孫建升，孫力平

（天津城市建設學院 市政與環境工程系，天津 300384）

　　摘  要：本文介紹了生物脫氮除磷的機理，分析了當前生物脫氮除磷工藝，并在此基礎上對生物脫氮、除磷技術的發展進行展望。

　　關鍵詞：城市污水；脫氮除磷；A²/O；DPB

　　1 前言

　　隨著工業化及人口增長的繼續，水體富營養化所帶來的問題愈發嚴重，從而加速了水體的污染和老化。而這一切都是因為排入水體的污水中含有氮、磷等營養物質。于是人們在去除BOD的基礎上開始探求高效、節能的生物脫氮除磷污水處理系統，80年代以來，大多數的研究均致力于此^[1]。

　　2 生物脫氮除磷基本原理^[2]

　　2.1 生物脫氮的基本原理

　　污水中氮的去除通常分為三步：氨化、硝化和反硝化，并分別由不同的細菌來完成。

　　① 氨化作用

　　含氮有機物經微生物降解釋放出氨的過程，稱為氨化作用。這里的含氮有機物一般指動物、植物和微生物殘體及其排泄物、代謝物所含的有機氮化合物，主要包括蛋白質、核酸、尿素、尿酸、幾丁質、磷酸脂等含氮有機物，它們都能被相應的微生物分解并釋放出氨氮。

　　無論是在好氧還是在厭氧條件下，氨化作用在中性、酸性或堿性條件下均能進行，只是作用的微生物種類不同、作用的強弱不一。只有當環境中存在一定濃度的酚或木質素—蛋白質復合物時，才會阻滯氨化作用的進行。

　　② 硝化作用

　　硝化作用是指將NH₃氧化成NO₂^-，然后再氧化成NO₃^-的過程。硝化作用由兩類細菌參與，亞硝化菌將NH₃氧化成NO₂^-，硝化桿菌將NO₂^-氧化成NO₃^-。由于它們均為自養菌，故能利用氧化過程釋放的能量，將CO₂合成為細胞有機物質。硝化作用的程度往往是生物脫氮的關鍵所在。

　　硝化菌的生長計量式（基于質量）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，氨氧化為硝酸鹽的過程消耗了大量的堿度：6.708 mgHCO₃^-/mgNH₄⁺，相當于8.62 mgHCO₃^-/mgNH₄⁺-N。堿度的大量消耗與中和氧化過程中釋放的氫離子有關，只有一小部分堿度轉化為細胞物質。如果細胞中的堿度不足，且未對pH值進行控制，那么pH值將會下降到正常的生理范圍值以下，抑制自養菌和異養菌的活性，從而影響系統的正常運行。此外硝化過程還需要相當量的氧氣。總之，硝化細菌的生長對系統中微生物的總量并沒有什么影響，但對需氧量和堿度卻有很大的影響。

　　③ 反硝化作用

　　反硝化作用是指硝酸鹽和亞硝酸鹽被還原成氣態氮和氧化亞氮的過程。參與這一過程的細菌稱為反硝化菌。大多數反硝化菌是異養的兼性厭氧細菌。反硝化過程的電子受體是硝酸鹽根和亞硝酸鹽根，電子供體為各種各樣的有機基質。

　　在硝化過程中耗去的氧能被回收并重復利用于反硝化過程中，使有機基質氧化。另外，每還原1 mg硝酸鹽氮生成3.57 g堿度，這在一定程度上緩解了系統對堿度的需求。

　　2.2 生物除磷機理

　　目前普遍認同的生物除磷理論是“聚合磷酸鹽累積聚合物”（Poly-phosphate Accumulating Organisms）的攝磷釋磷原理。在厭氧條件下，聚磷菌消耗糖元，將胞內的聚磷水解為正磷酸鹽釋放到胞外，并從中獲取能量，同時將環境中的有機碳源（揮發性脂肪酸VFA）以胞內碳能源存貯物（主要為PHB，聚-β-羥基丁酸）的形式貯存。

　　在好氧條件下，聚磷菌以O₂為電子受體，氧化胞內貯存的PHB，利用產生的能量過量地從環境中攝取磷，以聚磷酸高能鍵的形式存貯。通過排放富磷的剩余污泥可實現磷的去除。

　　由上述機理可知，生物脫氮、除磷工藝應包括厭氧、缺氧、好氧三種狀態。各工藝的出發點就是通過優化三種狀態的組合方式和數量分布的時間變化以及回流方式和回流位置等創造出更適合特定微生物生長的環境，以達到高效脫氮、除磷的目的。

　　3 常規脫氮、除磷工藝的分析

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

　　厭氧/缺氧/好氧(Anaerobic Anoxic Oxic)簡稱A²/O工藝，是一種典型的生物脫氮除磷工藝，得到了廣泛的應用。污水首先進入厭氧區與回流污泥混合，在兼性厭氧發酵菌的作用下將部分易生物降解的大分子有機物質轉化為VFA；聚磷菌釋磷并吸收VFA以PHB的形式貯存于胞內。在缺氧區，反硝化菌利用進水中的有機物質和回流中的硝酸鹽進行反硝化，同時去碳、脫氮。在好氧區，有機物濃度相當低，有利于自養硝化菌的繁殖，同時聚磷菌超量吸磷。通過高磷污泥的排放達到除磷的目的。

圖1  A²O工藝

　　我國已建成多座采用A²/O工藝的城市污水處理廠，如天津紀莊子污水處理廠。從運行效果來看，其脫氮除磷效果不穩定。這是因為生物脫氮、除磷工藝包括硝化、反硝化、釋磷和攝磷過程，每一過程都有固定的或專性微生物類群來完成，不同的微生物對環境的要求不同，因此，不可避免的產生了矛盾。

