隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題越來越突出，特別是含氮、磷等植物營(yíng)養(yǎng)型污染物的超標(biāo)排放，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化問題日益嚴(yán)重。而常規(guī)活性污泥工藝對(duì)總氮、總磷的去除率僅在10％～30％之間，遠(yuǎn)不能達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的生物脫氮除磷工藝已成為當(dāng)前水污染控制領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。研究表明，生物的脫氮除磷過程出現(xiàn)了一些超出人們傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的新發(fā)現(xiàn)，如某些異養(yǎng)菌也可以參與硝化作用；某些微生物在好氧條件下也可以進(jìn)行反硝化作用。這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)以及各個(gè)不同工藝之間的組合，都為設(shè)計(jì)處理工藝提供了新的理論和思路。
1、傳統(tǒng)脫氦除磷工藝
1．1 A／O工藝
A／O工藝是Anaerobic／Anoxic／Oxic的簡(jiǎn)稱，即厭氧／缺氧／好氧生物脫氮除磷工藝。該工藝的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，能夠同步脫氮除磷，總停留時(shí)間短，不易膨脹，不需投藥，運(yùn)行費(fèi)用低。
污水首先進(jìn)人厭氧區(qū)與回流污泥混合，在兼性厭氧發(fā)酵菌的作用下，將部分易生物降解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為VFA(揮發(fā)性脂肪酸)。在缺氧區(qū)，反硝化菌利用污水中的有機(jī)物和經(jīng)混合液回流而帶來的硝酸鹽進(jìn)行反硝化，同時(shí)去碳脫氮。在好氧區(qū)，有機(jī)物濃度相當(dāng)?shù)停欣谧责B(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)行硝化反應(yīng)。
A／O工藝是較早用來脫氮除磷的方法，但是它的脫氮除磷效果難于進(jìn)一步提高。工藝流程見圖1。
1．2 phoredox工藝
在此工藝中，缺氧池可以保證磷的釋放，從而保證在好氧條件下有更強(qiáng)的吸磷能力，提高除磷效果。由于有兩極A／O工藝串聯(lián)組合，脫磷效果好，則回流污泥中挾帶的硝酸鹽很少，對(duì)除磷效果影響較少，但該工藝流程較復(fù)雜。工藝流程見圖2。
2．3 UCT工藝
此工藝是對(duì)phoredox工藝的改進(jìn)，將沉淀池污泥回流到缺氧池而不是回流到厭氧池，避免回流污泥中的硝酸鹽對(duì)除磷效果的影響，增加了缺氧池到厭氧池的混合液回流，以彌補(bǔ)厭氧池中污泥的流失，強(qiáng)化除磷效果。工藝流程見圖3。
上述工藝都是研究者們根據(jù)厭氧、缺氧、好氧等池子的排列數(shù)量及混合液循環(huán)和回流方式的變化開發(fā)出的一系列工藝。此外，還有通過對(duì)曝氣供氧的控制，在空問和時(shí)間上形成厭氧與缺氧環(huán)境的SBR(序批間歇式活性污泥法)工藝和氧化溝工藝。這些工藝中存在多種問題，制約了工藝的高效性和穩(wěn)定性。
2、傳統(tǒng)工藝中存在的問題
2．1 微生物的混合培養(yǎng)
傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝一般都采用單一污泥懸浮生長(zhǎng)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中有多種差別較大的微生物，不同功能的微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和生長(zhǎng)條件的要求都有很大的不同，要保證所有的微生物都達(dá)到最佳生長(zhǎng)條件是不可能的，這就使得系統(tǒng)很難達(dá)到高效運(yùn)行。
2．2 泥齡問題
由于硝化菌的世代期長(zhǎng)，為獲得良好的硝化效果，必須保證系統(tǒng)有較長(zhǎng)的泥齡。而聚磷菌世代期較短，且磷的去除是通過排除剩余污泥實(shí)現(xiàn)的，所以為了保證良好的除磷效果，系統(tǒng)必須短泥齡運(yùn)行。這就使得系統(tǒng)的運(yùn)行，在脫氮和除磷的泥齡控制上存在矛盾。
2．3 碳源問題
