彭永臻：新型生物脱氮除磷能否解决污水处理瓶颈？
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彭永振院士将出席2020中国工业水大会暨第40届年会，报告题目：短程反硝化耦合厌氧氨氧化处理高硝酸盐氮工业废水
城市污水处理存在两大难题，第一是污水中氮磷去除难度大，第二是污水处理厂的优化与节能。由于城市污水的运行成本很高，节能降耗是永恒的主题。另外，随着我国污水处理率的提高和黑臭水体的解决，氮磷超标排放问题日益严重，导致风险的普遍性不断增加。风险已经成为全球性的水污染问题。可以说，脱氮除磷已经成为当今污水处理领域，特别是城市污水的重大课题。
我们国家的水污染存在脱氮除磷的问题，我们大部分污水处理厂达不到一级A排放标准，瓶颈问题是总氮不达标。我们的污水处理标准太严格了，这个不行，即使达标了一级A标准，还是遏制不了水体富营养化的蔓延。我们国家应该对敏感水环境区域制定更严格的标准，太湖、环渤海地区应该制定严于国家一级A标准的排放标准。
还有一种情况，有些地区确实没必要达到A级标准。台湾就不需要除氮、除磷，台湾四面都是公海，如果把一些氮、磷排入海中，会给海增加富营养化物质。黑龙江就经常不需要除氮、除磷，有些地区其实没有富营养化，我没听说有哪条大河有富营养化问题。富营养化有几个条件，氮、磷、温度、光照、干扰，所以标准该严的地方就严，该松的地方就松。
下面再具体讲一下。第二个问题，关于传统的生物处理工艺和问题。从世界范围看，城市污水中固体沉淀、悬浮物处理已经有两百年的历史了。上世纪二十年代初，我记得去上海参加污水处理厂，特别惊讶。上世纪二十年代，上海建立了活性污泥法污水处理厂。上世纪七八十年代，世界范围内开展脱氮除磷，全球爆发水体富营养化。
随着BOD、脱氮、除磷的增加，污水处理工艺越来越复杂，带来许多技术难题、处理工程难题，包括机械仪表处理难题，加之将脱氮、除磷纳入处理工艺，提出了许多科学问题。
我们先来看脱氮除磷这个大问题，废水除磷可以通过生物除磷和化学除磷两种方法，对于废水脱氮来说，只有生物脱氮是最经济有效的，对于城市污水来说，生物脱氮是唯一的方法，它不仅经济有效，而且是唯一的方法。到目前为止，我还没有听说哪个城市污水处理厂不采用生物脱氮，这是什么原因呢？
混凝沉淀不能去除微滤、纳滤的口径，不能区分水分子的大小，只有反渗透才能区分水分子的大小，反渗透处理的是再生水，对于城市污水处理，生物脱氮是唯一的选择。
城市污水中总氮的表征是一个关键的难点。
生物脱氮有两个步骤，第一是硝化，第二是反硝化。一个是电子供体，一个是电子受体。污水处理后，水中的氨氮和有机氮分离，完成反硝化问题。一个需要氧气，一个需要有机碳源。这是重点。
生物除磷是利用具有除磷能力的微生物和细菌，在缺氧的情况下，将磷从细胞中释放出来，使水中的磷含量从每升3毫克提高到几十毫克，在耗氧和曝气过程中，水中的磷在细胞中积累，被过量吸收，再将含磷污泥从污水处理系统中清除，就完成了处理，就是这么简单。
这是我们采用的AN/O除磷工艺，先释放磷，然后曝气，好氧，然后进沉淀池，然后处理水。还有一种是缺氧反硝化反应器，然后进硝化反应器好氧，然后进沉淀池，然后处理水。这两种结合起来，既能除磷又能脱氮，厌氧、缺氧、好氧。序批式活性污泥工艺在小型污水处理厂应用广泛，5万吨以下的往往采用这样的工艺。
