城市污水生物脱氮除磷新技术

郭周芳，罗 阳，周洪涛，王文萍，顾 晨，李 恺

（1.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004;2.广西环境工程与保护评价重点实验室，广西桂林 541004）

城市污水生物脱氮除磷新技术

郭周芳1,2，罗 阳1,2，周洪涛1,2，王文萍1,2，顾 晨1,2，李 恺1,2

（1.桂林理工大学 环境科学与工程学院，广西 桂林 541004;2.广西环境工程与保护评价重点实验室，广西桂林 541004）

概述城市污水生物脱氮除磷的基本原理，重点介绍了同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷几种生物脱氮除磷新技术的原理和研究现状，并认为随着生物脱氮除磷技术的发展，研究和开发经济、高效、低能耗生物脱氮除磷技术将成为发展趋势。

生物脱氮除磷；基本原理；技术

近年来，随着社会的发展，人民生活水平的提高，大量含氮和磷的生活污水、印染废水、化肥和农药排入水体，使水环境污染和水体富营养化问题日益严重，人们对于污水处理厂出水中氮和磷排放量也越来越关注，国家对污水处理厂出水中剩余氮和磷的量也要求越来越严格,因此研究和开发高效、经济的生物除磷脱氮技术已经成为现今研究的一大热点。本文简要阐述了生物除磷脱氮的基本原理，重点介绍了同时硝化反硝化、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷等几种生物脱氮除磷新技术。

1 生物脱氮除磷的基本原理

1.1 生物脱氮的基本原理

生物脱氮是通过氨化、硝化、反硝化3个步骤完成的。

（1）氨化作用。氨化作用是指在氨化细菌的作用下，有机氮化合物分解转化为氨态氮的过程。氨化作用在好氧和厌氧的情况下都可以进行，且无论在什么情况下都会生成氨和一种不含氮的有机化合物。

好氧情况下：RCHNH2COOH+O2→RCOOH+NH3

厌氧情况下：RCHNH2COOH+H2→RCH2COOH+NH3

（2）硝化作用。硝化作用是指在硝化细菌的作用下，氨先转化为亚硝酸之后再进一步转化为硝酸的过程。硝化作用一般是在有氧情况下进行的。

发生的反应：2NH3+3O2→2HNO2+2H2O+619.6kJ

（3）反硝化作用。反硝化作用是指在反硝化细菌的作用下，硝酸氮和亚硝酸氮被转化为气态氮的过程。反硝化作用一般是在厌氧情况下进行的。

1.2 生物除磷的基本原理

生物除磷是通过聚磷菌在厌氧情况下释磷、好氧情况下吸磷这两个步骤完成的，并且好氧吸磷远大于厌氧释磷。

（1）厌氧释磷。在厌氧条件下，聚磷菌细胞中的聚磷酸盐被分解并产生了大量能量，再利用产生的能量将污水中的有机物摄入细胞，然后以有机颗粒的形式储存在其细胞内，并同时将分解磷酸盐时产生的磷酸排出体外的这一过程。

（2）好氧吸磷。在好氧条件下，利用聚-β-羟基丁酸盐氧化分解产生的能量来摄取污水中的磷，并把摄取的磷合成聚磷酸盐存于细胞内的这一过程。

2 生物脱氮除磷新技术

传 统 的 生 物 除 磷 工 艺 有 ：A2/O 、A/O、Bardenpho、UCT、Phoredox、AB等工艺；生物脱氮工艺有：A2/O 、A/O、Bardnpho、UCT、Phoredox、改进的AB、TETRA深度脱氮、SBR、氧化沟等工艺。现有的生物脱氮除磷工艺主要是在传统生物脱氮除磷理论的基础上组合而成的。

近年来，国内外研究者们大量的研究了不同于传统生物脱氮除磷的新技术和相关工艺，例如同时硝化及反硝化，短程硝化反硝化，厌氧氨氧化及反硝化除磷等技术。

2.1 同时硝化反硝化技术

传统的脱氮理论认为硝化反应与反硝化反应不可能于同一条件下发生。然而，近几年来，国内外许多研究者都发现存在同时硝化反硝化的现象，尤其是有氧条件下同时硝化反硝化现象实实在在存在于不同的生物处理系统。例如，生物膜系统、SBR工艺等处理系统中［1］。

硝化反应与反硝化反应发生于同一条件及同一空间内的现象就叫做同时硝化反硝化。它具有以下4个优点：①能有效的保持反应系统中pH值的稳定，并减少碱量的投加；②能有效地减少传统反应器的容积，节省基建费用；③对于仅由一个反应池组成的序批式反应器来讲，同时硝化与反硝化还能够缩短硝化、反硝化所需的时间；④能有效地节省曝气量，降低能量的消耗。对于同时硝化与反硝化的反应机理的初步解释包括：反应器溶解氧分布不均匀理论，缺氧微环境理论及生物学理论［2］。碳源、溶解氧浓度、絮凝体特性是影响同时硝化反硝化的主要因素。

2.2 短程硝化反硝化技术

传统的硝化反硝化认为首先氨氮应该在亚硝化菌的作用下转化成亚硝酸氮，然后在硝酸菌的作用下转化成硝酸氮，最后通过异养反硝化菌的作用将硝酸氮还原为气态氮。而短程硝化反硝化是指将氨氮转化为亚硝酸氮，然后直接将亚硝酸氮转化气态氮。无需将亚硝酸氮转化为硝酸氮就发生硝化反应是短程硝化反硝化不同于传统硝化反硝化的关键点。

