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生物脱氮除磷研究进展

摘要：生物脱氮除磷技术一直是污水处理领域所关注的重点。笔者从传统生物脱氮除磷工艺存在的问题及其产生的原因出发，将生物脱氮除磷新工艺分为三类：基于不同营养类型微生物独立生长，基于新机理，基于处理设备高度简化。并对前两类作了着重介绍，且对今后生物脱氮除磷技术的发展作了概括。
关键词：脱氮除磷；机理；新工艺
Research Progress on Biological Denitrification and Phosphorus Removal
Xu Fangyuan，Li Yong
Abstract: Biological technology of denitrification and phosphorus removal has been focused on in wastewater treatment field in recent years. Based on the problem and the reason of the problem of the conventional denitrification and phosphorus removal technology， advanced technology of denitrification and phosphorus removal can be separated into three kinds: based on the different microbes grow independently， based on the advanced mechanism， based on the least construction. This paper introduces the first two kinds of technology abundantly and generalizes the development direction of biological technology of denitrification and phosphorus removal.
Key words: denitrification and phosphorus removal；mechanism；advanced technology
前言
近年来，随我国经济发展和工业化程度的提高，环境污染问题日益突出，尤其是氮、磷等植物生长限制性元素过量排放，导致水体富营养化问题日趋严重。我国水资源短缺，为了改善水环境质量，氮、磷排放标准会逐步提高，传统的生物脱氮除磷工艺已很难达到要求。因此，开发高效、经济、低耗的生物脱氮除磷技术已成为当前城市污水处理技术研究的热点。
1 传统生物脱氮除磷工艺
1.1传统生物脱氮除磷工艺及存在问题
传统生物脱氮除磷工艺主要包括能实现同步脱氮除磷的连续流工艺，如A2/O工艺，UCT工艺，MUCT工艺，VIP工艺[1]等，还有就是通过对曝气方式的控制实现厌氧与好氧环境在
时间上交替出现的间歇曝气工艺，如氧化沟工艺与SBR工艺及它们改良工艺。对于连续流工艺中的A2/O工艺，很难避免污泥回流所携带的硝酸盐对厌氧释磷的不利影响，以及混合液回流过程中所携带的溶解氧对反硝化作用的不利影响，还有聚磷菌与反硝化菌在碳源上的竞争和异氧菌与自养菌在泥龄上的矛盾。UCT工艺，MUCT工艺，VIP工艺都是A2/O工艺的改良形式，通过改变污泥及混合液回流方式在一定程度上减轻上述提到的不利影响，而间歇曝气工艺中，由于各种不同营养类型的微生物共存于同一个反应器中，所以也存在同样的问题。
1.2产生问题的原因
由于传统工艺没有突破不同营养类型微生物混合生长的局限性且都是基于传统的脱氮除磷理论，所以在污水处理应用中很难达到高效、经济、低耗的要求。
2生物脱氮除磷新工艺
基于传统脱氮除磷工艺存在的问题及其产生问题的原因，且从经济性的角度出发，近年来国内外学者主要从三个方面来研究新的脱氮除磷工艺：一是研究不同营养类型微生物在水处理构筑物中独立生长的新工艺，如改进A2/O，BICT工艺，改进DEPHANOX工艺等；二是研究不同于传统理论的反硝化除磷，短程硝化反硝化，厌氧氨氧化，同时硝化及反硝化等新技术及相关工艺；三是研究处理设施高度简化的新工艺。
2.1基于不同营养类型菌群独立培养的新工艺
2.1.1改进A2/O
改进A2/O工艺是李勇等[2]于2001年提出的一种在对A2/O工艺脱氮除磷性能存在的矛盾与不足的分析之上，采用微生物分相的方法使硝化菌与系统内其他细菌分开培养的新工艺，如图1所示。该工艺在A2/O工艺基础上增加了中沉池，膜法硝化区和终沉池。该工艺改进之处主要表现在：减小原A2/O法中好氧池的体积，缩短该段运行的泥龄，提高系统的污泥负荷，使得悬浮生长的污泥中硝化菌的数量尽可能地减少，短泥龄微生物如聚磷菌处于
高吸附活性，保证了系统回流污泥中极少的硝态氮及吸附大量有机物补充进水碳源的不足，继而保证系统的除磷效率，提高系统的反硝化速率。亚硝化菌的世代期也较短，缩短泥龄后一级好氧池中可能存在一定数量的亚硝化菌，从而导致回流污泥中可能含有亚硝酸盐，同样会影响厌氧释磷。然而，由于亚硝酸盐反硝化所需的碳源仅为硝酸盐反硝化的60%在一定程度上可以降低反硝化菌与聚磷菌对有机底物的竞争；增设一个二级好氧池，在该池中采用生物膜法使硝化菌附着生长。有机物在初级好氧池已得到大幅度降解，通过采用膜法硝化， 提高二级好氧池生物膜中硝化菌所占的比例，从而提高系统的硝化效率与硝化速率。硝化反应后的大部分出水回流至缺氧池中进行反硝化；将原A2/O法中的二沉池改为中沉池，以对初级好氧池的混合液进行固液分离。回流至厌氧池的沉淀污泥所带硝酸盐极少，全部回流污泥均参与了系统除磷过程；剩余污泥经后续处理再进行处置；增设一个位于膜法硝化区后的沉淀池，使其出水与腐化污泥分离，同时保证回流混合液中不携带硝化菌。改进系统因其生物处理构筑物的总体积可比原A2/O法适当减小。但由于增加了沉淀池和增大了中沉池，使系统的总体积增加，增大了系统的一次性投资。

