污水生物脫氮除磷研究進展

羅麗芳

（新疆大學資源與環境科學學院，新疆烏魯木齊 830046）

氮、磷是生命活動所需要的重要營養元素，隨著社會的高度城鎮化、工業化和人口密度的增加，大量的氮、磷排放至天然水體，造成水體富營養化，嚴重危害生態系統。盡管污水處理廠不斷升級改造，處理效率也不斷提高，但氮、磷等營養物質的排放造成河流、湖泊富營養化問題也并未從根本上得到解決。《中國水資源公報》顯示，在2018年調查的124個湖泊中，富營養狀態占比27.0%，中營養狀態占比67.5%；而2019年調查的107個重要湖泊中，富營養狀態占28.0%，中營養狀態占65.6%。減少外部營養鹽的輸入，控制人為污染源是防止并減輕水體氮磷污染最直接、最有效的措施[1]。生物法以其高效、低耗的特點廣泛運用于世界各地污水處理廠，能夠有效去除氮、磷等營養物質。本文概述了生物脫氮除磷理論及工藝的研究現狀，以期為脫氮除磷理論的發展及工藝的實際運用提供參考。

1 脫氮除磷理論

1.1 生物脫氮理論

在污水生物處理過程中，生物脫氮主要是由氨化菌、硝化菌和反硝化菌通過氨化、硝化和反硝化作用將含氮化合物轉變為氮氣（N2）而被去除。氨化作用即具有氨化功能的細菌、真菌和放線菌在好氧或厭氧的條件下將有機氮化合物分解產生氨氮（NH4+）。硝化作用是亞硝化細菌和硝化細菌在好氧條件下協同作用，并經兩步完成：第一步是亞硝化反應，即氨氧化細菌（AOB）將NH4+轉化為亞硝態氮（NO2-）；第二步是產生的NO2-被亞硝酸氧化菌（NOB）氧化為硝態氮（NO3-）。硝化細菌（AOB和NOB）具有相似的生命和代謝特征，二者均為自養型微生物，不需要有機營養，以CO32-、HCO3-和CO2等無機碳化合物為碳源，從氧化NH3、NH4+或NO2-的過程中汲取能量進行生命活動，對環境因素如溫度和pH較為敏感，適宜在中性和偏堿性環境中生長；二者生長緩慢，世代時間較長，運行參數如泥齡（SRT）、溶解氧（DO）、水力停留時間（HRT）、溫度和堿度等是關鍵影響因素。污水處理系統中，硝化菌主要以亞硝化螺菌屬（Nitrosospira）和亞硝化單胞菌屬（Nitrosomonas）為主，亞硝化菌主要以硝化刺菌屬（Nitrospina）、硝化球菌屬（Nitrococcus）、硝化螺菌屬（Nitrospira）和硝化桿菌屬（Nitrobacter）為主，兩類微生物共同完成硝化過程（NH4+→NH2OH→NO2-→NO3-）。反硝化作用則是反硝化菌在缺氧條件下利用低分子有機物作供氫體，以NO3-為最終電子受體，將NO-3還原為 N2，完整過程為NO3-→NO2-→NO→N2O→N2。

反硝化菌種類多樣，已知具有反硝化功能的微生物有10科、50個屬以上的種類，自然界中最普遍的反硝化菌是假單胞菌屬（Pseudomonas），包括銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）和綠針假單胞菌（Pseudomonas chlororaphis）等6個種，其次是產堿桿菌屬（Alcaligenes），微生物的協同作用將氮從系統中脫除，能夠保證出水中氮的達標。

1.2 生物除磷理論

污水生物除磷主要由聚磷菌（PAOs）吸收溶解性的磷儲存在體內，并隨剩余污泥排出。在厭氧條件下，PAOs分解體內的多聚磷酸鹽產生ATP，利用ATP進行主動運輸，吸收易生物降解的基質如低級脂肪、葡萄糖、甲醇和丁酸等，同時在體內合成聚β-羥基丁酸（PHB）/聚β-羥基戊酸（PHV）并儲存作為營養物質，與此同時釋放PO43-并產生能量。在好氧條件下，PAOs分解體內的PHB/PHV和外源基質，產生質子驅動力（pmf）吸收PO43-合成ATP，將剩余的PO43-以多聚磷酸鹽（異染顆粒）的形式儲存在細胞內，隨剩余污泥排出系統，達到高效除磷的目的。

