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摘要:傳統的生物脫氮除磷去除效率低，是導致水體的富營養化的主要原因。文中分析了傳統生物脫氮除磷工藝的不足，并介紹了反硝化除磷、同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等幾種生物脫氮除磷新技術的機理與典型工藝。最后指出經濟、高效、低能耗的可持續脫氮除磷工藝是污水處理的發展方向。

關鍵詞:生物處理;脫氮除磷;新工藝

隨著經濟的快速發展，環境污染問題越來越突出，特別是含氮、磷等植物營養型污染物的超標排放，導致水體富營養化問題日益嚴重。而常規活性污泥工藝對總氮、總磷的去除率僅在10%～30%之間，遠不能達到國家排放標準［1］。因此，研究開發高效、經濟的生物脫氮除磷工藝已成為當前水污染控制領域的研究重點和熱點。研究表明，生物的脫氮除磷過程出現了一些超出人們傳統認識的新發現，如某些異養菌也可以參與硝化作用;某些微生物在好氧條件下也可以進行反硝化作用。這些現象的發現以及各個不同工藝之間的組合，都為設計處理工藝提供了新的理論和思路。

1傳統脫氮除磷工藝

1.1A2/O工藝A2/O工藝是Anaerobic/Anoxic/Oxic的簡稱，即厭氧/缺氧/好氧生物脫氮除磷工藝。該工藝的特點是工藝簡單，能夠同步脫氮除磷，總停留時間短，不易膨脹，不需投藥，運行費用低。污水首先進入厭氧區與回流污泥混合，在兼性厭氧發酵菌的作用下，將部分易生物降解的大分子有機物轉化為VFA(揮發性脂肪酸)。在缺氧區，反硝化菌利用污水中的有機物和經混合液回流而帶來的硝酸鹽進行反硝化，同時去碳脫氮。在好氧區，有機物濃度相當低，有利于自養硝化菌生長繁殖，進行硝化反應。A2/O工藝是較早用來脫氮除磷的方法，但是它的脫氮除磷效果難于進一步提高。工藝流程見圖1。1.2phoredox工藝在此工藝中，缺氧池可以保證磷的釋放，從而保證在好氧條件下有更強的吸磷能力，提高除磷效果。由于有兩極A2/O工藝串聯組合，脫磷效果好，則回流污泥中挾帶的硝酸鹽很少，對除磷效果影響較少，但該工藝流程較復雜。工藝流程見圖2［2］。圖2phoredox工藝流程Fig.2phoredoxprocess2.3UCT工藝此工藝是對phoredox工藝的改進，將沉淀池污泥回流到缺氧池而不是回流到厭氧池，避免回流污泥中的硝酸鹽對除磷效果的影響，增加了缺氧池到厭氧池的混合液回流，以彌補厭氧池中污泥的流失，強化除磷效果。工藝流程見圖3。上述工藝都是研究者們根據厭氧、缺氧、好氧等池子的排列數量及混合液循環和回流方式的變化開發出的一系列工藝。此外，還有通過對曝氣供氧的控制，在空間和時間上形成厭氧與缺氧環境的SBR(序批間歇式活性污泥法)工藝和氧化溝工藝。這些工藝中存在多種問題，制約了工藝的高效性和穩定性。

2傳統工藝中存在的問題

［3］2.1微生物的混合培養傳統的生物脫氮除磷工藝一般都采用單一污泥懸浮生長系統，在該系統中有多種差別較大的微生物，不同功能的微生物對營養物質和生長條件的要求都有很大的不同，要保證所有的微生物都達到最佳生長條件是不可能的，這就使得系統很難達到高效運行。2.2泥齡問題由于硝化菌的世代期長，為獲得良好的硝化效果，必須保證系統有較長的泥齡。而聚磷菌世代期較短，且磷的去除是通過排除剩余污泥實現的，所以為了保證良好的除磷效果，系統必須短泥齡運行。這就使得系統的運行，在脫氮和除磷的泥齡控制上存在矛盾。2.3碳源問題在脫氮除磷系統中，碳源主要消耗在釋磷、反硝化和異養菌的正常代謝等方面。其中，釋磷和反硝化的反應速率與進水碳源中易降解的部分，尤其是揮發性有機脂肪酸的含量關系很大。一般說來，城市污水中所含的易降解的有機污染物是有限的，所以在生物脫氮除磷系統中，釋磷和反硝化之間存在著因碳源不足而引發的競爭性矛盾。2.4回流污泥中的硝酸鹽問題在整個系統中，聚磷菌、硝化細菌、反硝化細菌及其它多種微生物共同生長，并參與系統的循環運行。常規工藝中，由于厭氧區在前，回流污泥不可避免地將一部分硝酸鹽帶入該區，一旦聚磷菌與硝酸鹽接觸，就導致聚磷效果下降。這主要是由于反硝化細菌與聚磷菌對底物形成競爭，其脫氮作用造成碳源無法滿足聚磷菌的充分釋磷所致。

