污水生物脫氮除磷研究進(jìn)展

羅麗芳

（新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830046）

氮、磷是生命活動(dòng)所需要的重要營(yíng)養(yǎng)元素，隨著社會(huì)的高度城鎮(zhèn)化、工業(yè)化和人口密度的增加，大量的氮、磷排放至天然水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，嚴(yán)重危害生態(tài)系統(tǒng)。盡管污水處理廠不斷升級(jí)改造，處理效率也不斷提高，但氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的排放造成河流、湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問題也并未從根本上得到解決?！吨袊?guó)水資源公報(bào)》顯示，在2018年調(diào)查的124個(gè)湖泊中，富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占比27.0%，中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占比67.5%；而2019年調(diào)查的107個(gè)重要湖泊中，富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占28.0%，中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)占65.6%。減少外部營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入，控制人為污染源是防止并減輕水體氮磷污染最直接、最有效的措施[1]。生物法以其高效、低耗的特點(diǎn)廣泛運(yùn)用于世界各地污水處理廠，能夠有效去除氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。本文概述了生物脫氮除磷理論及工藝的研究現(xiàn)狀，以期為脫氮除磷理論的發(fā)展及工藝的實(shí)際運(yùn)用提供參考。

1 脫氮除磷理論

1.1 生物脫氮理論

在污水生物處理過程中，生物脫氮主要是由氨化菌、硝化菌和反硝化菌通過氨化、硝化和反硝化作用將含氮化合物轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)猓∟2）而被去除。氨化作用即具有氨化功能的細(xì)菌、真菌和放線菌在好氧或厭氧的條件下將有機(jī)氮化合物分解產(chǎn)生氨氮（NH4+）。硝化作用是亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌在好氧條件下協(xié)同作用，并經(jīng)兩步完成：第一步是亞硝化反應(yīng)，即氨氧化細(xì)菌（AOB）將NH4+轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮（NO2-）；第二步是產(chǎn)生的NO2-被亞硝酸氧化菌（NOB）氧化為硝態(tài)氮（NO3-）。硝化細(xì)菌（AOB和NOB）具有相似的生命和代謝特征，二者均為自養(yǎng)型微生物，不需要有機(jī)營(yíng)養(yǎng)，以CO32-、HCO3-和CO2等無機(jī)碳化合物為碳源，從氧化NH3、NH4+或NO2-的過程中汲取能量進(jìn)行生命活動(dòng)，對(duì)環(huán)境因素如溫度和pH較為敏感，適宜在中性和偏堿性環(huán)境中生長(zhǎng)；二者生長(zhǎng)緩慢，世代時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行參數(shù)如泥齡（SRT）、溶解氧（DO）、水力停留時(shí)間（HRT）、溫度和堿度等是關(guān)鍵影響因素。污水處理系統(tǒng)中，硝化菌主要以亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）和亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）為主，亞硝化菌主要以硝化刺菌屬（Nitrospina）、硝化球菌屬（Nitrococcus）、硝化螺菌屬（Nitrospira）和硝化桿菌屬（Nitrobacter）為主，兩類微生物共同完成硝化過程（NH4+→NH2OH→NO2-→NO3-）。反硝化作用則是反硝化菌在缺氧條件下利用低分子有機(jī)物作供氫體，以NO3-為最終電子受體，將NO-3還原為 N2，完整過程為NO3-→NO2-→NO→N2O→N2。

反硝化菌種類多樣，已知具有反硝化功能的微生物有10科、50個(gè)屬以上的種類，自然界中最普遍的反硝化菌是假單胞菌屬（Pseudomonas），包括銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）和綠針假單胞菌（Pseudomonas chlororaphis）等6個(gè)種，其次是產(chǎn)堿桿菌屬（Alcaligenes），微生物的協(xié)同作用將氮從系統(tǒng)中脫除，能夠保證出水中氮的達(dá)標(biāo)。

