的熱點和難點之一，為了高效而經濟地去除氮、磷，研究者開發了許多工藝和方法。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用。當前，對于SBR工藝脫氮除磷原理的研究，又有了新的進展。

1 SBR工藝中脫氮的研究

　　傳統的脫氮理論認為，硝化與反硝化反應不能同時發生，硝化反應在好氧條件下進行，而反硝化反應在缺氧條件下完成，SBR工藝的序批式運行為這樣的反應條件創造了良好的環境；但是，最近幾年國內外有不少試驗和報道證明SBR系統中存在同步硝化反硝化現象（Simultaneous Nitrification and Denitrification，簡稱SND）。
　　李鋒^[1]等人認為，反應器內進行同時硝化/反硝化的必要條件是好氧和缺氧環境同時存在，所以應該控制DO一般在0.5～1.5mg/L這樣一個較低的水平；他們引用的數據表明，采用SBR反應器，控制其中的DO在0.5～1mg/L，在反應器中形成厭氧（缺氧）和好氧并存的環境，可以實現同時硝化/反硝化的過程。
　　但是Hong W Zhao^[2]、Lesley^[3]等人的研究證明，許多異養微生物能夠對有機及無機含氮化合物進行硝化作用，當BOD5與N的質量比大于6.9時異養硝化菌對氨的氧化會起很大的作用。李叢娜^[4]等人在控制SBR反應器保持良好的好氧狀態（DO＞8mg/L），MLSS較低的情況下，對此進行了研究，他們發現，在每一工作周期的前期，硝化反應的進行使氨氮比較徹底地轉化為硝酸鹽氮，氨氮濃度逐漸降低同時總氮濃度也逐漸降低。并由此得出結論：在這一階段既發生了好氧硝化也發生了好氧反硝化（即同步硝化反硝化）從而導致了比較可觀的總氮去除率，并推斷活性污泥絮體中同時存在著異養硝化菌與好氧反硝化菌。
　　此外，還有學者提出了亞硝酸型生物脫氮技術^[5-6]，認為亞硝酸型生物脫氮技術具有降低能耗、節省碳源、減少污泥生成量、反應器容積小及占地面積省等優點；這種技術的核心是將硝化過程控制在亞硝酸階段，隨后進行反硝化。Sung-Keun Rhee^[7]等人利用SBR反應器對此進行了研究。他們的結果表明，當系統中氨氮的濃度成為限制硝化細菌將亞硝酸鹽氮氧化為硝酸鹽氮的時候，自養型硝化菌的活性就受到了抑制，從而出現了亞硝酸鹽的積累；在后續的缺氧段中，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，系統對總氮的去除率在85％左右。

