新型生物脫氮除磷技術(shù)在城市污水處理中的發(fā)展趨勢

當下,我國城市污水處理廠的主要矛盾已由有機物的去除轉(zhuǎn)向氮、磷等營養(yǎng)物的去除。而城市污水處理廠目前普遍采用的傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝因其自身的特點及城市污水特征,導致氮、磷污染物去除效率無法滿足愈發(fā)嚴格的國家標準。針對這種問題,通過對同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化這些新型技術(shù)及其研究現(xiàn)狀進行介紹,探究新型生物脫氮除磷技術(shù)在城市污水處理領(lǐng)域中應用的優(yōu)越性與合理性。并基于多菌群協(xié)同除污機理,結(jié)合我國城市污水處理可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀,探索未來的技術(shù)發(fā)展方向。

研究亮點

1、總結(jié)分析同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化這些新型技術(shù)及其研究現(xiàn)狀，探究新型生物脫氮除磷技術(shù)在城市污水處理領(lǐng)域中應用的優(yōu)越性與合理性；

2、本文基于多菌群協(xié)同除污機理,結(jié)合我國城市污水處理可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)狀,探索未來的技術(shù)發(fā)展方向。

城市污水處理一直是城市建設中的關(guān)鍵一環(huán)，作為環(huán)保領(lǐng)域的重要分支，長久以來都是備受人們關(guān)注的話題。過去的幾十年中，隨著社會向城市化、工業(yè)化的發(fā)展和居民生活水平的上升，水體富營養(yǎng)化的問題也越來越嚴重，這給城市污水處理帶來了巨大難題。根據(jù)《2019年中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計年報》，2019年共排放化學需氧量(COD)5.671×106 t、總氮(TN)1.176×106 t、總磷(TP)5.9×104 t，城市污水處理中氮、磷污染物的比重較大；且相對于COD每年去除量的增加程度而言，氮、磷污染物每年去除量增加的數(shù)目較少。

在城市污水處理的現(xiàn)有技術(shù)中，如AAO、SBR、氧化溝等都存在一定限制，如都對碳氮比(C/N)或者碳磷比(C/P)等有一定要求、微生物菌種彼此獨立導致生化反應進程存在障礙、微生物世代時間的不同導致對污泥齡要求不同等，伴隨于此的通常會是更高的成本與更大的人力消耗。這些缺陷使城市污水脫氮除磷效率已經(jīng)越來越無法滿足人們的需求，因此，城市污水處理技術(shù)需要在強化脫氮除磷方面做出一定改進。近年來，許多研究人員已經(jīng)提出了多種新型高效的脫氮除磷技術(shù)。本文通過對厭氧氨氧化、反硝化除磷等新型技術(shù)的原理及研究現(xiàn)狀進行介紹，探究其在城市污水處理中應用的合理性與優(yōu)越性，并基于此提出多菌群協(xié)同除污的構(gòu)想，對未來可持續(xù)城市污水處理技術(shù)發(fā)展方向進行探索。

1 新型脫氮除磷技術(shù)

1.1 同步硝化反硝化除磷

同步硝化反硝化(SND)是40多年前在土壤中水的浸出過程中發(fā)現(xiàn)的一種新型硝化反硝化技術(shù)，指將傳統(tǒng)生物硝化過程和反硝化過程在同一反應器中同時進行(圖1)。

目前，已有證據(jù)表明這一理論是可行的，且可減少近30%的碳需求及污泥產(chǎn)量。發(fā)展至今，SND已成為高效的脫氮技術(shù)中一種很有前途的選擇。如Chai等研究在序批式生物膜反應器內(nèi)強化SND處理低C/N廢水的性能，顯示在同步硝化反硝化效率(SND率)大于97.3%時，仍可以有效脫氮。如果把SND系統(tǒng)和除磷系統(tǒng)相結(jié)合，則可以提出一種同步硝化反硝化除磷(SNDPR)的新系統(tǒng)，進一步降低處理過程中的碳、氧需求，現(xiàn)今，已有很多研究人員對SNDPR系統(tǒng)及其各種衍生技術(shù)進行影響因素研究，以探究其實用性，如表1所示。

諸多試驗結(jié)果表明，由SNDPR系統(tǒng)衍生出的各種新工藝、新技術(shù)已可在各種條件下表現(xiàn)出良好的耐受性，且針對低C/N污水實現(xiàn)了良好的去除效果，體現(xiàn)了一定實用價值。SNDPR作為一種較易實現(xiàn)的高效脫氮除磷方式，其特性提升了生物池一體化的可能性，可以預見未來會在水處理領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。但是目前其在污泥形態(tài)、溶解氧等方面都有一定限制，如由于生物硝化與反硝化對氧環(huán)境的需求不同，會導致某一進程在一定程度上受到限制，使SND率偏低，去除效果不理想，因此，如何控制反應器內(nèi)溶解氧將是一個棘手的問題。

