SBR工藝脫氮除磷研究進(jìn)展
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，簡稱SND）。
李鋒等人認(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、Lesley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)硝化菌對氨的氧化會起很大的作用。李叢娜等人在控制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)，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等人利用SBR反應(yīng)器對此進(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所需要的磷量。一般認(rèn)為其過程為：①厭氧段：聚磷菌（PAOS）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（VFAS）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VFAS的含量應(yīng)大于25mg[COD]/L，但是當(dāng)VFAS的含量過大（＞400mg[COD]/L）時(shí)，也會導(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爭的影響
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，從而形成了對聚磷菌的競爭反應(yīng)，但是競爭的引發(fā)原因，卻沒有共同的解釋。Liu等人認(rèn)為，如果用葡萄糖為外碳源，容易發(fā)生聚糖菌（GAOS）與聚磷菌的競爭，但是Che Ok Jeon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，聚磷菌的生長速率就會減慢，從而導(dǎo)致聚糖菌占優(yōu)勢；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。
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)表明，pH對聚磷菌和聚糖菌的競爭也有一定影響，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，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，會使聚磷菌消耗過多的PHA從而影響對磷的吸收，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。
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(zhì)量和增加污泥處理費(fèi)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(shù)量增加，同樣可以使磷的去除量增加。同時(shí)，污泥齡的長短會影響到聚磷菌胞內(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)延長厭氧段的水力停留時(shí)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(shí)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(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)勢時(shí)，表現(xiàn)的規(guī)律不盡相同。
3.1 硝酸鹽氮對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(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有機(jī)基質(zhì)的競爭反應(yīng)而導(dǎo)致生物除磷的失效。
Chang C H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(shù)，而COD中的易生物降解部分才是可以評價(jià)系統(tǒng)功能的主要參數(shù)。Tam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（DPAOS）對系統(tǒng)脫氮除磷的影響
因?yàn)橄到y(tǒng)中的硝酸鹽氮對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)，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碳源的競爭，污泥產(chǎn)量和SVI值都會減小，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等人對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。
對于需要同時(shí)脫氮除磷的場合，SBR反應(yīng)器可采用圖1所示流程。
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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。
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，符合我國的國情；尤其是SBR工藝對于污水中氮、磷的去除，有其獨(dú)到的優(yōu)勢，所以SBR工藝及其新工藝在我國有著廣闊的應(yīng)用前景。
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