城市污水生物脱氮除磷技术研究综述

王琴 王俊（武汉市东西湖自来水公司 湖北 武汉 430040）

一、前言

随着城市污水排放和水体富营养化问题的日益严重， 各类城镇污水处理厂建设和稳定达标运行越来越受到重视。 到2010年末，我国建有污水处理厂的城市，占城市总数的90%以上。 根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》的要求，对于污水处理厂不但要有很高的SS、BOD、COD 去除能力，还要有高效去除氮、磷营养物及某些特殊有机物的能力。 如何提高污水处理厂的脱氮除磷效果已成为城市污水处理厂运行和控制的热点问题[1]。

二、生物脱氮

1、传统生物脱氮

传统的废水生物脱氮过程包括硝化和反硝化反应， 两个过程中所参与的微生物种类、 转化的基质和所需的反应条件都有很大差别[2]。

生物脱氮过程是一个矛盾统一体[3]。 硝化反应需要好氧条件和较长污泥龄的硝化菌， 而反硝化反应则需要缺氧条件和较短污泥龄的反硝化菌。 在大量有机物存在时，硝化菌对氧气和营养物质的竞争不如好氧异养菌，不利于硝化反应；而反硝化菌需要有机物作为电子供体来完成脱氮的过程。 解决这些矛盾将会提高生物脱氮工艺的高效性和稳定性。

传统的生物脱氮工艺就是A/O 工艺，工艺流程如图1 所示：

该工艺是Barnard 于1973 年对Ludzack-Ettinger 工艺的改进，能够较好的适应现有的活性污泥系统，较易实现常规出水标准（TN<10mg/L）。 缺氧/好氧原理生物脱氮的应用工艺还有SBR、氧化沟、A2/O 和Bardenpho 等工艺。

2、生物脱氮新技术

近几年，脱氮技术的发展，由单纯工艺改革发展向以生物学特性促进工艺改革，从而达到高效低耗的目的。 对污水生物脱氮工程实践中暴露出的问题和现象， 国内外学者进行了大量理论和试验研究，力求缩短脱氮的转化过程，并提出一些突破传统理论的新认识、新发现[4]。

2.1 短程硝化反硝化

1975 年，Voets 等在研究处理高浓度氨氮废水的过程中，发现硝化反应过程中亚硝态氮积累的现象， 首次提出了短程硝化反硝化生物脱氮的概念[5]。 短程硝化反硝化是在同一个反应器内，在控制特殊的环境条件下，通过抑制硝化菌的生长，使系统中的亚硝化菌成为优势菌种。 先在有氧条件下，亚硝酸菌将氨氧化成亚硝酸盐；再在缺氧条件下，使亚硝酸盐反硝化，生成氮气。目前， 短程硝化反硝化脱氮有代表性的工艺为OLAND 工艺和SHARON 工艺。

2.2 同步硝化反硝化

同步硝化反硝化（SND）是指在一定条件下， 硝化反应与反硝化反应在同一处理空间内及同一处理条件下的显现[6]。 宏观环境理论认为， 由于生物反应器本身的构造问题和氧气充入生物反应器的不均匀性，使反应器内部出现氧气分布不均的现象，并形成好氧段、缺氧段和厌氧段，从而为硝化菌和反硝化菌创造了条件。 目前已有很多关于SND 的成功应用实例[7,8]，如SBR、生物转盘、CAST、氧化沟等工艺。

2.3 厌氧氨氧化

厌氧氨氧化 （anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）工艺，于1900 年由荷兰Delft 技术大学研究开发。 该工艺是厌氧条件下， 微生物以氨氮为电子供体， 亚硝酸氮或硝酸氮为电子受体，发生生化反应，生成氮气。 该工艺无需外加碳源、供氧以及额外投加酸碱中和试剂，而且能耗低、运行费用较少，同时还避免了因投加中和试剂可能造成的二次污染[9]。 典型的厌氧氨氧化处理工艺有SHARON-ANAMMOX 工艺和CANON 工艺。

三、生物除磷

1、传统生物除磷

生物除磷是在厌氧条件下，聚磷菌消耗糖原，将胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外。 同时，对于环境中的醋酸盐或其他挥发性脂肪酸（VFA）能够充分吸收，并以生物聚合物（PHB）的形式贮存在细胞内。 在厌氧条件下PHB 的合成伴随着正磷酸盐的释放；在好氧条件下，胞内贮存的PHB 被聚磷菌氧化，并以聚磷酸高能键的形式存贮。 通过排放含磷量高的剩余污泥实现了磷的去除。

1976 年，Barnard 提出了Phoredox 工艺， 又称A/O 工艺，这标志着生物除磷工艺的诞生。 其工艺流程如图2 所示：

本工艺流程简单，技术较成熟、建设和运行费用较低，在实践中被广泛应用。 运用厌氧/好氧生物除磷的工艺还有SBR、Phostrip、A2/O 和氧化沟等工艺。

2、生物除磷新技术

2.1 反硝化除磷

反硝化除磷的机理和传统A/O 法除磷机理相似。 在厌氧段，反硝化聚磷菌（DPB）释磷过程和传统生物除磷工艺中PAO 基本一致；而在缺氧段，与PAO 以O2 作为电子受体不同，DPB 氧化胞内PHB 的电子受体是硝态氮，产生的ATP 来自于降解厌氧段存储的体内PHB， 产生能量的一部分用于过量摄取水中无机磷酸盐所需，以Poly-p 的形式存储在细胞体内,从而使硝态氮被还原为N2。 与传统脱氮除磷联合工艺相比，反硝化除磷技术的优点在于：减少30%的曝气量，节省了能耗，可缩小反应器的体积；减少了50%的COD 消耗量，避免了反硝化菌与聚磷微生物之间对有机物的竞争，适合处理高浓度的T/N 比污水；减少了除磷工艺运行中产生的污泥量，降低污泥处理费用。

