水处理中生物除磷技术的专利分析

张正军

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

0 引言

污水中的除磷技术一般可以分为物化法、化学法和生物法三种[4]。物化处理方法在实际的使用过程中会耗费大量的财力和人力，而且对于反应条件有着一定的要求。化学除磷技术是在污水中加入化学试剂，使溶于污水中的磷形成不溶性的磷酸盐沉淀，再通过分离技术将其进行分离，这样的方法会消耗大量的化学试剂而且生产化学污泥。这两种方法都不适合进行大范围的推广和应用。生物除磷技术主要是通过生物的同化作用将污水中的磷吸收或者是通过能微生物超量吸收废水中的磷。生物除磷技术去除效果十分的明显，而且不会产生其他的废物，同时它还可以通过对富集磷的活性污泥进行处理，从而将磷资源进行回收。因此生物除磷技术在水处理领域得到了快速的发展，越来越多的机构和专家进行了专利的申请。

1 生物除磷技术的原理

生物除磷主要是利用聚磷菌这类微生物，这类微生物在适合的自然环境中，可以将外界的磷进行摄取转化，然后排出，由此使污水中的磷得到处理[1]。传统的生物除磷步骤可以分为两个部分：第一部分就是在厌氧的条件下，聚磷菌将存储于自身内部的聚磷水解为正磷，由此获得足够的能量，将水里面含有的乙酸和丙酸吸收，并且以聚羟基丁酸的形式存储于细胞中。第二部分就是在氧气充足的条件下，聚磷菌会将体内的聚羟基丁酸分解，从而发生有氧呼吸运动，这个过程会产生大量的能量，利用这个能量就可以将污水中的磷酸盐进行吸收，在将其合成为聚磷酸盐，最后将其存储在微生物的细胞内，由此将污水中的磷进行去除。传统的生物除磷理论认为在利用聚磷菌进行除磷的时候，需要保障厌氧和好氧的交替进行，其中厌氧释放更是一个必要的阶段。但是，随着研究的不断进展，部分的研究者发现将反应器一直处于好氧环境下，只是将碳源和磷源分开的进行添加，强化生物除磷的现象仍然存在。我国的陈洪波等人利用SBR单级好氧生物除磷工艺对污水进行处理，实现了污水的同步脱氮除磷。由此可见微生物在不同的环境下也可以实现对磷的摄取和处理。

2 专利申请情况分析

通过查找相关的资料可以知道，目前关于水处理中生物除磷技术的专利文献一共有6235篇，国内申请的相关专利数量已经突破了2800件，国外的专利申请要比国内的多一些。

其中国内的申请专利中更多的是发明专利，在实用型专利的申请方面比较少，即在生物除磷技术专利的申请方面发明专利明显多于实用新型专利。而且随着我国对于环境保护问题的不断关注和重视，国内关于生物除磷技术的申请数量远远超过了国外专利的申请数量。在申请的单位中，科研院校在这方面的申请数量是最多的，个人进行申请的数量比较少，因为生物除磷技术的研究需要耗费较多的人力和物理，目前在我国主要的专利研究和申请还是科研院校占据着主导地位。而且通过对资料的整理和分析，可以知道我国对于水处理中生物除磷技术的研究和实际应用都比较晚，在2000年之前的专利申请只有8件，和发达国家之间的差距很大。但是随着近几年世界环境问题的日益严重，国家对于环境保护工作的重视程度不断地提高，各种各样的污水处理技术得到了广泛的发展和应用，特别是效率极高又环保的生物除磷技术得到了大力的发展，相关专利的申请数目逐年的递增，专利申请的种类也越来越丰富，每年都能有300件左右的专利在进行申请，极大地满足了生物除磷市场的需求，其中美国、日本等这些国家在很早之前就进行了相关专利的研究和申请。但是随着我国的不断发展，在生物除磷技术这一领域的研究更加的深入。虽然国外对除磷技术的相关研究起步更早，但是随着我国的发展和进步，无论是在专利研发领域还是相关技术的探索领域都远远地超过了其他的国家，使生物除磷技术得到了更加广泛的应用。

