反硝化除磷
反硝化除磷是用厌氧/缺氧交替环境来代替传统的厌氧/好氧环境，驯化培养出一类以硝酸根作为最终电子受体的反硝化聚磷菌(denitrifying phos-phorus removing bacteria，简称DPB)为优势菌种，通过它们的代谢作用来同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到脱氮除磷的双重目的。应用反硝化除磷工艺处理城市污水时不仅可节省曝气量，而且还可减少剩余污泥量，即可节省投资和运行费用。
1反硝化除磷理论
在对除磷脱氮系统的研究过程中发现，活性污泥中的一部分聚磷菌能以硝酸盐作为电子受体在进行反硝化的同时完成过量吸磷。1993年荷兰Delft大学的Kuba在试验中观察到：在厌氧/缺氧交替的运行条件下，易富集一类兼有反硝化作
作为电子受体，且用和除磷作用的兼性厌氧微生物，该微生物能利用Ｏ2或ＮＯ-
3
其基于胞内PHB和糖原质的生物代谢作用与传统Ａ/Ｏ法中的聚磷菌(PAO)相似。针对此现象研究者们提出了两种假说来进行解释:①两类菌属学说，即生物除磷系统中的ＰＡＯ可分为两类菌属，其中一类ＰＡＯ只能以氧气作为电子受体，而另一类则既能以氧气又能以硝酸盐作为电子受体，因此它们在吸磷的同时能进
行反硝化;②一类菌属学说，即在生物除磷系统中只存在一类ＰＡＯ，它们在一定程度上都具有反硝化能力，其能否表现出来的关键在于厌氧/缺氧这种交替环境是否得到了强化。如果交替环境被强化的程度较深则系统中ＰＡＯ的反硝化能力较强，反之则系统中ＰＡＯ的反硝化能力弱，即ＰＡＯ不能进行反硝化除磷。也就是说，只有给ＰＡＯ创造特定的厌氧/缺氧交替环境以诱导出其体内具有反硝化作用的酶，才能使其具有反硝化能力。这两种假说都有各自的支持者，但大部分研究人员都赞同前者。
是否可作为生物除磷过程的电子受体,Vlekke(1987年)和就ＮＯ-
3
Takahiro(1992年)等分别利用厌氧—缺氧ＳＢＲ(anaerobic/anoxicSBR，简称Ａ
2ＳＢＲ)系统和固定生物膜反应器进行了试验研究。结果表明，作为氧化剂ＮＯ-
3和氧气在除磷系统中起着相同的作用，而且通过创造厌氧、缺氧交替的环境可筛作为电子受体的聚磷菌优势菌属即ＤＰＢ。类似的实验室和生产性选出以ＮＯ-
3
规模的生物除磷脱氮研究也表明，当微生物依次经过厌氧、缺氧和好氧三个阶段
作为电子受体来聚磷，即ＤＰ后，约占50%的聚磷菌既能利用氧气又能利用ＮＯ-
3
Ｂ的除磷效果相当于总聚磷菌的50%左右。这些发现一方面说明了硝酸盐亦可作为某些微生物氧化ＰＨＢ的电子受体，另一方面也证实了在污水的生物除磷系统中的确存在着ＤＰＢ属微生物，而且通过驯化可得到富集ＤＰＢ的活性污泥。
2 反硝化除磷工艺
2 .1 单、双污泥反硝化除磷脱氮系统
反硝化除磷脱氮反应器有单污泥和双污泥系统之分。在单污泥系统中,ＤＰＢ、硝化菌及非聚磷异养菌存在于同一悬浮污泥相中，共同经历了厌氧、缺氧和好氧环境；而在双污泥系统中，硝化菌则独立于ＤＰＢ而单独存在于固定膜生物反应器或好氧硝化ＳＢＲ反应器中。虽然在单、双污泥系统中ＤＰＢ都可利用由硝化产生的硝酸盐作为电子受体在缺氧环境中实现反硝化除磷，但后者运行更稳定、处理效果也更好，其原因是双污泥系统为硝化菌和反硝化除磷菌创造了最佳的生长环境，且硝化和反硝化聚磷各系统的ＳＲＴ可根据实际运行要求来选定(硝化的ＳＲＴ较长不利于反硝化和除磷，主要原因是聚磷菌体内相当一部分Ｐ
