城市污水生物脱氮除磷技术的新进展

张健

摘要：经济的高速发展和城市人口的增加大大加速了水体富营养化进程。综述了城市污水脱氮除磷技术研究及应用进展，分析了脱氮除磷工艺机理及特点，指出了城市污水脱氮除磷工艺的发展方向。

关键词：富营养化；脱氮；除磷

随着工农业生产的迅速发展以及城市化进程的加快，含有高浓度氮磷物质的生活污水、工业废水和农田地表水径流汇入湖泊、水库、河流和海湾水域，使藻类等植物大量繁殖，导致水体的富营养化。富营养化的水体含有大量的硝酸盐和亚硝酸盐，长期饮用严重危害人类健康。因此，对城市污水进行脱氮除磷处理成为当今污水处理的一个研究热点。

一、污水生物脱氮除磷的机理

（一）污水生物脱氮机理

近年来，一些研究者在研究中观察一些超出传统生物脱氮理论的新现象：厌氧反应器中NH3-N减少；好氧条件下同时进行硝化反硝化作用；异养菌也可以参加硝化过程。对于这些现象可以从微环境理论和生物学角度进行解释。微环境理论认为在微生物絮体内存在溶解氧梯度，即在絮体表层溶解氧浓度较高，以好氧菌、硝化菌为主；而絮体内部由于溶解氧传递受阻和絮体外层微生物消耗大部分溶解氧，使内部形成兼氧、厌氧环境，有利于反硝化菌繁殖。加之曝气过程的搅动和溶解氧的控制使微环境是不断变化的，有利于微环境中的微生物处于厌氧、兼氧、好氧交替的环境中，产生硝化反硝化作用。从生物学角度解释不同于传统的理论，微生物学家已经发现了异养硝化菌和好氧反硝化菌，甚至在完全厌氧的条件下发生硝化作用。已有研究表明，在亚硝化菌的作用下，以NO2-作为电子受体，将氨转化NO2。以上这些现象的发现为研究者研究新生物脱氮理论和开发新的生物脱氮工艺指引了方向。

（二）生物除磷机理

生物除磷主要由聚磷菌在厌氧条件下释放磷，有氧条件下摄取磷，通过排除富磷污泥达到除磷目的。聚磷菌属于兼性异养型细菌，在厌氧环境中，在没有DO和大量NO3–存在的前提下，聚磷菌通过将细胞中聚磷水解成正磷酸盐获取能量，并利用污水中易降解的有机物，如挥发性脂肪酸（VFA），合成贮能物质聚β羟基丁酸（PHB）存于细胞中；在好氧环境中，聚磷菌以游離氧为电子受体，氧化细胞内储藏的PHB，并利用该反应产生的能量，过量地从污水中摄取磷酸盐，合成高能物质ATP，其中一部分转化为聚磷，作为能量物质贮存于细胞中。由于好氧环境下磷的摄取量远大于厌氧环境下的释放量，所以通过排放富磷污泥可以达到高效生物除磷的目的。研究表明，在废水生物除磷中，聚磷菌厌氧释放磷是好氧吸收和除磷的前提条件，但厌氧条件下聚磷菌释放磷水平的充分与否，并不是决定除磷能力的必要条件。而聚磷菌在厌氧条件下能否有效释放磷，与水中有机物的类型和NO3–含量密切相关。

近年来，研究者发现了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌”（DPB），可以在缺氧条件下利用NO3–作为电子受体氧化胞内贮存的PHA，并从环境中摄磷，实现同时反硝化和过度摄磷。与传统好氧生物除磷相比，系统对COD的需求减少50%。该工艺目前虽处于实验研究阶段，离生产应用尚有一段距离，但为生物除磷工艺提供了新的思路。

二、同步脱氮除磷技术

基于生物脱氮和生物除磷的传统机理，学者们研发了一系列生物同步脱氮除磷的工艺，主要有巴颠甫脱氮除磷工艺，A2/O法同步脱氮除磷工艺，倒置A2/O同步脱氮除磷工艺以及生物转盘同步脱氮除磷技术等。

目前，A2/O工艺是应用最为广泛的生物脱氮除磷工艺。该工艺是在An-O法脱氮工艺的基础上开发的一项同步脱氮除磷工艺。在系统上可以称为最简单的同步脱氮除磷工艺，总的水力停留时间少于其它工艺，不易发生污泥膨胀，SVI值一般均小于100。污泥中含磷浓度高，可回收作为磷肥。运行中不需投药，两个A段只需轻缓搅拌，运行费用低。

因氮磷的去除比较复杂，需要经过硝化、反硝化、释磷和吸磷等多个生化反应。上述每一个过程对微生物的组成、基质类型及环境条件的要求各不相同。因此要在一个系统中同时完成脱氮和除磷过程，不可避免地产生各过程间的矛盾关系，如碳源、污泥龄、硝化和反硝化容量、释磷容量和吸磷容量等。这些矛盾使得在同一系统中同时获得氮、磷的高效去除难以实现。

因此，应用传统生物脱氮除磷机理的工艺要解决的根本问题是提供各类微生物适宜的环境，避免彼此之间的干扰和竞争，各司其职，发挥各自最大的作用。为了提高脱氮除磷的效果，学者们展开了对应用组合工艺实现氮、磷元素的高效去除的研究。A2/0-BAF系统是将活性污泥法和生物膜法的优点有机结合的系统。通过缩短污泥龄的方法，将硝化作用从中分离出来，用BAF实现硝化作用。聚磷菌悬浮生长于A2/O活性污泥中，硝化菌生长在BAF的填料上。聚磷菌和硝化菌的分离，解决了传统生物脱氮除磷中聚磷菌和硝化菌之间的竞争，使得各自在最适宜的环境中生长，这更有利于系统稳定、高效的脱氮除磷。另外，由于A2/O中没有硝化菌，所以回流污泥中不含有硝酸盐，为厌氧段提供了绝对的厌氧环境，使聚磷菌释磷充分，从而实现磷的高效去除。除了本工艺外还有A2/O-MBR系统，A/O-BAF系统，改进SBR系统以及一些在生物脱氮除磷基础上增加化学强化除磷的组合工艺。

三、结语

污水生物脱氮除磷的目的是将氮、磷从废水中去除，防止引起受纳水体的富营养化，以工程手段从源头控制水体富营养化。从我国目前的实际情况出发，无论是单独的生物脱氮技术、生物除磷技术，还是同时生物脱氮除磷技术，探索简便、节能、高效、技术成熟的生物脱氮除磷技术是目前当务之急，为今后从源头解决水体富营养化问题，提供必要而有效的技术保障。

参考文献：

[1]王建龙.NH4+的厌氧氧化[J].生命的化学，1997，17 （6）：37–38.

[2]张波，高廷耀.生物脱氮除磷工艺厌氧/缺氧环境倒置效应[J].给水排水，1997，13 （3）：7–13.