◆◆◆
摘要：在阐述城市污水生物脱氮除磷机理的基础上，对生物脱氮除磷处理工艺流程进行了简单分析。
关键词：脱氮除磷；机理；工艺
1 简介
城市污水中的氮、磷主要来源于生活污水和部分工业废水。氮、磷的主要危害有：一是造成受纳水体的富营养化；二是影响水源水质，增加水处理成本；三是对人体和生物产生毒性。以上危害严重制约着城市水环境的正常功能发挥，加剧了城市水资源短缺问题。而且随着人们生活水体的改善和环境的恶化，对水质的要求越来越高。为了达到更好的脱氮、除磷效果，环保工作者对一些传统工艺进行了改进或设计了新工艺，本文就一些脱氮、除磷工艺作了简单介绍。
2 生物反硝化原理
一般来说，生物反硝化过程可分为三步：第一步氨化，即水中的有机氮在氨化细菌作用下转化为氨氮。在普通活性污泥法中，氨化进行很快，不需要采取特殊措施。第二步硝化，即在供氧充足的条件下，水中的氨氮在亚硝酸盐细菌作用下先氧化成亚硝酸盐，然后在硝酸盐细菌作用下进一步氧化成硝酸盐。为了防止生长缓慢的亚硝酸盐细菌和硝酸盐细菌从活性污泥系统中流失，需要较长的泥龄。第三步反硝化，即硝化生成的亚硝酸盐和硝酸盐在反硝化细菌作用下还原为氮气。这一步的速度也比较快，但由于反硝化菌是兼性厌氧菌，反硝化作用只能在缺氧或厌氧条件下进行，所以需要给它们创造一个缺氧或厌氧的环境（好氧池的混合液回流到缺氧池）。其反应方程式如下：
（1）硝化反应：
硝化反应总反应式为：
（2）反硝化反应：
此外，荷兰代尔夫特大学生物技术实验室证实了一种名为厌氧氨（氮）氧化的新途径。即在厌氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体，自养细菌直接将氨转化为氮，因此不需要添加额外的有机底物。反应式为：NH4+NO2→N2+2H2O
3 生物除磷原理
所谓生物除磷，就是利用聚磷菌等微生物在厌氧条件下释放磷，在好氧条件下，它们从外界环境中吸收过多的磷，超过其生理需要，并将磷以聚集态储存在菌体内，形成高磷污泥排放系统，达到去除污水中磷的效果。
生物除磷过程可分为细菌抑制磷释放、过渡性积累和过度吸收三个阶段。首先，当活性污泥处于短时间的厌氧状态时，磷储存菌将储存的多磷酸盐分解提供能量，并吸收污水中大量的BOD，释放磷（多磷酸盐水解为正磷酸盐），使污水中的BOD降低，磷含量升高。然后在好氧阶段，微生物利用氧化分解获得的能量，吸收厌氧阶段释放的大量磷和原污水中的磷，完成磷的过渡性积累和最后的过度吸收，在细胞体内合成多磷酸盐并储存起来，达到去除BOD和磷的目的。其反应方程式如下：
（1）聚磷菌对磷的吸收：
ADP + H3PO4 + 能量 → ATP + H2O
（2）聚磷菌释放磷：
ATP+H2O→ADP+H3PO4+能量
4、脱氮除磷工艺
4.1 AB 方法
AB污水处理工艺是一种新型的两级生物处理工艺，是吸附生物降解工艺的简称。该工艺充分结合了高负荷法和两级活性污泥法，没有初沉池，A、B段严格分开，形成各自特色菌群，这样既充分利用了以上两种工艺的优点，又克服了它们的缺点。因此，AB工艺对BOD、COD、SS、磷、氨氮的去除率比传统活性污泥工艺高。但AB工艺不具备深度脱氮除磷的条件，对氮、磷的去除效果有限，出水含有大量的营养物，易造成水体的富营养化。AB工艺对氮、磷的去除主要以A段的吸附去除为主，污水中部分有机氮、磷以不溶状态存在。在A段生物吸附絮凝作用下，通过沉淀转移到固相中，同时生物同化也能去除部分溶解状态的氮磷，剩余的磷进入B段供B段微生物合成，进一步去除。这样AB工艺整体上表现出比传统活性污泥法更高的脱氮除磷效果，但由于AB法本身组成特点，对氮磷的去除能力有限。
4.2 A⊃2;/O过程
4.2．1 传统A⊃2；/O方法
A⊃2；/O是在厌氧-缺氧工艺基础上于20世纪70年代发展起来的同步除磷脱氮工艺。传统的A⊃2；/O法为厌氧→缺氧→好氧活性污泥法。污水在流经3个不同功能区的过程中，在不同微生物菌群作用下，污水中的有机物、氮、磷被去除。其工艺流程图如图1所示。原污水的碳源（BOD）首先进入厌氧池，在此聚磷菌优先利用污水中可生物降解的有机物，成为优势菌，为除磷创造条件。随后污水进入缺氧池，反硝化菌利用其他可利用碳源，将返回缺氧池的硝酸氮还原为氮气并排入大气，达到反硝化的目的。
4.2.2 改进的 A⊃2;/O 方法