ＨＢ会因长时间的曝气而被消耗掉，从而导致后续反硝化所需碳源的不足)。进一步说，在双污泥系统中可采用生物膜反应器进行硝化来提供ＮＯ-
3
电子受体，这样不仅给生长速率较慢的硝化菌创造了稳定的生长环境，增加了系统中硝化菌量，提高了硝化率，也可减少水力停留时间和反应器体积；同时在无需大规模污泥回流的前提下就能使出水保持较低的硝酸盐浓度。目前，较典型的双污泥系统是Dephanox工艺和Ａ2ＮＳＢＲ工艺，单污泥系统的代表是ＵＣＴ工艺。
2.2 生物膜反硝化除磷脱氮工艺
有关学者对生物膜法除磷进行了深入细致的研究。1994年,Keren-Jespersen等考察固定生物膜反应器除磷效果时首次发现，通过厌氧(2ｈ)/缺氧(4ｈ)交替环境可培养出富集ＤＰＢ的反硝化生物膜，且在厌氧段可释
放0.52ｍｇＰＯ-4
3-Ｐ/ｍｇＨＡｃ，在缺氧段可吸收  2.0ｍｇＰＯ-4
3
-Ｐ/ｍｇＮ
Ｏ-
3
-Ｎ，而剩余干污泥中磷的含量已达到8%～10%，该试验为用生物膜法实现反硝化除磷提供了依据。随后,Falkentoft(2000年,2001年)等进行了生物滤池反硝
化除磷的小试研究，试验中培养出了富集ＤＰＢ的生物膜，并获得了较好的除磷脱氮效果。在生物膜系统中扩散程度的不同将导致沿生物膜纵向生长的微生物种类的不同，因此研究生物膜的除磷机理必须考察底物的扩散作用和生物膜的层状分布(这两者直接关系到厌氧段释磷率和缺氧段的吸磷率，并将最终影响除磷脱氮效果)。鉴于生物膜除磷工艺的高度复杂性，在考察该工艺的实际运行能力时有必要利用AQUASIM计算机程序进行模型模拟研究。计算机模型模拟试验可以深入研究生物膜内部的情况，并可对工艺各反应阶段的时间配比、反应池的大小和生物膜厚度等参数进行估算和评价，从而为实际工程运行提供参考依据。
3 影响因素及其控制要点
3.1 溶解氧
在反硝化除磷工艺中控制释磷的厌氧条件极为重要。厌氧段的溶解氧含量(<0.2ｍｇ/Ｌ)通常用氧化还原电位(ＯＲＰ)来度量。研究表明,ＯＲＰ值和磷含
量之间呈良好的相关关系，能直观地反映ＰＯ-4
3
Ｐ浓度的变化，从而能定量反映聚磷菌的性能特征，因此可把它作为厌氧释磷过程扰动的一个实时指标。当ＯＲＰ值为正值时聚磷菌不释磷，而当ＯＲＰ值为负值时绝对值越高则其释磷能力就越强，一般认为应把ＯＲＰ值控制在-200～-300ｍＶ。但是，在实际运行中因污泥或污水回流以及厌氧段未在封闭条件下运行而常会将氧气带入厌氧段，为此可在原工艺基础上前置一个厌氧段和实现厌氧段封闭运行来解决这个问题。
3.2 ＮＯ-3和ＮＯ-2
资料表明，只要厌氧段存在ＮＯ-
3
则反硝化菌就能优先利用碳源进行反硝化反应而抑制聚磷菌的释磷和ＰＨＢ的合成[8]。但另一方面，缺
氧段的吸磷量和硝酸盐投量有关。Merzouki等在考察硝酸盐投量对Ａ2ＮＳＢＲ工艺除磷效果的影响时发现：系统的除磷效果主要依赖于缺氧段所投加的硝酸盐量及ＳＲＴ。设定ＳＲＴ为15ｄ，当硝酸盐的浓度从100ｍｇ/Ｌ升高到120ｍｇ/Ｌ时，磷的去除率从63%升高到93%；当硝酸盐浓度达到140ｍｇ/Ｌ时除磷率接近100%，但这会导致
硝酸盐的过量。研究表明,ＮＯ-
2
