1、1 本科毕业论文 文献综述 环境 工程 废水生物脱氮除磷新型工艺 摘要： 氮、磷等元素的过量排放，导致水体富营养化问题日趋严重。传统的生物脱氮除磷工艺已很难达到要求，因此开发高效、经济、低耗的生物脱氮除磷技术已成为目前城市污水处理技术研究的热点。 本文 对同时硝化反硝化 、 短程硝化反硝化 、反硝化除磷、短程反硝化除磷工艺基本机理 进行了综述和讨论 ，介绍了新技术的优缺点以及相关研究成果 。并根据我国现有的生物脱氮除磷工艺所存在的问题， 对生物脱氮除磷技术的发展趋势进行了展望 。 关键词： 生物脱氮 ； 生物除磷 ； 污水处理 ； 硝化 ； 反硝化 引言 水体富营养化现已成为污水处理的世界性难
2、题。大量研究表明，污水中的氮和磷是导致收纳水体富营养化的主要原因之一，如何有效的降低水体中氮、磷含量，提高污水脱氮除磷效率是目前污水处理研究的热点以及难点。 传统的物化处理技术需要大量的药剂，具有运行成本高、污泥产量大的缺点。仅是满足单一的水质改善，并没有考虑污水及所含污染物的资源化和能源化问题。 因此 ， 采用高效、节能、经济的氮磷去除工艺以及构筑物一体化建设必将是我国污水处理工艺的一个发展方向 1,2。 污水生物处理 作为 现代污 水处理 广泛应用 的方法之一，其作用机理 是利用自然界中微生物的新陈代谢作用，对污水中的污染物进行分解和转化，从而达到净化的目的。污水生物处理技术以其消耗少、效
3、率高、成本低、工艺操作管理方便可靠和无二次污染等显著优点而备受人们的青睐 3,4。本文 重点介绍了 几种新型废水生物脱氮 除磷 工艺 及其作用机理，分析各工艺的优缺点， 为其 以后的 实际应用提供 一定理论基础。 1. 传统生物脱氮除磷原理 1.1 生物脱氮机理 生物脱氮技术 ， 包括硝化和反硝化 两个部分 ， 是目前最经济的城市污水脱氮方2 式。硝化是在有氧条件下自养菌分为两个步骤将氨转化为硝酸盐的过程。该过程由两 类 自养菌 ； 亚 硝化菌和硝化菌共同完成 ， 两者在生长过程中密切相关。第一步 ，亚硝化菌将氨转化为亚硝酸盐 ， 羟胺为中间产物 ； 第二步 ， 硝化菌将亚硝酸盐一步氧化为硝酸
4、盐 5。通常认为 ， 硝酸盐的形成是硝化过程的一个限制步骤。硝化反应化学反应方程式如下 ： 硝化反应 ： 2NH3+3O2NO 2-+2H+2H2O 2NO2-+O22NO 3- 反硝化是在缺氧条件下 ， 反硝化细菌将硝化产生的亚硝酸氮和硝酸氮还原成气态氮。由于反硝化细菌是兼性厌氧菌 ， 只有在缺氧或厌氧条件下才能进行反硝化 ， 因此需要为其创造一个缺氧或厌氧的环境 ， 其化学反应方程式 如下 ： 反硝化反应 ： 2NO3-+2H+10H N 2 + 6H2O 此外 ， 在生物脱氮的同时 ， 污水中的有机物被异养菌转化为二氧化碳。 1.2 生物除磷机理 图 1 生物除磷机理图 生物除磷机理是利
5、用聚磷菌 （ PAOs） 通过厌氧、好氧交替环境 ， 来实现磷放释放和过量吸收 ， 并以聚磷酸盐的形式积累于细胞内 ， 然后作为剩余污泥排出，达到除磷的目的。聚磷细菌在厌氧条件下能分解其细胞内的聚磷酸盐而产生 ATP（ 三磷酸腺甘 ） ，并将产生的能量用以将废水中的脂肪酸等小分子量的 有机物摄入细胞中，并以 PHB（ 聚 -羟基丁酸盐 ） 和糖原等有机颗粒的形式储存于细胞内，同时将分解有机质 产酸菌 乙酸 聚磷 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 聚磷菌 PHB PHB 聚磷 O2 吸磷 磷 厌氧环境 好氧环境 3 聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外 。 在好氧的条件下 ， 聚磷菌以游离氧为电子受体 ，氧化细胞
