污水生物脱氮除磷研究进展

罗丽芳

（新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830046）

氮、磷是生命活动所需要的重要营养元素，随着社会的高度城镇化、工业化和人口密度的增加，大量的氮、磷排放至天然水体，造成水体富营养化，严重危害生态系统。尽管污水处理厂不断升级改造，处理效率也不断提高，但氮、磷等营养物质的排放造成河流、湖泊富营养化问题也并未从根本上得到解决。《中国水资源公报》显示，在2018年调查的124个湖泊中，富营养状态占比27.0%，中营养状态占比67.5%；而2019年调查的107个重要湖泊中，富营养状态占28.0%，中营养状态占65.6%。减少外部营养盐的输入，控制人为污染源是防止并减轻水体氮磷污染最直接、最有效的措施[1]。生物法以其高效、低耗的特点广泛运用于世界各地污水处理厂，能够有效去除氮、磷等营养物质。本文概述了生物脱氮除磷理论及工艺的研究现状，以期为脱氮除磷理论的发展及工艺的实际运用提供参考。

1 脱氮除磷理论

1.1 生物脱氮理论

在污水生物处理过程中，生物脱氮主要是由氨化菌、硝化菌和反硝化菌通过氨化、硝化和反硝化作用将含氮化合物转变为氮气（N2）而被去除。氨化作用即具有氨化功能的细菌、真菌和放线菌在好氧或厌氧的条件下将有机氮化合物分解产生氨氮（NH4+）。硝化作用是亚硝化细菌和硝化细菌在好氧条件下协同作用，并经两步完成：第一步是亚硝化反应，即氨氧化细菌（AOB）将NH4+转化为亚硝态氮（NO2-）；第二步是产生的NO2-被亚硝酸氧化菌（NOB）氧化为硝态氮（NO3-）。硝化细菌（AOB和NOB）具有相似的生命和代谢特征，二者均为自养型微生物，不需要有机营养，以CO32-、HCO3-和CO2等无机碳化合物为碳源，从氧化NH3、NH4+或NO2-的过程中汲取能量进行生命活动，对环境因素如温度和pH较为敏感，适宜在中性和偏碱性环境中生长；二者生长缓慢，世代时间较长，运行参数如泥龄（SRT）、溶解氧（DO）、水力停留时间（HRT）、温度和碱度等是关键影响因素。污水处理系统中，硝化菌主要以亚硝化螺菌属（Nitrosospira）和亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）为主，亚硝化菌主要以硝化刺菌属（Nitrospina）、硝化球菌属（Nitrococcus）、硝化螺菌属（Nitrospira）和硝化杆菌属（Nitrobacter）为主，两类微生物共同完成硝化过程（NH4+→NH2OH→NO2-→NO3-）。反硝化作用则是反硝化菌在缺氧条件下利用低分子有机物作供氢体，以NO3-为最终电子受体，将NO-3还原为 N2，完整过程为NO3-→NO2-→NO→N2O→N2。

反硝化菌种类多样，已知具有反硝化功能的微生物有10科、50个属以上的种类，自然界中最普遍的反硝化菌是假单胞菌属（Pseudomonas），包括铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、施氏假单胞菌（Pseudomonas stutzeri）和绿针假单胞菌（Pseudomonas chlororaphis）等6个种，其次是产碱杆菌属（Alcaligenes），微生物的协同作用将氮从系统中脱除，能够保证出水中氮的达标。

1.2 生物除磷理论

污水生物除磷主要由聚磷菌（PAOs）吸收溶解性的磷储存在体内，并随剩余污泥排出。在厌氧条件下，PAOs分解体内的多聚磷酸盐产生ATP，利用ATP进行主动运输，吸收易生物降解的基质如低级脂肪、葡萄糖、甲醇和丁酸等，同时在体内合成聚β-羟基丁酸（PHB）/聚β-羟基戊酸（PHV）并储存作为营养物质，与此同时释放PO43-并产生能量。在好氧条件下，PAOs分解体内的PHB/PHV和外源基质，产生质子驱动力（pmf）吸收PO43-合成ATP，将剩余的PO43-以多聚磷酸盐（异染颗粒）的形式储存在细胞内，随剩余污泥排出系统，达到高效除磷的目的。

