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生物脱氮除磷工艺技术的应用
摘要：生物脱氮除磷技术是技术上可行、经济上合理的新的水处理技术，其在城市生活污水和工业废水处理中得到推广使用。
重点介绍了生物脱氮除磷的基本理论，并对近年来我国生物脱氮除磷技术在城市生活污水处理、工业废水处理、中水回用方面的应用进展进行了综述。
关键词：生活污水处理；生物脱氮除磷；机理
前言：
随着国家经济的快速发展，水体污染也越来越严重。
大量的研究已经证明，污水中的氮和磷是导致水体富营养化的主要原因之一，脱氮除磷已迫在眉睫。
经过实验和工程经验表明，生物脱氮除磷工艺是消除水体富营养化的有效方法。
许多发达国家对日常排放的污水中的氮和磷的含量都做了限定，并要求污水处理厂达到除氮除磷的要求。
而且对于中国这么一个水资源本来就十分短缺的国家来说，严格控制含氮、磷污水的超标排放是十分必要的。
一、生物脱氮除磷的基本原理
1.1 生物脱氮的基本原理
生物脱氮通过氨化、硝化、反硝化三个步骤完成：
1、氨化反应
有机氮化合物在氨化细菌的作用下分解，转化为氨态氮，这一过程称为“氨化反应”。
以氨基酸为例，其反应式为:
RCHNH2COOH+O2
−
−→
−氨化菌 RCOOH+CO2+NH3
2、硝化反应
在硝化细菌的作用下，氨态氮进一步分解、氧化，就此分两个阶段进行。
首先，在亚硝化细菌的作用下，使氨(NH4+)转化为亚硝酸氮，亚硝酸氮在硝酸菌的作用下，进一步转化为硝酸氮。
3、反硝化反应
反硝化反应是指硝酸氮和亚硝酸氮在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮的过程。
1.2 生物除磷的基本原理
所谓生物除磷，是利用聚磷菌一类的微生物，能够过量地、在数量上超过其生理需要的、从外部环境摄取磷，并将磷以聚合物的形态贮藏在菌体内，形成富磷污泥。
排出系统外，达到废水中除磷的效果。
二、生物脱氮除磷工艺研究新方向
传统生物脱氮除磷工艺中，具有较大差别的微生物在同一系统中相互影响，制约了工艺的高效性和稳定性；较多的工艺流程中包含多重污泥和混合液的回流，增加了系统的复杂性，提高了基建和运行费用；脱氮除磷过程中对能源(如氧、COD)消耗较多；剩余污泥富含磷,处理量较大，这些都不符合环境的可持续发展的要求。
近年来，同时硝化反硝化技术、反硝化除磷技术、短程硝化反硝化脱氮技术、厌氧氨氧化技术、A2/O 改良工艺等的研究和应用，为解决上述问题提供了有效的途径。
2.1 同时硝化反硝化技术的研究
传统脱氮理论认为硝化反应在好氧条件下进行，而反硝化反应在厌氧条件下完成，两者不能在同一条件下进行。
然而，近几年许多研究者发现存在同时硝化反硝化现象，研究者对此进行了广泛的研究，提出了一些新的见解。
其中，认为微生物的存在是其最主要的原因。
另外，从微生物发展的角度看，存在着目前尚未被认识的微生物菌种(如好氧条件下的反硝化细菌)能使同时硝化反硝化现象发生。
已有一些研究者利用其成果改进脱氮工艺，如FFdez-Polanco在流化床反应器中实现了同时硝化和反硝化。
该技术不但仅可节省占地面积和投资，而且由于没有硝酸盐的影响，对厌氧段聚磷菌释磷也十分有利。
目前在荷兰、丹麦、意大利等已有污水厂在利用同时硝化和反硝化脱氨工艺运行。
2.2 短程硝化反硝化技术的研究
传统的硝化反硝化原理是：氨氮在亚硝化菌的作用下氧化生成二氧化氮，然后被硝化菌进一步氧化成三氧化氮，最后通过异养反硝化菌的作用将三氧化氮还原成气态氮。
而最新的硝化反硝化技术则是按照氨氮一亚硝酸盐一氮气的过程实现短程硝化反硝化脱氨，即将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。
由于亚硝酸菌存活时间比硝酸菌短，缩短了硝化反应时间，从而减小反应器容积，节省基建投资。
该过程还可以减少硝化中的产酸量、减少投碱量、减少污泥生成量、节省氧气、碳源和动力消耗，可用于处理含氮量较高的废水。
2.3 反硝化除磷技术的研究
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，利用硝酸盐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，与传统的好氧吸磷相比，在保证硝化效果的同时，系统对COD需求可减少5O%，氧的消耗和污泥产量可分别下降30%和50%。
COD消耗的减少，一方面为解决处理含高氮磷工业废水存在碳源不足的问题提供了的实际应用的途径，另一方面剩余的COD可用于产生甲烷。
2.4 厌氧氨氧化（ANAMMOX）技术的研究
厌氧氨氧化工艺由荷兰研究开发。