6、内储存的 PHB， 并利用该反应产生的能量 ， 过量从污水中摄取磷酸盐 ， 合成高能 ATP， 其中一部分又转化为聚磷 ， 作为能量储于细胞内 ， 好氧吸磷大于厌氧释磷量 ， 通过排放富磷污泥可以实现高效除磷目的 。生物除磷机理如图 1所示。 2. 传统生物脱氮除磷工艺 及存在的问题 传统生物脱氮除磷工艺主要包括： A2/O、氧化沟工艺、 SBR工艺等，这些工艺均是基于传 统硝化反硝化法脱氮除磷机理而开发而来的 ,能实现同步脱氮除磷的连续流程工艺。都属于通过对曝气方式的控制实现厌氧与好氧环境在时间上交替出现的间歇曝气工艺 6。 然而， 脱氮与除磷是一个矛盾体，在脱氮效率达到较高水准时 ，除磷的
7、效率往往处于比较低的状态。这是由于污泥回流所携带的硝酸盐对厌氧释磷过程有一定影响，同时混合液回流过程中所携带的溶解氧对反硝化作用也有不利影响。以及聚磷菌与反硝化菌在碳源上的竞争，而污泥泥龄因为兼顾硝化菌的生长不宜过短 7。种种原因导致了脱氮与除磷效率难于进一步提高。再者，传统工艺存在一次性造 价高、运行费用高、 能源 浪费、排放温室气体等一系列问题。所以在污水处理应用中很难达到高效、经济、低耗的要求。 3. 废水生物脱氮除磷新技术 基于传统脱氮除磷工艺存在的问题及其产生问题的原因。近年来，短程硝化反硝化脱氮工艺、同时硝化反硝化工艺、反硝化除磷工艺 及 短程反硝化除磷 工艺等逐渐成为主要研究项目
8、，这些工艺提出的生物脱氮除磷新概念和新技术突破了传统理论 ,对能耗和碳源的依赖更少 ， 这为解决上述问题提供了有效的途径和发展空间，同时对于开发低成本、运行简单稳定和适应可持续发展的废水处理新技术具有重要意义。 3.1 短 程硝化 -反硝化生物脱氮工艺 （ Shortcut Nitrification and Denitrification, SCND） 传统的硝化反硝化原理是：氨氮在亚硝化菌的作用下氧化生成 NO2-，然后 NO2-被硝化菌进一步氧化成 NO3-（ NH4+NO 2-NO 3-，完 全硝化），最后通过异养反硝化菌的作用将 NO3- 还原成 N2。短程硝化反硝化基本原理是将氨氮
9、氧化控制在亚硝 化阶段 ， 然后进行反硝化。 反应方程式如下： 4 硝化： NH4+1.5O2NO 2-+H2O+2H+（ 短程硝化 ） NH4+2O2NO 3-+H2O+2H+（ 全程硝化 ） 反硝化： 6NO2+3CHOH+3CO23N 2+6HCO3-+3H2O（ 短程反硝化 ） 6 NO2-+5CHOH+CO3N 2+6HCO3-+7H2O（ 全程反硝化 ） 短程硝化反硝化脱氮在硝化阶段只用了全程硝化 75%的供氧量，在反硝化的过程中外碳源节省了 40%，具有水力停留时间短，反硝化速率高和剩余污泥量少等优点而受到很大关注 8。 SHARON工艺是由荷兰 Delft技术大学开发最具代表性
10、的短程硝化反硝化工艺 ， 该工艺的核心是应用硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率 , 即 在高温 （ 30-35 ） 下亚 硝化菌的生长速率明显高于硝酸菌这一固有特性，控制系统的水力停留时间和反应温度，从而使硝酸菌被逐步冲洗出去，反应器中亚硝酸菌占优势，使氨氮控制在亚硝化阶段 7。 其处理流程如图 2所示 9： 图 2 SHARON工艺 运行后的处理流程 与传统的生物脱氮相比， SHARON工艺具有以下特点 ： SHARON工艺常被用于处理进水氨氮浓度高达 1000mg/L以上的厌氧硝化污泥分离液；一般是在温度 35 左右运行 ， 这是因为较高温度有利于富集最适合生长温度偏高的菌群 ， 处理效 率高
