城市污水生物除磷脫氮機(jī)理研究的理論綜述
生態(tài)環(huán)境治理一直是全球各國(guó)十分重視的問題，其中城市污水處理更是讓從事環(huán)境治理的專家學(xué)者們頭疼不已，雖然現(xiàn)有的生物工藝在城市污水處理技術(shù)中獲取的效果顯著，但是歷經(jīng)幾百年變遷的生物污水處理技術(shù)仍不足以解決城市污水中氮磷的污染問題，所以全球自發(fā)上演了一場(chǎng)以高效率高質(zhì)量作為城市污水除磷脫氮活動(dòng)目標(biāo)的生物技術(shù)研究熱潮。
1 城市含磷含氮污水的環(huán)境危害
城市污水具有危害人類健康，污染環(huán)境的破壞性影響性;根據(jù)來源主要可以被分為生活污水和工業(yè)污水兩部分;其中含有的氮和磷物質(zhì)不僅會(huì)加劇水物質(zhì)的富營(yíng)養(yǎng)化，氮磷等物質(zhì)還會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成具有超強(qiáng)好氧性的氨氮物質(zhì)來降低水物質(zhì)的氧含量，不僅如此，含有氮磷等物質(zhì)的污水由于反應(yīng)所生成的某些含氮化合物對(duì)于人類和自然界的其他生物也都是有毒害性影響的，為此，國(guó)際上規(guī)定的氮磷的排放量也日漸嚴(yán)格。
2 生物除磷脫氮相對(duì)關(guān)系研究
雖然國(guó)際上對(duì)于污水治理技術(shù)研究很早就開始了，但是采用生物脫氮除磷技術(shù)進(jìn)行污水處理卻是近二十年才新興的。生物除磷脫氮技術(shù)具有良好的市場(chǎng)前景，因?yàn)樗绕鹞鬯幚沓Ｓ玫奈锢砘瘜W(xué)技術(shù)較為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可以有效的節(jié)約成本;還能將我們較為熟悉的二級(jí)生物污水治理技術(shù)充分進(jìn)行高效率高質(zhì)量的改進(jìn)改善，也正因?yàn)槿绱，生物除磷脫氮技術(shù)才成為現(xiàn)今使用率最高，發(fā)展前景最好的污水處理技術(shù)。
2.1 生物除磷結(jié)構(gòu)流程以及技術(shù)原理
2.1.1 技術(shù)原理通常情況下生物處理活性污泥里面，磷含量?jī)H占污泥干燥狀態(tài)下比重的百分之二左右。然而，如果處于厭氧一好氧進(jìn)行變換的狀態(tài)下，污泥里面的一微生物就會(huì)發(fā)生變化，釋放出比平常高很多的磷含量。
2.1.2 污水處理生物除磷技術(shù)系統(tǒng)
一般通過污泥的厭氧需氧變化進(jìn)行除磷的技術(shù)流程(如圖1所示)比較簡(jiǎn)單，只要就是在厭氧池里面進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)聚磷菌的反應(yīng)代謝后從而減緩BOD含量同時(shí)得到物質(zhì)磷。然后再經(jīng)過需氧反應(yīng)器的化學(xué)物質(zhì)聚磷菌的需氧呼吸活動(dòng)，在對(duì)物質(zhì)BOD進(jìn)行氧化作用后通過轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆狭姿猁}來把磷物質(zhì)有效地儲(chǔ)存在污水的異養(yǎng)菌聚磷菌里面。通過國(guó)內(nèi)外對(duì)生物除磷技術(shù)的研究進(jìn)行調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)各國(guó)學(xué)者所使用技術(shù)機(jī)理雖然標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所獲得的技術(shù)形式卻是多種多樣。圖1：基本除磷技術(shù)流程圖
2.2 生物脫氮結(jié)構(gòu)流程以及技術(shù)原理
2.2.1 污水處理生物脫氮原理
