生物脱氮除磷工艺现状及研究发展前景

孙建升，孙力平

（天津城市建设学院 市政与环境工程系，天津 300384）

　　摘  要：本文介绍了生物脱氮除磷的机理，分析了当前生物脱氮除磷工艺，并在此基础上对生物脱氮、除磷技术的发展进行展望。

　　关键词：城市污水；脱氮除磷；A²/O；DPB

　　1 前言

　　随着工业化及人口增长的继续，水体富营养化所带来的问题愈发严重，从而加速了水体的污染和老化。而这一切都是因为排入水体的污水中含有氮、磷等营养物质。于是人们在去除BOD的基础上开始探求高效、节能的生物脱氮除磷污水处理系统，80年代以来，大多数的研究均致力于此^[1]。

　　2 生物脱氮除磷基本原理^[2]

　　2.1 生物脱氮的基本原理

　　污水中氮的去除通常分为三步：氨化、硝化和反硝化，并分别由不同的细菌来完成。

　　① 氨化作用

　　含氮有机物经微生物降解释放出氨的过程，称为氨化作用。这里的含氮有机物一般指动物、植物和微生物残体及其排泄物、代谢物所含的有机氮化合物，主要包括蛋白质、核酸、尿素、尿酸、几丁质、磷酸脂等含氮有机物，它们都能被相应的微生物分解并释放出氨氮。

　　无论是在好氧还是在厌氧条件下，氨化作用在中性、酸性或碱性条件下均能进行，只是作用的微生物种类不同、作用的强弱不一。只有当环境中存在一定浓度的酚或木质素—蛋白质复合物时，才会阻滞氨化作用的进行。

　　② 硝化作用

　　硝化作用是指将NH₃氧化成NO₂^-，然后再氧化成NO₃^-的过程。硝化作用由两类细菌参与，亚硝化菌将NH₃氧化成NO₂^-，硝化杆菌将NO₂^-氧化成NO₃^-。由于它们均为自养菌，故能利用氧化过程释放的能量，将CO₂合成为细胞有机物质。硝化作用的程度往往是生物脱氮的关键所在。

　　硝化菌的生长计量式（基于质量）如下：

　　NH₄⁺＋3.3 O₂＋6.708 HCO₃^-→0.129 C₅H₇O₂N＋3.373 NO₃^-＋1.041 H₂O＋6.463 H₂CO₃

　　由上式可以看出，氨氧化为硝酸盐的过程消耗了大量的碱度：6.708 mgHCO₃^-/mgNH₄⁺，相当于8.62 mgHCO₃^-/mgNH₄⁺-N。碱度的大量消耗与中和氧化过程中释放的氢离子有关，只有一小部分碱度转化为细胞物质。如果细胞中的碱度不足，且未对pH值进行控制，那么pH值将会下降到正常的生理范围值以下，抑制自养菌和异养菌的活性，从而影响系统的正常运行。此外硝化过程还需要相当量的氧气。总之，硝化细菌的生长对系统中微生物的总量并没有什么影响，但对需氧量和碱度却有很大的影响。

　　③ 反硝化作用

　　反硝化作用是指硝酸盐和亚硝酸盐被还原成气态氮和氧化亚氮的过程。参与这一过程的细菌称为反硝化菌。大多数反硝化菌是异养的兼性厌氧细菌。反硝化过程的电子受体是硝酸盐根和亚硝酸盐根，电子供体为各种各样的有机基质。

　　在硝化过程中耗去的氧能被回收并重复利用于反硝化过程中，使有机基质氧化。另外，每还原1 mg硝酸盐氮生成3.57 g碱度，这在一定程度上缓解了系统对碱度的需求。

　　2.2 生物除磷机理

　　目前普遍认同的生物除磷理论是“聚合磷酸盐累积聚合物”（Poly-phosphate Accumulating Organisms）的摄磷释磷原理。在厌氧条件下，聚磷菌消耗糖元，将胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，并从中获取能量，同时将环境中的有机碳源（挥发性脂肪酸VFA）以胞内碳能源存贮物（主要为PHB，聚-β-羟基丁酸）的形式贮存。

