脫氮除磷工藝發展

污水脫氮除磷工藝的概述與展望

摘要：近年來，城市污水（以城市生活污水為主）中氮磷營養物的排放使受納水體中藻類等植物大量繁殖，導致水體富營養化問題越來越嚴重，對城市污水進行脫氮除磷處理是防止水體富營養化的一種重要措施。目前來看，污水脫氮除磷的主要方法有物理方法、化學方法及生物方法。與物理法、化學法相比，生物法具有適用范圍廣、投資及運行費用低、效果穩定、綜合處理能力強等優點，已成為污水脫氮除磷的最佳選擇。本文對現有的生物脫氮除磷工藝進行了系統的介紹和分析，并對今后的發展方向作了展望。

關鍵詞：城市污水，脫氮除磷，工藝技術

1.城市污水脫氮除磷現狀

據近年來環境質量公報發布的消息,水體中的主要污染物為含氮磷的有機物。這些污染物進一步加劇了水資源短缺的矛盾,對可持續發展戰略的實施帶來了嚴重的負面影響。目前含氮磷污水的處理技術可分為物理法、化學法、物理化學法和生物法。由于化學法與物理化學法成本高,對環境易造成二次污染,所以污水生物脫氮除磷技術是20世紀70年代美國和南非等國的水處理專家們在化學、催化和生物方法研究的基礎上提出的一種經濟有效的處理技術,該技術由于處理過程可靠,處理成本低,操作管理方便等優點而被廣泛使用。微生物脫氮除磷技術按微生物在系統中的不同狀態,可分為活性污泥法和生物膜法,通過設立好氧區、缺氧區和厭氧區來實現硝化、反硝化、釋磷和放磷以達到脫氮除磷的目的。具體的生物脫氮除磷工藝主要有:A2/O法同步脫氮除磷工藝、生物轉盤同步脫氮除磷工藝、SBR工藝、氧化溝工藝、亞硝酸鹽生物脫氮工藝、AB法及其變型工藝等。 污水經二級生化處理后,氮的去除率僅為20%～30%左右,磷的去除率則更低。因此脫氮除磷問題在二級處理普及率較高的工業化國家中受到了高度的重視。我國污水廠大多數以二級生物處理為主。二級生物處理廠去除對象主要是BOD5和SS,僅有極少數廠(如廣州犬坦沙污水廠)有脫氮除磷功能。我國水體富營

養化日趨嚴重,其原因一是城市污水處理率低;二是傳統的活性污泥法僅能去除城市污水中20%～40%的氮以及5%～20%的磷。因此,大量興建城市二級生物處理廠,不但投資大,運行費用高,并且脫氮除磷的效率也并不高。

在實際的工程設計中,根據受納水體的要求和其他一些實際情況,生物脫氮除磷工藝可以分成以下幾個層次

（1)以去除有機物、氨氮為目的的工藝。因對總氮無要求,可以采用生物硝化工藝,生物硝化工藝與傳統活性污泥法工藝流程完全相同,只是采用延時曝氣。

（2)以去除有機物和總氮(包括有機氮、氨氮及硝酸鹽氮)為目的的工藝。因要去除總氮,因此應該采用生物反硝化工藝,需要在反應池前增設一個缺氧段,將好氧段中含有硝酸鹽的混合液回流到缺氧段,在缺氧的條件下,將硝酸鹽反硝化成氮氣。

（3)以去除有機物、氨氮和有機氮、磷為目的的工藝。采用除磷的硝化工藝,

在反應地前增設一個厭氧段,在厭氧段內完成磷的釋放,在好氧段內實現磷的超量吸收、有機物的氧化、有機氮及氨氮的硝化。

（4)以去除有機物、總氮和磷為目的的工藝。對于這種情況,應該采用完全的生物除磷脫氮工藝。在反應池前既要增設一個厭氧段又要增設一個缺氧段,以同時實現生物除磷脫氮。

2.生物脫氮除磷的原理

2.1 生物脫氮原理

傳統的生物脫氮過程是在硝化細菌和反硝化細菌的聯合作用下，通過硝化和反硝化完成的。在好氧條件下，氨氮經硝化細菌的硝化作用轉化為硝態氮或亞硝態氮；在缺氧條件下，硝態氮或亞硝態氮在反硝化細菌的作用下被還原為氮氣，從而達到脫氮的目的。