低碳氮比、高氨氮、高pH值及高碱度废水非常适合采用短程硝化反硝化的工艺来处理。抑制硝酸菌的增长是使亚硝酸盐在硝化过程中得到比较稳定的积累的关键技术［3］。温度、pH值、氨浓度、溶解氧浓度是影响短程硝化反硝化的主要因素。

SHARON工艺是一种由荷兰Delft大学开发的使用短程硝化反硝化技术的脱氮新工艺。SHARON工艺的核心是应用硝酸菌和亚硝酸菌生长速率的不同，即在适合两者生存和繁殖的温度下，硝酸菌的最小水力停留时间大于亚硝酸菌，而硝酸菌的生长速率慢于亚硝酸菌的生长速率这一特性，通过对该脱氮系统的控制，使该系统的水力停留时间介于硝酸菌和亚硝酸菌最小水力停留时间之间，从而使亚硝酸菌在竞争中成为系统的优势菌群，硝酸菌被自然所淘汰，得到稳定的亚硝酸的积累。与传统脱氮工艺相比较，脱氮速率快、投资及运行费用较低、工艺流程简单是SHARON工艺的优点。

2.3 厌氧氨氧化技术

在厌氧条件下，以亚硝酸盐、硝酸盐作为电子受体，将氨转化为气态氮的这一过程称之为厌氧氨氧化。它是自养的微生物过程，反硝化的维持不需要投加有机物，并且污泥产率较低，还能使硝化反应产酸、反硝化反应产碱而需要中和的状况得到很好的改善，对于预防极有可能出现的二次污染，控制化学试剂的消耗量具有极为重要的意义。抑制物、温度、pH值是影响厌氧氨氧化反应的主要因素。厌氧氨氧化最佳温度为40 ℃［4］，最适的pH值为6.7～8.3。

ANAMMOX工艺是一种应用厌氧氨氧化技术的工艺。荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室研究开发了该工艺［3］。ANAMMOX工艺非常适合处理低碳氮比和氨浓度较高的废水。若将SHARON与ANAMMOX两种工艺结合在一起，则会形成一种新的生物脱氮工艺。污泥产量较低、耗氧量较少及不需要投加碳源是SHARON-ANAMMOX联合工艺的优点。

2.4 反硝化除磷技术

聚磷菌在缺氧的情况下，以硝酸盐作为它的电子受体，过度摄取污水中的磷，以此来实现除磷目的的脱氮除磷过程称之为反硝化除磷。混合液悬浮固体浓度、溶解氧浓度、碳氮比、碳磷比、亚硝酸盐浓度、硝酸盐浓度、pH值和污泥停留时间是影响反硝化除磷技术的主要因素。

2.4.1DEPHANOX工艺

DEPHANOX工艺和BCFS工艺是目前国内外研究较多的两种反硝化除磷工艺。DEPHANOX工艺是Bortone.G等［5］于1996年提出的一种新工艺，该工艺在厌氧池和缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池，污水在厌氧池中发生释磷反应，在沉淀池中进行泥水分离，含氨较多上清液流入固定膜反应池进行硝化，污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧段，完成反硝化除磷［6］。该工艺具有能耗低、污泥产量低、碳源消耗量低等众多优点。

2.4.2 BCFS工艺

BCFS工艺是由荷兰Delft大学Kluyver生物技术实验室研究开发的一种变型的UCT工艺。此工艺有6个优点：①能有效去除氮和磷；②控制较简单，通过对溶解氧和氧化还原电位的控制能有效地实现过程稳定；③该工艺可以回收磷［9］；④污泥容积指数值低（80～120mL/g）并很稳定；⑤利用反硝化聚磷菌来实现生物除磷，该工艺能够有效利用碳源，并且能在碳磷比、碳氮比值相对较低的情况下良好地运行；⑥与常规的污水处理厂相比，该工艺的污泥产量减少了近10%。BCFS工艺在城市污水处理中无需添加任何化学药剂，该工艺通过利用反硝化除磷菌的缺氧反硝化除磷作用来实现最佳除氮及完全除磷。

3 结语

本文对生物脱氮除磷的基本原理做了简要的介绍，重点阐述了几种重点研究的生物脱氮除磷新技术和新工艺。目前，水体富营养化问题已经成为一个焦点问题，特别是我国对脱氮除磷技术的研究起步较晚，能很好地去除氮和磷的城市污水处理厂不多，故研究开发能良好的去除氮和磷的技术及工艺成为发展趋势，也更适合我们国家的国情。而硝化与反硝化技术、短程硝化反硝化技术、厌氧氨氧化技术及反硝化除磷技术都是在突破传统生物脱氮除磷原理基础上发展起来的，都是值得我们深入的研究和探讨的技术。

［1］李芬芳,龙睿.污水生物脱氮除磷新技术［J］.杭州化工,2007,37（2）:25-28.

［2］杨殿海,王峰,夏四清.废水处理工艺中同步硝化/反硝化研究进展［J］.上海环境学,2003,22（12）:878-882.

［3］郝晓地,汪慧贞,钱易.欧洲城市污水处理技术新概念——可持续生物除磷脱氮工艺（上）［J］.2002,28（6）.

［4］杨岚,杨景亮,李再兴,等.厌氧氨氧化技术研究进展［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

水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07317-02-03）。

郭周芳（1986—），女（汉族），湖南郴州人，硕士，主要从事水污染控制工程方向研究，（Tel）13457655931。