水污染問題已引起了社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注。水體污染的主要源頭有城市生活廢水、工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)污染源。污水中氮、磷含量過高會(huì)使水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，甚至影響人類健康，所以研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)、高效的脫氮除磷新工藝是解決水體污染問題的關(guān)鍵。脫氮除磷方法主要有物理、化學(xué)、生物方法，但是物化法投入大，容易造成二次污染，而生物法投入小，成本低，無二次污染。故生物法將是今后污水處理的主流方法。
1、生物脫氮除磷原理
一般來說，生物脫氮過程分為三步：第一步是有機(jī)氮在氨化菌的作用下，分解、轉(zhuǎn)化為氨氮。第二步是氨氮在硝化細(xì)菌的作用下，進(jìn)一步分解、氧化為硝態(tài)氮。第三步是在缺氧狀態(tài)下，反硝化菌將硝化過程中產(chǎn)生的硝態(tài)氮還原成氣態(tài)氮，排放到大氣中。有研究表明:在硝化和反硝化的過程中，有些細(xì)菌能利用亞硝酸根或硝酸根作為電子受體直接將氨態(tài)氮氧化為氣態(tài)氮。這一發(fā)現(xiàn)將為新型脫氮工藝的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。
生物除磷是指聚磷菌在厭氧條件下吸收磷，在好氧條件下過量釋放磷的一種生理變化現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被稱為luxuryuptake現(xiàn)象。有研究發(fā)現(xiàn)：有一種兼性反硝化細(xì)菌能將硝酸根做為電子受體，將硝酸根轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氮，并產(chǎn)生生物除磷作用。總而言之，生物脫氮除磷就是利用微生物的代謝活動(dòng)將有機(jī)氮及有機(jī)磷分解、轉(zhuǎn)化。
2、傳統(tǒng)生物脫氮除磷典型工藝
傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝大體上可以分為2大類，一是按時(shí)間順序分布的，如SBR工藝;二是按空間順序分布的，如A2/0工藝。而氧化溝工藝既是按時(shí)間順序分布的工藝，也是按空間順序分布的工藝。這些工藝已被廣泛研究并應(yīng)用，同時(shí)取得了較好效果。
2.1 SBR工藝
SBR是序批式活性污泥法的簡稱。其流程圖如圖1，是一種以間歇曝氣的方式來運(yùn)行的水處理技術(shù)。該工藝SBR反應(yīng)器反應(yīng)過程分為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排放、閑置5個(gè)階段，周而復(fù)始，從而達(dá)到脫氮除磷效果。
進(jìn)水C/N在2.2～3.5及曝氣強(qiáng)度為48～50L/h條件下脫氮除磷效果好。TP、TN的去除率分別達(dá)到89.4%及84.5%。有研究表明，在碳源適宜的情況下，采用SBR工藝TP、TN去除率分別達(dá)到96%及78.3%。但是該反應(yīng)器容積利用率低，曝氣量大，增大了成本，且不能連續(xù)運(yùn)行。
2.2 A2/O工藝
A2/O工藝即厭氧/缺氧/好氧工藝是一種典型的污水處理工藝其工藝(流程圖如圖2)。廢水首先進(jìn)入?yún)捬醵芜M(jìn)行氨化反應(yīng)及釋磷，接著進(jìn)入缺氧段進(jìn)行反硝化，最后在好氧段進(jìn)行硝化反應(yīng)及吸磷，部分硝化液回流至缺氧段，部分污泥回流至厭氧段。
A2/O工藝具有工藝流程簡單，活性污泥不易膨脹，基建及運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。但A2/O工藝也存在一定缺點(diǎn)，如設(shè)置的污泥及硝化液回流增加了投資和運(yùn)行能耗，反硝化菌與聚磷菌競(jìng)爭碳源問題等。
2.3 氧化溝工藝
