城市污水生物除磷脱氮技术原理概述

1. 城市污水处理系统中的关键微生物
在城市污水处理厂中，生物处理过程是由多种生物群体通过各式各样的生物反应过程来完成的。所有生物群体都来源于外部环境，即来源于污水、空气、土壤或处理厂内外的动物。这些生物群体包括细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物。在活性污泥系统中，构成生物群体生存压力和最终选择的因素主要包括最终电子受体的类型及利用能力、可获得的基质以及对基质的利用能力、是否具有絮凝沉淀特性、在环境温度下能否生存及生长、生长速率高低、是否具有生长悬浮能力。
参与污水生物处理过程的关键性微生物群体可以划分为以下两个类别：
（1）异养菌：利用有机物质作为营养和能源的细菌。化能有机营养菌通过复杂有机物的分解代谢获得能源和生物合成所需的中间体，直接代谢初级基质或者二级基质。这是数量明显占优的一个类别。
（2）自养菌：利用二氧化碳或碳酸盐作为唯一碳源。其中，无机化能自养菌通过氧化还原性无机物获得生长所需的能量，例如完成氨氮氧化的硝化菌，由亚硝酸菌和硝酸菌组成，这个类群只有存在溶解氧时才能增殖，厌氧和缺氧状态下均不能增殖；光能自养菌则直接利用太阳光能（例如蓝绿藻）。
根据城市污水处理系统中异养菌对硝态氮的利用能力，可以将其划分为反硝化菌和非反硝化菌：
（1）反硝化菌：通常是兼性厌氧菌，好氧和缺氧状态下均可以利用快速生物降解有机物进行增殖，厌氧状态下可以进行有机物的水解，但不能增殖。
（2）非反硝化菌：通常是好氧菌，好氧状态下可以利用快速生物降解有机物进行增殖，缺氧和厌氧状态下可以进行有机物的水解，但不能增殖。
根据城市污水处理系统中微生物对磷酸盐的去除能力，可以将其划分为聚磷菌和非聚磷菌：（1）聚磷菌：在厌氧/好氧交替循环工艺过程的厌氧阶段，可以利用细胞内聚合磷酸盐分解所产生的能量，吸收外部的快速生物降解有机物并以高分子有机聚合物（PHA）的形式存储起来，释放出正磷酸盐，但不出现细胞增殖；如果具有反硝化能力，就能够在随后的缺氧和好氧阶段，利用存储的有机物进行产能代谢和细胞增殖，同时大量吸收外部的磷酸盐，在细胞内以聚合磷酸盐的形式存储起来。如果不具备反硝化能力，则只有在好氧状态下才能利用存储的有机物进行产能代谢、细胞增殖和磷的吸收。
（2）非聚磷菌：厌氧过程中进行有机物的水解和发酵，细胞不增殖；缺氧状态下是否利用快速生物降解有机物进行增殖取决于能否利用硝态氮；在好氧状态下能够利用快速生物降解有机物进行增殖。
2. 城市污水中氮的来源与去除途径
城市污水中氮的主要来源为：生活污水；工业污水，特别是化肥、焦化、洗毛、制革、印染、食品与肉类加工、石油精炼行业排放的污水；地表径流，氮氧化合物、固体物、渗滤液等。氮的存在形式包括有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及杂环化合物、氰化物等。
在城市污水生物脱氮系统中，氮的转化过程如图1所示。颗粒性不可生物降解有机氮通过生物絮凝作用成为活性污泥组分，通过排除剩余活性污泥从系统中去除；颗粒性可生物降解有机氮通过水解转化为溶解性可生物降解有机氮。溶解性不可生物降解有机氮，随处理出水排出，决定出水的有机氮浓度；溶解性可生物降解有机氮通过异养细菌的氨化作用转化为氨氮，其中尿素可迅速水解成碳酸铵。好氧条件下硝化菌将氨氮氧化为硝态氮，缺氧条件下反硝化菌将硝酸盐异化还原成气态氮，从水中除去。

图1 污水生物脱氮系统中氮的生物转化过程
硝化菌包括亚硝酸菌和硝化杆菌，是专性好氧菌，只有存在溶解氧的好氧条件下才能增殖，厌氧和缺氧条件下不能增殖，而其衰减死亡过程在厌氧、缺氧、好氧状态下均会发生。