我们看到什么问题？这个问题A/O都存在。在缺氧池中，有机物以氨氮的形式进来，缺氧池没有变化，但在好氧池中，硝态氮是由有机物的增加和减少形成的，硝态氮被有机物还原。回流中的硝态氮和出水中的硝态氮是一样的，因为它们都是从这个地方来的。也就是说，出水中的硝态氮、氨态氮、总氨和回流污泥、剩余污泥中的硝态氮是一样的。这个过程很难完全深度脱氮。
有一种工艺是分段进水，将A/O分为四段，假定硝化能达到100%，反硝化也达到100%充分。若分为四段，原水含有机物进入第一段，回流污泥中的硝酸氮被还原，回流污泥假定为100%，回流污泥量等于进水量。总氨氮被去除，第一段在第二段产生并还原，第三段在第四段由有机物还原。前三段总氮被完全去除，只有第四段的氨氮被氧化生成硝酸氮，可随出水流出。第四段污泥回流比例为100%，可去除第四段总氮的一半。此工艺去除总氮的1/8。
但这四个阶段比较复杂，我们经常采用三个阶段，这个工艺可以达到深度反硝化，三个阶段可以去除总氮的6/5，如果进水总氮为30，出水氮就达到5了，它还有一个好处就是微生物浓度很高，第一阶段回流污泥的浓度被1/3的水稀释了，所以污泥浓度比较高。
ICEAS工艺是我国应用比较广泛的一个工艺，可以说80%的ICEAS都是按照这样的一个工艺，按照下面的模式运行的，这个就是搅拌，这个就是曝气，这个就是沉淀，这个就是进水，但是这个进水是自始至终连续的，什么意思呢？就是在曝气阶段，一边进水一边曝气。我国脱氮最大的障碍就是碳源的缺乏，有机物浓度比较低，而氨氮和总氮浓度比较高，反应过程中没有碳源，所以往往要加碳源，曝气和进水三个小时，就用掉了宝贵的能源，曝气是需要能源的，这样就浪费了能源，而且去除了有机物。
搅拌时放水，曝气时不放水，不仅可以节省大量碳源，提高效率，而且节能降耗。有机物去除不需要能量，而是通过反应去除。几个工程实践取得了很好的效果。我国现在的ICEAS几乎就是按照我刚才说的模式运行的。
第三种新型生物脱氮除磷技术。有一种技术叫短程硝化，刚才讲了什么是硝化反硝化。具体来说，城市污水中总氮的90%是以氨氮的形式出现的，还有一部分是有机氮，有机氮一旦曝气就会转化成氨氮，氨氮曝气后变成硝态氮，在有机碳源的作用下，此时不再曝气，变成氮气，完成了反硝化过程，氮就可以去除了。短程硝化过程简单，硝态氮的过程减少了曝气量，这个过程减少了加入的碳源，减少了20%的氧气，减少了20%的二氧化碳的释放，等等，为实现厌氧条件提供了基质。
包括中国在内，全世界的污水处理厂都没有实现短期硝化，有的只是部分实现了，这是我们学校的中试基地，用了三年的时间就实现了短期硝化，规模比较大。
刚才讲了除磷的基本原理，厌氧、吸磷、释磷。释磷在耗氧的情况下吸收磷，然后排出污泥进行处理。反硝化除磷，这个过程完成了反硝化和吸磷，一个碳源双重目的。我们通过去除含磷的污泥，完成了污水的生物处理。
生物脱氮过程中，需将水体污染还原为氮气，除磷亦是如此，脱氮和除磷两个过程可同时完成，具有减少能源、生物量、节省氧气等优点。
最近我们又开发了A2O-BAF同时脱氮除磷，就是反硝化除磷。曝气占2/9，BAF完成硝化，就是把大量的硝态氮提供给调蓄池，硝态氮和污泥结合，很难阻止它反硝化除磷，它没有反应条件，没有氧气提供电子受体，只利用占整个反应器2/3的硝态氮完成反硝化除磷。
厌氧氨氧化脱氮技术。奥地利人Broda从热力学角度预言了它的存在。荷兰人首先发现了生物流化床。第一台反应器建于荷兰鹿特丹。