將污水處理的生物脫氮技術(shù)依據(jù)反應(yīng)類型劃分，可以分成氨的硝化作用和反硝化兩種類型。一般進(jìn)行硝化作用就主要是指將氨作為電子變化的供方，而將分子氧視為電子的受方，通過進(jìn)行氮從兼具負(fù)三價(jià)電子的物質(zhì)NH4反應(yīng)變化成帶有正三價(jià)電子的NO2一以及帶有正五價(jià)電子的NO3。然而本質(zhì)上僅僅是發(fā)生了水下氮的化合態(tài)形態(tài)轉(zhuǎn)變，根本將水中氮的實(shí)際含量進(jìn)行改變，反應(yīng)性質(zhì)就是避免污水水體發(fā)生富養(yǎng)化現(xiàn)象，但污染問題根本沒得到處理。與此相對(duì)的反硝化卻恰恰相反，通過污水中硝酸鹽物質(zhì)作為氮電子受方，讓碳源成為氮電子的實(shí)際供方，這期間雖然也是通過硝酸鹽里面的氮電子變化，可不同的是這個(gè)反應(yīng)過程生成了氣態(tài)氮(如N2、N2O)，氣體可以從污水中揮發(fā)出去，從而真正實(shí)現(xiàn)氮的治理。
2.2.2 污水處理生物脫氮技術(shù)系統(tǒng)
生物脫氮系統(tǒng)的基本流程如下圖2所示。缺氧反應(yīng)器是脫氮工藝的核心，通過污水中的一些有機(jī)物當(dāng)做氮電子進(jìn)行轉(zhuǎn)移的供方，將反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)硝酸鹽氮當(dāng)做氮電子進(jìn)行轉(zhuǎn)移的受方進(jìn)而充分把污水中的氮脫掉。只是為了保證反應(yīng)過程的正常進(jìn)行，必須保證該反應(yīng)中有充足的碳源如下圖圖3所示。隨著社會(huì)的發(fā)展，生物脫氮技術(shù)也在不斷進(jìn)步，現(xiàn)如今這種技術(shù)在概念以及技術(shù)工藝方面都發(fā)生了全新的變化比如時(shí)下比較盛行的生物脫氮短程硝化反硝化反應(yīng)方法、硝化反硝化同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)的生物脫氮以及生物脫氮的厭氧氨氧化技術(shù)等等。圖2：生物脫氮系統(tǒng)基本流程圖3：脫氮處理基本過程結(jié)構(gòu)圖
2.3 城市污水處理生物除磷脫氮技術(shù)之間關(guān)系
(1)SRT(即污水污泥齡)方面的技術(shù)矛盾：我們首先分析一下除磷技術(shù)，根據(jù)除磷技術(shù)使用的系統(tǒng)反應(yīng)原理，污水中SRT與磷含量成反比關(guān)系，較長(zhǎng)時(shí)效的SRT會(huì)由于有機(jī)物質(zhì)的缺失而出現(xiàn)磷物質(zhì)的自我消融，甚至由于物質(zhì)自融后污水處理后的排泥量逐步減少而影響我們對(duì)污水中磷含量的去除效率;然而對(duì)于脫氮技術(shù)來看，由于脫氮主要是進(jìn)行硝化以及反硝化反應(yīng)，其中硝化反應(yīng)主要依靠自養(yǎng)型好氧菌，反硝化反應(yīng)主要依靠兼性菌，雖然兩個(gè)反應(yīng)相比較而言前者所需SRT較大，可是為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)反應(yīng)的效率最大化，一定比例內(nèi)通常是呈現(xiàn)SRT與脫氮技術(shù)的正比關(guān)系。
(2)碳含量的需求矛盾：生物脫氮因?yàn)閮蓚(gè)反應(yīng)中硝化反應(yīng)必須達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的碳氮配比，而反硝化反應(yīng)由于主要利用硝酸鹽作為氮電子反應(yīng)變化的承受方，不需一定標(biāo)準(zhǔn)的碳含量污水中含碳量物質(zhì)完全可以滿足，所以只需達(dá)到硝化反應(yīng)的碳氮標(biāo)準(zhǔn)即可;然而對(duì)于除磷技術(shù)只需要污水中某些有機(jī)質(zhì)以及微生物達(dá)到一定配比就可以，基本是不需要碳物質(zhì)的。