图1 改进A2/O工艺流程图
Fig.1 Schematic diagram of improved A2/O process
邹伟国等[3]在2004年提出的新型双污泥脱氮除磷 (PASF) 工艺，实质上就是改进A2/O工艺。该课题组进行了一定量的试验研究，试验经过一个月的污泥培养，达到稳定后，在进水COD较小的情况下的COD去除率为86％，氨氮的去除率为98%，总氮去除率为65％，总磷去除率超过90％，系统出水可达到或低于一级排放标准值。课题组还考察了不同硝化池出水加入量对去除效果的影响情况及不同有机物浓度对去除效果的影响，研究表明在进水COD较小的情况下（COD为235mg/L），硝化滤池出水回流越大，活性污泥阶段内硝酸盐的积累越高，从而影响磷的去除。在同样滤池回流量的情况下，进水COD越高反硝化越彻底，硝酸盐回流至厌氧段的影响越小，去除磷的效果越好。
2.1.2 BICT工艺
双循环两相生物处理工艺（BICT）由黄勇等[4]于2003年提出的基于将自养硝化菌和亚硝化菌与异养菌群分相培养新工艺，工艺流程如图2。在不影响脱氮效率的前提下通过缩短主反应器的泥龄来提高生物除磷效率，并增强了脱氮除磷的稳定性，使得运行控制更为简便可靠[5]。BICT工艺有3个主要的操作过程：⑴进水+曝气搅拌—污泥回流。原水与回流污泥一起进入生物选择器，经厌氧搅拌混合后进入主反应器(SBR)进行曝气处理。⑵缺氧搅拌—硝化液回流。主反应器停止曝气而采用缺氧搅拌，开启沉淀池出水槽中的回流泵，将沉淀分离后的上清液提升到硝化反应器，同时推动硝化液返回主反应器中。硝化反应器始终曝气以保持好氧条件。⑶静置沉淀、滗水该工艺在适宜的负荷和运行条件下，对TP的去除率可达90 %， 出水TN 和TP的质量浓度可分别控制在15mg/L和 1.0 mg/L以下[6]。

图2 BICT试验装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of BICT text equipment
李勇等[7-8]考察了在BICT工艺中泥龄、充水比、上清液回流对除磷效率的影响以及BICT工艺在工程上的应用，试验结果表明：除磷效率与泥龄成负相关，而与充水比、上清夜回流比没有必然联系，并在工艺流程、运行方式、技术经济效益出发对BICT工艺进行全面分析，
指出BICT工艺在工程应用上具有较大的潜力。番杨等[9]考察了在BICT工艺中不同容积负荷下系统对COD，总N，总P的去除。试验结果表明不同容积负荷下系统对COD的平均去除率>80%，当容积负荷<1.0kgCOD/(m3·d)时出水COD<100mg/L，此后增加COD容积负荷虽可提高对COD的去除率，但出水COD浓度也增加。当TN负荷≤0.2kgTN/(m3·d) 对TN的平均去除率为60% ~75%；在较大的进水TP负荷变化范围内，对磷的去除率均保持在70%以上，但出水TP随进水TP浓度的增加而上升。当进水TP负荷为10~20gTP/(m3·d)时，系统对TP的去除率>80%，当TP负荷<10gTP/(m3·d)时出水<1. 0 mg/L。
2.1.3改进DEPHANOX工艺
DEPHANOX工艺由Wanner与Jenicek首次提出，工艺流程如图3。该工艺中，污泥在厌氧池吸收有机物合成储能物质PHB后泥水分离，不经过好氧阶段直接进入缺氧池，聚磷菌体内的PHB未被消耗，全部用于反硝化摄磷，保证了反硝化所需的碳源，同时将硝化菌和异养菌(聚磷菌和反硝化菌)两种不同的微生物菌群有效分离，解决了不同泥龄之争。