2.2 生物同步脱氮除磷新技术

1）ECOSUNIDE 工艺

ECOSUNIDE 工艺是具有我国自主知识产权的一种分点进水高效脱氮除磷工艺。该工艺的理论基础是由张雁秋[10,11]等人自主提出的统一动力学理论、 动力学负荷理论和回流污泥优化理论。 该工艺大大缩短了厌氧+好氧+缺氧的时间，生化段总停留时间为7～10h，可节约20%左右的水处理主体工程投资；需氧量降低，无需内回流，从而降低推进器的能耗，可节约20%左右的运行成本。 ECOSUNIDE 工艺在德州污水处理厂升级改造中得以应用并且取得很好的脱氮除磷效果。

2）固定填料A/O 工艺

固定填料A/O 工艺是向传统活性污泥法A/O 工艺曝气池中填充固定填料，同时结合生物膜法和活性污泥法的工艺特点，对氨氮、有机物、悬浮固体具有较为稳定的去除效果。 邓纪鹏[12]等利用悬浮填料A/O 工艺处理城市污水的结果表明， 投加悬浮填料能够显著提高活性污泥系统的硝化性能， 硝化效果明显优于普通填料活性污泥法。

3）序批式膜生物反应器工艺

序批式膜生物反应器（SBMBR）是将序批式活性污泥（SBR）工艺与膜分离技术相结合， 不仅保留了传统SBR 工艺占地面积小、耐冲击负荷、脱氮除磷效果好、生化反应效率高、不易发生污泥膨胀等优点，还利用膜分离技术可以在反应阶段排水，节省了沉淀阶段所需的时间，从而减少传统SBR 的循环时间。

四、结语与展望

短程硝化反硝化能够处理高氨氮负荷的废水，在较低的C/N值下也能使TN 去除率提高，其研究重点是如何控制运行参数以及达到同步除P 的效果； 同步硝化反硝化不仅可以减少污泥生成量，缩短生物脱氮工艺的流程，而且省去第二阶段的缺氧反硝化池或减少其体积， 要实现良好的同步硝化反硝化效果需要确定反应池的最佳溶解氧； 厌氧氨氧化中的氨直接作为反硝化的电子供体，可免去外援有机物，其供氧量可以大大地减少，但目前厌氧氨氧化反应的应用多针对处理高氨氮浓度的污水， 将该工艺用于实际污水处理，还面临很大的挑战；反硝化除磷技术具有有机物需求量低，能耗小，产泥量小等特点，可以解决传统脱氮除磷工艺的碳源不足问题， 但反硝化除磷技术的研究工作尚未全面展开，还需要探讨应用反硝化除磷技术的工艺控制参数，考察其作用机理，以提高其除磷的效率。

近几年， 专家学者将新理论和新工艺从实验室研究逐步向工程实践研究进行拓展，但是这一过程是任重而道远的，需要污水处理领域的科技人员在实践中不断摸索每个工艺的最适控制参数以提高污水处理的效果和减少能源的消耗。 可以预料，这些新技术和新工艺将会对污水处理产生革命性的变革，因此，借技术和经济两方面的推动，污水不再成为城市发展的绊脚石，而是可以变废为宝，切切实实为人类带来福音的可持续之举。

[1] Zeliger, H.I., Water Pollution. 2011∶p. 65-95.

[2] 张自杰,排水工程-下册.2002∶中国建筑工业出版社.

[3] 华光辉与张波, 城市污水生物除磷脱氮工艺中的矛盾关系及对策.给水排水,2000(12)∶第1-4+2 页.

[4] 叶建锋,废水生物脱氮新技术.2006∶化学工业出版社.

[5] Vanstaen, H. and J. Votes, Removal of nitrogen from highly nitrogenous wastewater. Water Pollut. Control Fed, 1975. 47∶p.394-398.

[6] 郭冬艳等, 同步硝化反硝化生物脱氮技术. 安全与环境工程, 2009(03)∶第41-44+61 页.

[7] Third, K.A., et al., Long-term aeration management for improved N-removal via SND in a sequencing batch reactor. Water Research, 2005. 39(15)∶p. 3523-3530.

[8] Virdis, B., et al., Biofilm stratification during simultaneous nitrification and denitrification (SND) at a biocathode. Bioresource Technology, 2011. 102(1)∶p. 334-341.

[9] 汤丽娟,固定化好氧反硝化菌脱氮技术应用展望. 海峡科学,2010(09)∶第10-11+17 页.

[10] 肖宁等,ECOSUNIDE 工艺在德州污水处理厂升级改造中的应用.中国给水排水,2008(22)∶第45-48 页.

[11] 李昂,张雁秋与李燕,ECOSUNIDE 工艺在实际工程中的应用.中国给水排水,2009(04)∶第62-64 页.

[12] 邓纪鹏等,悬浮填料AO 工艺处理城市污水中试研究.天津建设科技,2009(06)∶第53-55 页.