生物脫氮除磷理論與技術進展
隨著社會經濟的發展，水資源供需矛盾日趨激化，對污廢水處理后回用成為了亟待解決的問題。我國現有的城市污水處理廠主要是針對以BOD5為主的碳源污染物的去除，對氮、磷的去除率很低，而氮、磷又是導致水體富營養化的主要營養物。本文概述了生物脫氮除磷機理，分析了生物脫氮除磷技術的研究現狀，介紹了可持續污水處理技術和碳中和運行技術，希望給您帶來思考與幫助。
一、傳統生物脫氮除磷理論與技術
1.傳統生物脫氮原理
污水經二級生化處理，在好氧條件下去除以BOD5為主的碳源污染物的同時，在氨化細菌的參與下完成脫氨基作用，并在硝化和亞硝化細菌的參與下完成硝化作用;在厭氧或缺氧條件下經反硝化細菌的參與完成反硝化作用。
2.傳統生物除磷原理
在厭氧條件下，聚磷菌體內的ATP進行水解，放出H3PO4和能量形成ADP;在好氧條件下，聚磷菌有氧呼吸，不斷地放出能量，聚磷菌在透膜酶的催化作用下利用能量、通過主動運輸從外部攝取H3PO4，其中一部分與ADP結合形成ATP，另一部分合成聚磷酸鹽(PHB)儲存在細胞內，實現過量吸磷。通過排除剩余污泥或側流富集厭氧上清液將磷從系統內排除，在生物除磷過程中，碳源微生物也得到分解。
3.常用工藝及升級改造
具有代表性的常用工藝有A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝、SBR工藝、Bardenpho工藝、生物轉盤工藝等，這些工藝都是通過調節工況，利用各階段的優勢菌群，盡可能的消除各影響因素間的干擾，以達到適應各階段菌群生長條件，實現水處理效果。近年來隨著研究的深入，對常用工藝有了一些改進，目前應用最廣泛、水廠升級改造難度較低的是分段進水工藝。
與傳統A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等相比，分段進水工藝可以充分利用碳源并能較好的維持好氧、厭氧(或缺氧)環境，具有脫氮除磷效率高、無需內循環、污泥濃度高、污泥齡長等優點。分段進水工藝適用于對A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等的升級改造，通過將生化反應池分隔并使進水按一定比例分段進入各段反應池，以充分利用碳源，解決目前污水處理廠普遍存在的碳源不足和剩余污泥量過大的問題。分段進水工藝雖然對提高出水水質有較好的效果，但該工藝并不能提高處理能力，當水廠處于超負荷運行時，分段進水改造也不能達到良好的處理效果。
二、新型生物脫氮除磷理論與技術
近年來，科學研究發現，生物脫氮除磷過程中出現了超出傳統生物脫氮除磷理論的現象，據此提出了一些新的脫氮除磷工藝，如：短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝、反硝化除磷工藝。
1.短程硝化反硝化工藝
傳統生物脫氮理論為全程硝化反硝化過程，即以NO3-為反硝化過程的電子受體;而短程硝化反硝化利用NO2-為反硝化過程的電子受體。
短程硝化反硝化相對全程硝化反硝化節省了25%的曝氣量、節省了40%的有機碳源并縮短了反應時間，因此實現與維持短程硝化反硝化具有實際工程應用價值。實現短程硝化反硝化的關鍵在于硝化反應過程中氨氧化菌相對于亞硝酸鹽氧化菌優勢增殖，即氨氧化菌積累。短程硝化反硝化的影響因素主要有溫度、pH、溶解氧(DO)濃度、游離氨(FA)濃度、污泥齡(SRT)、有機物濃度等。
具有代表性的短程硝化反硝化工藝為SHARON工藝，該工藝利用高溫(30-36℃)抑制亞硝酸鹽氧化菌增殖、實現氨氧化菌積累，從而控制硝化反應維持在NO2-階段，隨后進行反硝化。
2.同步硝化反硝化工藝
同步硝化反硝化工藝是指硝化和反硝化過程在同一個反應器中進行，系統不需要明顯的缺氧時間或缺氧區域而能將總氮去除的工藝。利用固定化微生物技術將包埋有硝化細菌的微生物載體投入好氧池，氨氮去除率達到90%以上，處理效果有明顯提高。硝化細菌載體投加方便、抗沖擊負荷能力較強、運行管理方便、成本較低、處理效果較好，具有良好的應用前景。