3 典型专利分析

传统的生物除磷技术在利用聚磷菌进行污水中磷的处理的时候，需要在好氧、厌氧交替的环境下进行工作。想要使污水中的磷得到更好的去除，就需要创造一个适合这些聚磷菌生存和繁衍的环境，这个环境既可以让它们实现无氧呼吸又可以在一定的时间使这些细菌可以进行有氧呼吸运动[2]。但是在这类环境中会产生一些其它的问题：硝化菌泥龄和聚磷菌泥龄会存在着差异，而且反硝化的过程中和磷的释放过程中都需要大量的碳源，这样就会使碳源的供给不足，使两者都不能良好的进行梵音。因此，近些年来，越来越多的科研机构和研究人员开始将反硝化除磷和生物除磷与化学除磷进行结合。

3.1 反硝化除磷

反硝化聚磷菌可以在对污水中磷进行吸收的同时将硝酸盐氮转化为氮气，这样就可以使聚磷菌对污水中的磷进行吸收，并且可以其转化为聚合磷酸盐在存储在细胞里面，从而将污水中的磷进行去除。吉林化工大学的相关研究者就发明申请了一种节能降耗短程硝化反硝化除磷工艺，它们在厌氧反应器和缺氧反应器里面安装好搅拌器，在好氧反应器里面设置好溶解氧DO自控仪和包埋载体床，然后还在厌氧反应器和第一个好氧反应器之间安装起一个流出水泵，将第二好氧反应器连接在沉淀池上面，中间安装一个污泥回流泵。同时通过对各种条件的控制和调节，使里面的亚硝酸菌得到快速的增加，成为污水中含量最多的菌种，使短程硝化反应得到了更加稳定的进行。采用这个工艺进行污水中磷的去除，不仅可以减少大量的氧气消耗和动力消耗，还能够通过其先进的技术工艺，节约污水处理过程中消耗的能源，并且减少相应的污泥产生。

3.2 生物除磷与化学除磷相结合

传统的化学除磷技术会因为化学试剂的大量使用而导致很多化学污泥的产生，但是通过和生物除磷技术的结合，可以在很大的程度上减少化学试剂的使用和污泥的产生。这个方法主要就是利用铁盐或者铝盐等化学试剂，在对污水中磷的处理过程中，将试剂添加在生物处理过程中，这样的话可以减小对化学试剂的需求和使用量，而且还能使污泥产生的量得到有效控制。化学试剂的使用可以在一定的程度上减少反硝化菌与除磷菌之间对碳源的竞争，使两者的反应过程都可以更加快捷方便，不会产生碳源不够的情况，但是使用化学试剂也有一定的缺陷，这类化学试剂在反应的时候会对硝化菌的硝化作用产生一定的抑制效果，而且使用的量越多，抑制效果就会越强烈，因此在进行使用的时候也要对其抑制作用进行考虑，不能大量地进行使用。

深圳的中兴环境工程技术有限公司就发明申请了一项关于生物除磷和化学除磷相结合的专利—化学强化生物除磷工艺方法。这个工艺先将含有磷的污水与回流的污泥进行缓和，之后在一起排入到生物曝气池中，进行曝气除磷的同时将污染物进行去除，使其在沉淀池中进行固液的分离[4]。沉降下来的污泥里面就会含有大量的磷，之后在选择合适的方法，使得聚磷菌在里面进行大量的繁殖。并且，有很大一部分的释磷污泥会通过回流重新回到生物曝气池中，释磷池上层清液进入后续的化学除磷池进行化学沉淀除磷。这个专利技术主要的有点就在于进行操作的时候流程十分的简单，没有太过于复杂的操作，并且它可以将污水中95%的磷进行去除。

4 结语

相比较于消耗较大的物化除磷技术和化学除磷技术，生物除磷技术利用大自然中的微生物在厌氧、缺氧和好氧交替环境下对污水中的磷进行富集，从而将污水中的磷除去，这样的方法具有绿色环保、节约资源的优点，是未来进行污水磷处理和资源化回收的主要发展和研究方向。目前，针对现在生物除磷技术存在的缺点进行分析，急需研究和开展的工作可以分为以下的几个方面：第一就是对生物除磷的机理进行更深层次的研究，对生物除磷技术有着更加清晰明了的认识，比如对反硝化聚磷的反应机理和影响因素进行跟更多的研究，让人们对于它有着更加清晰的认识[3]。第二就是结合分子生物学技术，使其在聚磷菌检测上的应用得到进一步的开发和完善。第三就是生物除磷技术的研究和应用，应该要跟随时代的发展和需求，要和国家节能减排的思想相符合，同时随着污水资源化工作的开展，研究出更加高效、节能和资源化回收的新型生物除磷工艺，并将之应用到实际工程中。