1.2 生物除磷理論

污水生物除磷主要由聚磷菌（PAOs）吸收溶解性的磷儲(chǔ)存在體內(nèi)，并隨剩余污泥排出。在厭氧條件下，PAOs分解體內(nèi)的多聚磷酸鹽產(chǎn)生ATP，利用ATP進(jìn)行主動(dòng)運(yùn)輸，吸收易生物降解的基質(zhì)如低級(jí)脂肪、葡萄糖、甲醇和丁酸等，同時(shí)在體內(nèi)合成聚β-羥基丁酸（PHB）/聚β-羥基戊酸（PHV）并儲(chǔ)存作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，與此同時(shí)釋放PO43-并產(chǎn)生能量。在好氧條件下，PAOs分解體內(nèi)的PHB/PHV和外源基質(zhì)，產(chǎn)生質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力（pmf）吸收PO43-合成ATP，將剩余的PO43-以多聚磷酸鹽（異染顆粒）的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，隨剩余污泥排出系統(tǒng)，達(dá)到高效除磷的目的。

目前，已從活性污泥中分離出60多種PAOs，其中不動(dòng)桿菌（Acinetobacter）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和氣單胞菌屬（Aeromonas）等的聚磷能力最強(qiáng)，數(shù)量最占優(yōu)勢(shì)。大型污水廠普遍存在的主要聚磷菌有Tetrasphaera和聚磷假絲酵母菌（Acumulibacter），二者具有協(xié)同作用[2]。研究表明，Tetrasphaera具有與Acumulibacter相當(dāng)甚至更高的除磷能力，主要負(fù)責(zé)對(duì)葡萄糖和氨基酸進(jìn)行發(fā)酵，通過發(fā)酵不僅為自身提供能量，也為Acumulibacter提供揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），以便Acumulibacter更好地生存[3]。

反硝除磷機(jī)理是指在缺氧和好氧交替的運(yùn)行條件下，反硝化除磷菌（DPAOs）通過代謝作用實(shí)現(xiàn)同步吸磷和反硝化過程。DPAOs以NO3-/O2為電子受體在缺氧條件下進(jìn)行吸磷，將污水中的磷以聚合磷酸鹽的形式貯存在體內(nèi)，同時(shí)將NO3-還原為 N2，實(shí)現(xiàn)氮和磷的去除。反硝化除磷領(lǐng)域主要以DPAOs的種類、生理特征和行為為主要研究?jī)?nèi)容。研究表明，PAOs中超過一半以上都能以NO3-/O2作為電子受體完成反硝化和吸磷過程[4]。

2 脫氮除磷工藝

2.1 傳統(tǒng)脫氮除磷工藝

傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝包括氧化溝工藝、A/O工藝及其衍生工藝（兩段式和多段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝）、A2/O工藝及其衍生工藝（多級(jí)A2/O工藝）、SBR工藝、CASS工藝、A/B工藝、UCT工藝、Johannesburg工藝、VIP工藝和Bardenpho工藝等，這些工藝都是依靠調(diào)節(jié)工藝參數(shù)盡可能地降低各因素影響，為微生物的生長(zhǎng)和代謝提供良好條件，從而實(shí)現(xiàn)氮和磷的去除。脫氮除磷工藝種類多樣，其中氧化溝工藝、A2/O工藝和SBR工藝普遍運(yùn)用于實(shí)際污水處理廠。

2.1.1 氧化溝工藝

氧化溝工藝因其構(gòu)筑物呈封閉的環(huán)形溝渠而得名，該工藝是一種改良型活性污泥法，水流流態(tài)特征獨(dú)特，介于完全混合和推流之間，其表面曝氣設(shè)備調(diào)節(jié)供氧量或表面曝氣與微孔曝氣相結(jié)合可在溝內(nèi)形成好氧和缺氧的交替區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)同步硝化反硝化。該工藝具有流程簡(jiǎn)易、運(yùn)行方式靈活、污泥產(chǎn)量低、耐沖擊負(fù)荷、出水水質(zhì)穩(wěn)定、處理效果良好等顯著優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是占地面積大，易產(chǎn)生污泥膨脹、泡沫和流速不均及污泥沉積等問題。

2.1.2 A2/O工藝

A2/O工藝亦稱厭氧-缺氧-好氧法，能夠?qū)崿F(xiàn)污水中氮和磷的同時(shí)去除。在實(shí)際污水處理過程中，進(jìn)入?yún)捬醭氐奈鬯c回流污泥混合，兼性厭氧菌分解反應(yīng)器中的大分子有機(jī)物，聚磷菌進(jìn)行釋磷。在缺氧池中，反硝化菌以污水中有機(jī)物為碳源，將回流混合液中帶入大量的NO3-和NO2-還原為N2并釋放到空氣中。在好氧池中進(jìn)行硝化過程，NO3-的濃度增加，溶解性磷隨著聚磷菌的過量攝取，以較快的速度下降。該工藝流程簡(jiǎn)單、總水力停留時(shí)間短；厭氧、缺氧、好氧交替運(yùn)行的條件抑制了絲狀菌的生長(zhǎng)，可以控制污泥膨脹；運(yùn)行期間不需投加藥物，減少了投資費(fèi)用。2017年，吳毅暉等[5]對(duì)昆明兩座采用A2/O工藝的污水處理廠的運(yùn)行效果進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)NH4+和總磷（TP）的去除效果均高達(dá)90%以上。

