水务热点 | 边德军课题组：新型生物脱氮除磷技术在城市污水处理中的发展趋势
关于作者
杜林珠
吉林省城镇污水处理重点实验室、长春工程学院水利与环境工程学院边德军教授课题组成员。吉林省城镇污水处理重点实验室于2012年经吉林省科技厅批准成立，是全省唯一一个以城镇污水处理基础理论与技术研发、人才培养和社会服务为重点的省级科研平台。重点实验室现有固定研究人员33人，流动研究人员13人，涵盖市政工程、环境工程、环境科学、应用化学、数学、安全工程等专业；教授8人，硕士生导师12人，具有博士学位的教师22人；入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”1人，省杰出专业技术人才1人，吉林省高等学校科研春苗人才3人，吉林省优秀教师1人。 重点实验室在城镇污水生物处理节能理论与技术、污水处理及资源化利用技术、城镇污水低温生物处理理论与技术、工业废水处理技术、城镇污水处理安全技术、城镇污水水质检测技术等主要研究方向开展科学研究、工程应用研究和社会服务工作。
重点实验室主持国家科技重大专项子课题2项、国家重点研发计划1项、国家自然科学基金项目8项、省部级项目40项、局级项目43项、横向项目17项。实验室授权发明专利17项、实用新型专利33项、发明专利转让1项。发表论文160余篇，其中SC1收录20篇、EI收录38篇、核心论文40篇。获国家科技进步二等奖1项；省科技进步二等奖1项、三等奖3项；吉林省自然科学学术成果一等奖1项、二等奖3项、三等奖4项。1项入选全国百佳“水专项城市水污染治理领域典型工程示范”，2项技术列入吉林省水污染防治技术目录，编制地方标准2项。 向吉林省人民政府提交的《吉林省城镇污水处理厂冬季运行调查报告》被采纳。
概括
目前，我国城镇污水处理厂主要矛盾已由有机物的去除转向氮、磷等营养物质的去除，而城镇污水处理厂目前采用的传统生物脱氮除磷工艺由于其自身特点及城镇污水的特点，无法满足日益严格的国家标准。针对这一问题，本文介绍了同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化等新技术及其研究现状，探讨了新型生物脱氮除磷技术在城镇污水处理领域应用的优越性和合理性。基于多微生物协同去污机理，结合我国城镇污水处理可持续发展现状，探讨了未来的技术发展方向。
研究亮点
1.总结分析同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化等新技术及其研究现状，探讨新型生物脱氮除磷技术在城镇污水处理领域应用的优越性和合理性；
2.基于多微生物群落协同污染去除机理，结合我国城镇污水处理可持续发展现状，探索未来技术发展方向。
城市污水处理一直是城市建设的关键环节，作为环保领域的一个重要分支，长期以来都是备受关注的话题。近几十年来，随着社会向城镇化、工业化发展，居民生活水平的提高，水体富营养化问题愈发严重，给城市污水处理带来了巨大的挑战。据《2019中国生态环境统计年鉴》显示，2019年，全国共排放化学需氧量（COD）5.671×106t、总氮（TN）1.176×106t、总磷（TP）5.9×104t。城市污水处理中氮、磷污染物占比较大；而与COD年去除量的增幅相比，氮、磷污染物年去除量的增幅较小。
在现有的城市污水处理技术中，如AAO、SBR、氧化沟等都存在一定的局限性，如对碳氮比（C/N）或碳磷比（C/P）有一定的要求，微生物菌株的独立性导致生化反应过程出现障碍，微生物的世代时间不同导致对泥龄的要求不同等，通常伴随着较高的成本和较大的人力消耗。这些缺陷使得城市污水反硝化除磷的效率越来越不能满足人们的需求。因此城市污水处理技术需要在强化反硝化除磷方面做出一定的改进。近年来，许多研究人员提出了多种新型、高效的反硝化除磷技术。 本文介绍了厌氧氨氧化和反硝化除磷等新技术的原理及研究现状，探讨其在城镇污水处理中应用的合理性和优越性，并在此基础上提出多微生物群落协同污染去除的概念，探索可持续城镇污水处理技术未来发展方向。
脱氮除磷新技术
1.1
同步硝化反硝化除磷
同步硝化反硝化（SND）是40多年前在土壤水淋溶过程中发现的一项新型硝化反硝化技术，是指在同一反应器内同时进行传统生物硝化与反硝化过程（图1）。
图1 硝化反硝化过程