11、，而传统工艺在常温下运行即可；此工艺采用完全混合反应器 ， 泥龄较短；另外，短程硝化反硝化可在一个反应器中完成 ， 工艺流程短 ， 可借助反硝化作用调控酸碱度 ，无需加碱中和 ， 且反应器内无污泥滞留现象 ， 装置结构简单 10。尤其适用于低 C/N、高氨氮、高 pH值和高碱度废水的处理。但短程硝化反硝化不能长久稳定地维持 NO2-进水混合液 除碳曝气池 硝化曝气池 进水混合液 重力浓缩池 污泥消化池 污泥 脱水 SHARON 污泥外运 进水 5 积累 11。但从另一方面考虑， SHARON工艺的运行条件如高温、高氨氮浓度也限制了工艺的发展和应用。所以如何在处理城市污水的过程中实现短程硝化反硝
12、化工艺是各国学者所要研究和解决的问题。 张小玲等 12在实验室研究了低溶解氧下序批式反应器 （ SBR） 的短程硝化特征和控制条件以及碳源浓度、投加方式对同步脱氮效率的影响。实验表明， SBR在温度为 2125 、进水氨氮浓度为 300mg/L、曝气量为 7080L/h的条件下实现了短程硝化 ， 亚硝态氮积累率达 90%以上。高、低溶解氧交替环境是实现短程硝化的关键条件；此外，低溶解氧下反应器内发生了同步硝化反硝化现象，碳源投加方式对总氮去除率影响显著。 3.2 同时硝化 -反硝化生物脱氮工艺 （ Simultaneous Nitrification and Denitrification，S
13、ND） 大多数的生物脱氮工艺都将缺氧区和好氧区分隔开，即形成前置反硝化或后置反硝化工艺 13。然而 ， 国内外研究者不断证明存在同时硝化反硝化现象 （ Simultaneous Nitrification-Denitrification，简称 SND） ， SND工艺使硝化和反硝化反应在同一反应器中同时进行，硝化产生的 H+可被反硝化产生的 OH-迅速中和，有效减缓了反应液的 pH值波动，使硝化和反硝化反应效率同时提高。大量实验证明，同时硝化反硝化不仅可以发生在生物膜处理过程如流化床、曝气生物滤池，也可以发生 在活性污泥工艺中的氧化沟及 SBR等水处理过程中 14。 目前对 SND技术的研究主
14、要集中在 SBR、生物转盘、生物流化床、氧化沟等 13。 以 SBR为例， SBR全称序批式活性污泥法，由进水、反应、沉淀、出水、闲置 5个基本过程组成，图 3为 SBR工艺流程图。 与传统生物脱氮工艺相比， SND具有其特有的优越性，主要表现在：能有效地保持反应器中 pH值稳定 ， 无需外加碱剂 ， 节省运行费用；对于连续运行的 SND工艺污水处理厂 ， 可以减少传统反应器的容积，节省基建费用；对于仅由一个反应池组成的 SBR反应器而言 ， SND能够降低实现完 全硝化反硝化所需的总时间；节省曝气量 ， 能够进一步降低能耗 10。 郝火凡等 15采用序批式生物膜反应器 （ SBBR） 处理实
