城市污水生物脫氮除磷新技術(shù)

郭周芳，羅 陽，周洪濤，王文萍，顧 晨，李 愷

（1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西環(huán)境工程與保護評價重點實驗室，廣西桂林 541004）

城市污水生物脫氮除磷新技術(shù)

郭周芳1,2，羅 陽1,2，周洪濤1,2，王文萍1,2，顧 晨1,2，李 愷1,2

（1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西環(huán)境工程與保護評價重點實驗室，廣西桂林 541004）

概述城市污水生物脫氮除磷的基本原理，重點介紹了同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷幾種生物脫氮除磷新技術(shù)的原理和研究現(xiàn)狀，并認為隨著生物脫氮除磷技術(shù)的發(fā)展，研究和開發(fā)經(jīng)濟、高效、低能耗生物脫氮除磷技術(shù)將成為發(fā)展趨勢。

生物脫氮除磷；基本原理；技術(shù)

近年來，隨著社會的發(fā)展，人民生活水平的提高，大量含氮和磷的生活污水、印染廢水、化肥和農(nóng)藥排入水體，使水環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化問題日益嚴重，人們對于污水處理廠出水中氮和磷排放量也越來越關(guān)注，國家對污水處理廠出水中剩余氮和磷的量也要求越來越嚴格,因此研究和開發(fā)高效、經(jīng)濟的生物除磷脫氮技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)今研究的一大熱點。本文簡要闡述了生物除磷脫氮的基本原理，重點介紹了同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等幾種生物脫氮除磷新技術(shù)。

1 生物脫氮除磷的基本原理

1.1 生物脫氮的基本原理

生物脫氮是通過氨化、硝化、反硝化3個步驟完成的。

（1）氨化作用。氨化作用是指在氨化細菌的作用下，有機氮化合物分解轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮的過程。氨化作用在好氧和厭氧的情況下都可以進行，且無論在什么情況下都會生成氨和一種不含氮的有機化合物。

好氧情況下：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+NH3

厭氧情況下：RCHNH2COOH+H2→RCH2COOH+NH3

（2）硝化作用。硝化作用是指在硝化細菌的作用下，氨先轉(zhuǎn)化為亞硝酸之后再進一步轉(zhuǎn)化為硝酸的過程。硝化作用一般是在有氧情況下進行的。

發(fā)生的反應(yīng)：2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+619.6kJ

（3）反硝化作用。反硝化作用是指在反硝化細菌的作用下，硝酸氮和亞硝酸氮被轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮的過程。反硝化作用一般是在厭氧情況下進行的。

1.2 生物除磷的基本原理

生物除磷是通過聚磷菌在厭氧情況下釋磷、好氧情況下吸磷這兩個步驟完成的，并且好氧吸磷遠大于厭氧釋磷。

（1）厭氧釋磷。在厭氧條件下，聚磷菌細胞中的聚磷酸鹽被分解并產(chǎn)生了大量能量，再利用產(chǎn)生的能量將污水中的有機物攝入細胞，然后以有機顆粒的形式儲存在其細胞內(nèi)，并同時將分解磷酸鹽時產(chǎn)生的磷酸排出體外的這一過程。

（2）好氧吸磷。在好氧條件下，利用聚-β-羥基丁酸鹽氧化分解產(chǎn)生的能量來攝取污水中的磷，并把攝取的磷合成聚磷酸鹽存于細胞內(nèi)的這一過程。

2 生物脫氮除磷新技術(shù)

傳 統(tǒng) 的 生 物 除 磷 工 藝 有 ：A2/O 、A/O、Bardenpho、UCT、Phoredox、AB等工藝；生物脫氮工藝有：A2/O 、A/O、Bardnpho、UCT、Phoredox、改進的AB、TETRA深度脫氮、SBR、氧化溝等工藝?，F(xiàn)有的生物脫氮除磷工藝主要是在傳統(tǒng)生物脫氮除磷理論的基礎(chǔ)上組合而成的。

近年來，國內(nèi)外研究者們大量的研究了不同于傳統(tǒng)生物脫氮除磷的新技術(shù)和相關(guān)工藝，例如同時硝化及反硝化，短程硝化反硝化，厭氧氨氧化及反硝化除磷等技術(shù)。

2.1 同時硝化反硝化技術(shù)

傳統(tǒng)的脫氮理論認為硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)不可能于同一條件下發(fā)生。然而，近幾年來，國內(nèi)外許多研究者都發(fā)現(xiàn)存在同時硝化反硝化的現(xiàn)象，尤其是有氧條件下同時硝化反硝化現(xiàn)象實實在在存在于不同的生物處理系統(tǒng)。例如，生物膜系統(tǒng)、SBR工藝等處理系統(tǒng)中［1］。

硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)發(fā)生于同一條件及同一空間內(nèi)的現(xiàn)象就叫做同時硝化反硝化。它具有以下4個優(yōu)點：①能有效的保持反應(yīng)系統(tǒng)中pH值的穩(wěn)定，并減少堿量的投加；②能有效地減少傳統(tǒng)反應(yīng)器的容積，節(jié)省基建費用；③對于僅由一個反應(yīng)池組成的序批式反應(yīng)器來講，同時硝化與反硝化還能夠縮短硝化、反硝化所需的時間；④能有效地節(jié)省曝氣量，降低能量的消耗。對于同時硝化與反硝化的反應(yīng)機理的初步解釋包括：反應(yīng)器溶解氧分布不均勻理論，缺氧微環(huán)境理論及生物學(xué)理論［2］。碳源、溶解氧濃度、絮凝體特性是影響同時硝化反硝化的主要因素。

2.2 短程硝化反硝化技術(shù)

傳統(tǒng)的硝化反硝化認為首先氨氮應(yīng)該在亞硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化成亞硝酸氮，然后在硝酸菌的作用下轉(zhuǎn)化成硝酸氮，最后通過異養(yǎng)反硝化菌的作用將硝酸氮還原為氣態(tài)氮。而短程硝化反硝化是指將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮，然后直接將亞硝酸氮轉(zhuǎn)化氣態(tài)氮。無需將亞硝酸氮轉(zhuǎn)化為硝酸氮就發(fā)生硝化反應(yīng)是短程硝化反硝化不同于傳統(tǒng)硝化反硝化的關(guān)鍵點。

低碳氮比、高氨氮、高pH值及高堿度廢水非常適合采用短程硝化反硝化的工藝來處理。抑制硝酸菌的增長是使亞硝酸鹽在硝化過程中得到比較穩(wěn)定的積累的關(guān)鍵技術(shù)［3］。溫度、pH值、氨濃度、溶解氧濃度是影響短程硝化反硝化的主要因素。

SHARON工藝是一種由荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的使用短程硝化反硝化技術(shù)的脫氮新工藝。SHARON工藝的核心是應(yīng)用硝酸菌和亞硝酸菌生長速率的不同，即在適合兩者生存和繁殖的溫度下，硝酸菌的最小水力停留時間大于亞硝酸菌，而硝酸菌的生長速率慢于亞硝酸菌的生長速率這一特性，通過對該脫氮系統(tǒng)的控制，使該系統(tǒng)的水力停留時間介于硝酸菌和亞硝酸菌最小水力停留時間之間，從而使亞硝酸菌在競爭中成為系統(tǒng)的優(yōu)勢菌群，硝酸菌被自然所淘汰，得到穩(wěn)定的亞硝酸的積累。與傳統(tǒng)脫氮工藝相比較，脫氮速率快、投資及運行費用較低、工藝流程簡單是SHARON工藝的優(yōu)點。

2.3 厭氧氨氧化技術(shù)

在厭氧條件下，以亞硝酸鹽、硝酸鹽作為電子受體，將氨轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮的這一過程稱之為厭氧氨氧化。它是自養(yǎng)的微生物過程，反硝化的維持不需要投加有機物，并且污泥產(chǎn)率較低，還能使硝化反應(yīng)產(chǎn)酸、反硝化反應(yīng)產(chǎn)堿而需要中和的狀況得到很好的改善，對于預(yù)防極有可能出現(xiàn)的二次污染，控制化學(xué)試劑的消耗量具有極為重要的意義。抑制物、溫度、pH值是影響厭氧氨氧化反應(yīng)的主要因素。厭氧氨氧化最佳溫度為40 ℃［4］，最適的pH值為6.7～8.3。

ANAMMOX工藝是一種應(yīng)用厭氧氨氧化技術(shù)的工藝。荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實驗室研究開發(fā)了該工藝［3］。ANAMMOX工藝非常適合處理低碳氮比和氨濃度較高的廢水。若將SHARON與ANAMMOX兩種工藝結(jié)合在一起，則會形成一種新的生物脫氮工藝。污泥產(chǎn)量較低、耗氧量較少及不需要投加碳源是SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝的優(yōu)點。

2.4 反硝化除磷技術(shù)

聚磷菌在缺氧的情況下，以硝酸鹽作為它的電子受體，過度攝取污水中的磷，以此來實現(xiàn)除磷目的的脫氮除磷過程稱之為反硝化除磷?；旌弦簯腋」腆w濃度、溶解氧濃度、碳氮比、碳磷比、亞硝酸鹽濃度、硝酸鹽濃度、pH值和污泥停留時間是影響反硝化除磷技術(shù)的主要因素。

