生物脫氮除磷新工藝及發(fā)展趨勢

　　 環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化問題的尖銳化迫使越來越多的國家和地區(qū)制定嚴格的氮磷排放標準，這也使污水脫氮除磷技術一度成為污水處理領域的熱點和難點。因此，研究和開發(fā)高效、經濟的生物脫氮除磷工藝成為當前城市污水處理技術研究的熱點。
1 生物脫氮新技術
　　污水生物脫氮的基本原理是：在好氧條件下通過硝化反應先將氨氮氧化為硝酸鹽，再通過缺氧條件下的反硝化反應將硝酸鹽異化還原成氣態(tài)氮從水中去除。由此而發(fā)展起來的生物脫氮工藝大多將缺氧區(qū)和好氧區(qū)分開，形成分級硝化反硝化工藝，以便硝化與反硝化能夠獨立進行。
　　近年來，一些研究者在研究中陸續(xù)觀察到一些超出傳統(tǒng)生物脫氮理論的新現(xiàn)象。比如將好氧硝化過程控制在亞硝酸鹽階段，然后在缺氧條件下直接反硝化的亞硝酸型生物脫氮；在一定的條件下,硝化和反硝化可以在同一個反應器內同時完成；異養(yǎng)硝化以及厭氧氨氧化等。這些現(xiàn)象可以從微環(huán)境理論和生物學角度進行解釋。微環(huán)境理論主要從物理學角度研究活性污泥和生物膜的微環(huán)境中各種物質(如DO、有機物、NO3--N 和NO2--N等)傳遞的變化、各類微生物的代謝活動及其相互作用，從而導致的微環(huán)境中物理、化學和生物條件或狀態(tài)的改變。在宏觀環(huán)境中微好氧狀態(tài)時，由于氧擴散的限制，微生物絮體內產生了溶解氧梯度，也就形成了不同的微環(huán)境。生物學角度的解釋不同于傳統(tǒng)理論，微生物學家發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)硝化菌和好氧反硝化菌，它們甚至可在完全厭氧的條件下發(fā)生硝化作用。有些好氧反硝化菌同時也是異養(yǎng)型硝化菌，它們能夠在好氧條件下直接將氨轉化為最終的氣態(tài)產物。以上這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為研究者研究新的生物脫氮理論和開發(fā)新的生物脫氮工藝指引了方向，使他們不斷開發(fā)出了許多新型脫氮工藝。如：SND(同時硝化反硝化工藝)、SHARON(Single reactor high activity ammonia removal over nitrite，亞硝化反應器)工藝、OLAND(Oxygen-limited autotrophic nitrification-denitrification，氧限制自氧硝化—反硝化)工藝、厭氧氨氧化工藝以及短程硝化-厭氧氨氧化組合工藝等。
　　1985年，Rittmann等在工業(yè)規(guī)模的氧化溝中成功地實現(xiàn)了同時硝化和反硝化，并通過實驗證實了反硝化反應可在絮體內部缺氧區(qū)連續(xù)進行。通過控制DO濃度可實現(xiàn)在同一反應器內的SND，后來的Daigger、Rit-tmann以及國內的高廷耀、呂錫武等都對SND進行了大量的研究工作。近年來國內外有不少實驗和報道都證明了SND現(xiàn)象，尤其是在有氧條件下的反硝化現(xiàn)象確實存在于各種不同的生物處理系統(tǒng)，如生物轉盤、SBR、氧化溝、CAST等，但對SND的機理及工程應用的可行性尚有待進一步的研究和開發(fā)。
　　OLAND工藝是由比利時GENT微生物生態(tài)實驗室開發(fā)的。該工藝的技術關鍵是控制溶解氧濃度，使硝化過程僅進行到NO2--N階段。由于亞硝酸菌對溶解氧的親和力較硝酸菌強，亞硝酸菌氧飽和常數(shù)則比硝酸菌低，OLAND工藝就利用了這兩類菌動力學特性的差異，實現(xiàn)了在低溶解氧狀態(tài)下淘汰硝酸菌，積累大量亞硝酸菌的目的。但對于懸浮系統(tǒng)來說，低氧狀態(tài)下活性污泥易解體和發(fā)生絲狀膨脹。目前該工藝還停留在實驗室探索階段，面臨的主要問題是自養(yǎng)型亞硝酸菌的活性較低，污泥氨氧化速率只有2mg/g·d。
　　SHARON工藝是由荷蘭Delft技術大學開發(fā)的脫氮新工藝。該工藝的核心是利用亞硝酸菌要求的最小SRT小于硝酸菌及在高溫(30℃～35℃)下亞硝酸菌的生長速率明顯高于硝酸菌的生長速率的特性來控制系統(tǒng)的SRT在硝酸菌和亞硝酸菌的最小SRT之間，從而使亞硝酸菌具有較高的濃度而硝酸菌被自然淘汰，同時對系統(tǒng)內的溫度和pH進行嚴格控制，維持穩(wěn)定的亞硝酸積累。SHARON工藝主要用于處理城市污水二級處理系統(tǒng)中污泥消化的上清液和垃圾濾出液等廢水。荷蘭已建成兩座利用該工藝的廢水生物脫氮處理廠，證明了亞硝酸型生物脫氮的可行性(見圖1)。由于這些廢水本身溫度較高，屬高氨高溫水，有利于進行短程硝化反硝化，可使硝化系統(tǒng)中亞硝酸的積累達100%。但大量的城市污水，一般都屬于低氨低溫水，要使水溫升高并保持在30℃～35℃很難實現(xiàn)。

