城市污水生物脫氮除磷技術的新進展

張健

摘要：經濟的高速發展和城市人口的增加大大加速了水體富營養化進程。綜述了城市污水脫氮除磷技術研究及應用進展，分析了脫氮除磷工藝機理及特點，指出了城市污水脫氮除磷工藝的發展方向。

關鍵詞：富營養化；脫氮；除磷

隨著工農業生產的迅速發展以及城市化進程的加快，含有高濃度氮磷物質的生活污水、工業廢水和農田地表水徑流匯入湖泊、水庫、河流和海灣水域，使藻類等植物大量繁殖，導致水體的富營養化。富營養化的水體含有大量的硝酸鹽和亞硝酸鹽，長期飲用嚴重危害人類健康。因此，對城市污水進行脫氮除磷處理成為當今污水處理的一個研究熱點。

一、污水生物脫氮除磷的機理

（一）污水生物脫氮機理

近年來，一些研究者在研究中觀察一些超出傳統生物脫氮理論的新現象：厭氧反應器中NH3-N減少；好氧條件下同時進行硝化反硝化作用；異養菌也可以參加硝化過程。對于這些現象可以從微環境理論和生物學角度進行解釋。微環境理論認為在微生物絮體內存在溶解氧梯度，即在絮體表層溶解氧濃度較高，以好氧菌、硝化菌為主；而絮體內部由于溶解氧傳遞受阻和絮體外層微生物消耗大部分溶解氧，使內部形成兼氧、厭氧環境，有利于反硝化菌繁殖。加之曝氣過程的攪動和溶解氧的控制使微環境是不斷變化的，有利于微環境中的微生物處于厭氧、兼氧、好氧交替的環境中，產生硝化反硝化作用。從生物學角度解釋不同于傳統的理論，微生物學家已經發現了異養硝化菌和好氧反硝化菌，甚至在完全厭氧的條件下發生硝化作用。已有研究表明，在亞硝化菌的作用下，以NO2-作為電子受體，將氨轉化NO2。以上這些現象的發現為研究者研究新生物脫氮理論和開發新的生物脫氮工藝指引了方向。

（二）生物除磷機理

生物除磷主要由聚磷菌在厭氧條件下釋放磷，有氧條件下攝取磷，通過排除富磷污泥達到除磷目的。聚磷菌屬于兼性異養型細菌，在厭氧環境中，在沒有DO和大量NO3–存在的前提下，聚磷菌通過將細胞中聚磷水解成正磷酸鹽獲取能量，并利用污水中易降解的有機物，如揮發性脂肪酸（VFA），合成貯能物質聚β羥基丁酸（PHB）存于細胞中；在好氧環境中，聚磷菌以游離氧為電子受體，氧化細胞內儲藏的PHB，并利用該反應產生的能量，過量地從污水中攝取磷酸鹽，合成高能物質ATP，其中一部分轉化為聚磷，作為能量物質貯存于細胞中。由于好氧環境下磷的攝取量遠大于厭氧環境下的釋放量，所以通過排放富磷污泥可以達到高效生物除磷的目的。研究表明，在廢水生物除磷中，聚磷菌厭氧釋放磷是好氧吸收和除磷的前提條件，但厭氧條件下聚磷菌釋放磷水平的充分與否，并不是決定除磷能力的必要條件。而聚磷菌在厭氧條件下能否有效釋放磷，與水中有機物的類型和NO3–含量密切相關。

近年來，研究者發現了一種“兼性厭氧反硝化除磷細菌”（DPB），可以在缺氧條件下利用NO3–作為電子受體氧化胞內貯存的PHA，并從環境中攝磷，實現同時反硝化和過度攝磷。與傳統好氧生物除磷相比，系統對COD的需求減少50%。該工藝目前雖處于實驗研究階段，離生產應用尚有一段距離，但為生物除磷工藝提供了新的思路。

二、同步脫氮除磷技術

基于生物脫氮和生物除磷的傳統機理，學者們研發了一系列生物同步脫氮除磷的工藝，主要有巴顛甫脫氮除磷工藝，A2/O法同步脫氮除磷工藝，倒置A2/O同步脫氮除磷工藝以及生物轉盤同步脫氮除磷技術等。

目前，A2/O工藝是應用最為廣泛的生物脫氮除磷工藝。該工藝是在An-O法脫氮工藝的基礎上開發的一項同步脫氮除磷工藝。在系統上可以稱為最簡單的同步脫氮除磷工藝，總的水力停留時間少于其它工藝，不易發生污泥膨脹，SVI值一般均小于100。污泥中含磷濃度高，可回收作為磷肥。運行中不需投藥，兩個A段只需輕緩攪拌，運行費用低。

因氮磷的去除比較復雜，需要經過硝化、反硝化、釋磷和吸磷等多個生化反應。上述每一個過程對微生物的組成、基質類型及環境條件的要求各不相同。因此要在一個系統中同時完成脫氮和除磷過程，不可避免地產生各過程間的矛盾關系，如碳源、污泥齡、硝化和反硝化容量、釋磷容量和吸磷容量等。這些矛盾使得在同一系統中同時獲得氮、磷的高效去除難以實現。

因此，應用傳統生物脫氮除磷機理的工藝要解決的根本問題是提供各類微生物適宜的環境，避免彼此之間的干擾和競爭，各司其職，發揮各自最大的作用。為了提高脫氮除磷的效果，學者們展開了對應用組合工藝實現氮、磷元素的高效去除的研究。A2/0-BAF系統是將活性污泥法和生物膜法的優點有機結合的系統。通過縮短污泥齡的方法，將硝化作用從中分離出來，用BAF實現硝化作用。聚磷菌懸浮生長于A2/O活性污泥中，硝化菌生長在BAF的填料上。聚磷菌和硝化菌的分離，解決了傳統生物脫氮除磷中聚磷菌和硝化菌之間的競爭，使得各自在最適宜的環境中生長，這更有利于系統穩定、高效的脫氮除磷。另外，由于A2/O中沒有硝化菌，所以回流污泥中不含有硝酸鹽，為厭氧段提供了絕對的厭氧環境，使聚磷菌釋磷充分，從而實現磷的高效去除。除了本工藝外還有A2/O-MBR系統，A/O-BAF系統，改進SBR系統以及一些在生物脫氮除磷基礎上增加化學強化除磷的組合工藝。

三、結語

污水生物脫氮除磷的目的是將氮、磷從廢水中去除，防止引起受納水體的富營養化，以工程手段從源頭控制水體富營養化。從我國目前的實際情況出發，無論是單獨的生物脫氮技術、生物除磷技術，還是同時生物脫氮除磷技術，探索簡便、節能、高效、技術成熟的生物脫氮除磷技術是目前當務之急，為今后從源頭解決水體富營養化問題，提供必要而有效的技術保障。

參考文獻：

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