　　在好氧条件下，聚磷菌以O₂为电子受体，氧化胞内贮存的PHB，利用产生的能量过量地从环境中摄取磷，以聚磷酸高能键的形式存贮。通过排放富磷的剩余污泥可实现磷的去除。

　　由上述机理可知，生物脱氮、除磷工艺应包括厌氧、缺氧、好氧三种状态。各工艺的出发点就是通过优化三种状态的组合方式和数量分布的时间变化以及回流方式和回流位置等创造出更适合特定微生物生长的环境，以达到高效脱氮、除磷的目的。

　　3 常规脱氮、除磷工艺的分析

　　3.1 A²/O工艺（Anaerobic-Anoxic-Oxic-process）

　　厌氧/缺氧/好氧(Anaerobic Anoxic Oxic)简称A²/O工艺，是一种典型的生物脱氮除磷工艺，得到了广泛的应用。污水首先进入厌氧区与回流污泥混合，在兼性厌氧发酵菌的作用下将部分易生物降解的大分子有机物质转化为VFA；聚磷菌释磷并吸收VFA以PHB的形式贮存于胞内。在缺氧区，反硝化菌利用进水中的有机物质和回流中的硝酸盐进行反硝化，同时去碳、脱氮。在好氧区，有机物浓度相当低，有利于自养硝化菌的繁殖，同时聚磷菌超量吸磷。通过高磷污泥的排放达到除磷的目的。

图1  A²O工艺

　　我国已建成多座采用A²/O工艺的城市污水处理厂，如天津纪庄子污水处理厂。从运行效果来看，其脱氮除磷效果不稳定。这是因为生物脱氮、除磷工艺包括硝化、反硝化、释磷和摄磷过程，每一过程都有固定的或专性微生物类群来完成，不同的微生物对环境的要求不同，因此，不可避免的产生了矛盾。

　　3.2 生物除磷和脱氮之间的矛盾关系

　　① 泥龄问题

　　硝化菌的最大比增值速度μ_max的值较小，因而繁殖速度慢，世代时间长，故硝化需要较长的泥龄，一般为10 ~ 15天。而除磷是通过高磷污泥的排放实现的，研究表明当泥龄大于5天时，除磷效果随泥龄的增加而降低，除磷的最佳泥龄为5 ~ 7天。因此，泥龄的矛盾影响整体的处理效果。

　　② 碳源问题

　　聚磷菌释磷和反硝化都需要有机碳源，尤其是易生物降解的有机碳源。城市污水中易降解有机物质含量较少，很难同时满足释磷和反硝化的要求，这就需要外加碳源，从而增加了运行费用；或者优先考虑脱氮或除磷，从而影响了处理效果。

　　③ 硝酸盐问题

　　回流污泥中的硝酸盐对聚磷菌的释磷产生抑制，从而影响了整体的除磷效果。

　　3.3 改进措施

　　针对上述问题，许多研究者对A²/O工艺进行了局部的改进，主要有如下几种：

　　① 介质M-A²/O工艺

　　在好氧段投加填料，固定硝化菌，使其不受污泥回流的影响，从而解决了泥龄问题。另外，增加了生物量，使减小反应器体积成为可能。同济大学的毕学军^[3]采用聚乙烯悬浮小球进行实验，均取得满意的效果，TN去除率达到86%，TP去除率达到91%。

　　② 生物转盘

　　J.L.Su和C.F.Ouyang^[4]利用生物转盘固定硝化菌，解决了泥龄问题。在厌氧和缺氧段采用完全浸没式生物转盘，在好氧段采用部分浸没式生物转盘。由于硝化菌不受排泥影响，故采用高的排泥量使系统的除磷率达到96%。

　　③ 增加进水中的易降解有机物质

　　B.Terchgraber^[5]进行了初沉污泥的酸化研究，研究结果表明初沉污泥酸化可使进入生物处理阶段的易生物降解COD增加10% ~ 15%，但该法存在着散发臭味气体和有爆炸危险等问题。

　　④ 改良A/A/O工艺^[6]

　　改良的A²/O工艺综合了A²/O工艺和UCT工艺的优点，提出了如图所示的工艺。

图2  改良的A/A/O工艺

　　4 生物脱氮除磷工艺研究新工艺

　　现有的生物脱氮、除磷组合工艺，主要是建立在传统脱氮、除磷理论基础上，通过优化厌氧、缺氧、好氧三种状态的组合方式和数量分布的时间变化以及回流方式和位置等，创造出更适合微生物生长的环境，以达到高效脱氮除磷的目的。其主要不足有：较大差别的微生物在同一系统中，相互影响，制约了处理工艺的高效和稳定；较多的回流增加了系统的复杂性和运行费用；脱氮、除磷过程对能源（如氧和碳源）消耗过多；高磷污泥的后继处理等。近年来出现的一些新工艺为解决这些问题提供了新的思路。