2.1.3 SBR工藝

SBR工藝具有獨(dú)特的運(yùn)行方式，即間歇式運(yùn)行，原污水流入、有機(jī)底物降解反應(yīng)、泥水分離、出水排放等各項(xiàng)污水處理過程均在唯一的反應(yīng)器內(nèi)完成。該系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)單，基建與維護(hù)運(yùn)行費(fèi)用較低；能夠控制活性污泥膨脹；可依據(jù)實(shí)際進(jìn)水的水量和水質(zhì)調(diào)整運(yùn)行方式，靈活掌控時(shí)間，為氮、磷的有效去除創(chuàng)造良好條件。在酚類廢水處理的具體案例中，SBR工藝的適用性已經(jīng)得到了證明[6]。其衍生工藝如ICEAS工藝、CASS工藝、DAT-IAT工藝和UNITANK工藝各具特色，既能夠減少占地面積，節(jié)約能耗，又具有高效脫氮除磷的功能，但僅適用于中、小水量的污水處理，在中、小城市污水處理領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝成熟，脫氮除磷效果較好，但仍存在許多不足。脫氮除磷系統(tǒng)中的微生物生理特征不同，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力各不相同，差別較大的微生物互相影響，不利于工藝的高效穩(wěn)定運(yùn)行；脫氮除磷過程能耗高，需要消耗大量的氧氣和能量；大多數(shù)工藝設(shè)有污泥和混合液回流過程，使系統(tǒng)更加復(fù)雜，較大的占地面積造成基建費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加；剩余污泥量大，且富含磷，這些均違背了可持續(xù)發(fā)展理念。因此，解決以上問題是傳統(tǒng)脫氮除磷技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)。

2.2 新型脫氮工藝

2.2.1 SHARON工藝

SHARON即短程硝化反硝化，是指利用硝化菌和亞硝化菌在動(dòng)力學(xué)特性上存在的固有差異，控制硝化反應(yīng)只進(jìn)行到NO2-階段，不再生產(chǎn)NO3-，再由大量積累的NO2-直接生成N2（NH3-→NO2-→ N2）。SHARON工藝是在高溫環(huán)境下（30～35 ℃）限制充氧量（0.5～1.0 mg/L）并縮短曝氣時(shí)間，對(duì)硝化菌和亞硝化菌進(jìn)行選擇。在該工藝設(shè)定的溫度條件下，硝化菌的最小泥齡大于亞硝化菌的最小泥齡，可以淘汰硝化菌，使大量亞硝酸鹽積累，將NH4+的氧化過程只進(jìn)行到產(chǎn)生NO2-階段，隨后進(jìn)行反硝化過程。該技術(shù)反應(yīng)時(shí)間短，能夠節(jié)約O2和碳源，同時(shí)能減少剩余污泥的產(chǎn)生。

2.2.2 SND工藝

SND即同步硝化反硝化，是在同一反應(yīng)器中減少曝氣量的情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)同步異養(yǎng)硝化和好氧反硝化，無嚴(yán)格的好氧和缺氧分區(qū)，也不需要控制好氧和厭氧菌群，單個(gè)污泥生物質(zhì)或聯(lián)合體可同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化，而不會(huì)發(fā)生好氧-缺氧相變，控制更簡(jiǎn)單。一些異養(yǎng)細(xì)菌如糞產(chǎn)堿菌（Alcaligenes faecalis）和泛養(yǎng)硫桿菌（Thiosphaera pantotropha）能夠在好氧條件下通過使用有機(jī)底物作為碳源和能源，將NH+4轉(zhuǎn)化為N2，從而進(jìn)行SND；泛養(yǎng)單胞菌（Thiosphaera pantotropha）在全好氧條件下具有很高的活性，為SND提供了巨大的潛力[7]。相較于傳統(tǒng)的脫氮技術(shù)，該技術(shù)對(duì)O2和碳源的需求低，甚至不需要碳源，所需設(shè)備的數(shù)量少、尺寸小，在很大程度上節(jié)約了污水處理成本。

