城市污水生物除磷脱氮机理研究的理论综述

　生态环境治理一直是全球各国十分重视的问题，其中城市污水处理更是让从事环境治理的专家学者们头疼不已，虽然现有的生物工艺在城市污水处理技术中获取的效果显著，但是历经几百年变迁的生物污水处理技术仍不足以解决城市污水中氮磷的污染问题，所以全球自发上演了一场以高效率高质量作为城市污水除磷脱氮活动目标的生物技术研究热潮。
　　1 城市含磷含氮污水的环境危害
　　城市污水具有危害人类健康，污染环境的破坏性影响性；根据来源主要可以被分为生活污水和工业污水两部分；其中含有的氮和磷物质不仅会加剧水物质的富营养化，氮磷等物质还会发生反应生成具有超强好氧性的氨氮物质来降低水物质的氧含量，不仅如此，含有氮磷等物质的污水由于反应所生成的某些含氮化合物对于人类和自然界的其他生物也都是有毒害性影响的，为此，国际上规定的氮磷的排放量也日渐严格。
　　2 生物除磷脱氮相对关系研究
　　虽然国际上对于污水治理技术研究很早就开始了，但是采用生物脱氮除磷技术进行污水处理却是近二十年才新兴的。生物除磷脱氮技术具有良好的市场前景，因为它比起污水处理常用的物理化学技术较为经济实惠，可以有效的节约成本；还能将我们较为熟悉的二级生物污水治理技术充分进行高效率高质量的改进改善，也正因为如此，生物除磷脱氮技术才成为现今使用率最高，发展前景最好的污水处理技术。
　　2.1 生物除磷结构流程以及技术原理
　　2.1.1 技术原理通常情况下生物处理活性污泥里面，磷含量仅占污泥干燥状态下比重的百分之二左右。然而，如果处于厌氧一好氧进行变换的状态下，污泥里面的一微生物就会发生变化，释放出比平常高很多的磷含量。
　　2.1.2 污水处理生物除磷技术系统
　　一般通过污泥的厌氧需氧变化进行除磷的技术流程（如图1所示）比较简单，只要就是在厌氧池里面进行化学物质聚磷菌的反应代谢后从而减缓BOD含量同时得到物质磷。然后再经过需氧反应器的化学物质聚磷菌的需氧呼吸活动，在对物质BOD进行氧化作用后通过转变为聚合磷酸盐来把磷物质有效地储存在污水的异养菌聚磷菌里面。通过国内外对生物除磷技术的研究进行调查，我们发现各国学者所使用技术机理虽然标准不一样，所获得的技术形式却是多种多样。图1：基本除磷技术流程图
　　2.2 生物脱氮结构流程以及技术原理
　　2.2.1 污水处理生物脱氮原理
　　将污水处理的生物脱氮技术依据反应类型划分，可以分成氨的硝化作用和反硝化两种类型。一般进行硝化作用就主要是指将氨作为电子变化的供方，而将分子氧视为电子的受方，通过进行氮从兼具负三价电子的物质NH4反应变化成带有正三价电子的NO2一以及带有正五价电子的NO3。然而本质上仅仅是发生了水下氮的化合态形态转变，根本将水中氮的实际含量进行改变，反应性质就是避免污水水体发生富养化现象，但污染问题根本没得到处理。与此相对的反硝化却恰恰相反，通过污水中硝酸盐物质作为氮电子受方，让碳源成为氮电子的实际供方，这期间虽然也是通过硝酸盐里面的氮电子变化，可不同的是这个反应过程生成了气态氮（如N2、N2O），气体可以从污水中挥发出去，从而真正实现氮的治理。
　2.2.2 污水处理生物脱氮技术系统
　　生物脱氮系统的基本流程如下图2所示。缺氧反应器是脱氮工艺的核心，通过污水中的一些有机物当做氮电子进行转移的供方，将反应产生的物质硝酸盐氮当做氮电子进行转移的受方进而充分把污水中的氮脱掉。只是为了保证反应过程的正常进行，必须保证该反应中有充足的碳源如下图图3所示。随着社会的发展，生物脱氮技术也在不断进步，现如今这种技术在概念以及技术工艺方面都发生了全新的变化比如时下比较盛行的生物脱氮短程硝化反硝化反应方法、硝化反硝化同时进行反应的生物脱氮以及生物脱氮的厌氧氨氧化技术等等。图2：生物脱氮系统基本流程图3：脱氮处理基本过程结构图
