脱 氮 除 磷 新 工 艺
姓名：张亚
青海大学化工学院环境工程系
摘要：水体富营养化对水环境构成了严重的威胁，是当今世界性的水污染治理难题。加强城市污水的处理，提高城市污水处理厂出水的氮、磷指标，控制氮、磷等营养物质进入水体，是解决水体富营养化的重要途径。通过参阅国内外文献资料，本文介绍了城市污水处理脱氮除磷新工艺——分点进水高效脱氮工艺、生物倍增工艺及厌氧氨氧化工艺，对其特点和实际中的应用进行了总结，并对污水生物脱氮除磷技术的前景提出了展望，为进一步研究提供借鉴。
关键词： 水体富营养化； 生物脱氮除磷； 分点进水高效脱氮工艺； Bio—Dopp工艺； ANAMMOX工艺
0 前言
随着水体富营养化问题的日益尖锐化和社会发展对环境要求的提高，污水脱氮除磷技术已经成为污水处理领域的热点和难点。目前，污水厂广泛采用的脱氮除磷工艺有：A2/O，SBR，氧化沟等。而传统工艺存在基建投资大（池容大）、运行费用高（硝化充氧能耗高、市政污水厂需投加碳源和碱等）、能量浪费等一系列问题。此外，传统工艺的脱氮效率受进水水质的影响，低碳源污水在不投加外碳源的情况下，其脱氮效率低。因此，研究和开发高效、经济的脱氮工艺成为当前城市污水处理的热点。随着污水处理技术的不断发展，出现了一批低能耗、低投资，管理简单的处理工艺[1-4]。
1 生物脱氮除磷机理
1.1 生物脱氮机理
生物脱氮包括氨化、硝化、反硝化三个过程，即水体中的有机氮首先在氨化菌的作用下，转化为氨态氮，这也就是所谓的氨化阶段；之后是硝化阶段，氨态氮在好氧的条件下通过亚硝化菌和硝化菌转化为N NO-3；最后是反硝化阶段，该阶段在缺氧的条件下，通过反硝化菌将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮转化为2 N 。
而近来的一些研究发现，在好氧的条件下发生了同时硝化和反硝化作用；在厌氧的条件下，氨态氮减少；这些现象都无法用传统生物脱氮理论来解释，表明除了传统的生物脱氮理论外，还存在其他的生物脱氮原理[2]。
1.2 生物除磷机理
传统生物除磷理论认为，在厌氧的条件下，聚磷菌把细胞中的聚磷水解为正磷酸盐释放胞外，并从中获取能量，并利用污水中易降解的有机物，如挥发性脂肪酸(VFA)，合成储能物质聚B 一羟基丁酸(PHB)等储于细胞内；然后在好氧的条件下，聚磷菌以游离氧为电子受体，氧化细胞内储存的PHB，并利用该反应产生的能量，过量从污水中摄取磷酸盐，合成高能ATP，其中一部分又转化为聚磷，作为能量储于细胞内，好氧吸磷大于厌氧释磷量，通过排放富磷污泥可以实现高效除磷目的[3]。
而近来的一些研究发现，在缺氧条件下，部分聚磷菌利用-3NO 作为电子受体氧化胞内储存的PHB，并从环境中摄磷实现同时反硝化和过度摄磷，即反硝化除磷现象。
2 生物脱氮除磷新工艺
2.1 ECOSUNIDE 工艺
本工艺是以张雁秋[5-10]等人提出的统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论为依据，创造出在特殊工艺条件下，提高了活性污泥中的硝化菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢，实现了短时高效脱氮，最终研发出城市污水高效脱氮处理新工艺。该工艺与传统生物处理工艺比较，主要是根据统一动力学理论发现了生物因子非线性反应增长现象，即生物浓度较高时，反应速度与生物浓度之间呈非线性关系（增加生物浓度时反应速度增加较少），增加活性污泥浓度，相对提高硝化菌在生物相中所占的比例。