的积累对除磷会起到抑制作用。Keren-Jespersen 在研究固定生物膜反应器厌氧/缺氧交替运行条件下的释磷、吸磷情况时发现：当缺氧段的硝酸盐负荷增高时能观察到亚硝酸盐的积累，同时随着硝酸盐量的减少则吸磷也相应减少，一旦系统中的硝酸盐被消耗尽，即使系统中还存在大量的
亚硝酸盐吸磷也随之停止，取而代之的是开始放磷。这一现象表明，系统中的聚磷菌无法以亚硝酸盐作为电子受体进行吸磷。同时，随着亚硝酸盐的形成则释磷量和硝酸盐耗量的比值减少，作者对其解释是：只有硝酸盐转化为亚硝酸盐过程中产生的那部分能量才可被聚磷菌用作吸磷所需的能量，亚硝酸盐的积累是由缺氧段初期过高的硝酸盐浓度造成的。所以，在实际研究中硝酸盐应分批、数次、小剂量投加，或使好氧时间尽量长来达到完全硝化反应，以免造成亚硝酸盐的积累。但Meinhold(1999年)持不同观点，他认为当亚硝酸盐浓度不是很高(≤4～5ｍｇ
ＮＯ-
2Ｎ/Ｌ)时其可作为吸磷的电子受体；但当浓度较高时(≥8ｍｇＮＯ-
2
Ｎ/Ｌ)
亚硝酸盐才会对缺氧吸磷完全起抑制作用。
3.3 碳源种类
研究表明，释磷菌在利用不同基质的过程中对磷的释放率存在着明显的差异。Evans(1983年)等学者的试验结果表明，在厌氧段投加丙酸、乙酸、葡萄糖等简单有机物能诱发磷的释放，但以乙酸的效果为最佳。因此，可以在厌氧段投加乙酸等易降解的低分子有机物来提高微生物的释磷量，增加其体内有机物贮存，为缺氧阶段的大量吸磷创造条件。值得注意的是，碳源只有投加在厌氧段才能使出水的磷含量减少，如将碳源投加在缺氧段则会优先支持反硝化而使出水硝酸盐和亚硝酸盐的浓度降低却不发生吸磷反应。
3.4 Ｃ/Ｎ和Ｃ/Ｐ值
反硝化除磷系统首先要求提供给厌氧段足够的可降解ＣＯＤ，其(如ＨＡｃ)越充足则合成的ＰＨＢ越多。Keren-Jespersenｒｓｅｎ(1994年)的研究表明，缺氧条件下的吸磷率、反硝化率是聚磷菌体内ＰＨＢ储量的函数;ＨＡｃ的消耗量(ＰＨＢ量)与缺氧段的反硝化率及吸磷率存在一定的线性关系；缺氧条件下的吸磷率是ＰＨＢ的一阶方程。从这些函数关系可见，厌氧段提供的ＣＯＤ(ＨＡｃ)充足与否直接关系着缺氧段反硝化和吸磷能力的强弱。按照理想的除磷理论，碳源(电子供体)和氧化剂(电子受体)不能同时出现，否则脱氮和除磷的效果都会受到影响。但在实际工程中不可能达到完全的理想条件，所以在提供给厌氧段充足碳源及缺氧段足量硝酸盐的同时应注意适度原则，使进水的Ｃ、Ｎ和Ｐ符合最佳比例关系以达到最佳的处理效果。当进水Ｃ/Ｎ值较高时，一方面ＮＯ-
3
量不足将导致吸磷不完全而使出水的磷含量偏高；另一方面有可能使厌氧段的ＨＡｃ投量超过了ＤＰＢ合成ＰＨＢ所需要的碳源量，过剩碳源在后续缺氧段被反硝化菌用
于反硝化而未进行吸磷。进水Ｃ/Ｎ值较低时则会因ＮＯ-
3
过量而造成反硝化不彻底。Kuba(1996年)在考察Ａ2ＮＳＢＲ工艺的运行特征时发现其最佳Ｃ/Ｎ值为3.4，此时除磷率几乎达到100%。当Ｃ/Ｎ值高于此值时(硝酸盐量不足)可在缺氧
段后引入一个短时曝气(以Ｏ
2
作为电子受体)将残留的磷去除；当Ｃ/Ｎ值低于此值时可通过外加碳源来去除过量的硝酸盐。1999年,Ｇ.Bortone在对Dephanoxｘ和ＪＨＢ两工艺进行对比试验中得到两者在不同Ｃ/Ｎ值时的除磷率，继之作者
利用MatLab-Simulink建立的模型对大量的不同ＣＯＤ/ＴＫＮ和ＴＫＮ/ＰＯ-3