在脫氮除磷系統(tǒng)中，碳源主要消耗在釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌的正常代謝等方面。其中，釋磷和反硝化的反應(yīng)速率與進(jìn)水碳源中易降解的部分，尤其是揮發(fā)性有機(jī)脂肪酸的含量關(guān)系很大。一般說來，城市污水中所含的易降解的有機(jī)污染物是有限的，所以在生物脫氮除磷系統(tǒng)中，釋磷和反硝化之間存在著因碳源不足而引發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)性矛盾。
2．4 回流污泥中的硝酸鹽問題
在整個(gè)系統(tǒng)中，聚磷菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌及其它多種微生物共同生長(zhǎng)，并參與系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行。常規(guī)工藝中，由于厭氧區(qū)在前，回流污泥不可避免地將一部分硝酸鹽帶人該區(qū)，一旦聚磷菌與硝酸鹽接觸，就導(dǎo)致聚磷效果下降。這主要是由于反硝化細(xì)菌與聚磷菌對(duì)底物形成競(jìng)爭(zhēng)，其脫氮作用造成碳源無法滿足聚磷菌的充分釋磷所致。
3、生物脫氮除磷新工藝
3．1 DEPHANOX工藝
DEPHANOX工藝是BortoneG等于1996年提出的一種具有硝化和反硝化除磷雙污泥回流系統(tǒng)的技術(shù)，是為了滿DPB所需的環(huán)境要求而開發(fā)的一種強(qiáng)化生物除磷工藝。該工藝在厭氧池與缺氧池之間增加了沉淀池和固定膜反應(yīng)池，可以避免由于氧化作用而造成有機(jī)碳源的損失并穩(wěn)定系統(tǒng)的硝酸鹽濃度。污水在厭氧池中釋磷，在沉淀池中進(jìn)行泥水分離，含氨較多的上清液進(jìn)人固定膜反應(yīng)池進(jìn)行硝化，污泥則跨越固定膜反應(yīng)池進(jìn)入缺氧段完成反硝化和攝磷。
該工藝具有能耗低，污泥產(chǎn)量低且COD消耗量低的特點(diǎn)。但該工藝中磷的去除效果很大程度上取決于缺氧段硝酸鹽的濃度，當(dāng)缺氧段硝酸鹽不充足時(shí)，磷的過量攝取受到限制；反之硝酸鹽又會(huì)隨回流污泥進(jìn)入?yún)捬醵危蓴_磷的釋放和聚磷菌體的PHB的合成。
該工藝優(yōu)點(diǎn)在于不但能解決除磷系統(tǒng)反硝化碳源不足的問題和降低系統(tǒng)的能源(曝氣)消耗，而且可縮小曝氣區(qū)的體積，降低剩余污泥量，尤其適用于處理低COD／TKN(TKN為總凱氏氮)的污水。不過由于進(jìn)水中氮和磷的比例很難恰好滿足缺氧攝磷的要求，從而給系統(tǒng)的控制帶來一定困難。工藝流程見圖4。
3．2 A2NSBR工藝
A2NSBR反硝化除磷工藝由2個(gè)反應(yīng)器組成：A／O—SBR反應(yīng)器的主要功能是去除COD和反硝化除磷脫氮，N—SBR反應(yīng)器主要起硝化作用。這2個(gè)反應(yīng)器的活性污泥是完全分開的，只將各自沉淀后的上清液相互交換。
在N—SBR反應(yīng)器中進(jìn)水COD／TKN比較低的進(jìn)水和泥齡超長(zhǎng)，直接導(dǎo)致污泥濃度和污泥負(fù)荷低，從而減小曝氣量并得到較好的硝化效果。A／O—SBR反應(yīng)器中，好氧區(qū)有好氧吸磷和硝化發(fā)生，進(jìn)一步去除水中殘余磷和氨氮。此工藝硝化段、反硝化脫氮吸磷段和好氧吸磷段都處于較理想的反應(yīng)條件下，顯示出非常穩(wěn)定的硝化和脫氮除磷效果。
經(jīng)研究表明，兩反應(yīng)器的結(jié)合表現(xiàn)出穩(wěn)定的脫氮除磷特性，除磷率幾乎達(dá)到100％，脫氮率穩(wěn)定在90％左右；同時(shí)與傳統(tǒng)脫氮除磷工藝相比較COD消耗量減少50％，耗氧量和污泥產(chǎn)量也可分別減少約30％和50％。因此該工藝特別適合處理BOD／TP值較低的污水。
3．3 BCFS工藝
BCFS工藝是由荷蘭Delft大學(xué)的Mark教授在氧化溝和UCT工藝基礎(chǔ)上開發(fā)的，是目前已經(jīng)投入使用的單污泥系統(tǒng)。工藝由厭氧池、選擇池、缺氧池、混合池及好氧池等5個(gè)功能相對(duì)專一的反應(yīng)器組成。通過反應(yīng)器之間的3個(gè)循環(huán)，來優(yōu)化各反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌的生存環(huán)境，充分利用反硝化除磷菌的反硝化除磷和脫氮雙重作用，來實(shí)現(xiàn)磷的完全去除和氮的最佳去除過程。工藝流程見圖5。
5個(gè)主要反應(yīng)器中(1)厭氧池的厭氧條件用以確保污水中的揮發(fā)性脂肪酸(VFA)只被用于除磷菌釋磷時(shí)所吸附；(2)選擇池(厭氧)的設(shè)置一方面為了阻止污泥膨脹，一方面也進(jìn)一步杜絕流入缺氧區(qū)的VFA；(3)缺氧池的設(shè)置是通過反硝化以獲得不含硝酸鹽的污泥，進(jìn)而提高厭氧池的釋磷效率；同時(shí)利用好氧池中的硝酸鹽來除磷，強(qiáng)化了反硝化除磷菌來達(dá)到真正的同步生物除磷脫氮的目的；(4)缺氧／好氧池混合池的主要功能是脫氮，可以曝氣也可以缺氧，避免同步硝化反硝化，從而控制污泥膨脹；(5)好氧池與常規(guī)處理工藝中功能相同，其主要作用是去除COD及進(jìn)行氨氮的硝化，如果不能完成硝化，可回流至混合池，這根據(jù)進(jìn)水的情況定。
