水處理中生物除磷技術的專利分析

張正軍

（陜西有色榆林煤業有限公司，陜西 榆林 719000）

0 引言

污水中的除磷技術一般可以分為物化法、化學法和生物法三種[4]。物化處理方法在實際的使用過程中會耗費大量的財力和人力，而且對于反應條件有著一定的要求。化學除磷技術是在污水中加入化學試劑，使溶于污水中的磷形成不溶性的磷酸鹽沉淀，再通過分離技術將其進行分離，這樣的方法會消耗大量的化學試劑而且生產化學污泥。這兩種方法都不適合進行大范圍的推廣和應用。生物除磷技術主要是通過生物的同化作用將污水中的磷吸收或者是通過能微生物超量吸收廢水中的磷。生物除磷技術去除效果十分的明顯，而且不會產生其他的廢物，同時它還可以通過對富集磷的活性污泥進行處理，從而將磷資源進行回收。因此生物除磷技術在水處理領域得到了快速的發展，越來越多的機構和專家進行了專利的申請。

1 生物除磷技術的原理

生物除磷主要是利用聚磷菌這類微生物，這類微生物在適合的自然環境中，可以將外界的磷進行攝取轉化，然后排出，由此使污水中的磷得到處理[1]。傳統的生物除磷步驟可以分為兩個部分：第一部分就是在厭氧的條件下，聚磷菌將存儲于自身內部的聚磷水解為正磷，由此獲得足夠的能量，將水里面含有的乙酸和丙酸吸收，并且以聚羥基丁酸的形式存儲于細胞中。第二部分就是在氧氣充足的條件下，聚磷菌會將體內的聚羥基丁酸分解，從而發生有氧呼吸運動，這個過程會產生大量的能量，利用這個能量就可以將污水中的磷酸鹽進行吸收，在將其合成為聚磷酸鹽，最后將其存儲在微生物的細胞內，由此將污水中的磷進行去除。傳統的生物除磷理論認為在利用聚磷菌進行除磷的時候，需要保障厭氧和好氧的交替進行，其中厭氧釋放更是一個必要的階段。但是，隨著研究的不斷進展，部分的研究者發現將反應器一直處于好氧環境下，只是將碳源和磷源分開的進行添加，強化生物除磷的現象仍然存在。我國的陳洪波等人利用SBR單級好氧生物除磷工藝對污水進行處理，實現了污水的同步脫氮除磷。由此可見微生物在不同的環境下也可以實現對磷的攝取和處理。

2 專利申請情況分析

通過查找相關的資料可以知道，目前關于水處理中生物除磷技術的專利文獻一共有6235篇，國內申請的相關專利數量已經突破了2800件，國外的專利申請要比國內的多一些。

其中國內的申請專利中更多的是發明專利，在實用型專利的申請方面比較少，即在生物除磷技術專利的申請方面發明專利明顯多于實用新型專利。而且隨著我國對于環境保護問題的不斷關注和重視，國內關于生物除磷技術的申請數量遠遠超過了國外專利的申請數量。在申請的單位中，科研院校在這方面的申請數量是最多的，個人進行申請的數量比較少，因為生物除磷技術的研究需要耗費較多的人力和物理，目前在我國主要的專利研究和申請還是科研院校占據著主導地位。而且通過對資料的整理和分析，可以知道我國對于水處理中生物除磷技術的研究和實際應用都比較晚，在2000年之前的專利申請只有8件，和發達國家之間的差距很大。但是隨著近幾年世界環境問題的日益嚴重，國家對于環境保護工作的重視程度不斷地提高，各種各樣的污水處理技術得到了廣泛的發展和應用，特別是效率極高又環保的生物除磷技術得到了大力的發展，相關專利的申請數目逐年的遞增，專利申請的種類也越來越豐富，每年都能有300件左右的專利在進行申請，極大地滿足了生物除磷市場的需求，其中美國、日本等這些國家在很早之前就進行了相關專利的研究和申請。但是隨著我國的不斷發展，在生物除磷技術這一領域的研究更加的深入。雖然國外對除磷技術的相關研究起步更早，但是隨著我國的發展和進步，無論是在專利研發領域還是相關技術的探索領域都遠遠地超過了其他的國家，使生物除磷技術得到了更加廣泛的應用。

