6000字讓你輕松讀懂12個(gè)脫氮除磷工藝！

生物脫氮除磷（Biological Nutrient Removal，簡(jiǎn)稱BNR）是指用生物處理法去除污水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)氮和磷的工藝。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，脫氮除磷工藝演變出了多種工藝和工藝變種，為我們選擇污水處理技術(shù)路線，提供了很多種選項(xiàng)。

一、A2/O工藝

1、厭氧池

圖1為傳統(tǒng)的A2/O工藝流程，首段為厭氧池，本池的主要作用為釋放磷（具體反映機(jī)理看前面），其次在本池中也可發(fā)生水解酸化反應(yīng)。原水與同步進(jìn)入的二沉池回流的含磷污泥二者混合后再兼性厭氧發(fā)酵菌的作用下部分易生物降解的大分子有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為小分子的揮發(fā)性脂肪酸（VFA），聚磷菌將細(xì)胞內(nèi)的聚磷水解成正磷酸鹽，釋放到水中，釋放的能量可供轉(zhuǎn)型好氧的聚磷菌在厭氧的壓抑環(huán)境下維持生存，同時(shí)吸收水解后的小分子有機(jī)物合成PHB并儲(chǔ)存在體內(nèi)。另外，NH4+-N因細(xì)胞的合成而被去除一部分，同時(shí)回流污泥的稀釋作用使污水中的NH4+-N濃度下降；另外回流污泥中的NO3—-N進(jìn)入?yún)捬醭睾笱杆倮迷械目焖俳到庥袡C(jī)物而被還原為氮?dú)忉尫?，?huì)部分去除進(jìn)水中的有機(jī)物，該池出水幾乎不含NO3—-N。

影響因素：對(duì)于高氨氮廢水，污泥回流中攜帶有大量的NO3—-N，當(dāng)硝氮濃度≥4mg/L時(shí)，將減少了據(jù)鄰居釋放所獲得的溶解性有機(jī)物的量，不能是該池形成較好的兼性厭氧環(huán)境，不僅不利于據(jù)鄰居的釋磷反應(yīng)，而且也不利于大分子的厭氧發(fā)酵為小分子有機(jī)物，對(duì)釋磷反應(yīng)不利。

2、缺氧池

廢水經(jīng)過(guò)厭氧池進(jìn)入缺氧池，該池首要功能為反硝化脫氮，硝氮通過(guò)內(nèi)循環(huán)由好氧池進(jìn)入缺氧池，回流比通過(guò)總氮去除率進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)公式1）。混合液進(jìn)入缺氧段后，反硝化菌利用污水中的有機(jī)物將回流液中的硝態(tài)氮還原為氮?dú)忉尫诺娇諝庵?，因此有機(jī)物濃度和硝態(tài)氮濃度都會(huì)大幅度降低。其次，該段可能發(fā)生磷的釋放和吸收（反硝化除磷）反應(yīng)，或者兩者同時(shí)存在。另外，生活污水處理過(guò)程中，缺氧池末端的COD基本在50以下甚至更低，在不考慮好氧池同步硝化反硝化的情況下TN濃度和出水基本相同。

η=r/（1+r）————1

其中：η：總氮去除率；

r：回流比

3、好氧池

混合液從缺氧池進(jìn)入好氧池，曝氣池的這一反應(yīng)單元室多功能的，去除BOD、硝化、吸收磷等反應(yīng)都在本反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。混合液有機(jī)物濃度已經(jīng)很低，聚磷菌主要是靠分解體內(nèi)儲(chǔ)存的PHB來(lái)獲取能量供自身生長(zhǎng)繁殖，同時(shí)超量吸收水中的溶解性正磷酸鹽以聚磷（Poly-P）的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過(guò)沉淀排出剩余污泥，達(dá)到除磷的效果。有機(jī)氨被氨化繼而被硝化，氨氮濃度顯著下降。隨著硝化過(guò)程的進(jìn)行，硝氮濃度增加，堿度降低（對(duì)于高氨氮廢水，需在好氧池中大量投加堿才能維持硝化反應(yīng)的進(jìn)行）。

4、A2/O工藝的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：同時(shí)脫氮除磷；反硝化過(guò)程為硝化提供堿度；釋磷及反硝化過(guò)程同時(shí)除去有機(jī)物；污泥沉降性能好，SVI值一般均小于100。