3生物脫氮除磷新工藝

3.1DEPHANOX工藝DEPHANOX工藝是BortoneG等［4］于1996年提出的一種具有硝化和反硝化除磷雙污泥回流系統的技術，是為了滿DPB所需的環境要求而開發的一種強化生物除磷工藝。該工藝在厭氧池與缺氧池之間增加了沉淀池和固定膜反應池，可以避免由于氧化作用而造成有機碳源的損失并穩定系統的硝酸鹽濃度。污水在厭氧池中釋磷，在沉淀池中進行泥水分離，含氨較多的上清液進入固定膜反應池進行硝化，污泥則跨越固定膜反應池進入缺氧段完成反硝化和攝磷［5］。該工藝具有能耗低，污泥產量低且COD消耗量低的特點。但該工藝中磷的去除效果很大程度上取決于缺氧段硝酸鹽的濃度，當缺氧段硝酸鹽不充足時，磷的過量攝取受到限制;反之硝酸鹽又會隨回流污泥進入厭氧段，干擾磷的釋放和聚磷菌體的PHB的合成［6］。該工藝優點在于不但能解決除磷系統反硝化碳源不足的問題和降低系統的能源(曝氣)消耗，而且可縮小曝氣區的體積，降低剩余污泥量，尤其適用于處理低COD/TKN(TKN為總凱氏氮)的污水。不過由于進水中氮和磷的比例很難恰好滿足缺氧攝磷的要求，從而給系統的控制帶來一定困難。工藝流程見圖4。圖4DEPHANOX工藝流程Fig.4DEPHANOXprocess3.2A2NSBR工藝A2NSBR反硝化除磷工藝由2個反應器組成:A2/O－SBR反應器的主要功能是去除COD和反硝化除磷脫氮，N－SBR反應器主要起硝化作用。這2個反應器的活性污泥是完全分開的，只將各自沉淀后的上清液相互交換。在N－SBR反應器中進水COD/TKN比較低的進水和泥齡超長，直接導致污泥濃度和污泥負荷低，從而減小曝氣量并得到較好的硝化效果。A2/O－SBR反應器中，好氧區有好氧吸磷和硝化發生，進一步去除水中殘余磷和氨氮。此工藝硝化段、反硝化脫氮吸磷段和好氧吸磷段都處于較理想的反應條件下，顯示出非常穩定的硝化和脫氮除磷效果。經研究表明，兩反應器的結合表現出穩定的脫氮除磷特性，除磷率幾乎達到100%，脫氮率穩定在90%左右;同時與傳統脫氮除磷工藝相比較COD消耗量減少50%，耗氧量和污泥產量也可分別減少約30%和50%。因此該工藝特別適合處理BOD5/TP值較低的污水［7］。3.3BCFS工藝BCFS工藝是由荷蘭Delft大學的Mark教授在氧化溝和UCT工藝基礎上開發的，是目前已經投入使用的單污泥系統［8］。工藝由厭氧池、選擇池、缺氧池、混合池及好氧池等5個功能相對專一的反應器組成。通過反應器之間的3個循環，來優化各反應器內細菌的生存環境，充分利用反硝化除磷菌的反硝化除磷和脫氮雙重作用，來實現磷的完全去除和氮的最佳去除過程。工藝流程見圖5。圖5BCFS工藝流程Fig.5BCFSprocess5個主要反應器中(1)厭氧池的厭氧條件用以確保污水中的揮發性脂肪酸(VFA)只被用于除磷菌釋磷時所吸附;(2)選擇池(厭氧)的設置一方面為了阻止污泥膨脹，一方面也進一步杜絕流入缺氧區的VFA;(3)缺氧池的設置是通過反硝化以獲得不含硝酸鹽的污泥，進而提高厭氧池的釋磷效率;同時利用好氧池中的硝酸鹽來除磷，強化了反硝化除磷菌來達到真正的同步生物除磷脫氮的目的;(4)缺氧/好氧池混合池的主要功能是脫氮，可以曝氣也可以缺氧，避免同步硝化反硝化，從而控制污泥膨脹;(5)好氧池與常規處理工藝中功能相同，其主要作用是去除COD及進行氨氮的硝化，如果不能完成硝化，可回流至混合池，這根據進水的情況定。