废水生物脱氮除磷工艺
目前，水污染问题已引起社会各界的广泛关注，水污染源主要有城镇生活污水、工业废水、农业污染源等。污水中氮、磷含量超标会造成水体富营养化，导致水质恶化，甚至影响人体健康。因此，研究开发经济高效的脱氮除磷新工艺是解决水污染问题的关键。脱氮除磷的方法主要有物理法、化学法、生物法。但物理化学法投资大，易产生二次污染，而生物法投资小，成本低，无二次污染，因此，生物法将是未来污水处理的主流方法。
1、生物脱氮除磷原理
一般而言，生物反硝化过程分为三步：第一步，有机氮在氨化细菌作用下分解转化为氨氮；第二步，氨氮在硝化细菌作用下进一步分解氧化为硝酸盐氮；第三步，在缺氧条件下，反硝化细菌将硝化过程中产生的硝酸盐氮还原为气态氮并排入大气。研究表明，在硝化反硝化过程中，有些细菌可以利用亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体，直接将氨氮氧化成气态氮。这一发现将为新型反硝化工艺的研究和开发奠定理论基础。
生物除磷是指聚磷菌在厌氧条件下吸收磷，在好氧条件下释放过量磷的一种生理变化现象，这种现象称为脱氮现象。研究发现，有一种兼性反硝化菌，能利用硝酸盐作为电子受体，将硝酸盐转化为气态氮，产生生物除磷。简而言之，生物反硝化除磷就是利用微生物的代谢活动，将有机氮和有机磷分解转化。
2 传统生物脱氮除磷典型工艺
传统的生物脱氮除磷工艺大致可分为两类：一类是按时间顺序分布的，如SBR工艺；一类是按空间顺序分布的，如A2/0工艺。氧化沟工艺既是时间分布的工艺，也是空间分布的工艺。这些工艺得到了广泛的研究和应用，并取得了良好的效果。
2.1 SBR工艺
SBR是序批式活性污泥法（ Batch ）的简称，其流程图如图1所示，是一种以间歇曝气方式运行的水处理技术。该工艺中SBR反应器的反应过程分为进水、反应、沉淀、排料、闲置五个阶段，周而复始，达到脱氮除磷的效果。
郭海燕等研究表明，进水C/N为2.2～3.5、曝气强度为48～50L/h时，反硝化除磷效果良好，TP、TN去除率分别为89.4%、84.5%。有研究表明，在碳源适宜的条件下，采用SBR工艺，TP、TN去除率分别为96%、78.3%。但该反应器容积利用率低，曝气量大，成本增加，不能连续运行。
2.2 A2/O工艺
A2/O工艺，即厌氧/缺氧/好氧工艺，是一种典型的污水处理工艺（流程图如图2所示）。废水首先进入厌氧段进行氨化反应、释磷，然后进入缺氧段进行反硝化，最后在好氧段进行硝化反应、吸磷。硝化液一部分回流至缺氧段，污泥一部分回流至厌氧段。
多年的研究成果和实际工程应用表明，A2/O工艺具有工艺流程简单、活性污泥膨胀小、基建和运行费用低等特点，但A2/O工艺也存在一定的缺点，如由于污泥和硝化液回流增加了投资和运行能耗，存在反硝化细菌和聚磷细菌争夺碳源的问题等。
2.3氧化沟工艺
氧化沟工艺自推出以来，在世界各地得到广泛应用，成为我国污水处理的主导工艺之一。氧化沟具有独特的结构形式（如图3所示），无终端循环水道，使曝气器产生的溶解氧沿水流方向产生浓度梯度并不断变化，使氧化沟在去除有机物的同时，对混合液中的氮、磷也有很好的去除效果。
氧化沟工艺抗冲击能力强、污泥稳定、基建投资和运行费用低，但研究与应用表明，氧化沟工艺在运行过程中没有考虑回流比，即使考虑回流比也依然采用经验值或非控制方法。
3. 传统生物脱氮除磷工艺存在的问题
总体来说，传统的反硝化除磷工艺存在微生物混养、碳源问题、污泥龄问题、回流污泥中硝酸盐问题等问题。单级SBR反应器在空间上完全混合，使硝化菌、反硝化菌等混杂在一起，抑制反应，且存在碳源不足的问题。A2/O工艺，即厌氧/缺氧/好氧工艺，存在内部回流系统，会将硝酸盐带回缺氧池，不利于聚磷菌对磷的积累，使除磷效果不明显，其反硝化效果很难通过改进而提高。氧化沟工艺是活性污泥工艺的变型，容易产生污泥膨胀，导致排泥量大，同沟内溶解氧浓度难以控制，因此反硝化能力有限，除磷率低。 因此，为了获得更好的脱氮除磷效果，需要进一步改造旧工艺或开发新工艺。
3.1 微生物生长条件受限