目前，已从活性污泥中分离出60多种PAOs，其中不动杆菌（Acinetobacter）、黄杆菌属（Flavobacterium）、假单胞菌属（Pseudomonas）和气单胞菌属（Aeromonas）等的聚磷能力最强，数量最占优势。大型污水厂普遍存在的主要聚磷菌有Tetrasphaera和聚磷假丝酵母菌（Acumulibacter），二者具有协同作用[2]。研究表明，Tetrasphaera具有与Acumulibacter相当甚至更高的除磷能力，主要负责对葡萄糖和氨基酸进行发酵，通过发酵不仅为自身提供能量，也为Acumulibacter提供挥发性脂肪酸（VFAs），以便Acumulibacter更好地生存[3]。

反硝除磷机理是指在缺氧和好氧交替的运行条件下，反硝化除磷菌（DPAOs）通过代谢作用实现同步吸磷和反硝化过程。DPAOs以NO3-/O2为电子受体在缺氧条件下进行吸磷，将污水中的磷以聚合磷酸盐的形式贮存在体内，同时将NO3-还原为 N2，实现氮和磷的去除。反硝化除磷领域主要以DPAOs的种类、生理特征和行为为主要研究内容。研究表明，PAOs中超过一半以上都能以NO3-/O2作为电子受体完成反硝化和吸磷过程[4]。

2 脱氮除磷工艺

2.1 传统脱氮除磷工艺

传统的脱氮除磷工艺包括氧化沟工艺、A/O工艺及其衍生工艺（两段式和多段进水多级A/O工艺）、A2/O工艺及其衍生工艺（多级A2/O工艺）、SBR工艺、CASS工艺、A/B工艺、UCT工艺、Johannesburg工艺、VIP工艺和Bardenpho工艺等，这些工艺都是依靠调节工艺参数尽可能地降低各因素影响，为微生物的生长和代谢提供良好条件，从而实现氮和磷的去除。脱氮除磷工艺种类多样，其中氧化沟工艺、A2/O工艺和SBR工艺普遍运用于实际污水处理厂。

2.1.1 氧化沟工艺

氧化沟工艺因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名，该工艺是一种改良型活性污泥法，水流流态特征独特，介于完全混合和推流之间，其表面曝气设备调节供氧量或表面曝气与微孔曝气相结合可在沟内形成好氧和缺氧的交替区，能够实现同步硝化反硝化。该工艺具有流程简易、运行方式灵活、污泥产量低、耐冲击负荷、出水水质稳定、处理效果良好等显著优点。缺点是占地面积大，易产生污泥膨胀、泡沫和流速不均及污泥沉积等问题。

2.1.2 A2/O工艺

A2/O工艺亦称厌氧-缺氧-好氧法，能够实现污水中氮和磷的同时去除。在实际污水处理过程中，进入厌氧池的污水与回流污泥混合，兼性厌氧菌分解反应器中的大分子有机物，聚磷菌进行释磷。在缺氧池中，反硝化菌以污水中有机物为碳源，将回流混合液中带入大量的NO3-和NO2-还原为N2并释放到空气中。在好氧池中进行硝化过程，NO3-的浓度增加，溶解性磷随着聚磷菌的过量摄取，以较快的速度下降。该工艺流程简单、总水力停留时间短；厌氧、缺氧、好氧交替运行的条件抑制了丝状菌的生长，可以控制污泥膨胀；运行期间不需投加药物，减少了投资费用。2017年，吴毅晖等[5]对昆明两座采用A2/O工艺的污水处理厂的运行效果进行调查，发现NH4+和总磷（TP）的去除效果均高达90%以上。

2.1.3 SBR工艺

SBR工艺具有独特的运行方式，即间歇式运行，原污水流入、有机底物降解反应、泥水分离、出水排放等各项污水处理过程均在唯一的反应器内完成。该系统工艺流程简单，基建与维护运行费用较低；能够控制活性污泥膨胀；可依据实际进水的水量和水质调整运行方式，灵活掌控时间，为氮、磷的有效去除创造良好条件。在酚类废水处理的具体案例中，SBR工艺的适用性已经得到了证明[6]。其衍生工艺如ICEAS工艺、CASS工艺、DAT-IAT工艺和UNITANK工艺各具特色，既能够减少占地面积，节约能耗，又具有高效脱氮除磷的功能，但仅适用于中、小水量的污水处理，在中、小城市污水处理领域具有更广阔的应用前景。

传统生物脱氮除磷工艺成熟，脱氮除磷效果较好，但仍存在许多不足。脱氮除磷系统中的微生物生理特征不同，对环境的适应能力各不相同，差别较大的微生物互相影响，不利于工艺的高效稳定运行；脱氮除磷过程能耗高，需要消耗大量的氧气和能量；大多数工艺设有污泥和混合液回流过程，使系统更加复杂，较大的占地面积造成基建费用和运行费用增加；剩余污泥量大，且富含磷，这些均违背了可持续发展理念。因此，解决以上问题是传统脱氮除磷技术所面临的挑战。