BCFS工藝突出了反硝化除磷在系統中的作用，將反硝化脫氮與生物除磷有機地合二為一，其主要特點是:(1)對氮、磷的去除率高;(2)SVI值低(80～120ml/g)且穩定;(3)控制簡單，通過氧化還原電位與溶解氧可有效地實現過程穩定;(4)與常規污水廠相比，其污泥量減少10%;(5)利用反硝化聚磷菌(DPB)實現生物除磷，使碳源(COD)能被有效地利用，使該工藝在COD/(N+P)值相對低的情況下仍能保持良好的運行狀態;(6)可回收磷［9］。因此該工藝是一種可持續的污水處理技術。3.4SHARON工藝SHARON工藝是由荷蘭Delf工業大學開發的脫氮新工藝［10］，其基本原理是短程硝化反硝化。即將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后進行反硝化。該工藝核心是應用硝化細菌和亞硝化細菌的不同生長速率，即在操作溫度30～35℃下，亞硝化細菌的生長速率明顯高于硝化細菌的生長速率，亞硝化細菌的最小停留時間小于硝化細菌這一特性，通過控制系統的水力停留時間使其介于硝化細菌和亞硝化細菌最小停留時間之間，可以將硝化細菌從反應器中淘汰出去，使反應器中亞硝化細菌占據絕對優勢，從而使氨氧化控制在亞硝化階段，同時通過缺氧環境達到反硝化的目的［11］。工藝流程見圖6。圖6SHARON工藝流程Fig.6SHARONprocess3.5CANON工藝CANON工藝通過控制生物膜內溶解氧的濃度實現短程硝化反硝化，使生物膜內聚集的亞硝酸菌和厭氧氨氧化菌能同時生長，滿足生物膜內一體化完全自養脫氮工藝實現的條件。CANON工藝無需外源有機物質，能夠在完全無機的條件下進行。亞硝酸菌需要氧氣，而厭氧氨氧化菌對氧氣敏感，故CANON工藝必須在低氧環境中實施。CANON工藝目前在世界上還處于研究階段，沒有真正應用到工程實踐中。3.6ANAMMOX工藝厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝由荷蘭Delft技術大學Kluyve生物技術實驗室研究開發［12］。由于SHARON工藝在反硝化過程中需要消耗有機碳源，并且出水亞硝酸鹽濃度相對較高，因此以該工藝作為硝化反應器、ANAMMOX工藝作為反硝化反應器進行組合，可以有效提脫氮效率。將SHARON工藝的出水作ANAMMOX工藝的進水，將氨氮和亞硝酸鹽在厭氧條件下轉化為N2和水。工藝流程見圖7［13］。圖7SHARON與ANAMMOX相結合的自養脫氮工藝流程Fig.7SHARONandANAMMOXautotrophicdenitrificationcombinationprocessSHARON－ANAMMOX聯合工藝適合處理高濃度氨氮廢水而不需外加碳源，與傳統工藝相比，耗氧量節約50%，同時減少CO2的排放，污泥產量少，與其他工藝相比對環境造成的污染小，具有良好的應用前景［14］。

4結論

反硝化除磷、同時硝化與反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等生物脫氮除磷技術均是突破傳統生物脫氮除磷原理基礎上發展起來的新技術，是朝著經濟、高效、低耗的可持續方向發展的生物脫氮除磷新技術。研究者們對這些新技術已進行了較為深入的研究。并且，一些新技術都已經運用于實踐中。但這些新技術的原理、工藝還不夠成熟，其原理、工藝及其影響因素還有待于進一步的研究。

作者:李小虎 單位:江蘇環保產業技術研究院股份公司