　　2.3 城市污水处理生物除磷脱氮技术之间关系
　　（1）SRT（即污水污泥龄）方面的技术矛盾：我们首先分析一下除磷技术，根据除磷技术使用的系统反应原理，污水中SRT与磷含量成反比关系，较长时效的SRT会由于有机物质的缺失而出现磷物质的自我消融，甚至由于物质自融后污水处理后的排泥量逐步减少而影响我们对污水中磷含量的去除效率；然而对于脱氮技术来看，由于脱氮主要是进行硝化以及反硝化反应，其中硝化反应主要依靠自养型好氧菌，反硝化反应主要依靠兼性菌，虽然两个反应相比较而言前者所需SRT较大，可是为了实现两个反应的效率最大化，一定比例内通常是呈现SRT与脱氮技术的正比关系。
　　（2）碳含量的需求矛盾：生物脱氮因为两个反应中硝化反应必须达到一定标准的碳氮配比，而反硝化反应由于主要利用硝酸盐作为氮电子反应变化的承受方，不需一定标准的碳含量污水中含碳量物质完全可以满足，所以只需达到硝化反应的碳氮标准即可；然而对于除磷技术只需要污水中某些有机质以及微生物达到一定配比就可以，基本是不需要碳物质的。
　　（3）硝酸盐对于两项技术的互反性影响：我们知道脱氮工艺需要硝酸盐，但是除磷工艺硝酸盐在厌氧反应只会产生阻碍发酵反应甚至大量消耗除磷工艺过程中所必须的低分子有机物质。虽然现在有些除磷工艺技术比如开普敦研发的UCT除磷技术已经通过加大反硝化解决回流污泥问题从而充分控制了硝酸盐对除磷工艺的影响，但是，硝化盐对于除磷脱氮两方面污水处理技术理论上的影响还是存在。
　　3 城市污水处理对生物除磷脱氮技术的改进需求
　　通过上文我们了解到生物除磷脱氮技术是存在很多矛盾的，为了更好地进行污水治理工作，我们需要充分均衡生物除磷脱氮工艺，研究可以将除磷与脱氮紧密相连的综合性污水处理技术，虽然现在已经有很多改进性技术，比如为了解决碳物质引起的除磷脱氮矛盾，一般是将工艺进行顺序倒叙把原来放在技术后面的缺氧反应部分提到最前面，同时将厌氧反映部分放到工艺的最后。这样就可以让工艺中需要一定标准碳量的脱氮菌最先接触到碳物质，充分将反硝化反应进行速度提升。与此同时，还可以将原有的硝酸盐对除磷的干扰性降低。除此之外还有一项实践证明效果显著的新工艺就是污水除磷脱氮同步氧化沟技术（如下图图4所示）。这个新技术主要通过将活性污泥处理反应进行加时， 从而实现减少甚至充分把控污水中污染物质，以及简化了工艺流程，节约操作成本等目的，目前我国已经在四川新都修建了新技术展示的示范性工程。下面就探讨一下除磷脱氮组合技术改进方向问题：图4：污水除磷脱氮处理同步氧化沟技术3.1 新技术研究设想：
　　①氧环境转换设想：因为生物除磷应该在好氧、厌氧相互适时变换的条件下进行，生物脱氮要在分开后的好氧、缺氧环境下进行反应。为此我们可以参考图五结构将氧气分为好氧、缺氧、厌氧三种环境。并根据氧环境的改变，以及改进进水或回流等方法进行技术整合，现今类似的组合工艺主要有UCT、SBR、氧化沟以及生物转盘等。图5②技术组合分布改进设想：运用城市污水处理过程中除磷工艺的厌氧好氧性作为原理进行常温环境下污水氨氮发生亚硝酸化反应以及目前使用比较多的ANAMMOX和CANON等技术，实现高效率，高质量，低消耗的综合技术需要对操作流程进行污水循环治理。
　　4 结论
　　城市污水处理生物技术中，除磷脱氮工艺是最为复杂最为艰难的，但是相信只要我们能对生物除磷脱氮进行有效研究，并充分做好除磷脱氮技术间的平衡问题，城市污水生物除磷脱氮技术一定会为污水处理带来更高效率以及更高的经济效益。
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　　收稿日期：2013-4-12
　　作者简介：郑新华（1979-），男，助理工程师，研究方向：环境保护.