脱氮除磷工艺发展

污水脱氮除磷工艺的概述与展望摘要：近年来，城市污水（以城市生活污水为主）中氮磷营养物的排放使受纳水体中藻类等植物大量繁殖，导致水体富营养化问题越来越严重，对城市污水进行脱氮除磷处理是防止水体富营养化的一种重要措施。

目前来看，污水脱氮除磷的主要方法有物理方法、化学方法及生物方法。

与物理法、化学法相比，生物法具有适用范围广、投资及运行费用低、效果稳定、综合处理能力强等优点，已成为污水脱氮除磷的最佳选择。

本文对现有的生物脱氮除磷工艺进行了系统的介绍和分析，并对今后的发展方向作了展望。

关键词：城市污水，脱氮除磷，工艺技术1.城市污水脱氮除磷现状据近年来环境质量公报发布的消息,水体中的主要污染物为含氮磷的有机物。

这些污染物进一步加剧了水资源短缺的矛盾,对可持续发展战略的实施带来了严重的负面影响。

目前含氮磷污水的处理技术可分为物理法、化学法、物理化学法和生物法。

由于化学法与物理化学法成本高,对环境易造成二次污染,所以污水生物脱氮除磷技术是20世纪70年代美国和南非等国的水处理专家们在化学、催化和生物方法研究的基础上提出的一种经济有效的处理技术,该技术由于处理过程可靠,处理成本低,操作管理方便等优点而被广泛使用。

微生物脱氮除磷技术按微生物在系统中的不同状态,可分为活性污泥法和生物膜法,通过设立好氧区、缺氧区和厌氧区来实现硝化、反硝化、释磷和放磷以达到脱氮除磷的目的。

具体的生物脱氮除磷工艺主要有:A2/O法同步脱氮除磷工艺、生物转盘同步脱氮除磷工艺、SBR工艺、氧化沟工艺、亚硝酸盐生物脱氮工艺、AB法及其变型工艺等。

污水经二级生化处理后,氮的去除率仅为20%～30%左右,磷的去除率则更低。

因此脱氮除磷问题在二级处理普及率较高的工业化国家中受到了高度的重视。

我国污水厂大多数以二级生物处理为主。

二级生物处理厂去除对象主要是和SS,仅有极少数厂(如广州犬坦沙污水厂)有脱氮除磷功能。

我国水体富营BOD5养化日趋严重,其原因一是城市污水处理率低;二是传统的活性污泥法仅能去除城市污水中20%～40%的氮以及5%～20%的磷。

因此,大量兴建城市二级生物处理厂,不但投资大,运行费用高,并且脱氮除磷的效率也并不高。

在实际的工程设计中,根据受纳水体的要求和其他一些实际情况,生物脱氮除磷工艺可以分成以下几个层次（1)以去除有机物、氨氮为目的的工艺。

因对总氮无要求,可以采用生物硝化工艺,生物硝化工艺与传统活性污泥法工艺流程完全相同,只是采用延时曝气。

（2)以去除有机物和总氮(包括有机氮、氨氮及硝酸盐氮)为目的的工艺。

因要去除总氮,因此应该采用生物反硝化工艺,需要在反应池前增设一个缺氧段,将好氧段中含有硝酸盐的混合液回流到缺氧段,在缺氧的条件下,将硝酸盐反硝化成氮气。

（3)以去除有机物、氨氮和有机氮、磷为目的的工艺。

采用除磷的硝化工艺,在反应地前增设一个厌氧段,在厌氧段内完成磷的释放,在好氧段内实现磷的超量吸收、有机物的氧化、有机氮及氨氮的硝化。

（4)以去除有机物、总氮和磷为目的的工艺。

对于这种情况,应该采用完全的生物除磷脱氮工艺。

在反应池前既要增设一个厌氧段又要增设一个缺氧段,以同时实现生物除磷脱氮。

2.生物脱氮除磷的原理2.1 生物脱氮原理传统的生物脱氮过程是在硝化细菌和反硝化细菌的联合作用下，通过硝化和反硝化完成的。

在好氧条件下，氨氮经硝化细菌的硝化作用转化为硝态氮或亚硝态氮；在缺氧条件下，硝态氮或亚硝态氮在反硝化细菌的作用下被还原为氮气，从而达到脱氮的目的。

近年来同时硝化反硝化现象、短程硝化反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺的发展，为理解污水脱氮机理指明了新的方向。