目前有证据表明该理论是可行的，可减少近30%的碳需求和污泥产量。迄今为止，SND已成为一种有前途的高效脱氮技术选择。例如，Chai等研究了序批式生物膜反应器中强化SND处理低C/N废水的性能，结果表明当同步硝化反硝化效率（SND率）大于97.3%时，仍能实现有效的脱氮。若将SND系统与除磷系统相结合，可以提出一种新的同步硝化反硝化除磷（SNDPR）系统，进一步降低处理过程中的碳和氧需求。如今，许多研究人员对SNDPR系统及其各类衍生技术的影响因素进行了研究，探讨其实用性，如表1所示。
表1 影响SNDPR系统性能的因素
大量试验结果表明，由SNDPR系统衍生的各种新工艺、新技术在各种条件下均表现出良好的耐受性，对低C/N废水均取得了良好的去除效果，体现了一定的实用价值。作为一种相对容易实施的高效脱氮除磷方法，SNDPR的特点增加了生物池集成的可能性，可以预见其在未来水处理领域将发挥重要作用。但其目前在污泥形态、溶解氧等方面还存在一定的局限性，例如由于生物硝化与反硝化对氧环境的要求不同，某一工艺会受到一定的限制，导致SND速率较低，去除效果不理想。因此，如何控制反应器内的溶解氧将是一个棘手的问题。
1.2
厌氧氨氧化
厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，以亚硝酸盐氮为电子受体，将氨氮直接氧化为氮气的过程。整个过程必须保持完全厌氧条件，研究表明最佳操作条件为pH值为8，温度在30℃左右（图2）。
图2 厌氧氨氧化工艺流程
该工艺是在1965年在观察到缺氧海盆中的氨损失后首次提出的，海洋沉积物孔隙水剖面中亚硝酸盐和氨的同时消失为该反应的存在提供了早期证据。但直到1995年该技术才首次在处理废水的反硝化流化床反应器中得到示范，2007年才在鹿特丹建成第一座大规模厌氧氨氧化反应器。与传统反硝化方法相比，厌氧氨氧化具有更高的反硝化容积负荷，研究表明其反硝化容积负荷很容易达到5 kg/(m3·d)，而对于传统反硝化工艺，反硝化容积负荷通常小于0.5 kg/(m3·d)。如表2所示，对厌氧氨氧化已进行了大量研究。
表2 厌氧氨氧化系统性能
厌氧氨氧化作为近年来兴起的新技术，凭借其反硝化效率高、污泥产量低、碳源需求量少等优势，成为一种理想的脱氮方式。但是厌氧氨氧化的缺点也十分明显，其主要缺点是厌氧氨氧化菌的生长速度很慢、细胞产量低。另外厌氧氨氧化容易受到环境因素的影响，低温、高碱度、有机物形态等诸多因素都会抑制其反应性能。其中作为反应底物的亚硝酸盐氮和氨氮是影响其速率的关键因素，但过高的底物浓度会抑制其反应速率。实验验证了同时提供能量的碳源也具有此特性。与实验室试验相比，这些影响因素在实际工程中更难控制。因此，厌氧氨氧化的应用条件将成为该技术从实验室技术过渡到实际应用的关键问题。 可以预见，该方向将成为未来技术研究的重点和难点。
1.3
反硝化除磷
1987年，等人发现了一类不同于传统除磷工艺中的聚磷酸盐菌的新型聚磷酸盐菌，这种聚磷酸盐菌在缺氧环境下既能去除氮污染物，又能去除磷污染物，并命名为反硝化聚磷酸盐菌（DPAOs）。DPAOs利用体内储存的聚羟基脂肪酸酯（PHA）在缺氧环境下以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮作为电子受体取代氧气，从而实现过量磷的吸收。与传统除磷工艺相比，反硝化除磷可实现同时脱氮除磷和“一碳两用”，解决了大部分能耗问题，理论上可节省曝气系统能耗30%，碳源需求量和污泥产量分别减少50%和100%。 根据反硝化除磷的特点，它可以与很多技术配合使用，也衍生出了很多新工艺，如UCT、AOA、AAN等。这些工艺的共同特点是可以最大限度地利用反硝化除磷原理的“一碳两用”特点，避免硝化细菌与DPAOs之间的竞争，非常适合处理低C/N污水。大量学者对其适宜的工况条件进行了研究，探索其实用性，如表3所示。
表3 反硝化除磷系统性能
反硝化除磷目前正处于由基础研究向实际工程过渡的阶段，但除了具有节能、碳两用等优点外，还存在一些缺陷。要实现反硝化除磷，需要控制合适的C/N，在厌氧部分投加硝酸盐作为底物时，需要注意投加方式。另外，反硝化除磷菌的世代周期相对较长，需要控制污泥在反应器中的停留时间不宜过短，以便为反硝化除磷菌提供良好的生长环境。同时，虽然反硝化除磷技术的污泥产量相对较小，但其后续污泥处理难度较大，填埋后可能在厌氧条件下造成磷的释放，从而影响环境，也给实际工程带来一定的麻烦。
1.4
短程硝化和反硝化