近年來同時硝化反硝化現象、短程硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝的發展，為理解污水脫氮機理指明了新的方向。同時硝化反硝化過程在同一條件下實現了脫氮，顛覆了傳統脫氮理論認為硝化反應在好氧條件下進行、反硝化反應在厭氧條件下進行的認識。其中，缺氧微環境理論是目前普遍接受被認為是造成此類現象發生的主要機理。短程硝化反硝化是指將氨氮的硝化過程控在 NO2階段，然后

不經 NO3的生成過程直接由反硝化細菌將 NO2轉化為 N2。厭氧氨氧化工藝的原理

是，自養型厭氧氨氧化細菌在厭氧環境中以硝酸鹽、亞硝酸鹽作為電子受體，將氨轉化為氮氣。該工藝特別適用于高氨氮廢水和低碳氮比廢水處理。簡而言之，脫氮新理論新現象的發現進一步深化了人們對脫氮過程的認識，為實現污水高效的脫氮奠定了堅實的基礎。

2.2 生物除磷原理

生物除磷主要是由一類統稱為聚磷菌的微生物在厭氧-好氧或厭氧-缺氧交替的環境下完成的。在厭氧條件下，聚磷菌將細胞內的聚磷水解為正磷酸鹽，并從中獲取能量，同時吸收污水中的易生物降解的 COD，同化為胞內碳源貯存物聚羥基烷酸（PHA）；在好氧或缺氧條件下，聚磷菌以分子態氧（例如 O2）或化合

態（例如 NO3）作為電子受體，氧化代謝胞內貯存物 PHA，同時釋放能量，過量

地從污水中攝取溶解態磷酸鹽，并以聚磷形式貯存于細胞內，最終通過排放富磷污泥實現從污水中除磷的目的。

此外，反硝化除磷現象的發現進一步豐富了生物除磷機理。反硝化除磷過程是由一類稱為反硝化除 磷 細 菌 （ denitrifying phosphorus removingBacter -ia，DPB）完成的，在缺氧條件下，DPB 以硝酸鹽取代氧氣作為電子受體進行缺氧攝磷，同時硝酸鹽被還原為氮氣，實現了同時脫氮和除磷的目的。反硝化除磷技術實現了一碳兩用，同時節省了曝氣量，是一種低耗高效的污水處理方法。

3.生物脫氮除磷工藝

從生物脫氮除磷的機理分析來看，生物脫氮除磷工藝基本上包括厭氧、缺氧、好氧 3種狀態，這 3個不同的工作狀態可以在空間上進行分離，也可以在時間上進行分離。

3.1 空間順序的生物脫氮除磷工藝

空間順序工藝的最大特征是污水的各種生化反應在不同的反應池里同時完成，整個生化反應是連續進行，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 改良工藝

改良 A2/O工藝是中國市政工程華北設計研究院提出的。該工藝綜合了 A/O 工藝和改良UCT工藝的優點，即在厭氧池之前增設厭氧/缺氧池（圖 1）。

首先回流污泥和 10%的污水進入厭氧/缺氧池進行反硝化以去除回流污泥中的硝酸鹽。90%的污水進入厭氧區與回流污泥混合，在兼性厭氧發酵菌的作用下將部分易生物降解的大分子有機物轉化為VFA；聚磷菌釋磷，同時吸收 VFA 以 PHB 的形式貯存于胞內。在缺氧區，反硝化菌利用污水中的有機物和經混合液回流而帶來的硝酸鹽進行反硝化，同時去碳脫氮；在好氧區，有機物濃度相當低，有利于自養硝化菌生長繁殖，進行硝化反應，同時聚磷菌過量攝磷。通過沉淀、排除剩余污泥達到除磷的目的。該工藝降低回流污泥中硝態氮對后續厭氧池的不利影響，有利于厭氧池的聚磷菌釋磷，改善了泥水分離性能。

3.1.2 UCT改良工藝

改良的UCT工藝（University of Cape Town）脫氮除磷工藝由厭氧池、缺氧1池、缺氧2池、好氧池、沉淀池系統組成，有2個缺氧池。缺氧1池只接受沉淀池的回流污泥，同時缺氧1池有混合液回流至厭氧池，以補充厭氧池中污泥的流失�；亓魑勰鄶y帶的硝態氮在缺氧1 池中經反硝化被完全去除。在缺氧2池中接受來自好氧池的混合液回流，同時進行反硝化，缺氧1池出水中的NO3-N帶進厭氧池使之保持較為嚴格的厭氧環境，從而提高系統的除磷效率第一文庫網。其工藝流程見圖 2。