同时硝化反硝化过程在同一条件下实现了脱氮，颠覆了传统脱氮理论认为硝化反应在好氧条件下进行、反硝化反应在厌氧条件下进行的认识。

其中，缺氧微环境理论是目前普遍接受被认为是造成此类现象发生的主要机理。

短程硝化反硝化是指将氨氮的硝化过程控在 NO2阶段，然后不经 NO3的生成过程直接由反硝化细菌将 NO2转化为 N2。

厌氧氨氧化工艺的原理是，自养型厌氧氨氧化细菌在厌氧环境中以硝酸盐、亚硝酸盐作为电子受体，将氨转化为氮气。

该工艺特别适用于高氨氮废水和低碳氮比废水处理。

简而言之，脱氮新理论新现象的发现进一步深化了人们对脱氮过程的认识，为实现污水高效的脱氮奠定了坚实的基础。

2.2 生物除磷原理生物除磷主要是由一类统称为聚磷菌的微生物在厌氧-好氧或厌氧-缺氧交替的环境下完成的。

在厌氧条件下，聚磷菌将细胞内的聚磷水解为正磷酸盐，并从中获取能量，同时吸收污水中的易生物降解的 COD，同化为胞内碳源贮存物聚羟基烷酸（PHA）；在好氧或缺氧条件下，聚磷菌以分子态氧（例如 O2）或化合态（例如 NO3）作为电子受体，氧化代谢胞内贮存物 PHA，同时释放能量，过量地从污水中摄取溶解态磷酸盐，并以聚磷形式贮存于细胞内，最终通过排放富磷污泥实现从污水中除磷的目的。

此外，反硝化除磷现象的发现进一步丰富了生物除磷机理。

反硝化除磷过程是由一类称为反硝化除磷细菌（ denitrifying phosphorus removingBacter -ia，DPB）完成的，在缺氧条件下，DPB 以硝酸盐取代氧气作为电子受体进行缺氧摄磷，同时硝酸盐被还原为氮气，实现了同时脱氮和除磷的目的。

反硝化除磷技术实现了一碳两用，同时节省了曝气量，是一种低耗高效的污水处理方法。

3.生物脱氮除磷工艺从生物脱氮除磷的机理分析来看，生物脱氮除磷工艺基本上包括厌氧、缺氧、好氧 3种状态，这 3个不同的工作状态可以在空间上进行分离，也可以在时间上进行分离。

3.1 空间顺序的生物脱氮除磷工艺空间顺序工艺的最大特征是污水的各种生化反应在不同的反应池里同时完成，整个生化反应是连续进行，典型代表有A/O，A2/O，改良 A2/O，UCT，改良UCT，五段 Bardenpho，Phostrip 等。

3.1.1 A2/O 改良工艺改良 A2/O工艺是中国市政工程华北设计研究院提出的。

该工艺综合了 A/O 工艺和改良UCT工艺的优点，即在厌氧池之前增设厌氧/缺氧池（图 1）。

首先回流污泥和 10%的污水进入厌氧/缺氧池进行反硝化以去除回流污泥中的硝酸盐。

90%的污水进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下将部分易生物降解的大分子有机物转化为VFA；聚磷菌释磷，同时吸收 VFA 以PHB 的形式贮存于胞内。

在缺氧区，反硝化菌利用污水中的有机物和经混合液回流而带来的硝酸盐进行反硝化，同时去碳脱氮；在好氧区，有机物浓度相当低，有利于自养硝化菌生长繁殖，进行硝化反应，同时聚磷菌过量摄磷。