根据以上提出的几种理论，可以归纳出：高污泥浓度对硝化有利；控制动力学负荷可以控制硝化微生物与脱碳微生物之间的营养竞争关系，造成低底物浓度环境，进一步促进硝化；依据回流比影响回流污泥浓度及系统内底物浓度理论，通过计算机寻优找出最佳回流比；通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。
该工艺的最大特点是通过分点-多点特殊配水造成的高污泥浓度，中学生物系统长期处在高污泥浓度及低营养状态下工作，使硝化菌、亚硝化菌、反硝化菌的繁殖处于生长优势，提高了脱氮效率，同时使得生物反应池总停留时间减短，减少生化池的总容积，进而缩短占地面积，与传统工艺相比可减少投资20%。该工艺结合了节能集成技术、高效曝气技术、无内回流技术、高污泥浓度梯度污泥减量技术、高污泥浓度高效捕集气泡技术，池内无搅拌器、无回流泵、污泥减量使脱水系统设备减少30%，节约了运行费用。
ECOSUNIDE 工艺在实际中也有广泛高效的应用。张雁秋等人通过该工艺对临沂市污水处理厂原先的氧化沟工艺进行改造，比使用传统工艺改造节约了2700 万元，以较低的投资和运行费用，实现了高效脱氮除磷。排水水质由原先的仅达到城镇污水处理厂排放标准（GB18918-2002）二级标准到改造后的达到一级标准，一些主要指标达到了一级（A）标准[11]。
2.2 生物倍增工艺
生物倍增（Bio—Dopp）污水处理工艺是德国恩格拜环保技术公司在多年来的科学研究和实践经验基础上开发出的一项先进的污水处理技术。该工艺主要是通过特殊材料制成的可防止堵塞的曝气系统、生物除磷系统、空气提升系统及快速澄清装置，将生物脱氮除磷、有机物的氧化去除、污泥的硝化稳定等各工艺全部协调在同一反应池内同时进行[12]。
Bio-Dopp 工艺把现有污水生物处理工艺的优点理想地结合起来，把曝气池与二沉池组合在单池内，池内各部分顺次完成污水处理的各个工艺过程，包括有机物的需氧降解、同时硝化反硝化生物脱氮、使用特殊设计的斜管实现泥水分离、控制低氧环境实现污泥低增长低产出、反硝化生物除磷、使用碱性物质强化对污染物的去除。该工艺把功能微生物去除过程集中在单一池内协同进行，并在池内设澄清区（相当于二沉池）。采用连续进水，连续运行。
在 Bio-Dopp 反应器中污水进入设有特殊曝气器（平直和波纹聚丙烯软管，充气直径为65 mm 易进行反冲洗，不易堵塞）的反应器核心区，反应区按奇数列、偶数列设2 组曝气管，混合液进入设有多层斜管的快速澄清装置的廊道，经澄清后尾水至消毒池，消毒后达标排放，沉淀污泥由空气随回流混合液提升至曝气池内循环。Bio-Dopp 反应器采用壁厚1.5 mm 曝气管道，管道均匀分布在池底，采用专用框架固定。池内污泥浓度高达9g/L，污泥可在池内任何点位排除。整个反应器由一在线DO 控制仪与鼓风机相联系，由专门人员操作。
Bio—Dopp 工艺所采用的特殊的Bio-Dopp 曝气器使微生物泡在水中的停留时间增加1倍，可达3-4s，且上升过程中不会出现常规曝气装置存在上升聚为更大气泡而降低溶解氧率的现象，所以，在低溶解氧环境下（0.1-0.3 mg/L）该工艺不会出现有机物氧化、氨氮硝化供氧量不足的情况。此外，Bio-Dopp 的独立设计有利于曝气管的维护和检修，即使曝气管堵塞，仅需关闭1 个阀门即可解决问题，特殊设计的拉环可以在不停止的情况下进行更换曝气管。
由于工艺是在同一反应器中进行，可以为同步硝化反硝化创造了有利的环境。因为在低溶解氧条件下培养驯化的活性污泥颗粒小，污泥活性相对较低，异养菌生长缓慢，因此，活性污泥外表不易形成隔离膜，活性污泥可与O2 及可溶性有机物直接接触，实现氨氮的硝化。而菌胶团在活性污泥菌胶团内部形成缺氧、厌氧的微观环境，在活性污泥颗粒的内部又会实现氮的反硝化反应，从而实现同步硝化反硝化，硝化反应的废物可直接进行反硝化，避免过程中硝态氮积累而对硝化反应产生抑制，加速硝化反应的速度；而且反硝化反应中所释放出来的碱可部分补偿硝化反应所消耗的碱，使系统中pH 值相对稳定[13-16]。