图3 DEPHANOX工艺流程图
Fig.3 Schematic diagram of DEPHANOX process
改进DEPHANOX工艺[10]，在理论上进一步强化了氮磷矛盾的解决。工艺流程如图4。废水进入系统后，首先与回流污泥混合实现快速吸附，在快沉池中将吸附有大量有机质的污泥和上清液分离，含有大量有机质的污泥进入厌氧段实现厌氧释磷，上清液进入副流程—独立硝化段实现快速硝化，经硝化后的上清液与厌氧释磷后的污泥在缺氧段再次发生混合，此时反硝化聚磷菌利用硝酸盐实现反硝化聚磷和反硝化脱氮，再经吹脱池将释放的氮气吹脱出，以防影响二沉池的沉淀效果，进而影响出水效果，最后进入二沉池，沉淀后的上清液排出，为了增强吸附效果将沉淀的活性污泥作为回流污泥全部回流至系统首端，吸附分离后再排放剩余污泥。张洁等[11]通过低碳源进水试验表明该工艺COD去除率为84.0％，氨氮去除率为79.6％，总氮去除率为64.8%，总磷去除率为76.4%，基本达到了预期的效果。

图4 改进DEPHANOX工艺流程图
Fig.4 Schematic diagram of improved DEPHANOX process

2.2基于新原理的新工艺
2.2.1短程硝化反硝化
其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。影响短程硝化反硝化的因素有温度、pH值、氨浓度、DO等.Hyungseok Yoo等[12]对间歇曝气循环单污泥系统中的同时短程硝化与反硝化进行了研究，指出DO、pH、FA、FH、温度、曝气时间长短等因素都影响同时短程硝化与反硝化，体系的最低DO浓度为0.4mg/L左右，最高DO为2.0~2.5mg/L，低于1.0mg/L时主要发生反硝化作用，高于1.0mg/L时主要发生硝化作用。SHARON工艺由荷兰Delft技术大学开发的脱氮新工艺，是短程反硝化原理的具体应用。.该工艺的核心是应用硝化菌和亚硝化菌的不同生长速率，即在高温(30~35℃)下亚硝化菌的生长速率明显高于硝酸菌这一固有特性，控制系统的水力停留时间和反应温度，从而使硝酸菌被自然淘汰，反应器中亚硝酸菌占优势，使氨氮控制在亚硝化阶段。
2.2.2厌氧氨氧化
其原理即在厌氧条件下，以、作为电子受体将氨氮转化为氮气。厌氧氨氧化正在开发的工艺有ANAMMOX和OLAND工艺2种。ANAMMOX工艺是由荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发的新工艺。该工艺的原理是厌氧条件下，以和作为电子受体，将氨转化为氮气[13]。OLAND工艺由比利时Gent微生物生态实验室开发，该工艺的关键是控制溶解氧，使硝化过程仅进行到氧化为阶段，由于缺乏电子受体，由氧化产生的氧化未反应的形成N2[14]。
ANAMMOX工艺常与SHARON工艺进行组合。即SHARON-ANAMMOX联合工艺。SHARON工艺可能控制部分硝化，使出水中与比例为1∶1，从而作为ANAMMOX工艺的进水，组成一个新型的生物脱氮工艺。SHARON-ANAMMOX联合工艺具有耗氧少、污泥产量少、不需外加碳源等优点。. Jetten等[15]对此联合工艺进行研究，实验结果表明污泥硝化出水氨态氮的去除率能达到83%。
2.2.3同时硝化反硝化
当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一个反应器中同时进行称为同时硝化反硝化(SND)这一理论得到了好氧反硝化菌和异养菌的发现以及好氧反硝化、异养反硝化等理论研究的支持。与传统生物脱氮工艺相比，SND能有效地保持反应器中pH稳定，无需外加碱剂，节省运行费用；对于连续运行的SND工艺污水处理厂，可以省去缺氧池的费用，或至少减少其容积；对于仅由一个反应池组成的SBR反应器而言，SND能够降低实现完全硝化反硝化所需的总时间[16]。