我们先来看厌氧氨氧化，有机氮转化为氨氮的过程叫氨化，氨氮需要氧气和生物的参与才能氧化成亚硝酸氮，经过几个步骤，逐渐还原为氮气，完成污水处理的反硝化。20年前，人们认为氮循环只能按照这个过程进行。
厌氧氨氧化怎么样？厌氧氨氧化是厌氧氨氧化微生物的发现，厌氧氨氧化微生物是一类细菌。它能将部分氨氮（约60%）氧化成亚硝酸盐。要用亚硝酸盐氧化氨氮，必须推广厌氧氨氧化。
氨氮有将近一半被氧化成氮气而不移动，略多于一半被厌氧氨氧化成亚硝酸氮。世界上主流的生活污水还是按这个工艺反硝化，也有生物固氮。全世界都在研究城市污水处理包括工业污水能不能这样反硝化。由于高氨氮废水、垃圾渗滤液等已经完成工程应用，城市污水处理还没有实现这样的工艺。而这个工艺的好处是什么呢？产生的氮氧化物极少。
我们可以看到一部分氨氮不需要经过好氧反硝化，一部分氨氮不需要经过下一步，在这里就完成了，所以可以节省碳源，节省能源，节省100%的有机物，节省60%的曝气量，减少温室气体。这就是厌氧氨氧化的发展历史，现在已经应用于工业，有很多实际的工程应用。
国际上知名的奥地利污水处理厂，虽然没有实现主流的厌氧氨氧化，但是实现了厌氧氨氧化处理污泥消化液的应用，将污泥液氧发酵产生的消化液进行厌氧处理，实现了厌氧氨氧化，这就是北派开展的厌氧氨氧化项目。
这是新加坡樟宜污水处理厂实现的部分厌氧氨氧化反硝化。
国内也发现了厌氧氨氧化，效率大大提高。厌氧氨氧化的瓶颈是难以实现短期硝化。一旦实现了短期硝化，厌氧氨氧化就更容易实现了。
我们发明的技术是短程反硝化结合厌氧氨氧化技术，将部分氨氮转化成硝酸盐氮，还原为亚硝酸盐氮，对于原本含有大量硝酸盐氮的工业富水，可以还原为亚硝酸盐氮，与城市污水同步处理。
如果2000毫升氨氮用厌氧氨氧化处理的话，220毫升硝态氮也很高，而且厌氧氨氧化配合短程反硝化效果也很好，短程反硝化就是把硝态氮还原成亚硝酸盐的过程，而不是还原成氮气。
比如污水处理厂短时间硝化很难，我们让它全程硝化，有机物就去除了，氨氮硝化成亚硝酸盐，我们把它硝化成硝酸盐氮，再回流到原水中混合，这里有硝酸盐氮、氨氮、有机物，这里的硝酸盐氮还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐自然和水中的氨氮发生反应。
我们来看一下，这是传统的硝化反硝化过程，这是短程硝化耦合厌氧氨氧化最难的过程，如果短程反硝化耦合厌氧氨氧化，也很难把氨氮全部硝化成硝态氮，短程硝化耦合厌氧氨氧化只把部分氨氮转化成亚硝酸盐，完全不利用有机物，节省了100%的碳源。
厌氧氨氧化处理城市污水的前景。主要存在三个瓶颈，第一个是低氨氮，城市污水中氨氮很低，工业应用的都是高氨氮废水，每升氨氮含量从几千毫克到几千毫克不等，包括高浓度的工业废水，低氨氮是很难达到的。
二是温度低，城市污水温度随季节变化，经常在20摄氏度以下，很难达到30摄氏度，这给厌氧氨氧化的应用造成了巨大的障碍。
三是厌氧氨氧化富集速度很慢，氨氮浓度偏低，城市污水量大，几万吨到几十万吨不等，在主流污水中采用厌氧氨氧化也有一定的难度，这三个瓶颈阻碍了厌氧氨氧化在主流城市污水中的应用和发展。
展望未来，可以加强一些城市污水的厌氧氨氧化，也是比较节能降耗的，节省碳源。其次，也可以考虑利用污泥发酵作为碳源，实现短期反硝化和厌氧氨氧化。