Bio-Dopp 工艺具有占地面积小、工程投资低、污泥产出少、操作控制简单等特点。不过，如果首次运行该工艺需要考虑低氧情况下，曝气管满足微生物需氧以外，水流搅拌作用也应当充分考虑；如果污水处理厂或工厂处理后的水是直接排入河流的，由于出水中的溶解氧较低，尾水排入河流中会继续吸收水体中的溶解氧，所以，需要考虑后曝气，确保溶解氧达2 mg/L 再排入水体。
2.3 厌氧氨氧化（ANAMMOX）
ANAMMOX 工艺是由中国生物防治技术实验室研究开发的，是指在厌氧条件下以亚硝酸盐为电子受体，将氨氮转化为氮气。由于无需外加有机物作电子供体，因此节省酸碱中和试剂，无二次污染，节省供氧能耗，运行费用较低，成为该领域研究的热点[17-19]。厌氧氨氧化是自养的微生物过程，不需要投加有机物以维持反硝化，且污泥产率低，是目前已知的最简洁和最经济的生物脱氮途径。此外还可以改善硝化反应产酸，反硝化反应产碱而均需中和的情况，这对控制化学试剂消耗，防止可能出现的二次污染具有重大意义。ANAMMOX 工艺的出现为工业污水或生活污水以比较可持续方式脱氮处理创高了新的技术条件[20-21]。
ANAMMOX 的生化反应自由能为-297 kJ/mol,该反应几乎与好氧氨氧化那样（自由能为-315 kJ/mol）可以顺利进行。氨厌氧氧化产生的一分子氮气中一个氮原子来自NO2-,而另一氮原子则来自于氨，对氨的最大去除速率为1.2mol/（L·h），氧化1 mol 氨需要消耗0.6 mol 的NO2-,并由此产生0.8 mol 的氮气。
Van[22]和Jeeten[23] 等研究小组将 ANAMMOX 工艺与SHARON 工艺（该工艺也是由荷兰Delft 技术大学开发的新工艺，其核心是应用在高温（ 30～35℃）下亚硝酸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，使氨氧化控制在亚硝化阶段）结合，对污泥消化出水进行了研究。这种联合工艺的自养脱氮工艺流程见图3。试验结果表明，氨态氮的去除率达到83%。传统工艺的氧气需要量为465kgO2 /kgN,需4～5 kgCOD/kgN；而联合工艺氧气需要量仅为l7 kgO2 /kgN，且几乎不需要外加碳源。可见在氧气需要量和外加碳源上，该联合工艺明显优于传统的生物脱氮工艺。ANAMMOX 及其与SHARON 的联合工艺完全突破了传统生物脱氮工艺的基本概念，从一定程度上解决了传统硝化一反硝化工艺存在的问题，但需要进一步的研究才能使之成功地运行于实际工程。
由于厌氧氨氧化生物脱氨技术在经济方面的独特优势，将会成为未来污水生物脱氮技术发展的主流，但厌氧氨氧化菌的生长速度非常缓慢，世代期约为11 天，对氧非常敏感[24]，因此该工艺尚难应用到实际工程中。目前国内外学者的研究重点是在特定厌氧反应器中如何实现并维持足够的生物量，提高厌氧氨氧化菌的活性和脱氮效率，以及厌氧氨氧化反应器接种污泥的来源问题[25]。
3.小结
随着生物学及其技术的发展, 新的脱氮除磷理论不断出现 ，人们对生物脱氮除磷的认识将进一步深入 ,生物脱氮除磷工艺也将得到更大的发展 , 可持续污水生物处理工艺的开发将越来越成为研究的重点。
参考文献
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A2O生物脱氮除磷工艺与MBR工艺简介及焚烧发电厂渗滤液处理
