城市污水生物脫氮除磷技術(shù)研究綜述

王琴 王?。ㄎ錆h市東西湖自來(lái)水公司 湖北 武漢 430040）

一、前言

隨著城市污水排放和水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的日益嚴(yán)重， 各類(lèi)城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)和穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行越來(lái)越受到重視。 到2010年末，我國(guó)建有污水處理廠的城市，占城市總數(shù)的90%以上。 根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，對(duì)于污水處理廠不但要有很高的SS、BOD、COD 去除能力，還要有高效去除氮、磷營(yíng)養(yǎng)物及某些特殊有機(jī)物的能力。 如何提高污水處理廠的脫氮除磷效果已成為城市污水處理廠運(yùn)行和控制的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。

二、生物脫氮

1、傳統(tǒng)生物脫氮

傳統(tǒng)的廢水生物脫氮過(guò)程包括硝化和反硝化反應(yīng)， 兩個(gè)過(guò)程中所參與的微生物種類(lèi)、 轉(zhuǎn)化的基質(zhì)和所需的反應(yīng)條件都有很大差別[2]。

生物脫氮過(guò)程是一個(gè)矛盾統(tǒng)一體[3]。 硝化反應(yīng)需要好氧條件和較長(zhǎng)污泥齡的硝化菌， 而反硝化反應(yīng)則需要缺氧條件和較短污泥齡的反硝化菌。 在大量有機(jī)物存在時(shí)，硝化菌對(duì)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)不如好氧異養(yǎng)菌，不利于硝化反應(yīng)；而反硝化菌需要有機(jī)物作為電子供體來(lái)完成脫氮的過(guò)程。 解決這些矛盾將會(huì)提高生物脫氮工藝的高效性和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的生物脫氮工藝就是A/O 工藝，工藝流程如圖1 所示：

該工藝是Barnard 于1973 年對(duì)Ludzack-Ettinger 工藝的改進(jìn)，能夠較好的適應(yīng)現(xiàn)有的活性污泥系統(tǒng)，較易實(shí)現(xiàn)常規(guī)出水標(biāo)準(zhǔn)（TN<10mg/L）。 缺氧/好氧原理生物脫氮的應(yīng)用工藝還有SBR、氧化溝、A2/O 和Bardenpho 等工藝。

2、生物脫氮新技術(shù)

近幾年，脫氮技術(shù)的發(fā)展，由單純工藝改革發(fā)展向以生物學(xué)特性促進(jìn)工藝改革，從而達(dá)到高效低耗的目的。 對(duì)污水生物脫氮工程實(shí)踐中暴露出的問(wèn)題和現(xiàn)象， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究，力求縮短脫氮的轉(zhuǎn)化過(guò)程，并提出一些突破傳統(tǒng)理論的新認(rèn)識(shí)、新發(fā)現(xiàn)[4]。

2.1 短程硝化反硝化

1975 年，Voets 等在研究處理高濃度氨氮廢水的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)硝化反應(yīng)過(guò)程中亞硝態(tài)氮積累的現(xiàn)象， 首次提出了短程硝化反硝化生物脫氮的概念[5]。 短程硝化反硝化是在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，在控制特殊的環(huán)境條件下，通過(guò)抑制硝化菌的生長(zhǎng)，使系統(tǒng)中的亞硝化菌成為優(yōu)勢(shì)菌種。 先在有氧條件下，亞硝酸菌將氨氧化成亞硝酸鹽；再在缺氧條件下，使亞硝酸鹽反硝化，生成氮?dú)狻Ｄ壳埃?短程硝化反硝化脫氮有代表性的工藝為OLAND 工藝和SHARON 工藝。

2.2 同步硝化反硝化

同步硝化反硝化（SND）是指在一定條件下， 硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)在同一處理空間內(nèi)及同一處理?xiàng)l件下的顯現(xiàn)[6]。 宏觀環(huán)境理論認(rèn)為， 由于生物反應(yīng)器本身的構(gòu)造問(wèn)題和氧氣充入生物反應(yīng)器的不均勻性，使反應(yīng)器內(nèi)部出現(xiàn)氧氣分布不均的現(xiàn)象，并形成好氧段、缺氧段和厭氧段，從而為硝化菌和反硝化菌創(chuàng)造了條件。 目前已有很多關(guān)于SND 的成功應(yīng)用實(shí)例[7,8]，如SBR、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、CAST、氧化溝等工藝。