2.2.3 ANAMMOX工藝

ANAMMOX即厭氧氨氧化，是指厭氧氨氧化菌（AAOB）在缺氧/厭氧條件下，以HCO3-作為碳源，以NH4+和NO2-分別作為電子供體和電子受體，將NH4+轉(zhuǎn)化為N2。ANAMMOX對(duì)環(huán)境因素如溫度、DO和pH的要求較為嚴(yán)格，且AAOB具有細(xì)胞產(chǎn)率低、世代周期長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力弱等缺陷，使ANAMMOX工藝啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)且困難，不能穩(wěn)定運(yùn)行，阻礙了其大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。盡管有這些不足，但因其不需要O2和有機(jī)物的參與，且污泥產(chǎn)量低，該工藝的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用具有可持續(xù)發(fā)展意義。目前，在垃圾滲濾液、高氨氮焦化廢水和消化污泥脫水液的處理等方面已有成功實(shí)例[8]。

2.2.3.1 SHARON-ANAMMOX工藝

SHARON-ANAMMOX工藝是在兩個(gè)反應(yīng)器中分別進(jìn)行亞硝化和ANAMMOX反應(yīng)實(shí)現(xiàn)脫氮。在SHARON工藝中，通過對(duì)T、DO、HRT和pH等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，使反應(yīng)器內(nèi)部亞硝化菌的生長(zhǎng)速率超過硝化菌，亞硝化菌占主導(dǎo)地位，淘汰硝化菌，控制硝化反應(yīng)只進(jìn)行到產(chǎn)生NO2-階段。該過程的核心是控制NH4+氧化為NO2-，使進(jìn)入ANAMMOX反應(yīng)器中的NH4+和NO2-濃度相近，為后續(xù)ANAMMOX反應(yīng)提供良好條件。接著在ANAMMOX工藝中，AAOB在缺氧/厭氧條件下將NH4+和NO2-轉(zhuǎn)化為N2。與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝相比，該工藝的需氧量減少60%，外部碳源使用量減少100%，產(chǎn)生NO2-和NO3-較少，產(chǎn)生的污泥量可忽略不計(jì)，NO和N2O等不良副產(chǎn)品的排放量也有所減少[9]。該工藝能夠?qū)鴿B濾液、污泥消化液及養(yǎng)殖場(chǎng)廢水等高濃度的含氮廢水進(jìn)行高效脫氮[10]。

2.2.3.2 OLAND工藝

OLAND即自養(yǎng)硝化反硝化，OLAND工藝由限制性的短程硝化與厭氧氨氧化耦合而成。AOB在低濃度DO條件下將約50%的NH4+轉(zhuǎn)化為NO2-作為電子受體（部分亞硝化），AAOB隨后將剩余的NH4+與產(chǎn)生的NO2-結(jié)合作為電子受體進(jìn)行反硝化，將NH4+轉(zhuǎn)化為N2。Nguyen N H等[11]研究發(fā)現(xiàn)，在OLAND過程中，由AOB和缺氧AAOB組成的混合菌群在旋轉(zhuǎn)生物接觸器（RBC）中生長(zhǎng)良好。由于該工藝過程中進(jìn)行了短程硝化，具有耗時(shí)短、能耗低、脫氮效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，適合處理低COD（化學(xué)需氧量）、高NH4+廢水。

2.2.3.3 單相CANON工藝

單相CANON工藝即單相全程自養(yǎng)工藝，是在單一反應(yīng)器中進(jìn)行短程硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)。AOB在短程硝化階段中的好氧條件下將部分NH4+氧化為NO2-，然后AAOB在厭氧氨氧化階段的厭/缺氧條件下，以生成的NO2-為電子受體，剩余的NH4+為電子供體，反應(yīng)生成N2。該工藝需氧量少、無需碳源、污泥產(chǎn)量低、無需外加電子供體，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。若要實(shí)現(xiàn)該工藝的大規(guī)模應(yīng)用，則需要控制DO濃度，避免有機(jī)物的沖擊，抑制NOB的活性并降低游離氨和游離亞硝酸鹽的濃度。目前，該工藝已運(yùn)用于垃圾滲濾液、污泥消化液和沼液中NH4+的去除，并取得顯著成效[12]。該工藝的衍生工藝HRAS-CANON工藝和同步亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化（SNAD）工藝在污水脫氮領(lǐng)域有著絕佳的應(yīng)用前景[13]。