4 -Ｐ的进水进行了模拟试验，发现即使ＣＯＤ/ＴＫＮ值很低、ＴＫＮ/ＰＯ3-4-Ｐ值很高(电子受体数量在缺氧吸磷段不受限制),Dephanox工艺的除磷效率仍维持在90%以上。
3.5 污泥停留时间(ＳＲＴ)
反硝化除磷脱氮工艺的双、单污泥系统由于硝化段设置方式的不同，其对ＳＲＴ的要求也不同。在ＵＣＴ工艺中最小泥龄须优先考虑硝化菌而非ＤＰＢ：在常温下虽然ＵＣＴ工艺中ＰＡＯＳ/ＤＰＢ的最小ＳＲＴ小于硝化菌的最小ＳＲＴ，但可将ＤＰＢ的最小污泥龄和硝化菌的最小泥龄视为相同；但如果出现温度较低情况(冬季)时，由于ＰＡＯＳ/ＤＰＢ对低温很敏感，故它们的最小泥龄大于硝化菌的最小泥龄。而Ａ2Ｎ工艺就不用考虑硝化菌的ＳＲＴ，只需注意ＤＰＢ的ＳＲＴ。ＨＡＯ(2001年)在对ＵＣＴ和
Ａ2Ｎ工艺基于动力学模型基础上的评价时发现：当进水ＴＮ=68ｍｇ/Ｌ、Ｐ=9ｍｇ/Ｌ时，若要达到ＴＮ≤10ｍｇ/Ｌ、Ｐ<1ｍｇ/Ｌ的排放标准，则ＵＣＴ工艺在Ｔ=10℃时的最小ＳＲＴ=15ｄ、Ｔ=20℃时的最小ＳＲＴ<10ｄ；对于Ａ2Ｎ工艺(好氧硝化段的ＳＲＴ固定为30ｄ，这里讨论的为ＤＰＢ的ＳＲＴ)，由于硝化污泥和ＤＰＢ污泥是独立的，所以它能获得较稳定的脱氮率，且出水ＴＮ<10ｍｇ/Ｌ，但为了获得磷浓度较低的出水，在Ｔ=5℃时ＤＰＢ的ＳＲＴ需延长至32ｄ(此时ＵＣＴ所需ＳＲＴ=25ｄ)。由模拟试验结果可知，当温度较低时(如Ｔ=5℃)ＰＡＯＳ/ＤＰＢ需要较长的ＳＲＴ才能在系统中存活，并且Ａ2Ｎ工艺的反硝化率受温度影响较大，而ＤＰＢ污泥的泥龄变化对反硝化率没有大的影响；当ＳＲＴ≥15ｄ、Ｔ≥10℃时,ＵＣＴ工艺的脱氮率最高。Merzouki(2001年)等人报道:ＳＢＲ反硝化除磷系统的ＳＲＴ为15ｄ时对除磷更有利(此时的除磷率比ＳＲＴ=7.5ｄ时高1.8倍)，这是因为较短的ＳＲＴ使反应器中的聚磷菌被淘汰。另一方面,ＳＲＴ过长会出现磷的“自溶”现象。综合考虑上述情况可知，反硝化除磷系统的最佳ＳＲＴ值与温度变化范围、工艺组合方式和工艺运行要求等有关，应通过试验来获得。
3.6 ｐＨ值
ｐＨ值对ＤＰＢ厌氧释磷影响较大，随着ｐＨ值增大则Ｐ/Ｃ值也随之提高(即消耗单位乙酸将会有更多的磷释放)，但当ｐＨ值过高时Ｐ/Ｃ值会有所降低，这主要是由磷酸盐沉淀引起的。Kuba在研究ｐＨ值对Ａ2ＳＢＲ工艺处理效果的影响时得到了类似的结果，同时还指出,ｐＨ值对ＤＰＢ反硝化除磷系统的影响和其对传统除磷系统的影响有相似之处，但由于在ｐＨ=8时会出现磷酸盐沉淀，所以实际的Ｐ/Ｃ值
比理论值少20%，他的发现和Smolders研究ｐＨ值对Ａ/ＯＳＢＲ工艺运行影响的结果一致。
3.7 其他影响因素
①ＭＬＳＳ。通常系统中的ＭＬＳＳ越大(说明ＤＰＢ含量越多)则在厌氧段的释磷效果越好，并且在缺氧段ＤＰＢ的吸磷能力也更强。但ＭＬＳＳ也不能过大，否则不仅会给沉淀分离带来困难，还会增加污泥处理成本。②搅拌。厌氧区和缺氧区不需供氧，但要使反应充分则搅拌必不可少(使污泥处于悬浮态)。③容积交换比。要提高Ａ2ＮＳＢＲ工艺的脱氮率，最可行的方法是增大Ａ2ＳＢＲ和ＮＳＢＲ的容积交换比，或者考虑利用两个ＳＢＢＲ(Sequencing Batch Biofilm Reactor )来进行反硝化除磷脱氮。④生物膜扩散和层状分布。底物扩散渗透作用的强弱会影响反应级数、生物膜自内向外的生物种类和特性。况且，扩散作用又涉及到溶液浓度、生物膜厚度及微生物呈层分布等诸多因素，这些影响因素在生物膜反硝化除磷系统中必须予以考虑。