15、际垃圾渗滤液 ， 250d的试验表明 ， SBBR系统能够稳定高效地同步去除高浓度有机物和高浓度氨氮 ， 对 COD的去除率平均为 86.8%， 对 TN的平均去除率分别 73.8%（ DO=0.45mg/L） 、 30% 6 （ DO=1.19mg/L） 左右试验结果还表明游离氨浓度 （ FA） 是影响系统 SND类型的主要因素 ， DO可促进亚硝酸型 SND向硝酸型 SND的转化。 Yoo16研究了间歇式曝气反应器中的 SND现象 ， 并确定了关键的控制参数 ， 在最佳条件下 ， 氨氮去除率均高达90%以上 ， 同时还可以去除 95%以上的 COD。 孟怡等采用内置填料的反应器处理含氮制药
16、废水 ， 研究了 SND在制药废水中的应用 ， 在适宜的条件下 ， 氨氮和总氮的去除率分别高达 90%和 70%。 图 3 SBR工艺流程图 3.3 反硝化除磷工艺 反硝化除磷是用厌氧 /缺氧交替环境来代替传统的厌氧 /好养环境 ， 驯化培养出反硝化聚磷菌 （ 简称 DPB） 为优势菌种，通过 DPB的代谢作用来同时完成反硝化和过量吸磷过程，从而达到脱 氮除磷的双重效果 13。因此，在普遍面临碳源缺乏和较高的污水脱氮除磷要求情况下，短程硝化工艺和反硝化除磷的结合成为了当前研究的热点。 关于反硝化除磷的解释有 2种假 说：（ 1） 两 类菌属学说 ， 即生物除磷系统中的聚磷菌 （ PAOs） 可
17、分为 两 类菌属 ， 其中一类 PAOs只能以氧气作电子受体 ， 而另一类则既能以氧气又 能以 NO3-作电子受体，因此此类 PAOs在吸 磷的同时也能进行反硝化 。（ 2） 一类菌属学说 ， 即在生物除磷系统中只存在一类 PAOs， 它们在一定程度上都具有反硝化能力 ， 其能否表现出来的关键在于厌氧 /缺氧这种交替环境是否得 到格栅间 隔油沉淀池 调节池 加药混合池 气浮池 SBR 反应池 集水池 调节池 油水分离器 带压机 混凝沉淀池 混合反应池 集水池 浮渣池 泥饼外运 外排 泥外运 进水 泥外运 7 强化 17。 J.Y.Hu18通过实验又发现了一种既能 利用氧和 NO3-又能利用 N
18、O2-作 为电子受体的细菌 。 反硝化除磷脱氮反应器有单污泥和双污泥系统之分。在单泥系统中各种细菌共同存在于一个反应器中；在双泥系统硝化菌单独存在于独立的硝化池中。目的是为了给硝化菌和 DPB创造各自最适环境条件 ， 达到最佳的脱氮除磷的效果 13。 图 4 Dephanox工艺流程 Dephanox工艺是较典型的双污泥系统，该工艺是为满足 DPB所需的环境和基质的一种强化生 物除磷工艺，其特点是在 A2/O工艺的厌氧池与缺氧池之间增设一个中间沉淀池和固定生物膜反应池，工艺流程图如图 4所示。 污水在厌氧池中释磷及储存 PHB后，在中间沉淀池中进行泥水分离；分离后的低碳、高氨氮、富磷的上清液直
19、接进入固定膜反应池进行好氧硝化；污泥则跨越固定生物膜反应池进入缺氧池，完成反硝化和超量摄磷。 Dephanox工艺具有以下特点：具有减少能耗、节约碳源和污泥产量低的特点。 COD被最大限度的用于厌氧释磷时DPB合成 PHB的消耗，在缺氧环境中这部分 PHB被 DPB同时用于反硝化和吸磷作用，通过 “ 一碳两用 ” 实现了系统的脱氮除磷，该工艺适用于处理 COD/TN较低的污水；此工艺为双泥系统，硝化菌呈生物膜固着生长，不仅给硝化菌创造了稳定的生活环境，增加硝化菌的量，提高了硝化率，也减少了水力停留时间和反应器容积；此外，在无需大的污泥回流比的前提下就能保持较低的出水硝酸盐浓度 13。王春英等