3 典型專利分析

傳統的生物除磷技術在利用聚磷菌進行污水中磷的處理的時候，需要在好氧、厭氧交替的環境下進行工作。想要使污水中的磷得到更好的去除，就需要創造一個適合這些聚磷菌生存和繁衍的環境，這個環境既可以讓它們實現無氧呼吸又可以在一定的時間使這些細菌可以進行有氧呼吸運動[2]。但是在這類環境中會產生一些其它的問題：硝化菌泥齡和聚磷菌泥齡會存在著差異，而且反硝化的過程中和磷的釋放過程中都需要大量的碳源，這樣就會使碳源的供給不足，使兩者都不能良好的進行梵音。因此，近些年來，越來越多的科研機構和研究人員開始將反硝化除磷和生物除磷與化學除磷進行結合。

3.1 反硝化除磷

反硝化聚磷菌可以在對污水中磷進行吸收的同時將硝酸鹽氮轉化為氮氣，這樣就可以使聚磷菌對污水中的磷進行吸收，并且可以其轉化為聚合磷酸鹽在存儲在細胞里面，從而將污水中的磷進行去除。吉林化工大學的相關研究者就發明申請了一種節能降耗短程硝化反硝化除磷工藝，它們在厭氧反應器和缺氧反應器里面安裝好攪拌器，在好氧反應器里面設置好溶解氧DO自控儀和包埋載體床，然后還在厭氧反應器和第一個好氧反應器之間安裝起一個流出水泵，將第二好氧反應器連接在沉淀池上面，中間安裝一個污泥回流泵。同時通過對各種條件的控制和調節，使里面的亞硝酸菌得到快速的增加，成為污水中含量最多的菌種，使短程硝化反應得到了更加穩定的進行。采用這個工藝進行污水中磷的去除，不僅可以減少大量的氧氣消耗和動力消耗，還能夠通過其先進的技術工藝，節約污水處理過程中消耗的能源，并且減少相應的污泥產生。

3.2 生物除磷與化學除磷相結合

傳統的化學除磷技術會因為化學試劑的大量使用而導致很多化學污泥的產生，但是通過和生物除磷技術的結合，可以在很大的程度上減少化學試劑的使用和污泥的產生。這個方法主要就是利用鐵鹽或者鋁鹽等化學試劑，在對污水中磷的處理過程中，將試劑添加在生物處理過程中，這樣的話可以減小對化學試劑的需求和使用量，而且還能使污泥產生的量得到有效控制。化學試劑的使用可以在一定的程度上減少反硝化菌與除磷菌之間對碳源的競爭，使兩者的反應過程都可以更加快捷方便，不會產生碳源不夠的情況，但是使用化學試劑也有一定的缺陷，這類化學試劑在反應的時候會對硝化菌的硝化作用產生一定的抑制效果，而且使用的量越多，抑制效果就會越強烈，因此在進行使用的時候也要對其抑制作用進行考慮，不能大量地進行使用。

深圳的中興環境工程技術有限公司就發明申請了一項關于生物除磷和化學除磷相結合的專利—化學強化生物除磷工藝方法。這個工藝先將含有磷的污水與回流的污泥進行緩和，之后在一起排入到生物曝氣池中，進行曝氣除磷的同時將污染物進行去除，使其在沉淀池中進行固液的分離[4]。沉降下來的污泥里面就會含有大量的磷，之后在選擇合適的方法，使得聚磷菌在里面進行大量的繁殖。并且，有很大一部分的釋磷污泥會通過回流重新回到生物曝氣池中，釋磷池上層清液進入后續的化學除磷池進行化學沉淀除磷。這個專利技術主要的有點就在于進行操作的時候流程十分的簡單，沒有太過于復雜的操作，并且它可以將污水中95%的磷進行去除。

4 結語

相比較于消耗較大的物化除磷技術和化學除磷技術，生物除磷技術利用大自然中的微生物在厭氧、缺氧和好氧交替環境下對污水中的磷進行富集，從而將污水中的磷除去，這樣的方法具有綠色環保、節約資源的優點，是未來進行污水磷處理和資源化回收的主要發展和研究方向。目前，針對現在生物除磷技術存在的缺點進行分析，急需研究和開展的工作可以分為以下的幾個方面：第一就是對生物除磷的機理進行更深層次的研究，對生物除磷技術有著更加清晰明了的認識，比如對反硝化聚磷的反應機理和影響因素進行跟更多的研究，讓人們對于它有著更加清晰的認識[3]。第二就是結合分子生物學技術，使其在聚磷菌檢測上的應用得到進一步的開發和完善。第三就是生物除磷技術的研究和應用，應該要跟隨時代的發展和需求，要和國家節能減排的思想相符合，同時隨著污水資源化工作的開展，研究出更加高效、節能和資源化回收的新型生物除磷工藝，并將之應用到實際工程中。