淺析污水處理脫氮除磷工藝的研究進展

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引言

當今社會水資源短缺是可持續發展面臨的主要挑戰之一。隨著國民經濟持續健康穩定的發展，氣候條件的不斷變化，人類對水資源的需求量逐漸增大的同時水污染現象也日益嚴重。污水處理、水資源再生是目前研究的熱點。現行城市污水處理工藝有傳統活性污泥法、SBR工藝、AB工藝、A/O工藝、A2/O工藝、氧化溝等，都能達到較好的處理效果，有機物污染得到了遏制，但氮、磷超標排放使中國66.2%的主要水體污染很嚴重，導致富營養化問題日益嚴重、更加普遍。脫氮除磷已成為當今城市污水處理廠亟待解決的問題。本文在分析了國內生物脫氮除磷工藝的研究進展及存在的問題，介紹了一種新型污水生物處理技術微壓內循環多生物相工藝的研究進展[1]。

1 生物脫氮除磷機理

氮磷可依靠微生物的新陳代謝作用在適宜的環境條件下被脫除。傳統生物脫氮主要通過氨化、硝化和反硝化過程，使氮素最終以N2形式排入大氣。在厭氧或好氧條件下，細菌、真菌和放線菌將有機氮化合物轉化為氨氮的過程為氨化；好氧條件下氨氮在氨氧化細菌（AOB）作用下氧化為亞硝酸鹽，然后進一步被亞硝酸氧化菌（NOB）氧化為硝酸鹽的過程為硝化。硝化細菌均是化能自養型，生長極其緩慢，平均世代時間在10h以上，且易受pH、溫度等外界條件的影響。參與污水硝化過程的細菌主要為亞硝化單胞菌（Nitrosomonas）和硝化菌屬（Nitrobacter），完整的硝化氮素過程為NH4+-N→NH2OH→NO2--N→NO3--N；缺氧條件下硝酸鹽在反硝化細菌的作用下轉變為N2，完整的反硝化氮素反應包括以下幾個過程：NO3--N→NO2--N→NO→N2O→N2，反硝化細菌分屬于假單胞菌屬（Pseudomonaceae）、產堿桿菌屬（Caicaiigenes）、芽孢桿菌屬（Bacillus）等50多個屬。氨化、硝化和反硝化氮代謝的過程需要多種酶系參與，編碼這些酶的基因可作為相應的功能基因，其中反硝化相關基因所占比例最高，達80.81%，其次是氨化（12.78%）和硝化（4.38%）〔10〕。隨著對微生物脫氮認識的深入，發現了自養反硝化、異養硝化、好氧反硝化和聚磷菌反硝化等，特征和影響，這些豐富了生物脫氮理論和生物脫氮工藝的發展[2]。

2 污水處理脫氮除磷工藝的研究進展

2.1 脫氮的依據

氨化、硝化和反硝化等脫氮方式是屬于生物脫氮法，在污水處理時經常會用到。氨化方式實現脫氮是在氨化菌的作用下，把有機氮化物轉化成了氨氮，以此來實現了脫氮。硝化方式實現脫氮是利用了硝化細菌，反硝化方式實現脫氮是利用了反硝化細菌，把產生的含氮化合物轉化為氣態，并且是在缺氧條件下進行的。同化方式來實現脫氮是把含氮化合物轉變為了微生物的組成部分。生物脫氮法是經常用到的一種脫氮技術，尤其是在傳統脫氮技術中。成本較高并且工藝比較復雜的化學脫氮法則很少被應用到污水處理中。

2.2 氧化溝工藝

氧化溝是一種穩定去除氨氮的處理方式，目前各國廣泛使用。該方法具有兩種類型反應器的特征：完全混合型和推式。封閉循環罐對污水具有良好的氮和磷去除效果。氧化溝工藝簡化了預處理，去除了有機物和氮磷化合物。同時，氧化溝對高濃度工業廢水具有良好的稀釋能力，可以承受水質和水量的沖擊負荷。由于推流的特性，水流方向可以形成溶解氧濃度梯度，以形成好氧、缺氧和厭氧條件，從而更好地實現氮和磷的去除效果[3]。

2.3 微壓內循環多生物相處理技術

微壓內循環多生物相生物處理技術是一種新型污水處理技術，實現在同一反應器內形成厭氧區、缺氧區、好氧區并存，多生物相協同生長的微壓內循環多生物相反應器（MPR），為多種脫氮機制提供穩定各自適宜的環境，節省了硝化液回流設備的同時，減少了污泥回流量；反應器內溶解氧梯度的變化，解決了脫氮除磷的泥齡矛盾問題。常溫條件下，MPR反應器利用短程同時硝化反硝化脫氮，低溫條件下，利用全程硝化反硝化脫氮。通過對微壓內循環反應器和傳統推流式反應器的初步調試，發現由于微壓內循環反應器的內部特殊結構以及曝氣方式可以有效解決傳統推流式反應器存在的泡沫堆積問題。基于微壓內循環多生物相處理技術，通過改變反應器內部增設半包圍導流板設計出微壓豎向雙循環反應器，經過小試實驗研究，得出結論：雙循環反應器對有機物、氮磷的去除優于傳統SBR，內部微生物種類豐富，相同運行條件下具有節能降耗的優勢。微壓內循環多生物相反應器可以有效地去除城市污水中的有機物、氮、磷，其出水水質遠遠優于傳統的城市污水處理方法。這些水可以作為多種水源，如冷卻、綠化、景觀用水等，甚至可以通過進一步深度處理，可以作為飲用水的補充水源。這樣，城市污水不但不會污染環境，反而會解決我國日益嚴重的水資源短缺問題，有效的為城市提供二次水源[4]。

3 結束語

眾所周知，污水中過量的氮和磷是水體富營養化的主要原因。污水脫氮的目的是通過微生物的代謝從水中去除氮和磷，并控制來自水源的水的富營養化。因此，氮和磷的去除已成為各國環境研究人員研究的重點。本研究中，大多數生物除磷和脫氮工藝都是基于傳統生物脫氮除磷理論的組合工藝。本文從傳統工藝和新工藝的角度出發，匯總了AO法、A2O法、氧化溝工藝、SBR法、雙污泥反向誘導結晶工藝和短程硝化反硝化新技術等高效脫氮除磷工藝的研究進展，為污水處理提供了一定的技術支持。