工艺在厌氧状态下，以NO2、NO3作为电子受体，将氨转化为氮气。
厌氧氨氧化是自养的微生物过程，不需投加有机物以维持反硝化，且污泥产率低。
此外还可以改善硝化反应产酸、反硝化反应产碱而均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗、防止可能出现的二次污染具有重要意义。
该工艺适用于高氨废水和低COD废水的处理。
目前研究者将ANAMMOX工艺与SHARON工艺结合，对污泥消化出水进行了研究。
试验结果表明，氨态氮的去除率达到83%，并有效降低了氧气需要量，且几乎不需要外加碳源。
可见在氧气需要量和外加碳源上，该联合工艺明显优于传统的生物脱氮工艺。
ANAMMOX及其与SHARON的联合工艺完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念，从一定程度上解决了传统硝化-反硝化工艺存在的问题，但需要进一步的研究才能使之成功地运行于实际工程。
2.5 A2/O 改良工艺
改良 A2/O 工艺是中国市政工程华北设计研究院提出的。
该工艺综合了 A/O 工艺和改良 UCT 工艺的优点。
首先回流污泥和10%的污水进入厌氧/缺氧池进行反硝化以去除回流污泥中的硝酸盐，90%的污水进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下将部分易生物降解的大分子有机物转化为VFA；聚磷菌释磷，同时吸收VFA以PHB的形式贮存于胞内。
在缺氧区，反硝化菌利用污水中的有机物和经混合液回流而带来的硝酸盐进行反硝化，同时去碳脱氮；在好氧区，有机物浓度相当低，有利于自养硝化菌生长繁殖，进行硝化反应，同时聚磷菌过量摄磷。
通过沉淀、排除剩余污泥达到除磷的目的。
该工艺降低回流污泥中硝态氮对后续厌氧池的不利影响，有利于厌氧池的聚磷菌释磷，改善了泥水分离性能。
2.6 UCT 改良工艺
改良的UCT工艺脱氮除磷工艺由厌氧池、两个缺氧池、好氧池、沉淀池系统组成，有2 个缺氧池。
第一个缺氧池只接受沉淀池的回流污泥，同时第一个缺氧池有
混合液回流至厌氧池，以补充厌氧池中污泥的流失。
回流污泥携带的硝态氮在第一个缺氧池中经反硝化被完全去除。
在第二个缺氧池中接受来自好氧池的混合液回流，同时进行反硝化，第一个缺氧池出水中的 NO3-N 带进厌氧池使之保持较为严格的厌氧环境，从而提高系统的除磷效率。
三、生物脱氮除磷技术在水处理中的应用
生物脱氮除磷技术能适应不同的进水水质，能降解许多难生物降解的化合物，能处理含高浓度氨氮的工业废水，现已被广泛地用于城市生活污水处理、工业废水处理和中水回用工程。
我国先后在上海、广州等地建设了一批生物脱氮除磷的生活污水处理厂，并对废水进行了小试和中试，先后建成了上海焦化总厂、上海石化总厂、常州焦化厂、安阳钢铁公司焦化厂等废水处理站，其中前二者己投人运行多年。
此外,还研究了生物铁对A/O工艺的促进作用、高浓度有机废水作为焦化废水生物脱氮的补充源，这些研究已在废水深度处理与中水回用方面取得了一些成果。
我国已先后在北京黄村、大连春柳、山东泰安、天津东郊等建成了不同规模的污水深度处理工程。
其出水用于锅炉补充水、工业冷却水、城市景观用水、染料冲洗工艺用水、电厂用水等，并已取得很好的社会、经济和环境效益。
结束语：
污水生物脱氮除磷是当今水处理的热点与难点。
新的脱氮除磷理论的提出，为生物脱氮除磷工艺指引了方向。
如：同时硝化反硝化工艺、SHARON工艺、硝化—反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺以及短程硝化—厌氧氨氧化组合工艺等。
但是，生物除磷脱氮工艺的发展已不仅仅要求对氮磷去除率，而且要求处理效果稳定，可靠的运行工艺。
今后对此技术的研究应集中在以下方面：
（1）加深除磷机理的研究。
反硝化聚磷菌的出现解决了硝化菌与聚磷菌争夺碳源，污泥龄不同等主要矛盾。
为新型同步脱氮除磷工艺提供了理论依据。
但是对于反硝化聚磷菌的了解还不够全面，尤其是其除磷机理还待于进一步研究。
应突破传统理论，从微生物的角度来调控工艺。
（2）随着脱氮除磷工艺的进一步发展，许多研究者在进行小试时，都驯化出颗粒污泥，而颗粒污泥的出现改善了污泥膨胀这一难题。
同时发现颗粒污泥对 N，P 的去除要远远优于絮状污泥。
今后在对颗粒污泥的研究上应更加深入，研究了
解颗粒污泥外部的胞外聚合物是否对 N，P 有吸附作用，并进一步研究颗粒污泥的形成机理，调整现有反应器的运行参数，从而加速颗粒污泥的形成，提高脱氮除磷效率。
参考文献
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