3.2 時間順序的生物脫氮除磷工藝

時間順序的生物除磷脫氮技術的最大特征是污水的各種生化反應均在同一個反應池里，按時間順序進行污水處理，典型代表是CAST,MSBR,A2NSBR等工藝。

3.2.1 CAST 工藝

CAST實際上是一種循環SBR活性污泥法，反應器中活性污泥不斷重復曝氣和非曝氣過程，生物反應和泥水分離在同一池內完成，與SBR同樣使用潷水器（圖

3）。

污水首先進入選擇器，污水中溶解性的有機物通過生物作用得到去除，回流污泥中硝酸鹽也此時得到反硝化；然后進入厭氧區，此時為微生物釋磷提供條件；第三區為主曝氣區，主要進行BOD降解和同時硝化反硝化。CAST 選擇器設置在池首防止了污泥膨脹。

3.2.2 MSBR 工藝

近年來，有些研究者對傳統的 SBR 進行了改進，開發了連續流序批式活性污泥法工藝（ModifiedSequencing Batch Reactor，簡稱 MSBR）見圖 4。

首先，污水進入厭氧池，回流活性污泥中的聚磷菌在此充分釋磷，然后混合液進入缺氧池反硝化。反硝化后的污水進入好氧池，有機物在好氧條件下被降解，活性污泥充分吸磷后再進入起沉淀作用的 SBR，澄清后上清液排放。此時另一邊的 SBR 在 1.5Q 回流量的條件下進行反硝化、硝化或靜置預沉�；亓魑勰嗍紫冗M入濃縮池濃縮，上清液直接進入好氧池，而濃縮污泥進入缺氧池。這樣，一方面可以進行反硝化，另一方面可先消耗掉回流濃縮污泥中的溶解氧和硝酸鹽，為隨后進行的厭氧釋磷提供更為有利的條件。CAST 綜合了以往除磷脫氮工藝的優點，保證了各污染物質降解的最大速率環境，去除有機污染物效率更高，脫氮除磷效果更好。

3.2.3 A2NSBR工藝

Kuba，Merzouki 及 W.J.Ng 等相繼對 ANSBR雙污泥系統進行了反硝化除磷小試研究。A2NSBR工藝具有2個獨立的SBR（圖 5）。

一個 SBR 依次經歷厭氧/缺氧段，主要是用來強化 DBP 生長的厭氧/缺氧環境，篩選優勢菌種；另一個為好氧 SBR，此反應器主要作用是培養硝化菌，以提供給厭氧/缺氧SBR足量的硝化液。經研究，A2SBR和好氧硝化 SBR 系統的結合表現了穩定的除磷脫氮效果，除磷率幾乎達到100%，脫氮率達到 90%以上。 2

4.城市污水脫氮除磷技術的發展與展望

污水排放標準的不斷嚴格是目前世界各國普遍發展的趨勢,以控制水體富營養化為目的的氮、磷脫除技術開發已成為世界各國主要的奮斗目標。我國對生物脫氮除磷技術的研究起步較晚,投入的資金也十分有限,研究水平仍處于發展階段。目前在生物脫氮除磷技術基礎理論沒有重大革新之前,充分利用現有的工藝組合,開發技術成熟、經濟高效且符合國情的工藝應是今后我國脫氮除磷工藝發展的主要方向,主要體現在下面幾個方面。

(1)開展對生物脫氮除磷更深入的基礎研究和應用開發,優化生物脫氮除磷組合工藝,開發高效、經濟的小型化、商品化脫氮除磷組合工藝。

(2)發展可持續污水處理工藝,向節約碳源、降低CO2釋放、減少剩余污泥排放以及實現氮磷回收和處理水回用等方向發展。

(3)大力開發適合現有污水處理廠改造的高效脫氮除磷技術。

5.生物脫氮除磷新工藝

目前應用的脫氮除磷工藝主要有 SBR、A2O、OD

（氧化溝）這三類。據統計，

在 2006 年，這3種工藝占據了我國污水處理廠處理工藝的 65%，處理了全國約 54%的污水。近年來，出現了一些新的脫氮除磷工藝，以下對此作概括介紹。

2.1 CANDO

耦 合 好 氧 - 缺 氧 N2O 分 解 工 藝 （ coupledaerobicanoxicnitrous decomposition operation ，CANDO），是由 Scherson等率先提出來的新型污水脫氮工藝。其基本原理可通過 3 個步驟來解釋（圖6）。