缺點(diǎn)：①回流污泥含有硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，對(duì)除磷效果有影響；②脫氮受內(nèi)回流比影響；③聚磷菌和反硝化菌都需要易降解有機(jī)物。

A2/O這是一個(gè)很成熟的脫氮除磷工藝，后續(xù)介紹的其他脫氮處理工藝基本上是為克服A2/O工藝的缺點(diǎn)而進(jìn)行改動(dòng)的，從而在節(jié)能的基礎(chǔ)之上滿足出水要求。

在A2/O工藝運(yùn)行中經(jīng)常一些問(wèn)題，如：絲狀菌膨脹、污泥老化、SVI值過(guò)高、厭缺氧池表面出現(xiàn)黑色或者黃色浮泥、曝氣池表面出現(xiàn)白色泡沫或者粘稠的黃色泡沫、二沉池跑泥等等。出現(xiàn)這些問(wèn)題，除進(jìn)水指標(biāo)的波動(dòng)、設(shè)計(jì)缺陷外，其他均為工藝參數(shù)沒(méi)有控制好所導(dǎo)致的。關(guān)于工藝參數(shù)的控制，這個(gè)在書(shū)本上僅僅給出了一個(gè)參考值，比如：

DO：2-4mg/L

污泥齡：10-15d

C：N：P=100：5:1

反硝化碳氮比：（4-6）:1

碳磷比：20:1

MLSS：3000-4000mg/L

混合液回流比：200-300%

污泥回流比：50-100%

厭、缺氧池?cái)嚢韫β剩?-8W/m3（我是根據(jù)水質(zhì)、池體類型進(jìn)行選型）

HRT：6-8h（針對(duì)市政污水，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)告訴我，這個(gè)停留時(shí)間誰(shuí)用誰(shuí)哭）

厭氧：缺氧：好氧停留時(shí)間：1:1:（3-4）（這也是誰(shuí)用誰(shuí)哭）

甚至有些半吊子設(shè)計(jì)人員根據(jù)這些工藝參數(shù)去設(shè)計(jì)工業(yè)廢水，對(duì)于這點(diǎn)，我真的很佩服設(shè)計(jì)人員的膽大、業(yè)主的摳門。

這些工藝參數(shù)只是參考，運(yùn)行參數(shù)需要針對(duì)自己的污水廠/污水站的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，從而達(dá)到良好的處理效果。所以，在運(yùn)行中各位污師需要針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，找到問(wèn)題的根本所在，而不是盲目的排泥、投加碳源、投加營(yíng)養(yǎng)、增加/減少曝氣等等。在自我分析問(wèn)題之后可以到污托邦社區(qū)或者污托邦群里面進(jìn)行討論，而不是出現(xiàn)問(wèn)題第一時(shí)間問(wèn)別人，每個(gè)人運(yùn)行的污水廠/污水站的情況都不一樣，別人給你的只會(huì)是他遇到過(guò)的情況，但不一定適用于你運(yùn)營(yíng)的污水廠，甚至有時(shí)候同樣一個(gè)現(xiàn)象，在不同污水廠發(fā)生的機(jī)理是完全相反的。

二、倒置A2/O工藝

與常規(guī)的A2/O工藝相比，倒置A2/O工藝（見(jiàn)圖2）從前往后以此為缺氧-厭氧-好氧，該工藝的設(shè)計(jì)初衷是為了降低污泥回流中硝態(tài)氮對(duì)厭氧釋磷的影響，特別是對(duì)于高氨氮廢水污泥回流中攜帶有大量的硝氮，抑制厭氧釋磷反應(yīng)。同時(shí)，為了解決碳源分配的問(wèn)題，采用兩點(diǎn)進(jìn)水的方式來(lái)提供厭氧釋磷中有機(jī)物的消耗。

該工藝由于硝態(tài)氮在前端的缺氧池中完全反硝化，消除了硝氮對(duì)厭氧釋磷的不利影響，從而保證厭氧釋磷的穩(wěn)定進(jìn)行，并且聚磷菌釋磷后直接進(jìn)入生化效率比較高的好氧環(huán)境，使其在厭氧條件下形成的吸磷動(dòng)力得到了更有效的利用。

有些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)倒置A2/O工藝時(shí)省去了混合液回流，通過(guò)增大二沉池的污泥回流來(lái)滿足反硝化需求。增大污泥回流雖然不改變二沉池的比表面積負(fù)荷率，但是在一定程度上降低了二沉池的沉淀時(shí)間，不建議采用。