反硝化菌（兼性厌氧菌）能够在缺氧和好氧条件下利用快速生物降解有机物进行增殖；厌氧条件下，可以进行颗粒性有机物的水解和溶解性有机物的酸化（发酵），但通常不能增殖；部分反硝化菌同时也是聚磷菌，在缺氧和好氧条件下会出现磷的吸收，厌氧条件下会出现磷的释放。
非反硝化菌（好氧菌）能够在好氧条件下利用快速生物降解有机物进行增殖；厌氧和缺氧条件下，可以进行颗粒性有机物的水解和溶解性有机物的酸化（发酵），但不能增殖。
由于硝化作用主要受硝化菌比增长速率、泥龄和温度控制，活性污泥中的硝化反应控制可以分成不硝化、部分硝化和完全硝化三种情况，其中部分硝化属于不可控制的高度不稳定过程，因此，活性污泥系统中硝化功能只能按完全硝化与不硝化这两种方式来设计，不能按部分硝化的方式设计。
在低水温的环境中，需要增加设计泥龄来保障冬季的硝化能力；在已经投产的污水处理厂中，可以在夏末秋初逐步提高反应池的活性污泥浓度，使冬季能够维持较高的活性污泥及硝化菌浓度，抵御低温条件对硝化的不利影响，春季后再逐步降低反应池的活性污泥浓度，以保障反应池的溶解氧控制水平。
当污水处理系统按硝化设计时，从生物除磷角度及降低能耗角度考虑，处理系统都必须具备反硝化能力，但反硝化程度应根据具体情况确定。出水总氮和总磷有要求时，根据总氮及除磷要求综合考虑处理系统的反硝化程度。出水总氮无要求但出水总磷控制较严时，可根据除磷要求考虑反硝化程度，主要目的是消除回流污泥硝酸盐对生物除磷的不利影响。
3. 城市污水中磷的来源与去除途径
城市污水中磷酸盐按物理特性可以划分为溶解磷和颗粒态磷，按化学特性可以划分为正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐。城市污水中磷酸盐的主要来源为人类活动的排泄物、废弃物和工业污水，特别是含磷洗涤剂的大量使用。城市污水处理过程中，磷酸盐的主要去除途径为：
（1）形成无机磷酸盐沉淀物：利用污水中存在的和外部投加的金属盐（铁盐、铝盐和石灰）形成金属磷酸盐沉淀物，反应过程主要受pH值和金属盐/TP摩尔比的影响；
（2）结合到生物体及有机物中：通过生物氧化与合成作用，使磷酸盐的存在方式发生变化；
（3）转化为聚磷菌的胞内聚合磷酸盐：通过聚磷菌的优势生长，明显提高活性污泥的含磷量；
（4）其他去除方式：例如，特定条件下丝状菌对磷的吸收和积累，藻类生长对磷的吸收。
在污水生物除磷工艺中，厌氧状态和好氧状态在时间或空间上的交替运行，使聚磷菌群体能在快速生物降解基质的竞争中取得优势，通过排除高含磷量的剩余污泥，获得低含磷量的净化处理出水。
在厌氧反应池中，兼性厌氧细菌通过发酵作用将溶解性有机物转化成挥发性脂肪酸（VFAs），聚磷菌吸收来自原污水中的或厌氧反应池中产生的VFAs，同化成胞内的碳能源存储物（PHB/PHV），所需的能量来源于聚磷的水解以及细胞内糖的酵解。胞内磷酸盐含量升高后，一定会扩散到外部环境，液相中的磷酸盐浓度相应升高。厌氧段实际上起到聚磷菌“生物选择器”的作用，使聚磷菌群体在处理系统中得到选择性的优势增殖，同时抑制了丝状菌的增殖，使曝气池混合液的SVI值保持在较低水平。
在好氧反应池中，聚磷菌通过PHB/PHV的氧化代谢产生能量，一方面进行磷的吸收和聚磷的合成，以聚磷的形式在细胞内存储磷酸盐，以聚磷酸高能键的形式捕积存储能量，将磷酸盐从液相中去除，另一方面合成新的聚磷菌细胞和存储细胞内糖，产生富磷污泥。
因此，磷酸盐的厌氧释放分为两部分，即有效释放和无效释放。磷酸盐的有效释放是聚磷菌吸收和储存VFAs等低分子有机物这一耗能过程的偶联过程。而无效释放则不伴随低分子有机物的吸收和储存，是内源损耗、pH变化和毒物作用等方面因素引起的磷酸盐的释放。在厌氧反应池中，随着可吸收和存储的VFAs的消耗，有效释放量不断减少，停留时间越长，无效释放比例越高，造成后续好氧反应池中磷酸盐的吸收能力降低，吸收不完全。因此，厌氧池的水力停留时间不是越长越好，一般情况下宜控制在1.0~1.5h。此外，还要尽量避免低pH冲击负荷，以免造成聚磷的酸性水解和生物除磷能力丧失。