2.3 反硝化除磷工藝

2.3.1 DEPHANOX工藝

DEPHANOX工藝是為反硝化聚磷菌（DPAOs）提供良好條件的強(qiáng)化除磷工藝。該工藝在厭氧池和缺氧池中間新增了沉淀池和固定膜池。進(jìn)水與回流污泥進(jìn)入?yún)捬醭?，DPAOs進(jìn)行釋磷，同時(shí)吸收VFAs并將其轉(zhuǎn)化為PHB；污水進(jìn)入沉淀池完成泥水分離，上清液進(jìn)入固定膜池進(jìn)行硝化反應(yīng)，污泥越過固定膜池進(jìn)入缺氧池，其中的DPAOs以細(xì)胞內(nèi)PHB為電子供體，NO3-為電子受體，完成反硝化脫氮并過量攝磷。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是為脫氮菌和除磷菌提供各自適宜的污泥齡，避免在共存時(shí)出現(xiàn)矛盾；在聚磷和脫氮過程中，“一碳兩用”有效避免了兩類功能菌競(jìng)爭(zhēng)有機(jī)底物。研究表明，DEPHANOX工藝在處理C/N介于4～5之間的生活污水時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的脫氮除磷效果[14]。

2.3.2 BCFS工藝

BCFS工藝是根據(jù)巴斯維爾氧化溝（Pasveer）和UCT工藝及理論研發(fā)的改進(jìn)工藝。該工藝由厭氧池、接觸池、缺氧池、混合池和好氧池5個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)池及3個(gè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成[15]。與氧化溝相比，BCFS工藝中污泥指數(shù)（SVI）較高，污泥濃度較低，減小了工藝總?cè)莘e；除磷單元與曝氣池獨(dú)立，避免了化學(xué)藥劑污染活性污泥[16]。與UCT相比，BCFS工藝增加了接觸池和混合池，接觸池為缺氧環(huán)境，有效抑制了絲狀菌的生長(zhǎng)繁殖，防止污泥膨脹；混合池較低的DO為同時(shí)硝化反硝化提供了良好條件。該工藝脫氮除磷效率高、污泥產(chǎn)率低，脫氮和除磷有機(jī)結(jié)合，極大程度上節(jié)約了資源。

2.3.3 A2NSBR工藝

A2NSBR工藝是由A2/O-SBR反應(yīng)器和N-SBR反應(yīng)器耦合而成。A2/O-SBR反應(yīng)器主要負(fù)責(zé)反硝化脫氮除磷及COD的去除；N-SBR反應(yīng)器主要進(jìn)行硝化反應(yīng)。兩種反應(yīng)器中的活性污泥完全獨(dú)立、互不干擾，相互交換處理后的上清液。該工藝為PAOs和硝化菌分別提供各自適宜的泥齡，解決了兩種微生物的競(jìng)爭(zhēng)問題，優(yōu)化了脫氮除磷效果。由于該工藝為后置反硝化除磷方式，NH4+并未全部硝化，導(dǎo)致出水中含有較高濃度的氨氮。為解決此問題，趙偉華等[17]首次提出調(diào)換傳統(tǒng)A2NSBR工藝中硝化反應(yīng)段與缺氧反硝化除磷段，形成前置A2NSBR工藝，并研究系統(tǒng)的啟動(dòng)特性。結(jié)果表明，系統(tǒng)出水中NH4+、總氮（TN）和TP均能穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)A處理標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

氮、磷超標(biāo)是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，而我國(guó)乃至世界其他國(guó)家一直面臨著水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，生態(tài)環(huán)境被嚴(yán)重破壞。因此，污水的脫氮除磷仍然是國(guó)內(nèi)外科研人員研究的熱點(diǎn)問題，開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情且能夠同時(shí)脫氮除磷的節(jié)能經(jīng)濟(jì)、高效穩(wěn)定運(yùn)行的工藝也是未來研究的重點(diǎn)和方向。本文總結(jié)了生物脫氮除磷機(jī)理、工藝及新型工藝，為脫氮除磷理論、工藝的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。