1.2 厭氧氨氧化

厭氧氨氧化是指在厭氧或缺氧條件下，以亞硝態(tài)氮為電子受體，將氨氮直接氧化為氮氣的過程。整個過程須保持完全厭氧的條件，且研究表明，其在pH值為8、溫度為30 ℃左右時運行條件最好(圖2)。

這一過程是在1965年由Rids觀察到缺氧海洋盆地中的氨損失后首次提出的, 后又在海洋沉積物的孔隙水剖面中觀察到亞硝酸鹽和氨的同時消失，為這種反應的存在提供了早期證據(jù)。但直到1995年，這種技術(shù)才在一個處理廢水的反硝化流化床反應器中被首次證實，到2007年，首個大型厭氧氨氧化反應器才在鹿特丹建成。相對于傳統(tǒng)脫氮方法，厭氧氨氧化的脫氮容積負荷更高，已有研究表明，其脫氮容積負荷很容易達到5 kg/(m3·d)，而對于傳統(tǒng)的脫氮工藝而言，脫氮容積負荷通常小于0.5 kg/(m3·d)。如表2所示，針對厭氧氨氧化已展開很多研究。

厭氧氨氧化作為一種近些年來新出現(xiàn)的技術(shù)，由于其脫氮效率高、污泥產(chǎn)量小、碳源需求小的優(yōu)勢，成為了一種脫氮的理想方式。但厭氧氨氧化的缺點也十分明顯，其主要缺點是厭氧氨氧化菌的生長速率十分緩慢、細胞產(chǎn)量低。且厭氧氨氧化還容易被環(huán)境因素影響，低溫、高堿度、有機物形態(tài)等很多因素都會抑制其反應性能。其中，作為反應底物的亞硝態(tài)氮和氨氮是影響其速率的關(guān)鍵因子，但過高的底物濃度反而會抑制其反應速率，已有試驗驗證同時提供能源的碳源也具有這一特點。相比于實驗室小試，在實際工程中這些影響因子更加難以控制。所以，厭氧氨氧化的應用條件將成為此技術(shù)從實驗室技術(shù)向?qū)嶋H應用過渡的關(guān)鍵問題，可以預見此方向?qū)墙窈蠹夹g(shù)研究的重點與難點。

1.3 反硝化除磷

Comeau等在1987年發(fā)現(xiàn)了一類不同于傳統(tǒng)除磷工藝中聚磷菌的新型聚磷菌，這種聚磷菌在缺氧環(huán)境中可以同時去除氮和磷兩種污染物質(zhì)，將其命名為反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms, DPAOs)。DPAOs利用體內(nèi)儲存的聚羥基脂肪酸酯(PHA)，在缺氧環(huán)境中以硝態(tài)氮或者亞硝態(tài)氮替代氧氣作為電子受體，從而實現(xiàn)過量吸磷。相比于傳統(tǒng)除磷工藝，反硝化除磷可以實現(xiàn)同步脫氮除磷與“一碳兩用”，并解決大部分能耗問題，理論上可以節(jié)省多達30%的曝氣系統(tǒng)能耗、50%的碳源需求及污泥產(chǎn)量。根據(jù)反硝化除磷的特點，其可以與很多技術(shù)聯(lián)用，同時也衍生了許多新型工藝,如UCT、AOA、AAN等。這些工藝共同的特點都是可以極大限度地利用反硝化除磷原理中“一碳兩用”的特點，且避免了硝化菌和DPAOs的競爭，非常適合處理低C/N污水。已有大量學者研究其適宜工作條件，以探究其實用性，如表3所示。

反硝化除磷目前已經(jīng)處于由基礎研究向?qū)嶋H工程過渡的階段，但是除開其節(jié)省能耗、一碳兩用等優(yōu)勢，還存在部分缺陷。為了實現(xiàn)反硝化除磷，需要控制合適的C/N，而且對于厭氧部分投加硝酸鹽作為底物時，需要注意投加方式。除此以外，反硝化除磷菌的世代周期較長，需要控制反應器污泥停留時間不能太短，以便為反硝化除磷菌提供良好的生長環(huán)境。與此同時，雖然反硝化除磷技術(shù)的污泥產(chǎn)量較少，但是其后續(xù)污泥較難處理，填埋之后在厭氧條件下可能會造成釋磷從而影響環(huán)境，給實際工程也帶來一定困擾。

1.4 短程硝化反硝化

短程硝化反硝化即在進行硝化反應時抑制硝化反應的第二階段，只硝化到亞硝態(tài)氮狀態(tài)，而后將過量的亞硝態(tài)氮作為電子受體進行反硝化的過程，如圖3所示。

短程硝化反硝化也可以實現(xiàn)氮元素的有效去除，由于未完成全部的硝化反應，其脫氮速率會大大提升。第一個成功實現(xiàn)短程硝化反硝化的工藝是SHARON工藝，但SHARON工藝的運行條件較為苛刻，高溫、高氨氮濃度都制約了其實際應用的可行性，因此，尋找短程硝化反硝化的適宜條件、探究其實用性，是眾多研究人員的重點。目前，主要使用抑制劑、溶解氧、技術(shù)聯(lián)用等方法實現(xiàn)短程硝化反硝化，如表4所示。