reactor44结语
目前，反硝化除磷技术已从基础性研究发展到了工程应用阶段，随着以其他碳源作为电子供体进行除磷研究的开展，以及细菌特异性16srRNA靶向寡核苷酸探针荧光原位杂交(Fluorescent in situ Hybridization ，简称ＦＩＳＨ)、荧光抗体染、ＰＣＲ(聚合酶链式反应)等非纯培养技术的采用，人们对反硝化除磷机理将有更加清楚的认识。同时，在线检测技术的应用、利用数学模型来优化反硝化除磷
工艺都可进一步提高它的可控性。
到目前为止，国际普遍认可和接受的生物除磷理论是“聚合磷酸盐累积微生物”—ＰＡＯ的摄放磷原理。近年来的许多研究发现除ＰＡＯ细菌可在好氧环境中摄磷外，另外一种“兼性厌氧反硝化细菌”———ＤＰＢ也能在缺氧(无Ｏ2，存在ＮＯ-3)环境下摄磷。目前，满足ＤＰＢ所需环境和基质的工艺有单、双两级。在单级工艺中,ＤＰＢ细菌、硝化细菌及非聚磷异养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，硝化细菌独立于ＤＰＢ而单独存在于某一反应器中。双级工艺主要有Ｄｅｐｈａｎｏｘ和Ａ2ＮＳＢＲ等。
1 ＢＣＦＳ工艺
ＢＣＦＳ工艺实际上是ＵＣＴ工艺的一种变型。虽然ＵＣＴ的设计原理仅仅是基于对ＰＡＯｓ所需环境条件的工程强化，但实践中发现该工艺中存在着不少的ＤＰＢ细菌。为了最大程度地从工艺角度创造ＤＰＢ的富集条件，荷兰的Ｄｅｌｆｔ工业大学研发出一种改进工艺———ＢＣＦＳ。
ＢＣＦＳ工艺较ＵＣＴ工艺增加了两个反应池。第一个介于ＵＣＴ工艺的厌氧和缺氧池之间(即接触池)，回流污泥和来自厌氧池的混合液在池中充分混合以吸附剩余ＣＯＤ。另外，因接触池是缺氧的，所以来自回流污泥中的硝酸盐氮能被迅速反硝化脱除，在这种情况下丝状菌生长非常缓慢，能有效地防止污泥膨胀。增加的第二个反应池是混合池，介于ＵＣＴ工艺的缺氧池与好氧池之间，目的是形成低氧环
境以获得同时硝化和反硝化，从而保证出水含有较低的总氮浓度。混合池的增设除保证硝化和反硝化分别在好氧池和混合池中以各自最大反应速率进行外，它还能保证污泥充分再生(好氧池)时不影响硝酸盐氮的有效去除(混合池)。因为污泥的再生程度能通过调节好氧池的曝气强度控制，保证低负荷时污泥(磷细菌)中ＰＨＢ与糖原的最低含量，这意味着可保持较好的磷酸盐去除率。独立设置混合池和好氧池的益处有:
① 最大程度地保证污泥再生而不影响反硝化或除磷;
② 容易控制ＳＶＩ值;
③ 最大程度地利用ＤＰＢ以获得最少的污泥产量;
④ 负荷高时可通过额外曝气使系统运行稳定;
⑤ 负荷低时可通过减少曝气使系统运行稳定;
⑥ 通过氧化还原电位和ＤＯ在线监测可方便地进行过程控制并保证运行稳定。
这些也正是ＢＣＦＳ工艺的优点所在。然而，在以下两种情况下磷的去除效果不佳:①为满足硝化而使污泥龄过长;②进水中ＣＯＤ Ｐ的比值过低。工程上的解决方案是将厌氧池末端的富磷上清液抽出，以离线方式在一个沉淀单元内投加化学药剂。
与ＵＣＴ工艺相比,ＢＣＦＳ工艺增加了两个内循环Ｑ1和Ｑ3。ＵＣＴ原有

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