圖6 CANDO 工藝的化學反應原理示意圖

第一步，將氨氮的氧化控制在亞硝化階段；第二步，控制亞硝酸鹽的還原過程，保證其盡可能的生成N2O；第三步，將 N2O催化分解為N2同時伴隨能量的回

收，或者用 N2O取代氧氣作為 CH4燃燒的助燃氣。CANDO工藝減少了污水處理過

程對氧的需求，降低了剩余污泥的產量，進而減少了污水處理運行費用；實現了從NOD（nitrogenous oxygendemand）中回收能量，為污水處理進行能量回收開辟了新途徑；減少了污水處理過程中 N2O 等溫室氣體的排放，有效緩解了溫室

效應。

對于 CANDO 工藝而言，第一步可通過高活性的 氨 氮 去 除 亞 硝 酸 鹽 的 單 一 反 應 器 系 統（SHARON）工藝實現，第三步在熱力學上也能夠達到，關鍵是第二步，即如何穩定、高效地保證 N2O的轉化過程。目前，主要有兩種方

法—生物法和化學法。生物法是以細胞內儲存的 PHB 等內碳源物質作為電子供體，將 NO2還原為 N2O。然而，NO2的轉化率不夠穩定，與基質的投加策略有關，

最大的轉化率為 60%左右。當乙酸（作為碳源）和亞硝酸鹽連續投加時，沒有檢測到 N2O 的產生。當乙酸和亞硝酸鹽采用脈沖投加時，檢測到了N2O的存在。脈

沖投加分為兩種方式進行，即耦合投加和非耦合投加。采用耦合投加時，NO2的轉化率為 9%～12%，非耦合投加時，NO2轉化率為 60%～65%�；瘜W法則是利用碳

酸鹽綠銹[carbonate green rust，化學式 Fe4IIFe2III(OH)12CO3]或菱鐵礦

（siderite，化學式為 FeCO3）將 NO2還原為 N2O。研究發現，這種活性綠銹（green

rust）層狀雙金屬類物質對硝酸鹽還具有還原作用并且對其它污染物的遷移轉化也有一定作用，進一步促進了該工藝的脫氮效果。同時，green rust 類物質對磷酸鹽也有良好吸附效果。Barthélémy 等使用雙氧水將 green rust 氧化為一種新材料—碳酸鐵綠銹[carbonated ferric greenrust，化學式 Fe7II(OH)12CO3]，不僅增強了其在溶液中的穩定性，而且還能夠從水中吸附磷酸鹽實現高效除磷，但去除率受 pH 值的影響。

雖然，這兩種方法最后都實現了98%的脫氮率，但生物法對 PHB 的依耐性，導致其轉化率可能受進水中易降解的 COD 影響；化學法對反應條件和藥劑的特殊要求，也制約了其發展前景。如果能夠研究出一種新的高效的 N2O

轉化機制，

并實現規�；瘧�用，CANDO 工藝對于污水脫氮除磷而言不失為一種極具吸引力的選擇。

在相同的情況下，以需氧量、微生物量和能量回收效率為衡量指標比較 SHARON、全自養亞硝酸型脫氮（CANON）、CANDO 的處理效果，發現CANDO 工藝僅次于 CANON；與傳統的硝化-反硝化脫氮工藝相比，CANDO 工藝的氧消耗和污泥產量分別減少了20%和40%，能源回收率增加了60%�？偟膩碚f，CANDO 工藝實可現生物法和化學法的有機結合，從根本上解決了污水處理廠運行管理上的兩大難題：曝氣量和污泥產量。由此可見，聯合工藝突破了傳統生物脫氮工藝的基本概念，在一定程度上解決了傳統硝化-反硝化工藝存在的問題。

2.2 BioCAST

同 時 去 除 含 碳 有 機 物 及 氮 磷 營 養 物 質（BioCAST）工藝是為了實現從污水中同時去除含碳有機物及氮磷營養物質而開發的新型多環境混合污水處理工藝（圖 7）。

圖7 BioCAST 工藝流程圖

它的主體部分是由兩個相互連接的反應器組成，每個反應器又包含有多個具有不同環境條件的區域。反應器①包含有4個區域，即好氧區、微好氧區、缺氧區以及澄清區。前3個區域主要用于污水生物處理，澄清區則實現固液分離的作用。好氧區是根據氣提式反應器的原理設計的，位于反應器①的正中央，里面設置有生物填料，使其同時具有活性污泥工藝和生物膜工藝的特點，增加了系統中生物固體停留時間。原水和來自厭氧區的富含聚磷菌（phosphorus accumulatingorganisms，PAOs）和揮發性脂肪酸的回流污泥首先進入好氧區，PAOs 實現好氧過量吸磷作用，含氮物質經氨化和硝化作用轉化為硝態氮和亞硝態氮。