厭氧釋磷的實(shí)際停留時(shí)間（含回流量）一般要求在0.5-2h，倒置A2/O雖然滿足了硝氮對(duì)厭氧釋磷的影響，但是需要增加厭氧池的池容，從而滿足厭氧釋磷實(shí)際停留時(shí)間的要求，增加了土建成本。同時(shí)多點(diǎn)進(jìn)水需要很好的進(jìn)行控制，以此來(lái)調(diào)整厭、缺氧池的碳源配比達(dá)到良好的脫氮除磷效果。

該工藝適合原水中TN含量比較高的廢水，只要缺氧池的容積設(shè)計(jì)的合理可以完全反硝化，從而為厭氧釋磷提供良好的厭氧環(huán)境。

三、A+A2/O工藝與JHB工藝

A+A2/O工藝（見(jiàn)圖3）與A2/O工藝相比，在厭氧池的前段增加了一個(gè)預(yù)脫硝池，主要是為了解決污泥回流中攜帶的硝酸鹽對(duì)厭氧釋磷的影響。該工藝與UCT工藝的目的是相同的。

在進(jìn)水TN含量較高的情況下，該工藝不太適用，因?yàn)槲勰嗷亓髦袛y帶有大量的硝氮，預(yù)脫硝池因設(shè)計(jì)停留時(shí)間過(guò)短（一般在0.5-0.8h）無(wú)法進(jìn)行完全的反硝化反應(yīng)，從而影響厭氧釋磷。

1991年，Pitman等人提出Johannesburg（JHB）工藝，該工藝是在A2/O工藝到厭氧區(qū)污泥回流路線中增加了一個(gè)缺氧池（見(jiàn)圖4），來(lái)自二沉池的污泥可利用33%左右（進(jìn)水分配可調(diào)）進(jìn)水中的有機(jī)物作為反硝化碳源去除硝態(tài)氮，以消除硝酸鹽對(duì)厭氧池厭氧釋磷的不利影響。

其實(shí)這兩個(gè)工藝是一樣的，只是叫法不同。在設(shè)計(jì)中A+A2/O工藝也會(huì)設(shè)計(jì)多點(diǎn)進(jìn)水，畢竟碳源的有效分配是關(guān)鍵。

四、UCT工藝

A2/O工藝的回流污泥中很難保證不含有硝氮，為了徹底排除在厭氧池中硝氮的干擾，南非開(kāi)普敦大學(xué)于1983年開(kāi)發(fā)了UCT工藝（見(jiàn)圖5），將污泥回流至缺氧區(qū)，并增加了從缺氧段至厭氧段的缺氧混合液回流，使污泥經(jīng)缺氧反硝化后再回流至厭氧區(qū)，減少了回流污泥中的硝酸鹽含量，盡量的避免了硝態(tài)氮對(duì)厭氧釋磷的影響，同時(shí)在該工藝總存在反硝化除磷現(xiàn)象。但當(dāng)進(jìn)水碳氮比較低時(shí)缺氧池不能實(shí)現(xiàn)完全反硝化，仍有一部分硝氮回流到厭氧區(qū)對(duì)厭氧釋磷產(chǎn)生不利影響。

書(shū)本上給出的設(shè)計(jì)參數(shù)：厭氧區(qū)HRT 1-2h；缺氧區(qū)HRT 2-4h；好氧區(qū)HRT 4-12h；污泥回流比80%-100%；缺氧回流比200%-400%；硝化液回流比100%-300%。（以上數(shù)據(jù)僅為參考，在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際水質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。）

五、MUCT工藝

與A2/O工藝相比，UCT工藝在適當(dāng)?shù)腃OD/KTN比例下，缺氧池的反反硝化可使厭氧池回流液中的硝氮含量接近于零。當(dāng)進(jìn)水COD/KTN較低時(shí)，缺氧池?zé)o法實(shí)現(xiàn)完全的脫氮，導(dǎo)致有一部分硝氮隨缺氧回流進(jìn)入?yún)捬醭?，因此又產(chǎn)生了改良型UCT工藝—MUCT工藝（見(jiàn)圖6）。

MUCT工藝有兩個(gè)缺氧池，第一個(gè)缺氧池接受二沉池回流污泥，后一個(gè)缺氧池接受好氧池硝化液回流，使污泥的脫氮與混合液的脫氮完全分開(kāi)，進(jìn)一步減少硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬醭氐目赡苄浴?/p>