目前，已從活性污泥中分離出60多種PAOs，其中不動桿菌（Acinetobacter）、黃桿菌屬（Flavobacterium）、假單胞菌屬（Pseudomonas）和氣單胞菌屬（Aeromonas）等的聚磷能力最強，數量最占優勢。大型污水廠普遍存在的主要聚磷菌有Tetrasphaera和聚磷假絲酵母菌（Acumulibacter），二者具有協同作用[2]。研究表明，Tetrasphaera具有與Acumulibacter相當甚至更高的除磷能力，主要負責對葡萄糖和氨基酸進行發酵，通過發酵不僅為自身提供能量，也為Acumulibacter提供揮發性脂肪酸（VFAs），以便Acumulibacter更好地生存[3]。

反硝除磷機理是指在缺氧和好氧交替的運行條件下，反硝化除磷菌（DPAOs）通過代謝作用實現同步吸磷和反硝化過程。DPAOs以NO3-/O2為電子受體在缺氧條件下進行吸磷，將污水中的磷以聚合磷酸鹽的形式貯存在體內，同時將NO3-還原為 N2，實現氮和磷的去除。反硝化除磷領域主要以DPAOs的種類、生理特征和行為為主要研究內容。研究表明，PAOs中超過一半以上都能以NO3-/O2作為電子受體完成反硝化和吸磷過程[4]。

2 脫氮除磷工藝

2.1 傳統脫氮除磷工藝

傳統的脫氮除磷工藝包括氧化溝工藝、A/O工藝及其衍生工藝（兩段式和多段進水多級A/O工藝）、A2/O工藝及其衍生工藝（多級A2/O工藝）、SBR工藝、CASS工藝、A/B工藝、UCT工藝、Johannesburg工藝、VIP工藝和Bardenpho工藝等，這些工藝都是依靠調節工藝參數盡可能地降低各因素影響，為微生物的生長和代謝提供良好條件，從而實現氮和磷的去除。脫氮除磷工藝種類多樣，其中氧化溝工藝、A2/O工藝和SBR工藝普遍運用于實際污水處理廠。

2.1.1 氧化溝工藝

氧化溝工藝因其構筑物呈封閉的環形溝渠而得名，該工藝是一種改良型活性污泥法，水流流態特征獨特，介于完全混合和推流之間，其表面曝氣設備調節供氧量或表面曝氣與微孔曝氣相結合可在溝內形成好氧和缺氧的交替區，能夠實現同步硝化反硝化。該工藝具有流程簡易、運行方式靈活、污泥產量低、耐沖擊負荷、出水水質穩定、處理效果良好等顯著優點。缺點是占地面積大，易產生污泥膨脹、泡沫和流速不均及污泥沉積等問題。

2.1.2 A2/O工藝

A2/O工藝亦稱厭氧-缺氧-好氧法，能夠實現污水中氮和磷的同時去除。在實際污水處理過程中，進入厭氧池的污水與回流污泥混合，兼性厭氧菌分解反應器中的大分子有機物，聚磷菌進行釋磷。在缺氧池中，反硝化菌以污水中有機物為碳源，將回流混合液中帶入大量的NO3-和NO2-還原為N2并釋放到空氣中。在好氧池中進行硝化過程，NO3-的濃度增加，溶解性磷隨著聚磷菌的過量攝取，以較快的速度下降。該工藝流程簡單、總水力停留時間短；厭氧、缺氧、好氧交替運行的條件抑制了絲狀菌的生長，可以控制污泥膨脹；運行期間不需投加藥物，減少了投資費用。2017年，吳毅暉等[5]對昆明兩座采用A2/O工藝的污水處理廠的運行效果進行調查，發現NH4+和總磷（TP）的去除效果均高達90%以上。

2.1.3 SBR工藝

SBR工藝具有獨特的運行方式，即間歇式運行，原污水流入、有機底物降解反應、泥水分離、出水排放等各項污水處理過程均在唯一的反應器內完成。該系統工藝流程簡單，基建與維護運行費用較低；能夠控制活性污泥膨脹；可依據實際進水的水量和水質調整運行方式，靈活掌控時間，為氮、磷的有效去除創造良好條件。在酚類廢水處理的具體案例中，SBR工藝的適用性已經得到了證明[6]。其衍生工藝如ICEAS工藝、CASS工藝、DAT-IAT工藝和UNITANK工藝各具特色，既能夠減少占地面積，節約能耗，又具有高效脫氮除磷的功能，但僅適用于中、小水量的污水處理，在中、小城市污水處理領域具有更廣闊的應用前景。

