生物脱氮除磷理论与技术进展

随着社会经济的发展，水资源供需矛盾日趋激化，对污废水处理后回用成为了亟待解决的问题。我国现有的城市污水处理厂主要是针对以BOD₅为主的碳源污染物的去除，对氮、磷的去除率很低，而氮、磷又是导致水体富营养化的主要营养物。本文概述了生物脱氮除磷机理，分析了生物脱氮除磷技术的研究现状，介绍了可持续污水处理技术和碳中和运行技术，希望给您带来思考与帮助。

一、传统生物脱氮除磷理论与技术

1.传统生物脱氮原理

污水经二级生化处理，在好氧条件下去除以BOD₅为主的碳源污染物的同时，在氨化细菌的参与下完成脱氨基作用，并在硝化和亚硝化细菌的参与下完成硝化作用;在厌氧或缺氧条件下经反硝化细菌的参与完成反硝化作用。

2.传统生物除磷原理

在厌氧条件下，聚磷菌体内的ATP进行水解，放出H₃PO₄和能量形成ADP;在好氧条件下，聚磷菌有氧呼吸，不断地放出能量，聚磷菌在透膜酶的催化作用下利用能量、通过主动运输从外部摄取H₃PO₄，其中一部分与ADP结合形成ATP，另一部分合成聚磷酸盐(PHB)储存在细胞内，实现过量吸磷。通过排除剩余污泥或侧流富集厌氧上清液将磷从系统内排除，在生物除磷过程中，碳源微生物也得到分解。

3.常用工艺及升级改造

具有代表性的常用工艺有A/O工艺、A2/O工艺、UCT工艺、SBR工艺、Bardenpho工艺、生物转盘工艺等，这些工艺都是通过调节工况，利用各阶段的优势菌群，尽可能的消除各影响因素间的干扰，以达到适应各阶段菌群生长条件，实现水处理效果。近年来随着研究的深入，对常用工艺有了一些改进，目前应用最广泛、水厂升级改造难度较低的是分段进水工艺。

与传统A/O工艺、A2/O工艺、UCT工艺等相比，分段进水工艺可以充分利用碳源并能较好的维持好氧、厌氧(或缺氧)环境，具有脱氮除磷效率高、无需内循环、污泥浓度高、污泥龄长等优点。分段进水工艺适用于对A/O工艺、A2/O工艺、UCT工艺等的升级改造，通过将生化反应池分隔并使进水按一定比例分段进入各段反应池，以充分利用碳源，解决目前污水处理厂普遍存在的碳源不足和剩余污泥量过大的问题。分段进水工艺虽然对提高出水水质有较好的效果，但该工艺并不能提高处理能力，当水厂处于超负荷运行时，分段进水改造也不能达到良好的处理效果。

二、新型生物脱氮除磷理论与技术

近年来，科学研究发现，生物脱氮除磷过程中出现了超出传统生物脱氮除磷理论的现象，据此提出了一些新的脱氮除磷工艺，如：短程硝化反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺、反硝化除磷工艺。

1.短程硝化反硝化工艺

传统生物脱氮理论为全程硝化反硝化过程，即以NO^3-为反硝化过程的电子受体;而短程硝化反硝化利用NO^2-为反硝化过程的电子受体。

短程硝化反硝化相对全程硝化反硝化节省了25%的曝气量、节省了40%的有机碳源并缩短了反应时间，因此实现与维持短程硝化反硝化具有实际工程应用价值。实现短程硝化反硝化的关键在于硝化反应过程中氨氧化菌相对于亚硝酸盐氧化菌优势增殖，即氨氧化菌积累。短程硝化反硝化的影响因素主要有温度、pH、溶解氧(DO)浓度、游离氨(FA)浓度、污泥龄(SRT)、有机物浓度等。

具有代表性的短程硝化反硝化工艺为SHARON工艺，该工艺利用高温(30-36℃)抑制亚硝酸盐氧化菌增殖、实现氨氧化菌积累，从而控制硝化反应维持在NO^2-阶段，随后进行反硝化。

2.同步硝化反硝化工艺

同步硝化反硝化工艺是指硝化和反硝化过程在同一个反应器中进行，系统不需要明显的缺氧时间或缺氧区域而能将总氮去除的工艺。利用固定化微生物技术将包埋有硝化细菌的微生物载体投入好氧池，氨氮去除率达到90%以上，处理效果有明显提高。硝化细菌载体投加方便、抗冲击负荷能力较强、运行管理方便、成本较低、处理效果较好，具有良好的应用前景。