2.4.1DEPHANOX工藝

DEPHANOX工藝和BCFS工藝是目前國內(nèi)外研究較多的兩種反硝化除磷工藝。DEPHANOX工藝是Bortone.G等［5］于1996年提出的一種新工藝，該工藝在厭氧池和缺氧池之間增加了沉淀池和固定膜反應(yīng)池，污水在厭氧池中發(fā)生釋磷反應(yīng)，在沉淀池中進行泥水分離，含氨較多上清液流入固定膜反應(yīng)池進行硝化，污泥則跨越固定膜反應(yīng)池進入缺氧段，完成反硝化除磷［6］。該工藝具有能耗低、污泥產(chǎn)量低、碳源消耗量低等眾多優(yōu)點。

2.4.2 BCFS工藝

BCFS工藝是由荷蘭Delft大學(xué)Kluyver生物技術(shù)實驗室研究開發(fā)的一種變型的UCT工藝。此工藝有6個優(yōu)點：①能有效去除氮和磷；②控制較簡單，通過對溶解氧和氧化還原電位的控制能有效地實現(xiàn)過程穩(wěn)定；③該工藝可以回收磷［9］；④污泥容積指數(shù)值低（80～120mL/g）并很穩(wěn)定；⑤利用反硝化聚磷菌來實現(xiàn)生物除磷，該工藝能夠有效利用碳源，并且能在碳磷比、碳氮比值相對較低的情況下良好地運行；⑥與常規(guī)的污水處理廠相比，該工藝的污泥產(chǎn)量減少了近10%。BCFS工藝在城市污水處理中無需添加任何化學(xué)藥劑，該工藝通過利用反硝化除磷菌的缺氧反硝化除磷作用來實現(xiàn)最佳除氮及完全除磷。

3 結(jié)語

本文對生物脫氮除磷的基本原理做了簡要的介紹，重點闡述了幾種重點研究的生物脫氮除磷新技術(shù)和新工藝。目前，水體富營養(yǎng)化問題已經(jīng)成為一個焦點問題，特別是我國對脫氮除磷技術(shù)的研究起步較晚，能很好地去除氮和磷的城市污水處理廠不多，故研究開發(fā)能良好的去除氮和磷的技術(shù)及工藝成為發(fā)展趨勢，也更適合我們國家的國情。而硝化與反硝化技術(shù)、短程硝化反硝化技術(shù)、厭氧氨氧化技術(shù)及反硝化除磷技術(shù)都是在突破傳統(tǒng)生物脫氮除磷原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，都是值得我們深入的研究和探討的技術(shù)。

［1］李芬芳,龍睿.污水生物脫氮除磷新技術(shù)［J］.杭州化工,2007,37（2）:25-28.

［2］楊殿海,王峰,夏四清.廢水處理工藝中同步硝化/反硝化研究進展［J］.上海環(huán)境學(xué),2003,22（12）:878-882.

［3］郝曉地,汪慧貞,錢易.歐洲城市污水處理技術(shù)新概念——可持續(xù)生物除磷脫氮工藝（上）［J］.2002,28（6）.

［4］楊嵐,楊景亮,李再興,等.厭氧氨氧化技術(shù)研究進展［J］.河北化工,2004,3:54-56.

［5］BORTONEG.BIOLOGICAL AnoxicPhosphorusRe-movalthe Dephanox Process［J］.Wat.Sci.Tech,1996,34（1-2）:119-128.

［6］KUBAT,MCM,Van Loosdrecht.Phosphorus and Ni-trogen Removal with Minimal COD Requirement by Intergration of Denitrifying Dephosphatation and Nitrification in a two sludge System［J］.Wat.Res,1996,30（7）:1702-1710.

New Technology of Biological Nitrogen and Phosphorus Removal of City Sewage

GUO Zhou-fang1,2,LUO Yang1,2,ZHOU Hong-tao1,2,WANG Wen-ping1,2,GU Chen1,2,LI Kai1,2
（1.College of Environmental Science and Engineering of Guilin University of Technology， Guilin 541004，China;2.Guangxi Key Laboratory of Environmental Engineering and Evaluation of the Environmental Protection， Guilin 541004，China）

This paper reviews briefly the basic mechanisms of biological nitrogen and phosphorus removal in city sewage.The new technologies such as simultaneous nitrifying and anti-nitrifying,short-time nitrifying and anti-nitrifying,anaerobic ammoniac oxygen and anti-nitrifying removal of phosphorous are focused.With the development of biological nutrient removal technology,the removal technology of nitrogen and phosphorous will be developed following the way of economy,high effective and low consuming of energy.

biological ntrogen and phosphorus removal;basic mechanism;technology

X703.1

A

1672-9900（2011）03-0027-02

2011-04-15

水體污染控制與治理科技重大專項（2008ZX07317-02-03）。

郭周芳（1986—），女（漢族），湖南郴州人，碩士，主要從事水污染控制工程方向研究，（Tel）13457655931。