在污水生物除磷脱氮系统中，影响处理出水溶解磷浓度的主要因素为进入厌氧池的进水快速生物降解COD/TP比值和硝酸盐含量。单位快速生物降解COD的生物除磷能力大致为0.10 mgP/mgCOD，而厌氧池进流中的单位硝酸盐可导致的快速生物降解COD损失量大致为6 mgCOD/mgNO3-N。因此，进水水质特性的全面分析是工艺设计计算的重要环节之一，硝酸盐浓度的控制是工艺设计和运行管理的关键。
污水除磷包括生物除磷和化学除磷，生物除磷的出水浓度可以达到1.0 mg/L，化学除磷出水浓度可以达到0.5 mg/L。对于二级排放标准，采用生物除磷即可；对于一级B排放标准，可以采用生物除磷与化学除磷相结合的方式，以降低化学药剂的消耗量。对于一级A排放标准，还需要增加过滤处理设施。
4. 缺氧状态下磷的释放与吸收
Osborn和Nicholls（1977）在硝酸盐异化还原过程（没有溶解氧存在）中观测到磷的快速吸收现象，这表明某些反硝化菌也能超量吸收磷。Lotter和Murphy（1985）观测了生物除磷系统中假单胞菌属和气单胞菌属的增长情况，发现这类细菌和不动细菌属的某些细菌能在生物脱氮系统的缺氧区完成反硝化反应。Hascoet（1985）报导，如果有较高浓度的基质存在，不动细菌在缺氧区可释放磷。
1987年，中国市政工程华北设计研究院除磷脱氮科研组在A/A/O工艺的中试研究中观测到，缺氧区磷的吸收速率为4.38～7.05 mgP/（gVSS·h），好氧区磷的吸收速率为2.1～3.45 mgP/（gVSS·h）。缺氧区磷的吸收速率大于好氧区是因为聚磷菌经厌氧释磷并吸收有机物合成PHB后，先进入缺氧区，最后才进入好氧区；在缺氧区中，一部分聚磷菌利用硝酸盐作为最终电子受体分解细胞内的PHB，产生大量的能量用于磷的吸收和聚磷的合成；与此同时聚磷菌得到增殖，经过缺氧区的碳能源消耗后，聚磷菌体内的PHB量已经大幅度下降，因此进入好氧区后，可用于产生能量的碳能源（有机物）供应水平明显低于缺氧区，相应地磷的吸收速率也就降低了。
根据基质与除磷微生物混合后出现的响应方式Gerber等人把能诱导磷释放的基质划分成三类。A类：乙酸、甲酸和丙酸等低分子有机酸；B类：乙醇、柠檬酸、甲醇和葡萄糖等；C类：丁酸、琥珀酸等。实际上，这三类基质都属于快速生物降解COD（Sbs）。
1990年笔者根据Gerber等人的研究成果，作了进一步的试验研究，其中硝酸盐对磷释放的影响试验结果简述如下：从生物除磷脱氮装置的好氧区取得泥样，经离心洗涤后分别与含硝酸盐的SA溶液、SB溶液和污水混合，考查缺氧／厌氧状态下磷的释放，试验结果表明硝酸盐的存在对SA诱导磷降放的能力有很大的不利影响，初始硝态氮浓度越高，则线性段越短，释放总量也越小，但不管硝态氮浓度是多大，释放曲线的线性段的斜率均一样，未发生变化，这说明硝酸盐的存在不影响SA诱导的磷释放速率，仅影响释放总量。从试验结果还可看出当基质耗完后还存在硝酸盐时可出现磷的吸收，硝酸盐耗完后混合液进入完全厌氧状态，释磷速率明显增大。从研究结果可看出硝酸盐也明显抑制SB对磷释放的诱导。硝酸盐存在时，污水污泥混合液中出现明显的磷的净吸收，硝酸盐耗完后又转变为磷的厌氧净释放。
综合分析试验结果和其它方面的观测结果，给出如下作用机理来解释硝酸盐对磷的释放的影响：
（1）在各类基质中反硝化细菌优先利用SA，在与聚磷菌竞争SA时反硝化菌占优势地位，对SB来说也是如此。