2 SBR工藝中的除磷的研究

　　增強性生物除磷（Enhanced Biological Phosphorus Removal，簡稱EBPR）也是得到廣泛注意的技術，其表現為厭氧狀態釋放磷的活性污泥在好氧狀態下有很強的磷吸收能力，吸收的磷量超過了微生物正常生長所需要的磷量。一般認為其過程為：①厭氧段：聚磷菌（PAO_S）吸收廢水中的有機物，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胞內貯存的聚磷和糖原的降解來提供的，這個過程會導致反應器中磷酸鹽的增加；②好氧段：聚磷菌利用PHA氧化代謝產生的能量來合成細胞、吸收反應器中的磷來合成聚磷，同時，利用PHA合成糖原。
　　EBPR技術的關鍵在于厭氧區的選擇，在厭氧段合成的PHA量對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反應器，也會發生EBPR失效的現象，研究表明主要存在以下影響：
2.1 碳源的影響
　　研究表明，要實現EBPR的效果，系統中COD與P的質量比的值應大于35，BOD5與P的質量比的值應大于20。如果原水中短鏈脂肪酸（VFA_S）的含量較高，則有利于EBPR的發生并提高EBPR的效果；厭氧段廢水中VFA_S的含量應大于25mg[COD]/L，但是當VFA_S的含量過大（＞400mg[COD]/L）時，也會導致EBPR的失效洞時，碳源的不同可以導致釋磷速率及PHA合成種類的不同。
2.2 聚磷菌與非聚磷菌競爭的影響
　　一般認為，由于一些非聚磷菌也能夠在厭氧段吸收有機物而不用同時水解聚磷，從而形成了對聚磷菌的競爭反應，但是競爭的引發原因，卻沒有共同的解釋。Liu^[8]等人認為，如果用葡萄糖為外碳源，容易發生聚糖菌（GAO_S）與聚磷菌的競爭，但是Che Ok Jeon^[9]等人的研究表明，SBR系統中，用葡萄糖作為碳源，也能夠達到EBPR的效果，而沒有產生聚糖菌的增殖。Satohl^[10]等人的理論認為，如果好氧段進水中的氨基酸或蛋白質的含量過低，聚磷菌的生長速率就會減慢，從而導致聚糖菌占優勢；如果進水中沒有氨基酸，則由于聚糖菌分解無機氮和核酸產生氨基酸的速度比聚磷菌快，從而導致聚糖菌占優勢。
2.3 pH值的影響
　　聚磷菌在厭氧段時的釋磷量一般隨pH值的升高而增加，而pH值是否影響聚磷菌對有機物的吸收仍有矛盾之處。當pH＜5時，EBPR現象不會發生，pH值在8.5～9.0之間是EBPR發生的最佳范圍。Che Ok Jeon等人的試驗^[11]表明，pH對聚磷菌和聚糖菌的競爭也有一定影響，當控制厭氧段的pH在7.0（或8.0）時，聚糖菌在菌群中占優勢，從而導致EBPR的失效；當不控制pH值時，由于反硝化的發生和乙酸鹽的同化，厭氧段的pH值升高到了8.4，這時完全的EBPR是可以發生的。
2.4 好氧曝氣的影響
　　好氧段曝氣量過大或曝氣時間過長，會使聚磷菌消耗過多的PHA從而影響對磷的吸收，當處于厭氧段后，雖然聚磷菌能以最快速率釋放磷，但是這些磷在后續的好氧段內卻不能再被完全吸收，即過量吸磷受到破壞，EBPR失效。所以，適當地使聚磷菌保留一部分PHA，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，但是會惡化出水質量和增加污泥處理費用；延長污泥齡，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量增加，同樣可以使磷的去除量增加。同時，污泥齡的長短會影響到聚磷菌胞內聚合物的含量。所以，EBPR系統中污泥齡不應太短，一般應大于3d。
2.6 水力停留時間的影響
　　由于聚磷菌對有機物的吸收在厭氧段內是很快完成的，所以厭氧段內更重要的是污泥齡；適當延長厭氧段的水力停留時間，會提高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/好氧水力停留時間比過大，也會使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系較為復雜，這主要是因為活性污泥中菌種種群的多樣性而造成的，當不同的菌群占優勢時，表現的規律不盡相同。
3.1 硝酸鹽氮對EBPR的影響
　　由于EBPR過程的發生需要完全的厭氧階段，而厭氧段硝酸鹽的存在會破壞生物除磷的效果。這是由于反硝化菌會與聚磷菌競爭廢水中的有機基質，而且能優先于聚磷菌利用這些有機基質進行反硝化，從而在真正厭氧狀態形成之間形成了一個兼性的狀態。生活污水排水中的硝酸鹽氮一般在2～5mg/S之間，所以不會導致生物除磷的失效，但是如果廢水中硝酸鹽的濃度很高，就可能導致反硝化菌與聚磷菌對有機基質的競爭反應而導致生物除磷的失效。
　　Chang C H^[13]等人的研究發現，如果SBR排水中的硝酸鹽濃度從10.9mg/L減少到5.6mg/L時，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的時候，生物可以很容易取得良好的釋磷效果，但是當硝酸鹽的濃度達到10mg/L以上時，磷的釋放就受到抑制從而導致生物除磷的失敗。
　　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水的COD值。一般認為，要達到良好的脫氮除磷效果，廢水的COD與總氮的質量比值應大于9。Ruya^[15]等人對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，而COD中的易生物降解部分才是可以評價系統功能的主要參數。Tam^[16]等人的研究認為，當進水的有機基質主要為易生物降解的組分時，反硝化和生物釋磷可以同時發生，然而當難生物降解組分為主時，生物釋磷是在反硝化之后發生的。
3.2 可脫氮聚磷菌（DPAO_S）對系統脫氮除磷的影響
　　因為系統中的硝酸鹽氮對EBPR有不利影響，所以最初的研究認為，能發生EBPR反應的細菌不能夠進行反硝化反應，但是現在有很多研究表明，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行吸磷而發生反硝化反應^[17]，所以好氧段只需進行到硝化階段即可，反硝化及吸磷可以在后續的兼性階段完成。這種情況下，可以節省能耗和避免厭氧段反硝化菌對碳源的競爭，污泥產量和SVI值都會減小^[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SBR反應器的研究表明，兼性狀態下存在的亞硝酸鹽氮對可脫氮聚磷菌的整體效果存在影響，當亞硝酸鹽氮的濃度為4～5mg/L時，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產生抑制作用。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的。

4 同時脫氮除磷SBR運行方式的選擇

　　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。
　　對于需要同時脫氮除磷的場合，SBR反應器可采用圖1所示流程。

　　靜止進水可以使進水階段結束后反應器中形成較高的基質濃度梯度，節省能耗；攪拌進水可以使反應器保持厭氧狀態，保證磷的釋放；曝氣后的反應混合可以進行反硝化反應；隨后的曝氣可以吹脫污泥釋放的氮氣，保證沉淀效果，避免磷過早釋放；為了防止沉淀階段發生磷的提前釋放問題，讓排泥和沉淀同時進行^[20]。

5 結論

　　SBR藝是一種高效、經濟、可靠、適合中小水量污水處理的工藝，符合我國的國情；尤其是SBR工藝對于污水中氮、磷的去除，有其獨到的優勢，所以SBR工藝及其新工藝在我國有著廣闊的應用前景。

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