通过沉淀、排除剩余污泥达到除磷的目的。

该工艺降低回流污泥中硝态氮对后续厌氧池的不利影响，有利于厌氧池的聚磷菌释磷，改善了泥水分离性能。

3.1.2 UCT改良工艺改良的UCT工艺（University of Cape Town）脱氮除磷工艺由厌氧池、缺氧1池、缺氧2池、好氧池、沉淀池系统组成，有2个缺氧池。

缺氧1池只接受沉淀池的回流污泥，同时缺氧1池有混合液回流至厌氧池，以补充厌氧池中污泥的流失。

回流污泥携带的硝态氮在缺氧 1 池中经反硝化被完全去除。

在缺氧2池中接受来自好氧池的混合液回流，同时进行反硝化，缺氧1池出水中的NO3-N带进厌氧池使之保持较为严格的厌氧环境，从而提高系统的除磷效率。

其工艺流程见图 2。

3.2 时间顺序的生物脱氮除磷工艺时间顺序的生物除磷脱氮技术的最大特征是污水的各种生化反应均在同一个反应池里，按时间顺序进行污水处理，典型代表是CAST,MSBR,A2NSBR等工艺。

3.2.1 CAST 工艺CAST实际上是一种循环SBR活性污泥法，反应器中活性污泥不断重复曝气和非曝气过程，生物反应和泥水分离在同一池内完成，与SBR同样使用滗水器（图3）。

污水首先进入选择器，污水中溶解性的有机物通过生物作用得到去除，回流污泥中硝酸盐也此时得到反硝化；然后进入厌氧区，此时为微生物释磷提供条件；第三区为主曝气区，主要进行BOD降解和同时硝化反硝化。

CAST 选择器设置在池首防止了污泥膨胀。

3.2.2 MSBR 工艺近年来，有些研究者对传统的 SBR 进行了改进，开发了连续流序批式活性污泥法工艺（ModifiedSequencing Batch Reactor，简称 MSBR）见图 4。

首先，污水进入厌氧池，回流活性污泥中的聚磷菌在此充分释磷，然后混合液进入缺氧池反硝化。

反硝化后的污水进入好氧池，有机物在好氧条件下被降解，活性污泥充分吸磷后再进入起沉淀作用的 SBR，澄清后上清液排放。

此时另一边的 SBR 在 1.5Q 回流量的条件下进行反硝化、硝化或静置预沉。

回流污泥首先进入浓缩池浓缩，上清液直接进入好氧池，而浓缩污泥进入缺氧池。

这样，一方面可以进行反硝化，另一方面可先消耗掉回流浓缩污泥中的溶解氧和硝酸盐，为随后进行的厌氧释磷提供更为有利的条件。

CAST 综合了以往除磷脱氮工艺的优点，保证了各污染物质降解的最大速率环境，去除有机污染物效率更高，脱氮除磷效果更好。

3.2.3 A2NSBR工艺Kuba，Merzouki 及 W.J.Ng 等相继对 A2NSBR双污泥系统进行了反硝化除磷小试研究。

A2NSBR工艺具有2个独立的SBR（图 5）。

一个 SBR 依次经历厌氧/缺氧段，主要是用来强化 DBP 生长的厌氧/缺氧环境，筛选优势菌种；另一个为好氧 SBR，此反应器主要作用是培养硝化菌，以提供给厌氧/缺氧SBR足量的硝化液。

经研究，A2SBR和好氧硝化 SBR 系统的结合表现了稳定的除磷脱氮效果，除磷率几乎达到100%，脱氮率达到 90%以上。

4.城市污水脱氮除磷技术的发展与展望污水排放标准的不断严格是目前世界各国普遍发展的趋势,以控制水体富营养化为目的的氮、磷脱除技术开发已成为世界各国主要的奋斗目标。

我国对生物脱氮除磷技术的研究起步较晚,投入的资金也十分有限,研究水平仍处于发展阶段。

目前在生物脱氮除磷技术基础理论没有重大革新之前,充分利用现有的工艺组合,开发技术成熟、经济高效且符合国情的工艺应是今后我国脱氮除磷工艺发展的主要方向,主要体现在下面几个方面。

(1)开展对生物脱氮除磷更深入的基础研究和应用开发,优化生物脱氮除磷组合工艺,开发高效、经济的小型化、商品化脱氮除磷组合工艺。

(2)发展可持续污水处理工艺,向节约碳源、降低CO2释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水回用等方向发展。

(3)大力开发适合现有污水处理厂改造的高效脱氮除磷技术。

5.生物脱氮除磷新工艺目前应用的脱氮除磷工艺主要有 SBR、A2O、OD（氧化沟）这三类。

据统计，在 2006 年，这3种工艺占据了我国污水处理厂处理工艺的 65%，处理了全国约54%的污水。