BCFST藝突出了反硝化除磷在系統(tǒng)中的作用，將反硝化脫氮與生物除磷有機(jī)地合二為一，其主要特點(diǎn)是：(1)對(duì)氮、磷的去除率高；(2)SVI值低(80～120mE／g)且穩(wěn)定；(3)控制簡(jiǎn)單，通過氧化還原電位與溶解氧可有效地實(shí)現(xiàn)過程穩(wěn)定；(4)與常規(guī)污水廠相比，其污泥量減少10％；(5)利用反硝化聚磷菌(DPB)實(shí)現(xiàn)生物除磷，使碳源(COD)能被有效地利用，使該工藝在COD／(N+P)值相對(duì)低的情況下仍能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)；(6)可回收磷。因此該工藝是一種可持續(xù)的污水處理技術(shù)。
3．4 SHARON工藝
SHARON工藝是由荷蘭Delf工業(yè)大學(xué)開發(fā)的脫氮新工藝。其基本原理是短程硝化反硝化。即將氨氮氧化控制在亞硝化階段，然后進(jìn)行反硝化，其工藝核心是應(yīng)用硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌的不同生長(zhǎng)速率，即在操作溫度30～35℃下，亞硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率明顯高于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率，亞硝化細(xì)菌的最小停留時(shí)間小于硝化細(xì)菌這一特性，通過控制系統(tǒng)的水力停留時(shí)間使其介于硝化細(xì)菌和、亞硝化細(xì)菌最小停留時(shí)間之問，可以將硝化細(xì)菌從反應(yīng)器中淘汰出去，使反應(yīng)器中亞硝化細(xì)菌占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，從而使氨氧化控制在亞硝化階段，同時(shí)通過缺氧環(huán)境達(dá)到反硝化的目的。工藝流程見圖6。
3．5 CANON工藝
CANON工藝通過控制生物膜內(nèi)溶解氧的濃度實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化，使牛物膜內(nèi)聚集的亞硝酸菌和厭氧氨氧化菌能同時(shí)生長(zhǎng)，滿足生物膜內(nèi)一體化完全自養(yǎng)脫氮工藝實(shí)現(xiàn)的條件。CANON工藝無需外源有機(jī)物質(zhì)，能夠完全無機(jī)的條件下進(jìn)行。亞硝酸菌需要氧氣，厭氧氨氧化菌對(duì)氧氣敏感，故CANONT藝必須往低氧環(huán)境中實(shí)施。CANON工藝目前在世界上還處于研究階段，沒有真正應(yīng)用到工程實(shí)踐中。
3．6 ANAMM0X工藝
厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝由荷蘭Delft技術(shù)大學(xué)Kluyve生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)。由于SHARON工藝在反硝化過程中需要消耗有機(jī)碳源，并且出水亞硝酸鹽濃度相對(duì)較高，因此以該工藝作為硝化反應(yīng)器、ANAMMOX工藝作為反硝化反應(yīng)器進(jìn)行組合，可以有效提脫氮效率。將SHARON工藝的出水作ANAMMOX工藝的進(jìn)水，將氨氮和亞硝酸鹽在厭氧條件下轉(zhuǎn)化為N2和水。工藝流程見圖7。
SHARON—ANAMMOX聯(lián)合工藝適合處理高濃度氯氮廢水而不需外加碳源，與傳統(tǒng)工藝相比，耗氧量節(jié)約50％，同時(shí)減少CO2的排放，污泥產(chǎn)少，與其他工藝相比對(duì)環(huán)境造成的污染小，具有良好的應(yīng)用前景
4、結(jié)論
反硝化除磷、同時(shí)硝化與反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等生物脫氮除磷技術(shù)均是突破傳統(tǒng)生物脫氮除磷原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是朝著經(jīng)濟(jì)、高效、低耗的可持續(xù)方向發(fā)展的生物脫氮除磷新技術(shù)、研究者們對(duì)這些新技術(shù)已進(jìn)行較為深入的研究。并且，一些新技術(shù)都已經(jīng)運(yùn)用于實(shí)踐中。但這些新技術(shù)的原理、工藝還不夠成熟，其原理、工藝及其影影響因素還有待進(jìn)一步的研究。（來源：江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份公司）