(3)硝酸鹽對(duì)于兩項(xiàng)技術(shù)的互反性影響：我們知道脫氮工藝需要硝酸鹽，但是除磷工藝硝酸鹽在厭氧反應(yīng)只會(huì)產(chǎn)生阻礙發(fā)酵反應(yīng)甚至大量消耗除磷工藝過程中所必須的低分子有機(jī)物質(zhì)。雖然現(xiàn)在有些除磷工藝技術(shù)比如開普敦研發(fā)的UCT除磷技術(shù)已經(jīng)通過加大反硝化解決回流污泥問題從而充分控制了硝酸鹽對(duì)除磷工藝的影響，但是，硝化鹽對(duì)于除磷脫氮兩方面污水處理技術(shù)理論上的影響還是存在。
3 城市污水處理對(duì)生物除磷脫氮技術(shù)的改進(jìn)需求
通過上文我們了解到生物除磷脫氮技術(shù)是存在很多矛盾的，為了更好地進(jìn)行污水治理工作，我們需要充分均衡生物除磷脫氮工藝，研究可以將除磷與脫氮緊密相連的綜合性污水處理技術(shù)，雖然現(xiàn)在已經(jīng)有很多改進(jìn)性技術(shù)，比如為了解決碳物質(zhì)引起的除磷脫氮矛盾，一般是將工藝進(jìn)行順序倒敘把原來放在技術(shù)后面的缺氧反應(yīng)部分提到最前面，同時(shí)將厭氧反映部分放到工藝的最后。這樣就可以讓工藝中需要一定標(biāo)準(zhǔn)碳量的脫氮菌最先接觸到碳物質(zhì)，充分將反硝化反應(yīng)進(jìn)行速度提升。與此同時(shí)，還可以將原有的硝酸鹽對(duì)除磷的干擾性降低。除此之外還有一項(xiàng)實(shí)踐證明效果顯著的新工藝就是污水除磷脫氮同步氧化溝技術(shù)(如下圖圖4所示)。這個(gè)新技術(shù)主要通過將活性污泥處理反應(yīng)進(jìn)行加時(shí)，
從而實(shí)現(xiàn)減少甚至充分把控污水中污染物質(zhì)，以及簡(jiǎn)化了工藝流程，節(jié)約操作成本等目的，目前我國(guó)已經(jīng)在四川新都修建了新技術(shù)展示的示范性工程。下面就探討一下除磷脫氮組合技術(shù)改進(jìn)方向問題：圖4：污水除磷脫氮處理同步氧化溝技術(shù)3.1 新技術(shù)研究設(shè)想：
①氧環(huán)境轉(zhuǎn)換設(shè)想：因?yàn)樯锍讘?yīng)該在好氧、厭氧相互適時(shí)變換的條件下進(jìn)行，生物脫氮要在分開后的好氧、缺氧環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)。為此我們可以參考圖五結(jié)構(gòu)將氧氣分為好氧、缺氧、厭氧三種環(huán)境。并根據(jù)氧環(huán)境的改變，以及改進(jìn)進(jìn)水或回流等方法進(jìn)行技術(shù)整合，現(xiàn)今類似的組合工藝主要有UCT、SBR、氧化溝以及生物轉(zhuǎn)盤等。圖5②技術(shù)組合分布改進(jìn)設(shè)想：運(yùn)用城市污水處理過程中除磷工藝的厭氧好氧性作為原理進(jìn)行常溫環(huán)境下污水氨氮發(fā)生亞硝酸化反應(yīng)以及目前使用比較多的ANAMMOX和CANON等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效率，高質(zhì)量，低消耗的綜合技術(shù)需要對(duì)操作流程進(jìn)行污水循環(huán)治理。
4 結(jié)論
城市污水處理生物技術(shù)中，除磷脫氮工藝是最為復(fù)雜最為艱難的，但是相信只要我們能對(duì)生物除磷脫氮進(jìn)行有效研究，并充分做好除磷脫氮技術(shù)間的平衡問題，城市污水生物除磷脫氮技術(shù)一定會(huì)為污水處理帶來更高效率以及更高的經(jīng)濟(jì)效益。
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收稿日期：2013-4-12
作者簡(jiǎn)介：鄭新華(1979-)，男，助理工程師，研究方向：環(huán)境保護(hù).
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