20、19根据 Osborn和 Nicholls发现的反硝化细菌超量吸磷特性，以及活性污泥可快速吸附有机物的特点开发出废水除磷新工艺，设计原理与 Dephanox工艺基本相同。 Ekama20等厌氧 缺氧 固定膜 好氧 沉淀池 二沉 池 进水 污泥跨越 污泥回流 富磷剩余污泥 出水 曝气池 8 指出 Dephanox工艺沉降性能较好，可解 决污泥膨胀等问题，但 以 NO3-作为 电子受体释放的能量少，所以反硝化除磷效率比好氧除磷低。 Dephanox工艺在荷兰已经被用于多家污水处理厂，且获得了良好的氮磷去除效果。 3.4 短程反硝化除磷工艺 短程反硝化除磷与短程硝化结合可构成新型高效的同步脱氮除磷技
21、术 ， 除具有硝酸盐型反硝化除磷所具有的节省 COD和耗氧量 、 产泥量低的优点外 ， 还具有运行周期短 、 吸磷释磷速率快 、 耗氧量和 COD进一步减少的优点 ， 适合含低有机碳高氮磷废水的同步脱氮除磷 ， 成为极富应用前景的脱氮除磷技术 21。 图 4 A2N-SBR 系统 A2N-SBR工艺是一种新型的双泥反硝化除磷工艺 ， 由 A2-SBR除磷 反应器 N-SBR短程硝化 反应器组成， 如图 4所示 。 运行时两个 SBR中的污泥是分开的，而只将各自沉淀后的上清液相互交换。 A2-SBR的主要功能是去除 COD和反硝化除磷 脱氮 ；N-SBR反应器主要起硝化作用。 因此可分别控制系统
22、中 PAOs和硝化菌的泥龄，以避免相互干扰，利于运行优化 22。但该工艺也存在着一些缺点：（ 1） 相关研究表明以亚硝酸盐为电子受体的反硝化除磷效率相比好氧除磷菌以及以硝酸盐为电子 受体的反硝化除磷菌要低；（ 2） 实际应用时，进水中氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷进水 厌氧阶段 沉淀 缺氧阶段 沉淀 好氧阶段 好氧阶段 沉淀 亚硝酸盐交换器 出水 9 的要求，这给系统的控制带来困难；（ 3） NH4+可 能残留在反硝化除磷污泥流中，这将影响 N的去除效率 23。流程图如图 4所示 。 王爱杰 24等人采用序批式反应器，以亚硝酸盐为电子受体进行反硝化除磷试验，通过控制 N-SBR反应器中 DO
23、为 0.4mg/L、碱度 1300mg/L、温度为 283 、 pH为8.00.2、污泥龄为 30d实 现亚硝酸盐的稳定积累后与反硝化除 磷 SBR反 应器串联后成功形成两段活性污泥短程反硝化除磷系统。 4. 生物 脱氮除磷技术的发展趋势 我国对生物脱氮除磷技术的研究起步较晚 ， 资金投入也十分有限 ， 研究水平现仍处于发展阶段。目前在国内外脱氮除磷机理没有较大突破之前 ， 充分利用现有的工艺 ，研究 开发出技术成熟、经济高效且 符合地方地域特征的 工艺应是今后我国脱氮除磷工艺发展的主要努力方向。 对于此技术的研究主要集中在两个方面：（ 1） 借助生物技术的发展 ， 研究生物本质特征和应用于污
24、水处理的机理探讨；（ 2） 污水处理工艺需朝着节约碳源、降低 CO2释放、减少剩余污泥排放以及实现氮磷回收和处理水回用等方向发展。 5. 结语 污水生物脱氮 除磷技术对污水中氮磷能进行有效的去除 ， 防止引起水体富营养化现象 。 反硝化除磷、同时硝化与反硝化、短程硝化反硝化、短程反硝化除磷等生物脱氮除磷技术都是突破传统生物脱氮除磷原理基础上发展起来的新技术 ， 研究者们对这些新技术已进行了较为深入的研究，有些新技术也已经投入于实际运用中。但这些新技术的原理、工艺还不够成熟 ， 其作用机理、工艺及其影响因素还有待于进一步的研究。 参考文献 1郭周芳 ,罗阳 ,周洪涛 ,等 .城市污水生物脱氮除磷
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