傳統生物脫氮除磷工藝成熟，脫氮除磷效果較好，但仍存在許多不足。脫氮除磷系統中的微生物生理特征不同，對環境的適應能力各不相同，差別較大的微生物互相影響，不利于工藝的高效穩定運行；脫氮除磷過程能耗高，需要消耗大量的氧氣和能量；大多數工藝設有污泥和混合液回流過程，使系統更加復雜，較大的占地面積造成基建費用和運行費用增加；剩余污泥量大，且富含磷，這些均違背了可持續發展理念。因此，解決以上問題是傳統脫氮除磷技術所面臨的挑戰。

2.2 新型脫氮工藝

2.2.1 SHARON工藝

SHARON即短程硝化反硝化，是指利用硝化菌和亞硝化菌在動力學特性上存在的固有差異，控制硝化反應只進行到NO2-階段，不再生產NO3-，再由大量積累的NO2-直接生成N2（NH3-→NO2-→ N2）。SHARON工藝是在高溫環境下（30～35 ℃）限制充氧量（0.5～1.0 mg/L）并縮短曝氣時間，對硝化菌和亞硝化菌進行選擇。在該工藝設定的溫度條件下，硝化菌的最小泥齡大于亞硝化菌的最小泥齡，可以淘汰硝化菌，使大量亞硝酸鹽積累，將NH4+的氧化過程只進行到產生NO2-階段，隨后進行反硝化過程。該技術反應時間短，能夠節約O2和碳源，同時能減少剩余污泥的產生。

2.2.2 SND工藝

SND即同步硝化反硝化，是在同一反應器中減少曝氣量的情況下同時實現同步異養硝化和好氧反硝化，無嚴格的好氧和缺氧分區，也不需要控制好氧和厭氧菌群，單個污泥生物質或聯合體可同時進行硝化和反硝化，而不會發生好氧-缺氧相變，控制更簡單。一些異養細菌如糞產堿菌（Alcaligenes faecalis）和泛養硫桿菌（Thiosphaera pantotropha）能夠在好氧條件下通過使用有機底物作為碳源和能源，將NH+4轉化為N2，從而進行SND；泛養單胞菌（Thiosphaera pantotropha）在全好氧條件下具有很高的活性，為SND提供了巨大的潛力[7]。相較于傳統的脫氮技術，該技術對O2和碳源的需求低，甚至不需要碳源，所需設備的數量少、尺寸小，在很大程度上節約了污水處理成本。

2.2.3 ANAMMOX工藝

ANAMMOX即厭氧氨氧化，是指厭氧氨氧化菌（AAOB）在缺氧/厭氧條件下，以HCO3-作為碳源，以NH4+和NO2-分別作為電子供體和電子受體，將NH4+轉化為N2。ANAMMOX對環境因素如溫度、DO和pH的要求較為嚴格，且AAOB具有細胞產率低、世代周期長、環境適應能力弱等缺陷，使ANAMMOX工藝啟動時間長且困難，不能穩定運行，阻礙了其大規模實際應用。盡管有這些不足，但因其不需要O2和有機物的參與，且污泥產量低，該工藝的發展和實際應用具有可持續發展意義。目前，在垃圾滲濾液、高氨氮焦化廢水和消化污泥脫水液的處理等方面已有成功實例[8]。

2.2.3.1 SHARON-ANAMMOX工藝

SHARON-ANAMMOX工藝是在兩個反應器中分別進行亞硝化和ANAMMOX反應實現脫氮。在SHARON工藝中，通過對T、DO、HRT和pH等參數進行調控，使反應器內部亞硝化菌的生長速率超過硝化菌，亞硝化菌占主導地位，淘汰硝化菌，控制硝化反應只進行到產生NO2-階段。該過程的核心是控制NH4+氧化為NO2-，使進入ANAMMOX反應器中的NH4+和NO2-濃度相近，為后續ANAMMOX反應提供良好條件。接著在ANAMMOX工藝中，AAOB在缺氧/厭氧條件下將NH4+和NO2-轉化為N2。與傳統的硝化反硝化工藝相比，該工藝的需氧量減少60%，外部碳源使用量減少100%，產生NO2-和NO3-較少，產生的污泥量可忽略不計，NO和N2O等不良副產品的排放量也有所減少[9]。該工藝能夠對垃圾滲濾液、污泥消化液及養殖場廢水等高濃度的含氮廢水進行高效脫氮[10]。

2.2.3.2 OLAND工藝

OLAND即自養硝化反硝化，OLAND工藝由限制性的短程硝化與厭氧氨氧化耦合而成。AOB在低濃度DO條件下將約50%的NH4+轉化為NO2-作為電子受體（部分亞硝化），AAOB隨后將剩余的NH4+與產生的NO2-結合作為電子受體進行反硝化，將NH4+轉化為N2。Nguyen N H等[11]研究發現，在OLAND過程中，由AOB和缺氧AAOB組成的混合菌群在旋轉生物接觸器（RBC）中生長良好。由于該工藝過程中進行了短程硝化，具有耗時短、能耗低、脫氮效率高、占地面積小等優點，適合處理低COD（化學需氧量）、高NH4+廢水。