混合液以上向流的方式流出好氧區，抵達附近的微好氧區，進一步完成氨氮的硝化和剩余有機物的降解。然后，微好氧區混合液以下向流方式直抵缺氧區，完成反硝化作用，實現脫氮。系統所需的氧是由位于好氧區底部的3

個自定義的

內置空氣擴散器提供的，曝氣不僅提供了生化反應所需的氧，實現液體混合作用，同時也是混合液在好氧區、微好氧區和缺氧區的循環動力，使得污染物每隔幾分鐘就能夠暴露于不同的環境條件下，有利于污染物的去除。反應器①的這種設計和運行機制提供了前置反硝化和后置反硝化所需的環境條件，有利于脫氮。反應器②是為污泥消化和固液分離而設計的。反應器①的出水一部分直接排出系統，一部分進入反應器②，經沉淀作用后上清液排出系統。同時反應器①缺氧區的污泥回流至反應器②厭氧區進行消解，部分回流至好氧區，其余部分作為剩余污泥排放。回流混合液中包含的聚磷菌和揮發性脂肪酸，為除磷和反硝化過程提供了充足的碳源，保證系統的脫氮除磷效果。

BioCAST 工藝能夠有效地降低污水中污染物質的含量，在48天的短期持續運行中，COD、TN、TP的去除率分別達到了99.3%、98.0%、92.3%，即使進水中污染物負荷發生波動，其去除效果幾乎仍然能夠維持不變。同時，在有機負荷率為 0.95～1.86 kg/(m3d)、氮負荷率為0.02～0.08 kg/(m3d)、磷負荷率為 0.014～0.02 kg/(m3d)的條件下，經過長達225天的運行，COD、TN、TP的去除率分別也達到了98.9%、98.3%和 94.1%，而且污泥的產率僅為消耗的COD當量的3.7%。在長期和短期運行中均觀察到磷的去除效果對總氮負荷有很強的依賴性，即去除率隨著氮的負荷率的增加和碳氮比的減小而提高，當TN負荷在0.05 kg/(m3d)以上時，磷的去除效果顯著增強。通過增加進水N和P的負荷，系統最終出水的硝酸鹽、亞硝酸鹽及磷酸鹽的濃度可分別低達0.2 mg/L、0.02 mg/L及 2.9 mg/L，污泥產率僅為11.5%。

總之，BioCAST 工藝既能夠積累高濃度的懸浮生長微生物，又能夠積累附著生長微生物，使它很適合處理高負荷和高含氮量污水。與傳統的工藝相比，反應器內生物量多，污泥產率低，系統啟動時間短，同時減少了空間需求；與 SBR 相比，沒有復雜的定時或控制系統；與膜生物反應器相比，不需要特殊類型的膜材料。

5.結語

污水生物脫氮除磷是當今水處理的熱點與難點。新的脫氮除磷理論的提出，為生物脫氮除磷工藝指引了方向。如：SND （同時硝化反硝化工藝）、SHARON（Single reactor high activity ammonia removalover nitrite，亞硝化反應器）工藝、OLAND（Oxygen-limited autotrophic nitrification-denitriFic- ation，氧限制自氧硝化—反硝化）工藝、厭氧氨氧化工藝以及短程硝化—厭氧氨氧化組合工藝等。但是，生物除磷脫氮工藝的發展已不僅僅要求對 N，P 去除率，而且要求處理效果穩定，可靠的運行工藝。今后對此技術的研究應集中在以下方面。

（1）加深除磷機理的研究。反硝化聚磷菌的出現解決了硝化菌與聚磷菌爭奪碳源，污泥齡不同等主要矛盾。為新型同步脫氮除磷工藝提供了理論依據。但是對于反硝化聚磷菌的了解還不夠全面，尤其是其除磷機理還待于進一步研究。應突破傳統理論，從微生物的角度來調控工藝。

（2）隨著脫氮除磷工藝的進一步發展，許多研究者在進行小試時，都馴化出顆粒污泥，而顆粒污泥的出現改善了污泥膨脹這一難題。同時發現顆粒污泥對 N，P 的去除要遠遠優于絮狀污泥。今后在對顆粒污泥的研究上應更加深入，研究了解顆粒污泥外部的胞外聚合物是否對 N，P 有吸附作用，并進一步研究顆粒污泥的形成機理，調整現有反應器的運行參數，從而加速顆粒污泥的形成，提高脫氮除磷效率。

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