2.2 新型脱氮工艺

2.2.1 SHARON工艺

SHARON即短程硝化反硝化，是指利用硝化菌和亚硝化菌在动力学特性上存在的固有差异，控制硝化反应只进行到NO2-阶段，不再生产NO3-，再由大量积累的NO2-直接生成N2（NH3-→NO2-→ N2）。SHARON工艺是在高温环境下（30～35 ℃）限制充氧量（0.5～1.0 mg/L）并缩短曝气时间，对硝化菌和亚硝化菌进行选择。在该工艺设定的温度条件下，硝化菌的最小泥龄大于亚硝化菌的最小泥龄，可以淘汰硝化菌，使大量亚硝酸盐积累，将NH4+的氧化过程只进行到产生NO2-阶段，随后进行反硝化过程。该技术反应时间短，能够节约O2和碳源，同时能减少剩余污泥的产生。

2.2.2 SND工艺

SND即同步硝化反硝化，是在同一反应器中减少曝气量的情况下同时实现同步异养硝化和好氧反硝化，无严格的好氧和缺氧分区，也不需要控制好氧和厌氧菌群，单个污泥生物质或联合体可同时进行硝化和反硝化，而不会发生好氧-缺氧相变，控制更简单。一些异养细菌如粪产碱菌（Alcaligenes faecalis）和泛养硫杆菌（Thiosphaera pantotropha）能够在好氧条件下通过使用有机底物作为碳源和能源，将NH+4转化为N2，从而进行SND；泛养单胞菌（Thiosphaera pantotropha）在全好氧条件下具有很高的活性，为SND提供了巨大的潜力[7]。相较于传统的脱氮技术，该技术对O2和碳源的需求低，甚至不需要碳源，所需设备的数量少、尺寸小，在很大程度上节约了污水处理成本。

2.2.3 ANAMMOX工艺

ANAMMOX即厌氧氨氧化，是指厌氧氨氧化菌（AAOB）在缺氧/厌氧条件下，以HCO3-作为碳源，以NH4+和NO2-分别作为电子供体和电子受体，将NH4+转化为N2。ANAMMOX对环境因素如温度、DO和pH的要求较为严格，且AAOB具有细胞产率低、世代周期长、环境适应能力弱等缺陷，使ANAMMOX工艺启动时间长且困难，不能稳定运行，阻碍了其大规模实际应用。尽管有这些不足，但因其不需要O2和有机物的参与，且污泥产量低，该工艺的发展和实际应用具有可持续发展意义。目前，在垃圾渗滤液、高氨氮焦化废水和消化污泥脱水液的处理等方面已有成功实例[8]。

2.2.3.1 SHARON-ANAMMOX工艺

SHARON-ANAMMOX工艺是在两个反应器中分别进行亚硝化和ANAMMOX反应实现脱氮。在SHARON工艺中，通过对T、DO、HRT和pH等参数进行调控，使反应器内部亚硝化菌的生长速率超过硝化菌，亚硝化菌占主导地位，淘汰硝化菌，控制硝化反应只进行到产生NO2-阶段。该过程的核心是控制NH4+氧化为NO2-，使进入ANAMMOX反应器中的NH4+和NO2-浓度相近，为后续ANAMMOX反应提供良好条件。接着在ANAMMOX工艺中，AAOB在缺氧/厌氧条件下将NH4+和NO2-转化为N2。与传统的硝化反硝化工艺相比，该工艺的需氧量减少60%，外部碳源使用量减少100%，产生NO2-和NO3-较少，产生的污泥量可忽略不计，NO和N2O等不良副产品的排放量也有所减少[9]。该工艺能够对垃圾渗滤液、污泥消化液及养殖场废水等高浓度的含氮废水进行高效脱氮[10]。

2.2.3.2 OLAND工艺

OLAND即自养硝化反硝化，OLAND工艺由限制性的短程硝化与厌氧氨氧化耦合而成。AOB在低浓度DO条件下将约50%的NH4+转化为NO2-作为电子受体（部分亚硝化），AAOB随后将剩余的NH4+与产生的NO2-结合作为电子受体进行反硝化，将NH4+转化为N2。Nguyen N H等[11]研究发现，在OLAND过程中，由AOB和缺氧AAOB组成的混合菌群在旋转生物接触器（RBC）中生长良好。由于该工艺过程中进行了短程硝化，具有耗时短、能耗低、脱氮效率高、占地面积小等优点，适合处理低COD（化学需氧量）、高NH4+废水。