　　4.1 同步硝化反硝化^[8]

　　传统脱氮理论认为硝化反应在好氧条件下进行，而反硝化在厌氧条件下进行，二者不能同时实现。然而，近来的一些研究发现存在同步硝化反硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于不同的生物处理系统中，如氧化沟、SBR工艺、间歇曝气反应器工艺等。研究者对其机理进行了广泛的探求，认为其主要原因在于反应器中微环境的存在。另外，可能存在未被发现的微生物菌种。对其机理的认识尚处于探索阶段。

　　4.2 短程硝化反硝化

　　长期以来，无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要实现废水生物脱氮就必须使NH₃-N经历典型的硝化和反硝化过程才能完全被除去。但许多实验证明可以按照氨氮－亚硝酸盐－氮气的过程实现短程硝化反硝化。从氮的微生物转化过程来看，氨被氧化成硝态氮是由两类独立的细菌催化完成的两个不同反应，应该可以分开。这两类细菌的特征也有明显的差异。对于反硝化菌，无论是NO₂^-还是NO₃^-均可以作为最终受氢体，因而整个生物脱氮过程可以通过NH₃→NO₂^-→N₂这样的途径完成。荷兰Delft大学已经利用该技术开发出SHARON工艺^[8]。SHARON工艺通过控制温度和停留时间，将硝化菌从反应器中洗脱，使反应器中亚硝化菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝化阶段。李春杰、周琪、顾国维等人利用MSMBR反应器内膜对有害物质的截留作用以及对泥龄的控制实现了对硝酸盐细菌生长的抑制。

　　4.3 反硝化除磷^[9]

　　荷兰Delft技术大学的T.Kuba有关兼性厌氧“反硝化除磷菌”（DPB）的研究表明，DPB能够在缺氧条件下利用硝酸盐作为电子受体氧化胞内PHB，同时实现反硝化和过渡摄磷。在保证硝化的同时，与传统好氧除磷菌相比，DPB还具有相同的除磷潜力。

　　5 结语

　　我国水体富营养化的问题日益严峻，污水处理工作任重道远。一方面，针对现有污水处理厂，我们要综合考虑碳源、泥龄和硝酸盐问题，改进处理工艺，在保证去除效果的前提下降低能耗；另一方面，积极探索生物脱氮、除磷机理以指导实践，开发更为经济有效的除磷、脱氮工艺。

　　参考文献

　　[1] C.P. Leslie Grady, Jr. Biological Wastewater Treatment [M]. MARCEL DEKKER NEWYORK, 1999. 3-10.

　　[2] C.P. Leslie Grady, Jr. Biological Wastewater Treatment [M] MARCEL DEKKER NEWYORK, 1999. 35-53.

　　[3] 毕学军. 生物脱氮除磷工艺好氧区硝化功能的强化试验. 上海环境科学, 2002, 19(4): 183-186.

　　[4] Koji Mishima, Takahiko Nishimura, Masahide Coi, et al. Characterisitics of nitrification and denitrification of the media-anaerobic-anoxic-oxic process. Wat. Sci. Tech., 1996, 34(1-2) 137-143

　　[5] Deguchi H. Study on nitrified liquor recycling process operation using polyurethane foam eponge cubes as a biomass support medium. Wat. Sci. Tech., 1994, 30(6): 143-149.

　　[6] 郑兴灿, 李亚新. 污水除磷脱氮技术. 北京: 中国建筑工业出版社, 1998. 214-215.

　　[7] Hyungseok You, et al. Nitrogen removal from synthetic wastrwater by simultaneous nitrification and denitrification CSND cia nitriate in an reacter Wat. Tech., 1994, 29(10-11) 339-346

　　[8] Hel mer C, et al. Nitrogen loss in a nitrifying biofilm system. Wat. Sci. Tech. 1999, 39(7): 13-21.

　　[9] T.Kuba. Effect of cyclic oxygen exposure on the acticity of DPB.

　　[10] Wat. Sci. Tech. 1996. 34(1-2): 33-40.