城市污水生物脫氮除磷新技術

郭周芳，羅 陽，周洪濤，王文萍，顧 晨，李 愷

（1.桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004;2.廣西環境工程與保護評價重點實驗室，廣西桂林 541004）

城市污水生物脫氮除磷新技術

郭周芳1,2，羅 陽1,2，周洪濤1,2，王文萍1,2，顧 晨1,2，李 愷1,2

（1.桂林理工大學 環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004;2.廣西環境工程與保護評價重點實驗室，廣西桂林 541004）

概述城市污水生物脫氮除磷的基本原理，重點介紹了同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷幾種生物脫氮除磷新技術的原理和研究現狀，并認為隨著生物脫氮除磷技術的發展，研究和開發經濟、高效、低能耗生物脫氮除磷技術將成為發展趨勢。

生物脫氮除磷；基本原理；技術

近年來，隨著社會的發展，人民生活水平的提高，大量含氮和磷的生活污水、印染廢水、化肥和農藥排入水體，使水環境污染和水體富營養化問題日益嚴重，人們對于污水處理廠出水中氮和磷排放量也越來越關注，國家對污水處理廠出水中剩余氮和磷的量也要求越來越嚴格,因此研究和開發高效、經濟的生物除磷脫氮技術已經成為現今研究的一大熱點。本文簡要闡述了生物除磷脫氮的基本原理，重點介紹了同時硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等幾種生物脫氮除磷新技術。

1 生物脫氮除磷的基本原理

1.1 生物脫氮的基本原理

生物脫氮是通過氨化、硝化、反硝化3個步驟完成的。

（1）氨化作用。氨化作用是指在氨化細菌的作用下，有機氮化合物分解轉化為氨態氮的過程。氨化作用在好氧和厭氧的情況下都可以進行，且無論在什么情況下都會生成氨和一種不含氮的有機化合物。

好氧情況下：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+NH3

厭氧情況下：RCHNH2COOH+H2→RCH2COOH+NH3

（2）硝化作用。硝化作用是指在硝化細菌的作用下，氨先轉化為亞硝酸之后再進一步轉化為硝酸的過程。硝化作用一般是在有氧情況下進行的。

發生的反應：2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+619.6kJ

（3）反硝化作用。反硝化作用是指在反硝化細菌的作用下，硝酸氮和亞硝酸氮被轉化為氣態氮的過程。反硝化作用一般是在厭氧情況下進行的。

1.2 生物除磷的基本原理

生物除磷是通過聚磷菌在厭氧情況下釋磷、好氧情況下吸磷這兩個步驟完成的，并且好氧吸磷遠大于厭氧釋磷。

（1）厭氧釋磷。在厭氧條件下，聚磷菌細胞中的聚磷酸鹽被分解并產生了大量能量，再利用產生的能量將污水中的有機物攝入細胞，然后以有機顆粒的形式儲存在其細胞內，并同時將分解磷酸鹽時產生的磷酸排出體外的這一過程。

（2）好氧吸磷。在好氧條件下，利用聚-β-羥基丁酸鹽氧化分解產生的能量來攝取污水中的磷，并把攝取的磷合成聚磷酸鹽存于細胞內的這一過程。

2 生物脫氮除磷新技術

傳 統 的 生 物 除 磷 工 藝 有 ：A2/O 、A/O、Bardenpho、UCT、Phoredox、AB等工藝；生物脫氮工藝有：A2/O 、A/O、Bardnpho、UCT、Phoredox、改進的AB、TETRA深度脫氮、SBR、氧化溝等工藝。現有的生物脫氮除磷工藝主要是在傳統生物脫氮除磷理論的基礎上組合而成的。

近年來，國內外研究者們大量的研究了不同于傳統生物脫氮除磷的新技術和相關工藝，例如同時硝化及反硝化，短程硝化反硝化，厭氧氨氧化及反硝化除磷等技術。

2.1 同時硝化反硝化技術

傳統的脫氮理論認為硝化反應與反硝化反應不可能于同一條件下發生。然而，近幾年來，國內外許多研究者都發現存在同時硝化反硝化的現象，尤其是有氧條件下同時硝化反硝化現象實實在在存在于不同的生物處理系統。例如，生物膜系統、SBR工藝等處理系統中［1］。