短程硝化反硝化是指在硝化反应过程中，抑制第二阶段硝化反应，只硝化至亚硝酸盐氮状态，再利用过剩的亚硝酸盐氮作为电子受体进行反硝化的过程，如图3所示。
图3 短时硝化反硝化过程
短时间硝化反硝化也能有效去除氮，由于硝化反应并未全部完成，其反硝化率会大大提高。最早成功实现短时间硝化反硝化的工艺就是该工艺，但该工艺的操作条件较为苛刻，高温、高氨氮浓度制约了其实际应用的可行性。因此寻找适合短时间硝化反硝化的条件，探索其实用性是众多研究者关注的重点。目前主要采用抑制剂、溶解氧、组合技术等实现短时间硝化反硝化，如表4所示。
表4 短程硝化反硝化系统运行条件
与传统生物反硝化工艺相比，短期硝化阶段可减少耗氧量25%；随后的缺氧反硝化阶段可减少碳源消耗40%左右；且亚硝酸盐氮反硝化反应速率为硝酸盐氮反硝化速率的1.5～2倍，可有效降低系统的HRT，此外还有助于减少污泥产量和碱度添加量。短期硝化反硝化技术具有很大的优势。但短期硝化反硝化对菌种要求较高，正常运行时必须先富集菌种。由于短期硝化与反硝化是两个不同的过程，其对氧环境的要求也不同，需要严格控制氧环境的变化，底物浓度也是制约其反应的条件，需要在反应器中积累亚硝酸盐的同时逐渐淘汰亚硝酸盐细菌，目前其条件还比较苛刻。
脱氮除磷技术发展方向
在普通城市污水处理厂采用的传统活性污泥法中，生物脱氮通常分为氨化、硝化、反硝化三个过程，分别由氨化菌、硝化菌、反硝化菌完成。其中，硝化需要在好氧环境中完成，反硝化需要在厌氧环境中完成。对于除磷，除磷系统中通常利用聚磷菌过量的聚磷能力，在厌氧环境中释放磷，在好氧环境中吸收过量的磷，然后通过排出剩余污泥去除磷。不同生物反应对氧环境的要求不同，导致传统水处理工艺，无论是SBR工艺还是AAO工艺，对反应过程在空间或时间上都有一定的限制。这种限制通常会引起系统内碳源竞争激烈、污泥产量过大、操作复杂等一系列问题。 城市污水的另一个问题是C/N偏低导致反硝化效率差，通常解决这个问题的方法是向生物处理部分额外添加碳源，但这种方法的成本很高。
如果继续沿用目前的污水处理技术，在不断追求去除效果的同时，必然伴随工艺操作困难、结构复杂、成本上升等一系列问题。如果能开发出一种高效、可持续的新型污水处理技术或工艺，并运用到城镇污水处理中，必然能取得巨大的社会效益和经济效益。
对比现有的各种生物脱氮除磷技术，由表5可以看出，从本文介绍的新型污水生物脱氮除磷技术来看，它们都具有不同程度地节省碳源、减少污泥产量的优点，且反应速度相对较快。这些优点使得它们在处理低C/N污水时具有很强的适应性，在温度、pH、泥龄、曝气方式等不同运行条件下均表现出良好的耐受性，能够稳定运行。这些技术优势可以运用在城镇污水处理中，弥补现有技术在处理城镇污水脱氮除磷方面的不足。虽然目前研究有限，应用条件尚不成熟，但未来这些新技术如果投入实际应用，将会解决很多问题。
表5 脱氮除磷技术对比
从新型污水生物脱氮除磷技术的原理来看，控制优势微生物菌群是保证工艺达到预期效果的前提，其控制条件较为苛刻，这也是新技术推广应用受到限制的原因之一。基于微生物菌群的功能及其生存环境的特点，若能在同一空间内实现多种功能菌群协同工作，不仅可以降低能耗、节省投资，更重要的是可以大大提高生化反应效率、简化控制条件。微压内循环生物反应器是一种仅利用反应器本身结构特点，在反应器内部形成独特水力流状态，实现不同功能菌群在同一反应器空间内协同去污效果的反应器，作为可持续城镇污水处理的新技术，具有潜在的优势。
结论与展望
我国城镇污水的独特性质和环境特点，导致传统的生物脱氮除磷技术效果不佳。随着我国氮磷排放标准的日益严格，结合我国城镇污水处理的可持续发展，今后应加大对新技术的研究和推广力度，加强对新技术使用条件和优缺点的了解，争取将此类有潜力的新型污水生物脱氮除磷技术尽快应用于我国城镇污水处理中。基于此类新技术，积极开发高效节能的污水生物脱氮除磷工艺，是解决此类问题值得考虑的研究方向。
推荐参考
本文原标题为《城镇污水处理新型生物脱氮除磷技术研究进展》，发表于《净水技术》2021年第11期“净水技术前沿与热点”专栏，欢迎水行业学者、科研技术人员参考。参考文献格式如下：
杜林珠,艾胜书,刘宣同,等.城镇污水处理新型生物脱氮除磷技术研究进展[J].净水技术,2021,40(11):28-34.
杜林忠,艾胜胜,刘晓婷,等. 论城市新型城镇化[J]. 水利,2021,40(11):28-34. 水利,2021,40(11):6-15,27.