2.2.3.3 單相CANON工藝

單相CANON工藝即單相全程自養工藝，是在單一反應器中進行短程硝化和厭氧氨氧化反應。AOB在短程硝化階段中的好氧條件下將部分NH4+氧化為NO2-，然后AAOB在厭氧氨氧化階段的厭/缺氧條件下，以生成的NO2-為電子受體，剩余的NH4+為電子供體，反應生成N2。該工藝需氧量少、無需碳源、污泥產量低、無需外加電子供體，能夠長時間穩定運行。若要實現該工藝的大規模應用，則需要控制DO濃度，避免有機物的沖擊，抑制NOB的活性并降低游離氨和游離亞硝酸鹽的濃度。目前，該工藝已運用于垃圾滲濾液、污泥消化液和沼液中NH4+的去除，并取得顯著成效[12]。該工藝的衍生工藝HRAS-CANON工藝和同步亞硝化、厭氧氨氧化和反硝化（SNAD）工藝在污水脫氮領域有著絕佳的應用前景[13]。

2.3 反硝化除磷工藝

2.3.1 DEPHANOX工藝

DEPHANOX工藝是為反硝化聚磷菌（DPAOs）提供良好條件的強化除磷工藝。該工藝在厭氧池和缺氧池中間新增了沉淀池和固定膜池。進水與回流污泥進入厭氧池，DPAOs進行釋磷，同時吸收VFAs并將其轉化為PHB；污水進入沉淀池完成泥水分離，上清液進入固定膜池進行硝化反應，污泥越過固定膜池進入缺氧池，其中的DPAOs以細胞內PHB為電子供體，NO3-為電子受體，完成反硝化脫氮并過量攝磷。該工藝的優點是為脫氮菌和除磷菌提供各自適宜的污泥齡，避免在共存時出現矛盾；在聚磷和脫氮過程中，“一碳兩用”有效避免了兩類功能菌競爭有機底物。研究表明，DEPHANOX工藝在處理C/N介于4～5之間的生活污水時表現出優異的脫氮除磷效果[14]。

2.3.2 BCFS工藝

BCFS工藝是根據巴斯維爾氧化溝（Pasveer）和UCT工藝及理論研發的改進工藝。該工藝由厭氧池、接觸池、缺氧池、混合池和好氧池5個獨立的反應池及3個內循環系統構成[15]。與氧化溝相比，BCFS工藝中污泥指數（SVI）較高，污泥濃度較低，減小了工藝總容積；除磷單元與曝氣池獨立，避免了化學藥劑污染活性污泥[16]。與UCT相比，BCFS工藝增加了接觸池和混合池，接觸池為缺氧環境，有效抑制了絲狀菌的生長繁殖，防止污泥膨脹；混合池較低的DO為同時硝化反硝化提供了良好條件。該工藝脫氮除磷效率高、污泥產率低，脫氮和除磷有機結合，極大程度上節約了資源。

2.3.3 A2NSBR工藝

A2NSBR工藝是由A2/O-SBR反應器和N-SBR反應器耦合而成。A2/O-SBR反應器主要負責反硝化脫氮除磷及COD的去除；N-SBR反應器主要進行硝化反應。兩種反應器中的活性污泥完全獨立、互不干擾，相互交換處理后的上清液。該工藝為PAOs和硝化菌分別提供各自適宜的泥齡，解決了兩種微生物的競爭問題，優化了脫氮除磷效果。由于該工藝為后置反硝化除磷方式，NH4+并未全部硝化，導致出水中含有較高濃度的氨氮。為解決此問題，趙偉華等[17]首次提出調換傳統A2NSBR工藝中硝化反應段與缺氧反硝化除磷段，形成前置A2NSBR工藝，并研究系統的啟動特性。結果表明，系統出水中NH4+、總氮（TN）和TP均能穩定達到國家GB 18918-2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A處理標準。

3 結語

氮、磷超標是引起水體富營養化的主要原因，而我國乃至世界其他國家一直面臨著水體富營養化問題，生態環境被嚴重破壞。因此，污水的脫氮除磷仍然是國內外科研人員研究的熱點問題，開發適合我國國情且能夠同時脫氮除磷的節能經濟、高效穩定運行的工藝也是未來研究的重點和方向。本文總結了生物脫氮除磷機理、工藝及新型工藝，為脫氮除磷理論、工藝的發展和實際應用提供參考依據。