（2）一部分聚磷菌能利用硝酸盐作为最终电子受体，并将其异化还原成氮气。也就是说一部分细菌兼具除磷和反硝化能力，这部分聚磷菌能通过与好氧状态下类似的途径分解有机物产生大量的能量用于吸收磷酸盐和合成聚磷。那些不具备反硝化能力的聚磷菌则可释放磷。
因此，缺氧状态下的效应（净释放或净吸收）取决于污泥中这两类聚磷菌所占的比例和活性、基质的性质和浓度以及反硝化细菌的浓度等多方面的因素。存在SA时，反硝化细菌对SA的竞争可导致释磷总量的下降，由于SA可直接诱发磷的释放，且释放速率与SA浓度无关，因此硝酸盐的存在对释磷速率没有影响。
对SB来说情况有所不同，由于SB必须转化成SA后才能诱导磷的释放，因此在缺氧条件下由于反硝化菌对SB和SA的竞争，造成所产生的可用于诱导磷释放的SA浓度很低，这样一来磷的释放总量明显下降，释放速率也明显降低。与此同时，由于部分聚磷菌能通过反硝化反应产生能量进行磷的吸收活动，因而往往出现磷的净吸收。
硝态氮对生物除磷的干扰有两种方式。进入厌氧区内的硝态氮妨碍发酵作用的进行，因为微生物利用硝态氮作为最终电子受体进行厌氧呼吸能获得更多的能量，也就不会有低分子脂肪酸的产生。即使进水中存在这样的低分子脂肪酸，硝态氮作为异养微生物的最终电子受体，也会导致乙酸盐等低分子有机物的消耗。结果聚磷菌几乎得不到所需的醋酸盐。如果污水中聚磷菌所需的低分子脂肪酸量足够大的话或聚磷菌本身就是反硝化菌的话，即使有硝态氮存在，除磷效果也可能不会受到明显影响。
5. 改良A/A/O工艺（回流污泥反硝化生物除磷脱氮工艺）
为了避免改良UCT工艺增加一套回流系统和厌氧池污泥浓度偏低的弱点，以及避免A/A/O工艺抵御回流硝酸盐影响能力不够强的弱点，通过综合A/A/O工艺和改良UCT的优点，中国市政工程华北设计研究院于1988年开发了如图2所示的回流污泥反硝化生物除磷脱氮工艺（简称改良A/A/O工艺），在A/A/O工艺的厌氧池之前增设厌氧/缺氧调节池，来自二沉池的回流污泥和进水流量的10%左右进入该池（实际运行中可在较大的范围内调整），水力停留时间为20~30min，微生物利用少量进水中的有机物和内源反硝化去除所有的回流硝态氮，消除硝态氮对后续厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性。与改良UCT工艺相比，该工艺节省了一个回流系统，反应效率更高，除磷效果更加稳定。一般情况下，厌氧/缺氧调节池多数时间处于缺氧状态。
1988年12月～1989年2月，中国市政工程华北设计研究院在泰安市进行了改良A/A/O工艺的现场水质试验研究。采用的水力停留时间为厌氧/缺氧调节段0.3 h、厌氧段1.0 h、缺氧段2.0 h、好氧段4.5h，污泥回流比70%，混合液回流比300%。不同运行参数条件下的试验结果表明，该工艺流程可以获得良好的除磷脱氮效果（见表1和表2）；第4阶段试验，水温降低到9℃，硝化率下降，脱氮效果较差。

图2 回流污泥反硝化生物除磷脱氮（改良A/A/O）工艺
表1   改良A/A/O工艺处理泰安城市污水试验运行参数（小试）
试验
污泥负荷 （kg/（kg·d））
DO （mg/L）
MLSS （mg/L）
MLVSS （mg/L）
T （℃）
1
0.13
1.5
4.12
2.88
13.5
2
0.19
1.5
5.03
3.45
13.5
3
0.19
1.5
4.00
2.76
13.0
4
0.22
1.5
4.03
2.76
9.0
表2    改良A/A/O工艺处理泰安城市污水试验测试结果（小试）
试验
取样点
COD
（mg/L）
BOD5
（mg/L）
SS
（mg/L）
TP
（mg/L）
TN
（mg/L）
NH3-N
（mg/L）
NO3-N
（mg/L）