2.3 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化 （anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）工藝，于1900 年由荷蘭Delft 技術(shù)大學(xué)研究開(kāi)發(fā)。 該工藝是厭氧條件下， 微生物以氨氮為電子供體， 亞硝酸氮或硝酸氮為電子受體，發(fā)生生化反應(yīng)，生成氮?dú)狻?該工藝無(wú)需外加碳源、供氧以及額外投加酸堿中和試劑，而且能耗低、運(yùn)行費(fèi)用較少，同時(shí)還避免了因投加中和試劑可能造成的二次污染[9]。 典型的厭氧氨氧化處理工藝有SHARON-ANAMMOX 工藝和CANON 工藝。

三、生物除磷

1、傳統(tǒng)生物除磷

生物除磷是在厭氧條件下，聚磷菌消耗糖原，將胞內(nèi)的聚磷水解為正磷酸鹽釋放到胞外。 同時(shí)，對(duì)于環(huán)境中的醋酸鹽或其他揮發(fā)性脂肪酸（VFA）能夠充分吸收，并以生物聚合物（PHB）的形式貯存在細(xì)胞內(nèi)。 在厭氧條件下PHB 的合成伴隨著正磷酸鹽的釋放；在好氧條件下，胞內(nèi)貯存的PHB 被聚磷菌氧化，并以聚磷酸高能鍵的形式存貯。 通過(guò)排放含磷量高的剩余污泥實(shí)現(xiàn)了磷的去除。

1976 年，Barnard 提出了Phoredox 工藝， 又稱(chēng)A/O 工藝，這標(biāo)志著生物除磷工藝的誕生。 其工藝流程如圖2 所示：

本工藝流程簡(jiǎn)單，技術(shù)較成熟、建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用較低，在實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。 運(yùn)用厭氧/好氧生物除磷的工藝還有SBR、Phostrip、A2/O 和氧化溝等工藝。

2、生物除磷新技術(shù)

2.1 反硝化除磷

反硝化除磷的機(jī)理和傳統(tǒng)A/O 法除磷機(jī)理相似。 在厭氧段，反硝化聚磷菌（DPB）釋磷過(guò)程和傳統(tǒng)生物除磷工藝中PAO 基本一致；而在缺氧段，與PAO 以O(shè)2 作為電子受體不同，DPB 氧化胞內(nèi)PHB 的電子受體是硝態(tài)氮，產(chǎn)生的ATP 來(lái)自于降解厭氧段存儲(chǔ)的體內(nèi)PHB， 產(chǎn)生能量的一部分用于過(guò)量攝取水中無(wú)機(jī)磷酸鹽所需，以Poly-p 的形式存儲(chǔ)在細(xì)胞體內(nèi),從而使硝態(tài)氮被還原為N2。 與傳統(tǒng)脫氮除磷聯(lián)合工藝相比，反硝化除磷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：減少30%的曝氣量，節(jié)省了能耗，可縮小反應(yīng)器的體積；減少了50%的COD 消耗量，避免了反硝化菌與聚磷微生物之間對(duì)有機(jī)物的競(jìng)爭(zhēng)，適合處理高濃度的T/N 比污水；減少了除磷工藝運(yùn)行中產(chǎn)生的污泥量，降低污泥處理費(fèi)用。

2.2 生物同步脫氮除磷新技術(shù)

1）ECOSUNIDE 工藝

ECOSUNIDE 工藝是具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種分點(diǎn)進(jìn)水高效脫氮除磷工藝。該工藝的理論基礎(chǔ)是由張雁秋[10,11]等人自主提出的統(tǒng)一動(dòng)力學(xué)理論、 動(dòng)力學(xué)負(fù)荷理論和回流污泥優(yōu)化理論。 該工藝大大縮短了厭氧+好氧+缺氧的時(shí)間，生化段總停留時(shí)間為7～10h，可節(jié)約20%左右的水處理主體工程投資；需氧量降低，無(wú)需內(nèi)回流，從而降低推進(jìn)器的能耗，可節(jié)約20%左右的運(yùn)行成本。 ECOSUNIDE 工藝在德州污水處理廠升級(jí)改造中得以應(yīng)用并且取得很好的脫氮除磷效果。