硝化反應與反硝化反應發生于同一條件及同一空間內的現象就叫做同時硝化反硝化。它具有以下4個優點：①能有效的保持反應系統中pH值的穩定，并減少堿量的投加；②能有效地減少傳統反應器的容積，節省基建費用；③對于僅由一個反應池組成的序批式反應器來講，同時硝化與反硝化還能夠縮短硝化、反硝化所需的時間；④能有效地節省曝氣量，降低能量的消耗。對于同時硝化與反硝化的反應機理的初步解釋包括：反應器溶解氧分布不均勻理論，缺氧微環境理論及生物學理論［2］。碳源、溶解氧濃度、絮凝體特性是影響同時硝化反硝化的主要因素。

2.2 短程硝化反硝化技術

傳統的硝化反硝化認為首先氨氮應該在亞硝化菌的作用下轉化成亞硝酸氮，然后在硝酸菌的作用下轉化成硝酸氮，最后通過異養反硝化菌的作用將硝酸氮還原為氣態氮。而短程硝化反硝化是指將氨氮轉化為亞硝酸氮，然后直接將亞硝酸氮轉化氣態氮。無需將亞硝酸氮轉化為硝酸氮就發生硝化反應是短程硝化反硝化不同于傳統硝化反硝化的關鍵點。

低碳氮比、高氨氮、高pH值及高堿度廢水非常適合采用短程硝化反硝化的工藝來處理。抑制硝酸菌的增長是使亞硝酸鹽在硝化過程中得到比較穩定的積累的關鍵技術［3］。溫度、pH值、氨濃度、溶解氧濃度是影響短程硝化反硝化的主要因素。

SHARON工藝是一種由荷蘭Delft大學開發的使用短程硝化反硝化技術的脫氮新工藝。SHARON工藝的核心是應用硝酸菌和亞硝酸菌生長速率的不同，即在適合兩者生存和繁殖的溫度下，硝酸菌的最小水力停留時間大于亞硝酸菌，而硝酸菌的生長速率慢于亞硝酸菌的生長速率這一特性，通過對該脫氮系統的控制，使該系統的水力停留時間介于硝酸菌和亞硝酸菌最小水力停留時間之間，從而使亞硝酸菌在競爭中成為系統的優勢菌群，硝酸菌被自然所淘汰，得到穩定的亞硝酸的積累。與傳統脫氮工藝相比較，脫氮速率快、投資及運行費用較低、工藝流程簡單是SHARON工藝的優點。

2.3 厭氧氨氧化技術

在厭氧條件下，以亞硝酸鹽、硝酸鹽作為電子受體，將氨轉化為氣態氮的這一過程稱之為厭氧氨氧化。它是自養的微生物過程，反硝化的維持不需要投加有機物，并且污泥產率較低，還能使硝化反應產酸、反硝化反應產堿而需要中和的狀況得到很好的改善，對于預防極有可能出現的二次污染，控制化學試劑的消耗量具有極為重要的意義。抑制物、溫度、pH值是影響厭氧氨氧化反應的主要因素。厭氧氨氧化最佳溫度為40 ℃［4］，最適的pH值為6.7～8.3。

ANAMMOX工藝是一種應用厭氧氨氧化技術的工藝。荷蘭Delft技術大學Kluyver生物技術實驗室研究開發了該工藝［3］。ANAMMOX工藝非常適合處理低碳氮比和氨濃度較高的廢水。若將SHARON與ANAMMOX兩種工藝結合在一起，則會形成一種新的生物脫氮工藝。污泥產量較低、耗氧量較少及不需要投加碳源是SHARON-ANAMMOX聯合工藝的優點。

2.4 反硝化除磷技術

聚磷菌在缺氧的情況下，以硝酸鹽作為它的電子受體，過度攝取污水中的磷，以此來實現除磷目的的脫氮除磷過程稱之為反硝化除磷。混合液懸浮固體濃度、溶解氧濃度、碳氮比、碳磷比、亞硝酸鹽濃度、硝酸鹽濃度、pH值和污泥停留時間是影響反硝化除磷技術的主要因素。