該工藝的主要目的是優(yōu)化除磷效果，第二個(gè)缺氧池進(jìn)水中含有一定量的碳源，該部分碳源反硝化速率較高，在該部分碳源消耗殆盡后，還可進(jìn)行內(nèi)源呼吸反硝化，雖然反硝化速率較低，但可進(jìn)一步提高TN的去除率。

六、Bardenpho工藝系列

6.1 Bardenpho工藝（兩級(jí)AO工藝）

Barnard（1974）開(kāi)發(fā)的Bardenpho工藝屬于早期生物脫氮（除磷）工藝，其目的是不投加外部碳源的情況下脫氮率達(dá)到90%以上。如圖7所示，在第一個(gè)缺氧段，來(lái)自硝化段的混合液內(nèi)回流中含有大量的硝氮，在第一個(gè)缺氧段中利用原水中的碳源作為電子供體，進(jìn)行反硝化，在該段去除的硝氮約占70%（根據(jù)設(shè)計(jì)停留時(shí)間的不同，去除率也不相同）。BOD去除、氨氮氧化和磷的吸收都是在硝化（第一個(gè)好氧池）段完成的。第二缺氧段提供足夠的停留時(shí)間，通過(guò)混合液的內(nèi)源呼吸進(jìn)一步去除殘余的硝氮。最終好氧段為混合液提供短暫的曝氣時(shí)間，以降低二沉池出現(xiàn)厭氧狀態(tài)和釋磷的可能性。

6.2 五段Phoredox工藝（簡(jiǎn)稱為Phoredox工藝）

由于發(fā)現(xiàn)Bardenpho工藝中混合液回流中的硝氮對(duì)生物除磷有非常不利的影響，通過(guò)Bardenpho工藝的中試研究，Barnard（1976）提出真正意義上的生物脫氮除磷工藝流程（見(jiàn)圖8），即在Bardenpho工藝前段增設(shè)一個(gè)厭氧區(qū)。這一工藝流程在南非稱為五段Phoredox工藝（簡(jiǎn)稱為Phoredox工藝），在美國(guó)稱之為改良型Bardenpho工藝。改良型Bardenpho工藝通常按低污泥負(fù)荷（較長(zhǎng)污泥齡）方式設(shè)計(jì)和運(yùn)行，目的是提高脫氮效率。

五段Phoredox工藝使用的SRT比A2/O工藝更長(zhǎng)（10-20d），其他設(shè)計(jì)參數(shù)為：厭氧區(qū) HRT=0.5-1h；第一缺氧區(qū)HTR=1-3h；第二缺氧區(qū)HRT=2-4h；第一好氧區(qū)HRT=4-12h，第二好氧區(qū)HRT=0.5-1h；污泥回流比為50%-100%；混合液回流比為200%-400%。（以上數(shù)據(jù)僅供參考，具體設(shè)計(jì)請(qǐng)根據(jù)水質(zhì)進(jìn)行變動(dòng)。）

6.3 3段改良Bardenpho工藝（或A2/O工藝）

測(cè)試表明，五段Phoredox工藝并不能將硝酸鹽含量降低至零，與第一缺氧區(qū)相比，第二缺氧池因?yàn)椴捎脙?nèi)源呼吸反硝化導(dǎo)致單位容積反硝化速率相當(dāng)?shù)?。第二缺氧池的低效促使Simpkins和McLaren（1978）提出，在某些情況下可取消第二缺氧池，適當(dāng)加大第一缺氧池，以獲得最大的反硝化處理效果和最低的回流污泥硝酸鹽濃度，即3段改良Bardenpho工藝（見(jiàn)圖9），也就是目前常用的A2/O工藝。

七、約翰內(nèi)斯堡（Johannesburg）工藝

本工藝源自南非約翰內(nèi)斯堡，為UCT變型工藝，該工藝（見(jiàn)圖10）的主要目的是盡量減少污泥回流中的硝氮進(jìn)入?yún)捬醭兀岣咻^低進(jìn)水濃度廢水德?tīng)柼幚硇剩ㄆ鋵?shí)脫氮工藝就是碳源的合理分配問(wèn)題，在不考慮反硝化除磷的情況下，低COD廢水，除磷量越多，反硝化脫氮越差，關(guān)鍵是看操作人員如何取舍）?；亓骰钚晕勰嘀苯舆M(jìn)入缺氧池，該池有足夠的停留時(shí)間利用內(nèi)源呼吸去還原污泥中攜帶的硝氮，然后再進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)進(jìn)行釋磷反應(yīng)。（題外話，這個(gè)工藝在有些資料上給歸為JHB工藝，我認(rèn)為知道工藝的原理就行，有些問(wèn)題沒(méi)必要去糾結(jié)。）