污水的脱氮除磷是多种微生物共同作用的结果，传统的生物脱氮除磷工艺一般为单一悬浮污泥生长体系，不能同时满足所有微生物（硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等）的最佳生长条件，因此系统很难达到理想的脱氮除磷效果。
3.2 碳源问题
系统对碳源的消耗主要在反硝化、聚磷菌厌氧释磷和异养菌代谢上，由于污水中易降解有机物产生的碳元素有限，且反硝化和厌氧释磷反应速率与碳源密切相关，因此需要深入研究才能取得良好的脱氮除磷效果。
3.3 泥浆年龄问题
较长的泥龄是获得良好硝化效果的重要保证。聚磷菌繁殖快、世代周期短，生物除磷是通过排出剩余污泥来实现的。如果泥龄过长，硝化过程中活性污泥的活性会下降，影响聚磷菌对磷的吸收，导致活性污泥中糖类物质的积累和非聚磷菌的生长，使除磷效果大大降低。因此，为了兼顾污泥龄对反硝化除磷的要求，通常控制系统在一个较窄的泥龄范围内运行，但实际运行中，系统的反硝化除磷效果往往不稳定。
3.4 回流污泥中的硝酸盐问题
在反硝化除磷系统中，硝化细菌、反硝化细菌、聚磷细菌参与整个系统的循环，发挥着重要作用。常规工艺中，缺氧区位于好氧区之前，因此好氧区污泥的回流必然会将部分硝酸盐带入缺氧区。在缺氧区，反硝化细菌会与聚磷细菌争夺底物，不能满足聚磷细菌的正常生长代谢，导致除磷效果降低。
4、生物脱氮除磷新工艺
基于传统生物脱氮工艺存在的问题及问题产生的原因，本着寻找高效、经济、适用工艺的原则，近年来不断发展新的生物脱氮除磷工艺，如改进工艺、BCFS工艺、α-组合工艺等。改进工艺具有独立的硝化系统，将硝化与反硝化反应分开，解决了碳源不足、微生物混合培养的问题。BCFS工艺是一种改进的氧化沟组合工艺，大大减少了污泥的产生量，提高了除磷率。α-组合工艺通过将氨氮的氧化控制在亚硝酸盐阶段，直接进行反硝化反应，大大缩短了反应时间，不存在碳源供应不足的问题，具有良好的脱氮除磷效果，是一种非常经济、适用的污水处理工艺。
4.1 改进工艺
本工艺的原理为反硝化除磷，从理论上进一步强化了氮磷矛盾的解决。工艺流程如图4所示，污水进入系统后，先与回流污泥混合，吸附大量有机物，上清液进入独立的硝化系统，下层有机污泥进入厌氧区，再在缺氧区重新混合，随后进行脱氮，流入二沉池，最后达标排放。
该工艺的特点是具有独立的硝化系统，使硝化反应充分进行，为反硝化提供充足的氮源，使整个系统平稳、高效运行。该工艺COD去除率为84.4%，氨氮去除率在80%左右，总氮、总磷去除率分别为67.1%和79.4%，基本达到了预期效果。
4.2 BCFS 流程
荷兰代尔夫特大学Mark教授基于氧化沟和UCT工艺开发的BCFS工艺，是目前已投入使用的单污泥系统。该工艺主要由厌氧池、选择池、缺氧池等5个主池及3个循环系统组成，工艺流程如图5所示。
该工艺实现了反硝化与生物除磷的有机结合，其特点是：氮、磷去除率高，比常规污水处理减少污泥量10%左右，操作简单，脱氮除磷效果好，是一种非常有前景的污水处理工艺。
4.3 – 组合工艺
该工艺基本原理为短程硝化反硝化，此原理与传统硝化反硝化的区别在于将氨氮氧化控制在亚硝酸盐阶段直接进行反硝化，缩短了反应时间，提高了除磷效果。在厌氧氨氧化工艺中，由于厌氧氨氧化菌为自养菌，不需要外界碳源，大大降低了硝化反应的充氧能耗。因此，将该工艺作为硝化反应器，将该工艺作为反硝化反应器，组成组合工艺，其工艺流程图如图6所示。该工艺适用于处理高氨氮浓度的废水，与传统工艺相比，该工艺反应时间短，能耗低，产泥量少。
5. 展望
废水脱氮除磷技术已成为水污染控制的重要技术，未来的发展将集中在以下方面：
（1）改进传统的脱氮除磷工艺，使不同营养类型的微生物在不同的反应器中独立生长，将传统工艺结合起来，寻找最佳的新组合工艺。
（2）基于短程硝化与反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷等新理论开发新型脱氮除磷工艺。目前，一些新技术已在实际中得到应用，但这些新技术的原理、过程和影响因素还未被完全阐明，需要进一步深入研究。
（3）生物脱氮除磷工艺应遵循可持续发展理念，尽量减少CO2排放和剩余污泥产生量，实现污染物无害化处理和废水资源化利用。（来源：湖南省畜牧兽医研究所、湖南星光安农牧有限公司）