Org-N
（mg/L）
BOD5/TN
1
进水
395
178
223
5.0
30
18
2
10
5.9
出水
62
5
10
0.9
3
0
3
0
2
进水
699
315
434
5.4
34
15
1
18
9.3
出水
66
5
11
0.22
3
0
2
1
3
进水
579
261
230
8.0
59
47
2
10
4.4
出水
68
5
10
0.3
11
8
2
1
4
进水
665
299
206
7.7
70
48
3
19
4.2
出水
70
10
20
0.5
23
18
2
3
改良A/A/O工艺流程于1989年3月首先应用于泰安污水处理厂的工程设计和建设，随后青岛、温州、深圳、广州、菏泽、张家口、宣化、天津等地的一大批污水处理厂工程也采用了该工艺流程，使其成为国内城市污水处理的主流除磷脱氮工艺流程之一。其中，部分污水处理厂的缺氧段和好氧段采用了氧化沟实施形式，有助于抵御进水水量和TKN浓度的波动，使处理系统的运行效果更加稳定。
总得来说，该工艺流程具有以下几个方面的技术特点：
（1）工艺流程中反应池的设计和布置综合了已有除磷脱氮工艺的优点，具有相对独立的厌氧、缺氧、好氧区域以及回流污泥反硝化区域，功能分区明确、协调；
（2）在厌氧池之前设缺氧/厌氧调节池（停留时间为20~30min），来自二沉池的回流污泥和10%左右的进水进入该池，活性污泥利用约10%进水中的有机物和活性污泥本身的有机物（内源反硝化）彻底去除回流污泥中的所有硝态氮，从而保证厌氧池的稳定性和生物除磷效果；
（3）采用多点进水设计，取消反硝化混合液回流，具有工艺流程简单、运行灵活性强等特点，可以根据进水水量水质特性和环境条件的变化，灵活调整工艺运行方式，降低工程投资和运行费用；
（4）由于回流污泥反硝化反应池内的污泥浓度接近于回流污泥浓度，单位池容的反硝化速率明显提高，能够稳定、高效、可靠地去除回流污泥中的硝酸盐，除磷效果及稳定性得到明显改进；
（5）污水生物处理反应池的池型设计采用推流式池型构造、反应池分格，明显提高运行方式的调节和控制灵活简便、稳定可靠；该工艺还可以与氧化沟工艺灵活组合。
（6）附加协同沉淀法化学除磷，满足出水TP小于0.5mg/L的处理要求，处理效果稳定、可靠，药剂消耗量低，构筑物与设备少，运行简便。
6. 多点进水倒置A/A/O工艺
1997年颁布实施的《污水综合排放标准》（GB 8979-1996）对TP的去除要求很高，对NH3-N的去除也有要求，但总氮的去除并没有要求。当时为了适应GB 8979-1996的新要求，加上尽可能降低工程投资和运行费用的考虑，中国市政工程华北设计研究院结合实际工程设计，通过吸收改良A/A/O工艺的优点，降低处理工艺的总体反硝化水平，开发应用了多点进水倒置A/A/O工艺（见图3），即取消改良A/A/O工艺的主缺氧反硝化池，并适当降低处理系统的泥龄，达到生物除磷、硝化和部分反硝化的目的。

回流污泥反硝化生物除磷工艺
多点进水倒置A/A/O工艺方案于1998年首先在天津北仓污水处理厂工程初步设计中应用，在其他省市的一些污水处理厂设计建设中也有一些应用，最早投入运行的是北京清河污水处理厂一期工程。
通过采用较短的设计泥龄和取消专门的反硝化池，该工艺方案使工程费用得到降低、除磷效果得到提高，但其整体运行稳定性和可靠性有所下降，TN去除率仅50%～60%，冬季氨氮硝化效果容易出现波动，对工艺运行参数调整和管理控制有较高的要求。
对于稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的一级标准，该工艺存在一定的风险和控制难度，尤其是总氮的去除，今后选用时需要根据进水水质特性和出水水质要求，慎重考虑。