八、PASF工藝

針對(duì)A2/O工藝中各菌群間污泥齡需求矛盾的問(wèn)題，近年來(lái)有很多研究提出將活性污泥法和生物膜法相結(jié)合（非泥膜共存工藝）以緩解這一矛盾。這時(shí)系統(tǒng)中就存在兩類菌群：短泥齡懸浮活性污泥和長(zhǎng)齡生物膜上附著的菌群，這樣能很好的解決硝化細(xì)菌與聚磷菌間的泥齡矛盾。在此基礎(chǔ)之上發(fā)展的工藝為PASF工藝，（見(jiàn)圖11）。該工藝分為前后兩段，前段采用活性污泥法，主要包括厭氧、缺氧、好氧、二沉等；后段采用生物膜法，主要采用曝氣生物濾池或者加裝填料的生物膜池。

該工藝中硝化作用主要集中在曝氣生物濾池內(nèi)，大量的硝化反應(yīng)在二沉池之后完成，避免了污泥回流攜帶硝氮對(duì)厭氧釋磷的影響。另外硝化菌和聚磷菌的分開(kāi)更有利于營(yíng)造最適宜各類菌群生長(zhǎng)的環(huán)境。該工藝中，菌群分開(kāi)專性較強(qiáng)，可以縮短各反應(yīng)器的停留時(shí)間。同時(shí)，在前段活性污泥工藝中釋磷菌在缺少好氧除磷的情況下，反硝化除磷菌（DPB）可以大量富集從而產(chǎn)生反硝化除磷反應(yīng)，節(jié)省碳源、節(jié)省能耗。

該工藝在設(shè)計(jì)中，好氧池起到降低污泥沉降比、進(jìn)一步降低BOD（不影響硝化反應(yīng)）的功能，幾乎不參與硝化反應(yīng)，所以該池停留時(shí)間可以很短（1-2h）。

九、Dephanox工藝

Wanner（1992）首次提出Dephanox雙污泥反硝化脫氮除磷工藝雛形（見(jiàn)圖12）。

所謂雙污泥系統(tǒng)就是硝化菌獨(dú)立于反硝化除磷菌（DPB）而單獨(dú)存在于固定膜生物反應(yīng)器中。該工藝解決了聚磷菌和反硝化菌競(jìng)爭(zhēng)碳源的問(wèn)題（參照反硝化除磷原理），同時(shí)也巧妙的解決了活性污泥系統(tǒng)培養(yǎng)硝化菌需要的較長(zhǎng)SRT這一不利條件。

在該工藝中，含DPB回流污泥首先在厭氧池完成釋磷和儲(chǔ)存PHB，經(jīng)過(guò)快沉池分離后，富含DPB的污泥超越固定膜反應(yīng)器至缺氧池，含氨氮的上清液直接進(jìn)入固定膜反應(yīng)器，進(jìn)行好氧硝化，產(chǎn)生的硝化液流入缺氧池后與DPB污泥接觸，完成反硝化除磷反應(yīng)。由于DPB污泥沒(méi)有經(jīng)過(guò)好氧池，所以它體內(nèi)的PHB幾乎全用于反硝化吸磷作用。因DPB每吸收1份的正磷酸鹽就需要7份的NO3—-N，故而在污水中N/P低于7時(shí)，就意味著缺氧池中硝氮含量不足導(dǎo)致不能徹底除磷，因此需要在缺氧池后增加再曝氣池，從而保證TP的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

其實(shí)該工藝還有一定的缺陷，比如：①厭氧池中無(wú)法完全吸附有機(jī)物，導(dǎo)致固定膜反應(yīng)器進(jìn)水中攜帶有BOD，一方面抑制硝化反應(yīng)，另一方面造成有機(jī)物的浪費(fèi)和能耗的增高；②在進(jìn)水氨氮偏高時(shí)，缺氧池中反硝化除磷菌不能徹底的去除硝氮，導(dǎo)致出水TN的升高。