王琴 王?。ㄎ錆h市東西湖自來水公司 湖北 武漢 430040）

一、前言

隨著城市污水排放和水體富營養(yǎng)化問題的日益嚴(yán)重， 各類城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)和穩(wěn)定達標(biāo)運行越來越受到重視。 到2010年末，我國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、磷營養(yǎng)物及某些特殊有機物的能力。 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行和控制的熱點問題[1]。

二、生物脫氮

1、傳統(tǒng)生物脫氮

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

生物脫氮過程是一個矛盾統(tǒng)一體[3]。 硝化反應(yīng)需要好氧條件和較長污泥齡的硝化菌， 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。 在大量有機物存在時，硝化菌對氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭不如好氧異養(yǎng)菌，不利于硝化反應(yīng)；而反硝化菌需要有機物作為電子供體來完成脫氮的過程。 解決這些矛盾將會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Ludzack-Ettinger 工藝的改進，能夠較好的適應(yīng)現(xiàn)有的活性污泥系統(tǒng)，較易實現(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)特性促進工藝改革，從而達到高效低耗的目的。 對污水生物脫氮工程實踐中暴露出的問題和現(xiàn)象， 國內(nèi)外學(xué)者進行了大量理論和試驗研究，力求縮短脫氮的轉(zhuǎn)化過程，并提出一些突破傳統(tǒng)理論的新認(rèn)識、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程中，發(fā)現(xiàn)硝化反應(yīng)過程中亞硝態(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反應(yīng)器內(nèi)，在控制特殊的環(huán)境條件下，通過抑制硝化菌的生長，使系統(tǒng)中的亞硝化菌成為優(yōu)勢菌種。 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，生成氮氣。目前， 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)及同一處理條件下的顯現(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)用實例[7,8]，如SBR、生物轉(zhuǎn)盤、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)，生成氮氣。 該工藝無需外加碳源、供氧以及額外投加酸堿中和試劑，而且能耗低、運行費用較少，同時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，對于環(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。 通過排放含磷量高的剩余污泥實現(xiàn)了磷的去除。

1976 年，Barnard 提出了Phoredox 工藝， 又稱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：

本工藝流程簡單，技術(shù)較成熟、建設(shè)和運行費用較低，在實踐中被廣泛應(yīng)用。 運用厭氧/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

反硝化除磷的機理和傳統(tǒng)A/O 法除磷機理相似。 在厭氧段，反硝化聚磷菌（DPB）釋磷過程和傳統(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 來自于降解厭氧段存儲的體內(nèi)PHB， 產(chǎn)生能量的一部分用于過量攝取水中無機磷酸鹽所需，以Poly-p 的形式存儲在細(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有機物的競爭，適合處理高濃度的T/N 比污水；減少了除磷工藝運行中產(chǎn)生的污泥量，降低污泥處理費用。

2.2 生物同步脫氮除磷新技術(shù)

1）ECOSUNIDE 工藝

ECOSUNIDE 工藝是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的一種分點進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)一動力學(xué)理論、 動力學(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+缺氧的時間，生化段總停留時間為7～10h，可節(jié)約20%左右的水處理主體工程投資；需氧量降低，無需內(nèi)回流，從而降低推進器的能耗，可節(jié)約20%左右的運行成本。 ECOSUNIDE 工藝在德州污水處理廠升級改造中得以應(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，同時結(jié)合生物膜法和活性污泥法的工藝特點，對氨氮、有機物、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，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間，從而減少傳統(tǒng)SBR 的循環(huán)時間。

四、結(jié)語與展望

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，其研究重點是如何控制運行參數(shù)以及達到同步除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)用多針對處理高氨氮濃度的污水， 將該工藝用于實際污水處理，還面臨很大的挑戰(zhàn)；反硝化除磷技術(shù)具有有機物需求量低，能耗小，產(chǎn)泥量小等特點，可以解決傳統(tǒng)脫氮除磷工藝的碳源不足問題， 但反硝化除磷技術(shù)的研究工作尚未全面展開，還需要探討應(yīng)用反硝化除磷技術(shù)的工藝控制參數(shù)，考察其作用機理，以提高其除磷的效率。

近幾年， 專家學(xué)者將新理論和新工藝從實驗室研究逐步向工程實踐研究進行拓展，但是這一過程是任重而道遠(yuǎn)的，需要污水處理領(lǐng)域的科技人員在實踐中不斷摸索每個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)和新工藝將會對污水處理產(chǎn)生革命性的變革，因此，借技術(shù)和經(jīng)濟兩方面的推動，污水不再成為城市發(fā)展的絆腳石，而是可以變廢為寶，切切實實為人類帶來福音的可持續(xù)之舉。

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

[2] 張自杰,排水工程-下冊.2002∶中國建筑工業(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)系及對策.給水排水,2000(12)∶第1-4+2 頁.

[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.

[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.

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

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

[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.