短程硝化反硝化相比于傳統(tǒng)生物脫氮工藝，短程硝化階段可以減少25%的氧氣消耗；對于后續(xù)缺氧反硝化階段可降低約40%碳源消耗量；且亞硝態(tài)氮反硝化反應速率是硝態(tài)氮反硝化速率的1.5～2倍，可以有效減少系統(tǒng)的HRT。此外，在減少污泥產(chǎn)量和堿度投加的方面也有所幫助，短程硝化反硝化技術(shù)具有巨大優(yōu)勢。但短程硝化反硝化對菌種的要求很高，正常運行時必須先進行菌種的富集。由于短程硝化和反硝化是兩個不同的進程，其對氧環(huán)境的要求也不同，需要嚴格控制氧環(huán)境的變化，且底物濃度也是制約其反應的條件，需要形成亞硝酸鹽累積的同時逐步淘汰反應器中的亞硝化細菌，目前其條件仍較為苛刻。

2 脫氮除磷技術(shù)發(fā)展方向

普通城市污水廠應用的傳統(tǒng)活性污泥法中，生物脫氮通常分為氨化、硝化、反硝化3個過程，分別由氨化菌、硝化細菌和反硝化菌完成，其中，硝化需要在好氧環(huán)境中完成，反硝化則需要在厭氧環(huán)境中完成。而對于除磷，通常在除磷系統(tǒng)中利用聚磷菌的過量積磷能力進行厭氧環(huán)境下的釋磷和好氧環(huán)境下的過量吸磷，再通過剩余污泥排放的方式實現(xiàn)磷的去除。不同生物反應對氧環(huán)境的不同需求導致在傳統(tǒng)水處理工藝中，無論是SBR還是AAO等工藝，都在空間或時間上對反應進程有一定限制。而這一限制通常又會造成系統(tǒng)中碳源競爭激烈、污泥產(chǎn)量過大、運行復雜等一系列問題。城市污水還存在的問題是C/N較低導致脫氮效率較差，通常，解決這個問題的方法是在生物處理的部分投加額外的碳源，但這一方法的成本非常高。

如果繼續(xù)使用現(xiàn)行的污水處理技術(shù)，在不斷追求去除效果的同時，必然會伴隨著工藝運行困難、結(jié)構(gòu)復雜、成本上升等一系列問題。如果能開發(fā)一種高效、可持續(xù)發(fā)展的新型污水處理技術(shù)或工藝應用在城市污水處理中，必然可取得巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

對現(xiàn)有的各種生物脫氮除磷技術(shù)進行比較，由表5可知，從本文介紹的新型污水生物脫氮除磷技術(shù)來看，它們都具有在不同程度上節(jié)省碳源和降低污泥產(chǎn)量的優(yōu)勢，且反應速率都相對較快。這些優(yōu)勢使它們在處理低C/N污水時表現(xiàn)出很強的適應性，針對不同溫度、pH、污泥齡和曝氣方式等運行工況，表現(xiàn)出很好的耐受性，并可以穩(wěn)定運行。而這些技術(shù)優(yōu)勢放在城市污水處理中，恰好可以彌補當前技術(shù)應對城市污水脫氮除磷的不足，雖然目前研究有限，應用條件仍不成熟，但如果未來將這些新技術(shù)投入實際應用，許多問題都將迎刃而解。

從新型污水生物脫氮除磷技術(shù)原理來看，控制優(yōu)勢微生物菌群是保證工藝達到預期效果的前提條件，而其控制條件相對苛刻，這也是新型技術(shù)推廣應用受限的原因之一。基于微生物菌群功能及生存環(huán)境特點，如能實現(xiàn)多種功能菌群在同一個空間內(nèi)協(xié)同作用，不僅可降低能耗、節(jié)省投資，更重要的是可以大大提高生化反應效率，簡化控制條件。微壓內(nèi)循環(huán)生物反應器是一種僅通過反應器自身結(jié)構(gòu)特點，使反應器內(nèi)部形成獨特的水力流態(tài)，實現(xiàn)了在同一反應器空間內(nèi)不同功能菌群協(xié)同除污功效，作為可持續(xù)發(fā)展的城市污水處理新技術(shù)具有著潛在的優(yōu)勢。

3 結(jié)論與展望

我國城市污水特有的特征和環(huán)境特點，導致傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)效果不佳。隨著我國對氮、磷排放標準的日趨嚴格，結(jié)合我國城市污水處理的可持續(xù)發(fā)展，未來應加大新型技術(shù)的研究和推廣力度,加強對新技術(shù)的使用條件及優(yōu)劣特點的認識，爭取早日將此類具有潛力的新型污水生物脫氮除磷技術(shù)應用到我國的城市污水處理中，并基于此類新技術(shù)，積極開發(fā)出具有高效、節(jié)能一體化的污水生物脫氮除磷工藝，是解決此類問題值得考慮的研究方向。