3.厭氧氨氧化工藝
厭氧氨氧化工藝是指在厭氧條件下，以NO2-作為電子受體，將NH3轉化為N2的工藝，反應過程中無需有機碳源和O2的介入。從工程角度看，厭氧氨氧化工藝較傳統生物脫氮工藝有明顯優勢，這一過程可以擺脫對傳統電子供體(有機碳源)的束縛，又可以省去硝化過程的需氧量，從而減少了剩余污泥，又節約了能源。此外，將厭氧氨氧化菌以顆粒污泥的形式富集于反應器中，可以充分利用垂直空間，減少占地。當然，厭氧氨氧化工藝的反應器形式不僅可以是顆粒污泥形式，也可以是SBR、生物轉盤、移動床等。
雖然厭氧氨氧化技工藝有諸多優點，但其工程應用受限于厭氧氨氧化菌極低的生長率(世代時間10d左右)，反應器啟動時間極長。目前，該工藝主要針對高NH4+、低COD且有一定余溫的污廢水，如厭氧消化液、垃圾滲濾液等。
4.反硝化除磷工藝
反硝化除磷的機理與傳統生物除磷機理類似，其反應主要依靠反硝化除磷菌，該類微生物以O2或NO3-為電子受體吸磷，并以聚磷酸鹽形式儲存在細胞內，同時NO3-轉化為N2。利用反硝化除磷菌實現生物除磷，對氮、磷的去除率高，同時可以減少剩余污泥，降低有機碳源的需求。
三、可持續生物脫氮除磷與碳中和運行
傳統的污水處理理論將水作為主要產品，其他物質作為處理廢物以廢氣和污泥的形式排出，存在著能源浪費和資源浪費等問題，同時傳統的水處理工藝會占用大量土地。污水處理碳中和運行的實質是實現處理過程所需能源的自給自足，從而解決“以能消能”和“污染轉嫁”的問題。在這一過程中，不僅是能源的“開源”，更要考慮處理工藝的“節流”。污水處理的可持續性和碳中和運行是大勢所趨。
1.可持續生物脫氮除磷
可持續生物脫氮除磷工藝的技術基礎是反硝化除磷技術和厭氧氨氧化技術。利用兼性反硝化細菌，將反硝化脫氮和生物除磷合二為一，降低有機碳源和O2的消耗量，相比傳統專性好氧除磷菌能節約50%的有機碳源和30%的O2，同時減少50%的剩余污泥量。厭氧氨氧化菌使得NH4+以NO2-為電子受體而被直接轉化為N2，這一過程無需有機碳源和O2，相比傳統全程硝化反硝化工藝最大限度的減少了有機碳源和O2的消耗。通過在生物脫氮除磷過程中對有機碳源的節約，為剩余COD不經過傳統的氧化穩定(至CO2)而進行甲烷化并產生能量創造條件;同時，對O2的消耗量的減少，降低了曝氣量，間接地減少了為污水處理提供能源而燃燒化石能源排放的CO2。
基于上述技術基礎，研究提出了一種可持續生物脫氮除磷工藝，該工藝以A/B為基礎架構并結合了BCFS@工藝和CANON工藝，突出了COD甲烷化(能源化)、磷酸鹽回收和處理水回用等可持續性目標的實現。進水經格柵、沉沙預處理后進入AB法的A段，采用很短的污泥齡使細菌快速增值，原水中70%-80%的COD合稱為細菌細胞;經A段沉淀池分離后，上清液進入BCFS@工藝進行脫氮除磷處理;BCFS@工藝排出的高磷含量污泥與A段排出的污泥一起進入污泥消化池，產生CH4和高磷、高NH4+的污泥消化液，消化液通過投加鎂化物形成磷酸按鎂化合物沉淀后分離并回收磷;磷回收后的消化液采用CANON工藝脫除高濃度的NH4+;CANON工藝出水與BCFS@工藝出水混合后排放。經此工藝處理的生活污水僅需經過簡單的深度處理即可達到中水回用標準。
可持續生物脫氮除磷工藝與傳統生物處理工藝相比，氧消耗量減少了約45%，節約了約70%的有機碳源，減少了25%的剩余污泥量，減少了18%的CO2釋放量，同時每公斤COD產生了0.28ka的CH4并回收了49%的磷。
2.碳中和運行
研究表明，受限于我國市政污水處理廠進水COD較低，剩余污泥厭氧消化回收的CH4(能量)僅能提供污水處理廠50%的能量消耗，間接減少了50%的CO2排放量。這一限制決定了我國污水處理碳中和運行必須走“開源”、“節流”并重的道路，除了通過研究、開發新型的污水處理理論、工藝，還需要利用水源熱泵、空氣源熱泵、風能、太陽能、微生物燃料電池等非傳統能源。
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