新型生物脫氮除磷技術在城市污水處理中的發展趨勢
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向氮、磷等營養物的去除。而城市污水處理廠目前普遍采用的傳統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及其研究現狀進行介紹,探究新型生物脫氮除磷技術在城市污水處理領域中應用的優越性與合理性。并基于多菌群協同除污機理,結合我國城市污水處理可持續發展現狀,探索未來的技術發展方向。
研究亮點
1、總結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及其研究現狀，探究新型生物脫氮除磷技術在城市污水處理領域中應用的優越性與合理性；
2、本文基于多菌群協同除污機理,結合我國城市污水處理可持續發展現狀,探索未來的技術發展方向。
城市污水處理一直是城市建設中的關鍵一環，作為環保領域的重要分支，長久以來都是備受人們關注的話題。過去的幾十年中，隨著社會向城市化、工業化的發展和居民生活水平的上升，水體富營養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《2019年中國生態環境統計年報》，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目較少。
在城市污水處理的現有技術中，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越來越無法滿足人們的需求，因此，城市污水處理技術需要在強化脫氮除磷方面做出一定改進。近年來，許多研究人員已經提出了多種新型高效的脫氮除磷技術。本文通過對厭氧氨氧化、反硝化除磷等新型技術的原理及研究現狀進行介紹，探究其在城市污水處理中應用的合理性與優越性，并基于此提出多菌群協同除污的構想，對未來可持續城市污水處理技術發展方向進行探索。
1 新型脫氮除磷技術
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現的一種新型硝化反硝化技術，指將傳統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，已有證據表明這一理論是可行的，且可減少近30%的碳需求及污泥產量。發展至今，SND已成為高效的脫氮技術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系統和除磷系統相結合，則可以提出一種同步硝化反硝化除磷(SNDPR)的新系統，進一步降低處理過程中的碳、氧需求，現今，已有很多研究人員對SNDPR系統及其各種衍生技術進行影響因素研究，以探究其實用性，如表1所示。
諸多試驗結果表明，由SNDPR系統衍生出的各種新工藝、新技術已可在各種條件下表現出良好的耐受性，且針對低C/N污水實現了良好的去除效果，體現了一定實用價值。SNDPR作為一種較易實現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域發揮重要作用。但是目前其在污泥形態、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。但直到1995年，這種技術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的技術，由于其脫氮效率高、污泥產量小、碳源需求小的優勢，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、細胞產量低。且厭氧氨氧化還容易被環境因素影響，低溫、高堿度、有機物形態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氮和氨氮是影響其速率的關鍵因子，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從實驗室技術向實際應用過渡的關鍵問題，可以預見此方向將會是今后技術研究的重點與難點。
1.3 反硝化除磷
Comeau等在1987年發現了一類不同于傳統除磷工藝中聚磷菌的新型聚磷菌，這種聚磷菌在缺氧環境中可以同時去除氮和磷兩種污染物質，將其命名為反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms, DPAOs)。DPAOs利用體內儲存的聚羥基脂肪酸酯(PHA)，在缺氧環境中以硝態氮或者亞硝態氮替代氧氣作為電子受體，從而實現過量吸磷。相比于傳統除磷工藝，反硝化除磷可以實現同步脫氮除磷與“一碳兩用”，并解決大部分能耗問題，理論上可以節省多達30%的曝氣系統能耗、50%的碳源需求及污泥產量。根據反硝化除磷的特點，其可以與很多技術聯用，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處于由基礎研究向實際工程過渡的階段，但是除開其節省能耗、一碳兩用等優勢，還存在部分缺陷。為了實現反硝化除磷，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境。與此同時，雖然反硝化除磷技術的污泥產量較少，但是其后續污泥較難處理，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，只硝化到亞硝態氮狀態，而后將過量的亞硝態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、技術聯用等方法實現短程硝化反硝化，如表4所示。
短程硝化反硝化相比于傳統生物脫氮工藝，短程硝化階段可以減少25%的氧氣消耗；對于后續缺氧反硝化階段可降低約40%碳源消耗量；且亞硝態氮反硝化反應速率是硝態氮反硝化速率的1.5～2倍，可以有效減少系統的HRT。此外，在減少污泥產量和堿度投加的方面也有所幫助，短程硝化反硝化技術具有巨大優勢。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，其對氧環境的要求也不同，需要嚴格控制氧環境的變化，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 脫氮除磷技術發展方向
普通城市污水廠應用的傳統活性污泥法中，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，硝化需要在好氧環境中完成，反硝化則需要在厭氧環境中完成。而對于除磷，通常在除磷系統中利用聚磷菌的過量積磷能力進行厭氧環境下的釋磷和好氧環境下的過量吸磷，再通過剩余污泥排放的方式實現磷的去除。不同生物反應對氧環境的不同需求導致在傳統水處理工藝中，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中碳源競爭激烈、污泥產量過大、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。
如果繼續使用現行的污水處理技術，在不斷追求去除效果的同時，必然會伴隨著工藝運行困難、結構復雜、成本上升等一系列問題。如果能開發一種高效、可持續發展的新型污水處理技術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濟效益。
對現有的各種生物脫氮除磷技術進行比較，由表5可知，從本文介紹的新型污水生物脫氮除磷技術來看，它們都具有在不同程度上節省碳源和降低污泥產量的優勢，且反應速率都相對較快。這些優勢使它們在處理低C/N污水時表現出很強的適應性，針對不同溫度、pH、污泥齡和曝氣方式等運行工況，表現出很好的耐受性，并可以穩定運行。而這些技術優勢放在城市污水處理中，恰好可以彌補當前技術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原理來看，控制優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，這也是新型技術推廣應用受限的原因之一。基于微生物菌群功能及生存環境特點，如能實現多種功能菌群在同一個空間內協同作用，不僅可降低能耗、節省投資，更重要的是可以大大提高生化反應效率，簡化控制條件。微壓內循環生物反應器是一種僅通過反應器自身結構特點，使反應器內部形成獨特的水力流態，實現了在同一反應器空間內不同功能菌群協同除污功效，作為可持續發展的城市污水處理新技術具有著潛在的優勢。
3 結論與展望
我國城市污水特有的特征和環境特點，導致傳統生物脫氮除磷技術效果不佳。隨著我國對氮、磷排放標準的日趨嚴格，結合我國城市污水處理的可持續發展，未來應加大新型技術的研究和推廣力度,加強對新技術的使用條件及優劣特點的認識，爭取早日將此類具有潛力的新型污水生物脫氮除磷技術應用到我國的城市污水處理中，并基于此類新技術，積極開發出具有高效、節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。
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