2.2.3.3 单相CANON工艺

单相CANON工艺即单相全程自养工艺，是在单一反应器中进行短程硝化和厌氧氨氧化反应。AOB在短程硝化阶段中的好氧条件下将部分NH4+氧化为NO2-，然后AAOB在厌氧氨氧化阶段的厌/缺氧条件下，以生成的NO2-为电子受体，剩余的NH4+为电子供体，反应生成N2。该工艺需氧量少、无需碳源、污泥产量低、无需外加电子供体，能够长时间稳定运行。若要实现该工艺的大规模应用，则需要控制DO浓度，避免有机物的冲击，抑制NOB的活性并降低游离氨和游离亚硝酸盐的浓度。目前，该工艺已运用于垃圾渗滤液、污泥消化液和沼液中NH4+的去除，并取得显著成效[12]。该工艺的衍生工艺HRAS-CANON工艺和同步亚硝化、厌氧氨氧化和反硝化（SNAD）工艺在污水脱氮领域有着绝佳的应用前景[13]。

2.3 反硝化除磷工艺

2.3.1 DEPHANOX工艺

DEPHANOX工艺是为反硝化聚磷菌（DPAOs）提供良好条件的强化除磷工艺。该工艺在厌氧池和缺氧池中间新增了沉淀池和固定膜池。进水与回流污泥进入厌氧池，DPAOs进行释磷，同时吸收VFAs并将其转化为PHB；污水进入沉淀池完成泥水分离，上清液进入固定膜池进行硝化反应，污泥越过固定膜池进入缺氧池，其中的DPAOs以细胞内PHB为电子供体，NO3-为电子受体，完成反硝化脱氮并过量摄磷。该工艺的优点是为脱氮菌和除磷菌提供各自适宜的污泥龄，避免在共存时出现矛盾；在聚磷和脱氮过程中，“一碳两用”有效避免了两类功能菌竞争有机底物。研究表明，DEPHANOX工艺在处理C/N介于4～5之间的生活污水时表现出优异的脱氮除磷效果[14]。

2.3.2 BCFS工艺

BCFS工艺是根据巴斯维尔氧化沟（Pasveer）和UCT工艺及理论研发的改进工艺。该工艺由厌氧池、接触池、缺氧池、混合池和好氧池5个独立的反应池及3个内循环系统构成[15]。与氧化沟相比，BCFS工艺中污泥指数（SVI）较高，污泥浓度较低，减小了工艺总容积；除磷单元与曝气池独立，避免了化学药剂污染活性污泥[16]。与UCT相比，BCFS工艺增加了接触池和混合池，接触池为缺氧环境，有效抑制了丝状菌的生长繁殖，防止污泥膨胀；混合池较低的DO为同时硝化反硝化提供了良好条件。该工艺脱氮除磷效率高、污泥产率低，脱氮和除磷有机结合，极大程度上节约了资源。

2.3.3 A2NSBR工艺

A2NSBR工艺是由A2/O-SBR反应器和N-SBR反应器耦合而成。A2/O-SBR反应器主要负责反硝化脱氮除磷及COD的去除；N-SBR反应器主要进行硝化反应。两种反应器中的活性污泥完全独立、互不干扰，相互交换处理后的上清液。该工艺为PAOs和硝化菌分别提供各自适宜的泥龄，解决了两种微生物的竞争问题，优化了脱氮除磷效果。由于该工艺为后置反硝化除磷方式，NH4+并未全部硝化，导致出水中含有较高浓度的氨氮。为解决此问题，赵伟华等[17]首次提出调换传统A2NSBR工艺中硝化反应段与缺氧反硝化除磷段，形成前置A2NSBR工艺，并研究系统的启动特性。结果表明，系统出水中NH4+、总氮（TN）和TP均能稳定达到国家GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A处理标准。

3 结语

氮、磷超标是引起水体富营养化的主要原因，而我国乃至世界其他国家一直面临着水体富营养化问题，生态环境被严重破坏。因此，污水的脱氮除磷仍然是国内外科研人员研究的热点问题，开发适合我国国情且能够同时脱氮除磷的节能经济、高效稳定运行的工艺也是未来研究的重点和方向。本文总结了生物脱氮除磷机理、工艺及新型工艺，为脱氮除磷理论、工艺的发展和实际应用提供参考依据。