为了克服传统A⊃2；/O工艺的一个缺点，即由于前端设有厌氧区，回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响，改进型A/O工艺在厌氧池前增设厌氧/缺氧调节池，二沉池回流污泥的进水约有10%进入调节池，停留时间为20～30分钟。微生物利用进水中约10%的有机物去除回流污泥中的硝酸盐氮，消除了硝酸盐氮对厌氧池的不利影响，保证了厌氧池的稳定性。改进型A/O工艺虽然解决了传统A/O工艺中厌氧段回流硝酸盐对磷释放的影响，但增设调节池需要相应增加占地面积和土建费用。
4.3 氧化沟法
氧化沟工艺是20世纪50年代初发展起来的一种污水处理工艺，由于其构造简单，维护管理方便，很快得到广泛的应用。主要有单沟式、奥巴尔同心圆式、环流挡板式、D型双沟式和T型三沟式等。传统的单沟式、三沟式氧化沟不具备脱氮除磷功能，但在氧化沟前增设厌氧池，通过合理设置在沟体内设置曝气装置，形成缺氧区和好氧区，形成改良型氧化沟，具有生物脱氮除磷功能。但氧化沟缺氧区所需的充足碳源和缺氧区条件不能很好地满足，所以脱氮除磷效果不是很好。为了提高脱氮效果，在沟内增加预脱氮区，成为池式氧化沟工艺。池式氧化沟独具特色，具有混合完全、推流的特点，不需要混合液回流系统，但氧化沟采用机械表面曝气，水深不易过大，充氧动力效率低，能耗高，占地面积大。
4.4 SBR法
SBR法是一种降解有机物的间歇活性污泥法，属于循环式活性污泥法范围。它主要是好氧活性污泥，回流到反应池前端的污泥吸附区。回流污泥中的硝酸盐可进行反硝化，在充分的条件下，可吸附水中大量的有机物，达到脱氮除磷的效果。
删除机制如下：
a.反硝化是在适当的条件下进行的，与自然界中的氮循环过程相同，即含氮化合物首先在氨化细菌的作用下被氨化，然后经硝化细菌的作用被硝化，最后在反硝化细菌的作用下进行反硝化，将NO3-N和NO2-N还原为N2并排入大气。
b.除磷是利用聚磷菌从外界吸收过量的磷并以聚合物形式贮存在菌体内形成高磷污泥的能力，从而通过定期排泥去除磷。SBR工艺在去除有机物的同时，还能脱氮除磷。从常规测定数据可以很好地证实，只要掌握合理的SBR运行参数，就会取得较为理想的脱氮除磷效果。
4.5 CAST工艺（循环活性污泥法）
CAST（）工艺实质上是变容活性污泥法与生物选择器原理的有机结合。整个工艺为一个间歇式反应器，在主反应器前端设有生物选择器，主反应器内的活性污泥过程按曝气、非曝气阶段连续重复进行，生物反应过程与泥水分离过程合为一池。CAST法为“充排式”活性污泥系统，废水按一定的周期和阶段进行处理，是SBR（批处理）工艺的一个变型。
4.6 OCO流程
OCO工艺如图2所示，是由丹麦A/S公司经过多年的研究和实践推出的，它实际上是一种集BOD、N、P去除于一池的活性污泥法。原水经格网和沉砂池物理处理后，进入OCO反应池的区1。在厌氧区，污水与活性污泥混合，混合液流入缺氧区2，在缺氧区和好氧区3之间循环一定时间后，流入沉淀池，澄清液排入处理厂出水口。污泥一部分返回OCO反应池，另一部分作为剩余污泥处理。OCO工艺的特点是：将厌氧-缺氧-好氧环境结合于一池，占地面积小，土建投资低；它利用水解、反硝化作用，降低降解有机物时需氧量，从而降低运行维护费用；污泥浓度高、有机负荷低，污泥絮凝沉降性好，沉降污泥稳定，剩余污泥少。
图2 OCO流程图
4.7 流程
反硝化除磷工艺（图3）由Kuba等提出，它具有硝化和反硝化两套污泥系统（一套为硝化生物膜系统，一套为悬浮生长反硝化反硝化除磷污泥系统），将不同的微生物种群控制在各自最适污泥龄条件下。该工艺满足兼性厌氧反硝化除磷菌（DPB）所需的环境，解决了除磷系统反硝化碳源不足的问题，具有能耗低、污泥产量低、COD消耗低的特点。初沉池直接为缺氧段提供反硝化所需的碳源（富含PHB的污泥），为好氧段提供富含氨氮的上清液。中沉池可尽可能保证硝化细菌泥龄长、溶解氧浓度高的特性，供氧仅用于厌氧处理后残余有机物的硝化氧化，节省曝气能耗。
Sorm等通过合并厌氧段和初次沉淀池来改进工艺设置，证明优化的系统能有效抑制污泥膨胀，并保证同时进行反硝化、反硝化和除磷。
图3 工艺流程图
5. 结论
随着环保工作者对脱氮除磷机理的深入探索，新工艺的出现及其可行性为水处理工艺提供了新的理论和思路。但社会的可持续发展对污水脱氮除磷提出了越来越高的要求，污水处理不再局限于满足排放标准，还要考虑污水的资源化和能源化问题，必须向COD氧化最小、氮磷排放最小、剩余污泥排放最小等可持续污水处理工艺方向发展。生物及其技术的发展可以使生物脱氮除磷工艺得到更大的发展。