氧化溝工藝自問世以來在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，目前已成為我國污水處理的主導(dǎo)工藝之一。氧化溝具有獨(dú)特的構(gòu)造形式(如圖3)，無終端循環(huán)水路，使得曝氣機(jī)產(chǎn)生的溶解氧沿著水流方向產(chǎn)生濃度梯度，并周而復(fù)始地發(fā)生變化，從而使得氧化溝在去除有機(jī)物的同時(shí)對(duì)混合液中的氮、磷也具有良好的去除效果。
氧化溝工藝抗沖擊能力強(qiáng)，污泥穩(wěn)定，基建投資及運(yùn)行費(fèi)用較低。但是研究及應(yīng)用表明，氧化溝工藝在運(yùn)行中沒有考慮回流比，即使考慮到回流比但仍然采取經(jīng)驗(yàn)值或者不控制的方式。
3、傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝中存在的問題
傳統(tǒng)的脫氮除磷工藝總的說來存在微生物混合培養(yǎng)問題、碳源問題、泥齡問題、回流污泥中硝酸鹽問題等。單級(jí)SBR反應(yīng)器在空間上是完全混合的，使得硝化菌，反硝化菌等混合在一起抑制了反應(yīng)的進(jìn)行且存在碳源不足的問題。A2/O工藝即厭氧/缺氧/好氧工藝具有內(nèi)回流系統(tǒng)會(huì)將硝酸根帶回缺氧池不利于聚磷菌聚磷，使得除磷效果不明顯。其脫氮效果很難再通過改進(jìn)的方式提高。氧化溝工藝是活性污泥法的一種變形，容易出現(xiàn)污泥膨脹造成污泥排量大，在同一溝中溶解氧濃度難以控制，故對(duì)脫氮能力有限而且除磷率較低。因此，為了獲得更好的脫氮除磷效果需進(jìn)一步對(duì)舊工藝進(jìn)行改造或研發(fā)新工藝。
3.1 微生物的生長條件受限
污水的脫氮除磷是多種微生物共同作用的結(jié)果。傳統(tǒng)的生物脫氮除磷工藝一般是單一的懸浮污泥生長系統(tǒng)，不能同時(shí)滿足所有微生物(硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等)的最佳生長條件，故系統(tǒng)的脫氮除磷難以到達(dá)理想效果。
3.2 碳源問題
系統(tǒng)中碳源的消耗主要在反硝化、聚磷菌的厭氧釋磷及異養(yǎng)菌的代謝等方面。由于污水中易降解的有機(jī)物產(chǎn)生碳元素有限，而反硝化反應(yīng)與厭氧釋磷的反應(yīng)速率都與碳源有著很大關(guān)系，要使脫氮除磷都達(dá)到良好效果還需進(jìn)行深入研究。
3.3 泥齡問題
較長的泥齡是獲得良好硝化效果的重要保證。而聚磷菌繁殖快，世代周期短，且生物除磷是通過排放剩余污泥實(shí)現(xiàn)的。如果泥齡過長，那么在硝化過程中活性污泥的活性就會(huì)降，而且會(huì)影響聚磷菌對(duì)磷的吸收。從而導(dǎo)致活性污泥中糖類物質(zhì)的累積及非聚磷菌的的增長，使除磷效果大幅度降低。所以為了兼顧脫氮除磷對(duì)泥齡的要求，通常將系統(tǒng)控制在一個(gè)泥齡較窄的范圍內(nèi)運(yùn)行，但實(shí)際運(yùn)行中系統(tǒng)的脫氮除磷效果還是經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。
3.4 回流污泥中的硝酸鹽問題
在脫氮除磷系統(tǒng)中，硝化菌、反硝化菌、聚磷菌參與整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)行并起著重要作用。常規(guī)工藝中，缺氧區(qū)設(shè)在好氧區(qū)前，故好氧區(qū)污泥回流不可避免地將部分硝酸鹽帶入缺氧區(qū)。而在缺氧區(qū)中反硝化菌會(huì)與聚磷菌競(jìng)爭底物，從而無法滿足聚磷菌的正常生長代謝，導(dǎo)致除磷效果降低。
4、生物脫氮除磷新工藝