3.厌氧氨氧化工艺

厌氧氨氧化工艺是指在厌氧条件下，以NO^2-作为电子受体，将NH3转化为N₂的工艺，反应过程中无需有机碳源和O₂的介入。从工程角度看，厌氧氨氧化工艺较传统生物脱氮工艺有明显优势，这一过程可以摆脱对传统电子供体(有机碳源)的束缚，又可以省去硝化过程的需氧量，从而减少了剩余污泥，又节约了能源。此外，将厌氧氨氧化菌以颗粒污泥的形式富集于反应器中，可以充分利用垂直空间，减少占地。当然，厌氧氨氧化工艺的反应器形式不仅可以是颗粒污泥形式，也可以是SBR、生物转盘、移动床等。

虽然厌氧氨氧化技工艺有诸多优点，但其工程应用受限于厌氧氨氧化菌极低的生长率(世代时间10d左右)，反应器启动时间极长。目前，该工艺主要针对高NH4+、低COD且有一定余温的污废水，如厌氧消化液、垃圾渗滤液等。

4.反硝化除磷工艺

反硝化除磷的机理与传统生物除磷机理类似，其反应主要依靠反硝化除磷菌，该类微生物以O₂或NO^3-为电子受体吸磷，并以聚磷酸盐形式储存在细胞内，同时NO^3-转化为N₂。利用反硝化除磷菌实现生物除磷，对氮、磷的去除率高，同时可以减少剩余污泥，降低有机碳源的需求。

三、可持续生物脱氮除磷与碳中和运行

传统的污水处理理论将水作为主要产品，其他物质作为处理废物以废气和污泥的形式排出，存在着能源浪费和资源浪费等问题，同时传统的水处理工艺会占用大量土地。污水处理碳中和运行的实质是实现处理过程所需能源的自给自足，从而解决“以能消能”和“污染转嫁”的问题。在这一过程中，不仅是能源的“开源”，更要考虑处理工艺的“节流”。污水处理的可持续性和碳中和运行是大势所趋。

1.可持续生物脱氮除磷

可持续生物脱氮除磷工艺的技术基础是反硝化除磷技术和厌氧氨氧化技术。利用兼性反硝化细菌，将反硝化脱氮和生物除磷合二为一，降低有机碳源和O₂的消耗量，相比传统专性好氧除磷菌能节约50%的有机碳源和30%的O₂，同时减少50%的剩余污泥量。厌氧氨氧化菌使得NH⁴⁺以NO^2-为电子受体而被直接转化为N₂，这一过程无需有机碳源和O₂，相比传统全程硝化反硝化工艺最大限度的减少了有机碳源和O2的消耗。通过在生物脱氮除磷过程中对有机碳源的节约，为剩余COD不经过传统的氧化稳定(至CO₂)而进行甲烷化并产生能量创造条件;同时，对O₂的消耗量的减少，降低了曝气量，间接地减少了为污水处理提供能源而燃烧化石能源排放的CO₂。

基于上述技术基础，研究提出了一种可持续生物脱氮除磷工艺，该工艺以A/B为基础架构并结合了BCFS@工艺和CANON工艺，突出了COD甲烷化(能源化)、磷酸盐回收和处理水回用等可持续性目标的实现。进水经格栅、沉沙预处理后进入AB法的A段，采用很短的污泥龄使细菌快速增值，原水中70%-80%的COD合称为细菌细胞;经A段沉淀池分离后，上清液进入BCFS@工艺进行脱氮除磷处理;BCFS@工艺排出的高磷含量污泥与A段排出的污泥一起进入污泥消化池，产生CH₄和高磷、高NH4+的污泥消化液，消化液通过投加镁化物形成磷酸按镁化合物沉淀后分离并回收磷;磷回收后的消化液采用CANON工艺脱除高浓度的NH4+; CANON工艺出水与BCFS@工艺出水混合后排放。经此工艺处理的生活污水仅需经过简单的深度处理即可达到中水回用标准。

可持续生物脱氮除磷工艺与传统生物处理工艺相比，氧消耗量减少了约45 %，节约了约70%的有机碳源，减少了25%的剩余污泥量，减少了18%的CO2释放量，同时每公斤COD产生了0.28ka的CH4并回收了49%的磷。

2.碳中和运行

研究表明，受限于我国市政污水处理厂进水COD较低，剩余污泥厌氧消化回收的CH4(能量)仅能提供污水处理厂50%的能量消耗，间接减少了50%的CO2排放量。这一限制决定了我国污水处理碳中和运行必须走“开源”、“节流”并重的道路，除了通过研究、开发新型的污水处理理论、工艺，还需要利用水源热泵、空气源热泵、风能、太阳能、微生物燃料电池等非传统能源。