　　1990年，荷蘭Delft技術大學Kluyver生物技術實驗室開發(fā)出厭氧氨氧化工藝，即在厭氧條件下，微生物直接以NH4+做電子供體，以NO2-為電子受體,將NH4+或NO2-轉變成N2的生物氧化過程。由于厭氧氨氧化過程是自養(yǎng)的，因此不需要另加COD來支持反硝化作用，與常規(guī)脫氮工藝相比可節(jié)約100%的碳源。而且，如果把厭氧氨氧化過程與一個前置的硝化過程結合在一起，那么硝化過程只需要將部分NH4+氧化為NO2--N，這樣的短程硝化可比全程硝化節(jié)省62.5%的供氧量和50%的耗堿量。Sharon-Anammox(亞硝化—厭氧氨氧化)工藝被用于處理厭氧硝化污泥分離液并首次應用于荷蘭鹿特丹的Dokhaven污水處理廠，其工藝流程如圖2所示。由于剩余污泥濃縮后再進行厭氧消化，污泥分離液中的氨濃度很高(約1200～2000mg/L)，因此，該污水處理廠采用了Sharon-Anammox工藝，并取得了良好的氨氮去除效果。

2 生物除磷新工藝
　　污水生物除磷是通過厭氧段和好氧段的交替操作，利用活性污泥的超量吸磷特性，使細胞含磷量相當高的細菌群體能夠在處理系統(tǒng)的基質競爭中取得優(yōu)勢，剩余污泥的含磷量為3%～7%。
　　近年來，研究者發(fā)現(xiàn)了一種“兼性厭氧反硝化除磷細菌”(DPB)，它可以在缺氧條件下利用NO3-作為電子受體氧化細胞內貯存的PHA，并從環(huán)境中攝磷，實現(xiàn)同時反硝化和過度攝磷。兼性反硝化菌生物攝/放磷作用的確認，不僅拓寬了除磷的途徑，而且更重要的是這種細菌的攝/放磷作用將反硝化脫氮與生物除磷有機地合二為一。該工藝具有處理過程中COD和O2消耗量較少、剩余污泥量小等特點，并且利用DPB實現(xiàn)生物除磷，能使碳源得到有效利用，使該工藝在COD/(N+P)值相對較低的情況下仍能保持良好的運行狀態(tài)，并使除磷的化學藥劑量大大減少，同時除磷器內可獲得富含磷的污泥，使磷的循環(huán)利用成為可能。
　　目前，在不同環(huán)境條件下DPB的誘導增殖與代謝途徑變化規(guī)律以及系統(tǒng)中DPB菌群演化數(shù)量的判定和調控方式等都是亟待研究的課題。
　　反硝化除磷菌應用的代表性工藝是荷蘭DelfT大學開發(fā)的BCFS(Biologisch-Chemische-Fosfaat-Stikstof Vervijdering，反硝化及生物—化學沉淀除磷組合工藝)工藝(見圖3)。據(jù)報道，該工藝中50%的磷均由DPB去除。該工藝由5個功能相對專一的反應器組成，通過控制反應器之間的3個循環(huán)來優(yōu)化各反應器內細菌的生存環(huán)境。其充分利用了DPB的缺氧反硝化除磷作用，實現(xiàn)了磷的完全去除和氮的最佳去除；充分利用了磷細菌對磷酸鹽的親和性，將生物攝磷與富磷上清液(來自厭氧釋放)離線化學沉淀有機結合，使系統(tǒng)在穩(wěn)定的SVI(SVI<120mL/g)下能獲得良好的出水水質(總磷<0.2mg/L,總氮<5mg/L)。

3 生物脫氮除磷技術的發(fā)展趨勢
　　污水排放標準的不斷嚴格是目前世界各國的普遍發(fā)展趨勢，以控制水體富營養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除技術開發(fā)已成為世界各國主要的奮斗目標。我國對生物脫氮除磷技術的研究起步較晚，投入的資金也十分有限，研究水平仍處于發(fā)展階段。目前在生物脫氮除磷技術基礎理論沒有重大革新之前，充分利用現(xiàn)有的工藝組合，開發(fā)技術成熟、經濟高效且符合國情的工藝應是今后我國脫氮除磷工藝發(fā)展的主要方向，主要體現(xiàn)在：
　　(1)開展對生物脫氮除磷更深入的基礎研究和應用開發(fā)，優(yōu)化生物脫氮除磷組合工藝，開發(fā)高效、經濟的小型化、商品化脫氮除磷組合工藝。
　　(2)發(fā)展可持續(xù)污水處理工藝，朝著節(jié)約碳源、降低CO2釋放、減少剩余污泥排放以及實現(xiàn)氮磷回收和處理水回用等方向發(fā)展。
　　(3)大力開發(fā)適合現(xiàn)有污水處理廠改造的高效脫氮除磷技術。