基于傳統(tǒng)生物脫氮工藝存在的問題及產(chǎn)生問題的原因，本著尋找高效、經(jīng)濟(jì)、適用工藝的原則，近年來新的生物脫氮除磷工藝不斷被研發(fā)出來，如改進(jìn)型DEPHANOX工藝、BCFS工藝、SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝等。改進(jìn)型DEPHANOX工藝具有獨(dú)立的硝化系統(tǒng)，將硝化，反硝化反應(yīng)分開解決了碳源不足問題及微生物混合培養(yǎng)問題。BCFS工藝是一種改進(jìn)的氧化溝組合工藝，污泥產(chǎn)生量大幅度減少，且提高了除磷率。SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝由于將氨氮氧化控制在亞硝化階段直接進(jìn)行反硝化反應(yīng)大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，其不存在碳源供應(yīng)不足的問題且脫氮除磷效果較好，是一種十分經(jīng)濟(jì)適用的污水處理工藝。
4.1 改進(jìn)型DEPHANOX工藝
該工藝的原理是反硝化除磷，在理論上進(jìn)一步強(qiáng)化了氮、磷矛盾的解決，其工藝流程如圖4。污水進(jìn)入系統(tǒng)后，先與回流污泥混合且吸附大量有機(jī)質(zhì)，上清液進(jìn)入獨(dú)立的硝化系統(tǒng)，下層有機(jī)污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，然后在缺氧區(qū)重新混合，接著進(jìn)行氮吹脫流入二沉池，最后達(dá)標(biāo)排放。
該工藝的特點(diǎn)在于有獨(dú)立的硝化系統(tǒng)，使硝化反應(yīng)充分地進(jìn)行;為反硝化提供充足氮源，使得整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)、有效運(yùn)行。該工藝中COD去除率為84.4%,氨氮的去除率在80%左右，總氮和總磷的去除率分別為67.1%和79.4%，基本達(dá)到預(yù)期效果。
4.2 BCFS工藝
荷蘭Delft大學(xué)的Mark教授以氧化溝和UCT工藝為基礎(chǔ)研發(fā)的BCFS工藝是目前已投入使用的單污泥系統(tǒng)。該工藝主要由厭氧池、選擇池、缺氧池等5個(gè)主池及3個(gè)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，其工藝流程見圖5。
該工藝實(shí)現(xiàn)了反硝化脫氮與生物除磷的有機(jī)結(jié)合，其特點(diǎn)是：對(duì)氮、磷的去除率高，污泥量比常規(guī)污水處理少10%，運(yùn)行簡單，脫氮除磷效果好，因此該工藝是是一種很有前景的污水處理工藝。
4.3 SHARON-ANAMMOX聯(lián)合工藝
SHARON工藝的基本原理是短程硝化反硝化。該原理與傳統(tǒng)硝化反硝化的區(qū)別在于將氨氮氧化控制在亞硝化階段直接進(jìn)行反硝化，使得反應(yīng)時(shí)間縮短，除磷效果提高。厭氧氨氧化工藝中，由于厭氧氨氧化菌是自氧菌無需外加碳源，大大降低了硝化反應(yīng)的充氧能耗。因此將SHARON工藝作為硝化反應(yīng)器，ANAMOX工藝作為反硝化反應(yīng)器形成組合工藝，工藝圖如圖6。該工藝適用于處理高氨氮濃度廢水，此工藝與傳統(tǒng)工藝相比反應(yīng)時(shí)間短，能耗低，產(chǎn)泥量少。
5、展望
污水脫氮除磷技術(shù)已成為水污染治理的重要技術(shù)，未來發(fā)展將集中在以下幾個(gè)方面：
(1)對(duì)傳統(tǒng)脫氮除磷工藝進(jìn)行改進(jìn)，使不同營養(yǎng)型微生物獨(dú)立生長在不同反應(yīng)器中。將傳統(tǒng)工藝進(jìn)行組合試驗(yàn)尋找最優(yōu)的組合新工藝。
(2)以短程硝化反硝化，厭氧氨氧化、反硝化除磷等新理論為基礎(chǔ)，開發(fā)新型脫氮除磷工藝。目前有些新技術(shù)已應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中，但這些新技術(shù)的原理、工藝及影響因素還未完全掌握，有待進(jìn)一步深入研究。
(3)生物脫氮除磷工藝應(yīng)遵循可持續(xù)發(fā)展的理念，最大程度減少CO2的排放，剩余污泥的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)污染物無害化和廢水的回收利用。