SND工艺以SBR反应器研究最多，在生物膜法上也有不少研究。影响SND的因素有：碳源、溶解氧、絮凝体特性等。董滨等[17]通过活性污泥-生物膜法系统研究试验研究，发现联合系统的好氧池中存在明显的同步硝化反硝化现象。经分析认为，这与好氧池内合理的溶解氧值和较高的污泥质量浓度有关。ChristineHelmer等[18]研究指出在生物膜体系中，当溶解氧浓度为1mg/L时，发生了同时硝化与反硝化，并且以为电子受体.Klangduen Pochana等[19]应用SBR工艺处理屠宰废水，通过SND可达到总氮95%的去除率，外加乙酸作碳源
时，可明显增加SND，并指出：溶解性有机物(COD)、溶解氧(DO)、活性污泥絮体尺寸是影响SND的主要因素，较大的絮体尺寸有利于SND，增加溶解氧浓度对SND有负面影响，但在溶解氧升至0.8mg/L以前，这种效应不明显。Hisashi satoh等[20]研究单污泥体系中，用微电极测定记录到污泥中存在缺氧区，硝化发生在好氧区，而反硝化发生在缺氧区，当O2浓度为10~35μM时，可发生SND，这就在一定程度上证实了SND可以由缺氧微环境理论来解释。
2.2.4反硝化除磷
反硝化除磷已在上述的改进DEPHANOX工艺章节上有所阐述，主要是在反硝化除磷菌的作用下同时反硝化除磷，实现“一碳两用”，较适合于低碳源污水的处理。J Y.HU等[21]证实PAO中有相当一部分能利用硝酸盐作为电子受体。应用反硝化除磷原理的新工艺还有HITNP同步除磷脱氮工艺[22]，MDAT-IAT同步脱氮除磷工艺[23]，BDC脱氮除磷工艺[24]，A2N-SBR双泥工艺[25]等。
2.3基于处理设施高度简化的新工艺
基于处理设施高度简化的新工艺有，厌级+立体循环工艺[26]，通过改良OCO工艺的水力条件得到的OGO工艺[27]，一体化工艺中的一体化CIBR反应器[28]，及借鉴了UNTANK和交替式氧化沟运行方式，在一个反应器中增加分格和进水点设置，通过各个池子状态的交替组合发展而来的五箱一体化活性污泥工艺[29]等。这些工艺不仅具有很强脱氮除磷功能，而且在构筑物上实现很大程度的简化，大大节约了工程建设费用，有利于在工程应用上广泛推广。
3 结语
目前，废水生物脱氮除磷技术的发展目前主要集中于四个方面：
①开发不同营养类型微生物独立生长的新工艺，主要体现在不同工艺之间的相互组合，如改进A2/O工艺，BICT工艺等，而改进A2/O工艺更适合于对现有城市污水厂进行改造。例如改进A2/O工艺，若在二级好氧池采用生物接触氧化法，可进一步提高硝化细菌的生物量，进一步提高改进A2/O工艺的整体性能。进一步优化生物脱氮除磷组合工艺将是今后研究的热点。
②在新的微生物学和生物化学理论基础上开发出的新型工艺。随着反硝化除磷，短程硝化反硝化，厌氧氨氧化，同时硝化及反硝化等脱氮除磷原理的发现与深入研究，基于新原理的新技术不断出现，有些新技术都已经运用于实践中.但这些新技术的原理、工艺还不够成熟，其原理、工艺及其影响因素还有待于进一步的研究。
③基于处理设施高度简化的新工艺，这些新工艺的处理构筑物高度简化且集多种功能于一体，投资费用低，具有较大的市场潜力。
④生物脱氮除磷工艺也理应结合可持续污水处理的理念，最大程度地减少COD氧化， 降低CO2释放，减小剩余污泥产量，及实现富磷污泥有效利用和处理水回用，这将是今后污水处理领域发展的方向。

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