　　3.2 生物除磷和脫氮之間的矛盾關系

　　① 泥齡問題

　　硝化菌的最大比增值速度μ_max的值較小，因而繁殖速度慢，世代時間長，故硝化需要較長的泥齡，一般為10 ~ 15天。而除磷是通過高磷污泥的排放實現的，研究表明當泥齡大于5天時，除磷效果隨泥齡的增加而降低，除磷的最佳泥齡為5 ~ 7天。因此，泥齡的矛盾影響整體的處理效果。

　　② 碳源問題

　　聚磷菌釋磷和反硝化都需要有機碳源，尤其是易生物降解的有機碳源。城市污水中易降解有機物質含量較少，很難同時滿足釋磷和反硝化的要求，這就需要外加碳源，從而增加了運行費用；或者優先考慮脫氮或除磷，從而影響了處理效果。

　　③ 硝酸鹽問題

　　回流污泥中的硝酸鹽對聚磷菌的釋磷產生抑制，從而影響了整體的除磷效果。

　　3.3 改進措施

　　針對上述問題，許多研究者對A²/O工藝進行了局部的改進，主要有如下幾種：

　　① 介質M-A²/O工藝

　　在好氧段投加填料，固定硝化菌，使其不受污泥回流的影響，從而解決了泥齡問題。另外，增加了生物量，使減小反應器體積成為可能。同濟大學的畢學軍^[3]采用聚乙烯懸浮小球進行實驗，均取得滿意的效果，TN去除率達到86%，TP去除率達到91%。

　　② 生物轉盤

　　J.L.Su和C.F.Ouyang^[4]利用生物轉盤固定硝化菌，解決了泥齡問題。在厭氧和缺氧段采用完全浸沒式生物轉盤，在好氧段采用部分浸沒式生物轉盤。由于硝化菌不受排泥影響，故采用高的排泥量使系統的除磷率達到96%。

　　③ 增加進水中的易降解有機物質

　　B.Terchgraber^[5]進行了初沉污泥的酸化研究，研究結果表明初沉污泥酸化可使進入生物處理階段的易生物降解COD增加10% ~ 15%，但該法存在著散發臭味氣體和有爆炸危險等問題。

　　④ 改良A/A/O工藝^[6]

　　改良的A²/O工藝綜合了A²/O工藝和UCT工藝的優點，提出了如圖所示的工藝。

圖2  改良的A/A/O工藝

　　4 生物脫氮除磷工藝研究新工藝

　　現有的生物脫氮、除磷組合工藝，主要是建立在傳統脫氮、除磷理論基礎上，通過優化厭氧、缺氧、好氧三種狀態的組合方式和數量分布的時間變化以及回流方式和位置等，創造出更適合微生物生長的環境，以達到高效脫氮除磷的目的。其主要不足有：較大差別的微生物在同一系統中，相互影響，制約了處理工藝的高效和穩定；較多的回流增加了系統的復雜性和運行費用；脫氮、除磷過程對能源（如氧和碳源）消耗過多；高磷污泥的后繼處理等。近年來出現的一些新工藝為解決這些問題提供了新的思路。

　　4.1 同步硝化反硝化^[8]

　　傳統脫氮理論認為硝化反應在好氧條件下進行，而反硝化在厭氧條件下進行，二者不能同時實現。然而，近來的一些研究發現存在同步硝化反硝化現象，尤其是有氧條件下的反硝化現象確實存在于不同的生物處理系統中，如氧化溝、SBR工藝、間歇曝氣反應器工藝等。研究者對其機理進行了廣泛的探求，認為其主要原因在于反應器中微環境的存在。另外，可能存在未被發現的微生物菌種。對其機理的認識尚處于探索階段。

　　4.2 短程硝化反硝化

　　長期以來，無論是在廢水生物脫氮理論上還是在工程實踐中，都一直認為要實現廢水生物脫氮就必須使NH₃-N經歷典型的硝化和反硝化過程才能完全被除去。但許多實驗證明可以按照氨氮－亞硝酸鹽－氮氣的過程實現短程硝化反硝化。從氮的微生物轉化過程來看，氨被氧化成硝態氮是由兩類獨立的細菌催化完成的兩個不同反應，應該可以分開。這兩類細菌的特征也有明顯的差異。對于反硝化菌，無論是NO₂^-還是NO₃^-均可以作為最終受氫體，因而整個生物脫氮過程可以通過NH₃→NO₂^-→N₂這樣的途徑完成。荷蘭Delft大學已經利用該技術開發出SHARON工藝^[8]。SHARON工藝通過控制溫度和停留時間，將硝化菌從反應器中洗脫，使反應器中亞硝化菌占絕對優勢，從而使氨氧化控制在亞硝化階段。李春杰、周琪、顧國維等人利用MSMBR反應器內膜對有害物質的截留作用以及對泥齡的控制實現了對硝酸鹽細菌生長的抑制。

　　4.3 反硝化除磷^[9]

　　荷蘭Delft技術大學的T.Kuba有關兼性厭氧“反硝化除磷菌”（DPB）的研究表明，DPB能夠在缺氧條件下利用硝酸鹽作為電子受體氧化胞內PHB，同時實現反硝化和過渡攝磷。在保證硝化的同時，與傳統好氧除磷菌相比，DPB還具有相同的除磷潛力。

　　5 結語

　　我國水體富營養化的問題日益嚴峻，污水處理工作任重道遠。一方面，針對現有污水處理廠，我們要綜合考慮碳源、泥齡和硝酸鹽問題，改進處理工藝，在保證去除效果的前提下降低能耗；另一方面，積極探索生物脫氮、除磷機理以指導實踐，開發更為經濟有效的除磷、脫氮工藝。

　　參考文獻

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

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