2）固定填料A/O 工藝

固定填料A/O 工藝是向傳統(tǒng)活性污泥法A/O 工藝曝氣池中填充固定填料，同時(shí)結(jié)合生物膜法和活性污泥法的工藝特點(diǎn)，對(duì)氨氮、有機(jī)物、懸浮固體具有較為穩(wěn)定的去除效果。 鄧紀(jì)鵬[12]等利用懸浮填料A/O 工藝處理城市污水的結(jié)果表明， 投加懸浮填料能夠顯著提高活性污泥系統(tǒng)的硝化性能， 硝化效果明顯優(yōu)于普通填料活性污泥法。

3）序批式膜生物反應(yīng)器工藝

序批式膜生物反應(yīng)器（SBMBR）是將序批式活性污泥（SBR）工藝與膜分離技術(shù)相結(jié)合， 不僅保留了傳統(tǒng)SBR 工藝占地面積小、耐沖擊負(fù)荷、脫氮除磷效果好、生化反應(yīng)效率高、不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，還利用膜分離技術(shù)可以在反應(yīng)階段排水，節(jié)省了沉淀階段所需的時(shí)間，從而減少傳統(tǒng)SBR 的循環(huán)時(shí)間。

四、結(jié)語(yǔ)與展望

短程硝化反硝化能夠處理高氨氮負(fù)荷的廢水，在較低的C/N值下也能使TN 去除率提高，其研究重點(diǎn)是如何控制運(yùn)行參數(shù)以及達(dá)到同步除P 的效果； 同步硝化反硝化不僅可以減少污泥生成量，縮短生物脫氮工藝的流程，而且省去第二階段的缺氧反硝化池或減少其體積， 要實(shí)現(xiàn)良好的同步硝化反硝化效果需要確定反應(yīng)池的最佳溶解氧； 厭氧氨氧化中的氨直接作為反硝化的電子供體，可免去外援有機(jī)物，其供氧量可以大大地減少，但目前厭氧氨氧化反應(yīng)的應(yīng)用多針對(duì)處理高氨氮濃度的污水， 將該工藝用于實(shí)際污水處理，還面臨很大的挑戰(zhàn)；反硝化除磷技術(shù)具有有機(jī)物需求量低，能耗小，產(chǎn)泥量小等特點(diǎn)，可以解決傳統(tǒng)脫氮除磷工藝的碳源不足問(wèn)題， 但反硝化除磷技術(shù)的研究工作尚未全面展開(kāi)，還需要探討應(yīng)用反硝化除磷技術(shù)的工藝控制參數(shù)，考察其作用機(jī)理，以提高其除磷的效率。

近幾年， 專(zhuān)家學(xué)者將新理論和新工藝從實(shí)驗(yàn)室研究逐步向工程實(shí)踐研究進(jìn)行拓展，但是這一過(guò)程是任重而道遠(yuǎn)的，需要污水處理領(lǐng)域的科技人員在實(shí)踐中不斷摸索每個(gè)工藝的最適控制參數(shù)以提高污水處理的效果和減少能源的消耗。 可以預(yù)料，這些新技術(shù)和新工藝將會(huì)對(duì)污水處理產(chǎn)生革命性的變革，因此，借技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的推動(dòng)，污水不再成為城市發(fā)展的絆腳石，而是可以變廢為寶，切切實(shí)實(shí)為人類(lèi)帶來(lái)福音的可持續(xù)之舉。

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

[2] 張自杰,排水工程-下冊(cè).2002∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[3] 華光輝與張波, 城市污水生物除磷脫氮工藝中的矛盾關(guān)系及對(duì)策.給水排水,2000(12)∶第1-4+2 頁(yè).

[4] 葉建鋒,廢水生物脫氮新技術(shù).2006∶化學(xué)工業(yè)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] 郭冬艷等, 同步硝化反硝化生物脫氮技術(shù). 安全與環(huán)境工程, 2009(03)∶第41-44+61 頁(yè).

[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] 湯麗娟,固定化好氧反硝化菌脫氮技術(shù)應(yīng)用展望. 海峽科學(xué),2010(09)∶第10-11+17 頁(yè).

[10] 肖寧等,ECOSUNIDE 工藝在德州污水處理廠升級(jí)改造中的應(yīng)用.中國(guó)給水排水,2008(22)∶第45-48 頁(yè).

[11] 李昂,張雁秋與李燕,ECOSUNIDE 工藝在實(shí)際工程中的應(yīng)用.中國(guó)給水排水,2009(04)∶第62-64 頁(yè).

[12] 鄧紀(jì)鵬等,懸浮填料AO 工藝處理城市污水中試研究.天津建設(shè)科技,2009(06)∶第53-55 頁(yè).