2.4.1DEPHANOX工藝

DEPHANOX工藝和BCFS工藝是目前國內外研究較多的兩種反硝化除磷工藝。DEPHANOX工藝是Bortone.G等［5］于1996年提出的一種新工藝，該工藝在厭氧池和缺氧池之間增加了沉淀池和固定膜反應池，污水在厭氧池中發生釋磷反應，在沉淀池中進行泥水分離，含氨較多上清液流入固定膜反應池進行硝化，污泥則跨越固定膜反應池進入缺氧段，完成反硝化除磷［6］。該工藝具有能耗低、污泥產量低、碳源消耗量低等眾多優點。

2.4.2 BCFS工藝

BCFS工藝是由荷蘭Delft大學Kluyver生物技術實驗室研究開發的一種變型的UCT工藝。此工藝有6個優點：①能有效去除氮和磷；②控制較簡單，通過對溶解氧和氧化還原電位的控制能有效地實現過程穩定；③該工藝可以回收磷［9］；④污泥容積指數值低（80～120mL/g）并很穩定；⑤利用反硝化聚磷菌來實現生物除磷，該工藝能夠有效利用碳源，并且能在碳磷比、碳氮比值相對較低的情況下良好地運行；⑥與常規的污水處理廠相比，該工藝的污泥產量減少了近10%。BCFS工藝在城市污水處理中無需添加任何化學藥劑，該工藝通過利用反硝化除磷菌的缺氧反硝化除磷作用來實現最佳除氮及完全除磷。

3 結語

本文對生物脫氮除磷的基本原理做了簡要的介紹，重點闡述了幾種重點研究的生物脫氮除磷新技術和新工藝。目前，水體富營養化問題已經成為一個焦點問題，特別是我國對脫氮除磷技術的研究起步較晚，能很好地去除氮和磷的城市污水處理廠不多，故研究開發能良好的去除氮和磷的技術及工藝成為發展趨勢，也更適合我們國家的國情。而硝化與反硝化技術、短程硝化反硝化技術、厭氧氨氧化技術及反硝化除磷技術都是在突破傳統生物脫氮除磷原理基礎上發展起來的，都是值得我們深入的研究和探討的技術。

［1］李芬芳,龍睿.污水生物脫氮除磷新技術［J］.杭州化工,2007,37（2）:25-28.

［2］楊殿海,王峰,夏四清.廢水處理工藝中同步硝化/反硝化研究進展［J］.上海環境學,2003,22（12）:878-882.

［3］郝曉地,汪慧貞,錢易.歐洲城市污水處理技術新概念——可持續生物除磷脫氮工藝（上）［J］.2002,28（6）.

［4］楊嵐,楊景亮,李再興,等.厭氧氨氧化技術研究進展［J］.河北化工,2004,3:54-56.

［5］BORTONEG.BIOLOGICAL AnoxicPhosphorusRe-movalthe Dephanox Process［J］.Wat.Sci.Tech,1996,34（1-2）:119-128.

［6］KUBAT,MCM,Van Loosdrecht.Phosphorus and Ni-trogen Removal with Minimal COD Requirement by Intergration of Denitrifying Dephosphatation and Nitrification in a two sludge System［J］.Wat.Res,1996,30（7）:1702-1710.

New Technology of Biological Nitrogen and Phosphorus Removal of City Sewage

GUO Zhou-fang1,2,LUO Yang1,2,ZHOU Hong-tao1,2,WANG Wen-ping1,2,GU Chen1,2,LI Kai1,2
（1.College of Environmental Science and Engineering of Guilin University of Technology， Guilin 541004，China;2.Guangxi Key Laboratory of Environmental Engineering and Evaluation of the Environmental Protection， Guilin 541004，China）

This paper reviews briefly the basic mechanisms of biological nitrogen and phosphorus removal in city sewage.The new technologies such as simultaneous nitrifying and anti-nitrifying,short-time nitrifying and anti-nitrifying,anaerobic ammoniac oxygen and anti-nitrifying removal of phosphorous are focused.With the development of biological nutrient removal technology,the removal technology of nitrogen and phosphorous will be developed following the way of economy,high effective and low consuming of energy.

biological ntrogen and phosphorus removal;basic mechanism;technology

X703.1

A

1672-9900（2011）03-0027-02

2011-04-15

水體污染控制與治理科技重大專項（2008ZX07317-02-03）。

郭周芳（1986—），女（漢族），湖南郴州人，碩士，主要從事水污染控制工程方向研究，（Tel）13457655931。