能夠脫氮除磷的污水處理工藝有哪些（污水為什么要脫氮除磷）
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有客戶朋友不是很明白自然水體中的氮、磷的來源和為什么要進(jìn)行工藝脫氮除磷，今天跟大家簡單聊聊這個問題。
一、氮、磷來源
含氮物質(zhì)進(jìn)入水環(huán)境的主要途徑分為這兩個方面：自然過程和人類活動。自然過程主要包括大氣降水降塵、非市區(qū)徑流和生物固氮作用等；人類活動是水環(huán)境中氮的重要來源，主要包括未處理或處理過的城市生活污水和工業(yè)廢水，例如化肥、石油煉廠、焦化、制藥、農(nóng)藥、印染、腈綸及洗滌劑等生產(chǎn)廢水，食品加工、罐頭食品加工及洗滌服務(wù)行業(yè)的洗滌劑廢水，城市垃圾滲濾液、大氣沉降和地表徑流，面源性的農(nóng)業(yè)污染物比如農(nóng)業(yè)施肥（氮）和噴灑農(nóng)藥（磷）以及禽、畜糞便水。
1.為什么要脫氮除磷
氮和磷是生物的重要營養(yǎng)源。但水體中氮、磷量過多的危害是會引起水體富營養(yǎng)化。藍(lán)藻，綠藻等大量繁殖后引起水體缺氧，產(chǎn)生毒素，進(jìn)而毒死魚、蝦等水生生物和危害人體健康，使水源水質(zhì)惡化。不但影響人類生活，還嚴(yán)重影響工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。一般認(rèn)為，水體中總磷達(dá)到0.02mg/L，無機(jī)氮達(dá)到0.03mg/L以上時，藻類就會過度生長，形成富營養(yǎng)化。在好氧生物處理中，生活污水經(jīng)生物降解，大部分的可溶性含氮有機(jī)物會被去除。其中有25%的氮和20左右的磷被微生物吸收合成細(xì)胞，通過排泥的形式得到去除，但出水中的氮和磷含量仍未達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。為了防止自然水體富營養(yǎng)化，對廢水還需進(jìn)行更精細(xì)的脫氮除磷處理。
生物脫氮除磷是指用生物處理法去除污水中營養(yǎng)物質(zhì)氮和磷的工藝。水體的富營養(yǎng)化問題是20世紀(jì)中期提出來的。含氮和磷的污水無限制地排放，以致受納水體中藻類過度繁殖，水質(zhì)變壞。原水受氮和磷的污染，水處理的困難加大，費(fèi)用增加。
2.生物脫氮除磷的發(fā)展
1932年，祖師Wuhrmann提出內(nèi)源呼吸反硝化脫氮理論，這也是最早的脫氮工藝，被稱為Wuhrmann工藝。（見圖2）該工藝在好氧池中進(jìn)行有機(jī)物的氧化及氨氮的硝化反應(yīng)，在缺氧池中利用活性污泥內(nèi)源呼吸進(jìn)行反硝化。但由于以微生物內(nèi)源呼吸代謝物質(zhì)作為碳源，反硝化速率很低，所以需要擴(kuò)大缺氧池的容積，同時在缺氧池中微生物內(nèi)源呼吸將有機(jī)氮和氨氮釋放到水中，降低脫氮效率，導(dǎo)致該工藝在工程上并不實(shí)用，但該工藝為以后的脫氮除磷工藝的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
二、生物脫氮除磷工藝合集（順序不分先后）
說明：以下工藝簡介僅從原理方面進(jìn)行解析，不涉及土建成本和設(shè)備投資。
1、A2/O工藝
1）厭氧池
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，同時吸收水解后的小分子有機(jī)物合成PHB并儲存在體內(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?，會部分去除進(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，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，對釋磷反應(yīng)不利。
2）缺氧池
廢水經(jīng)過厭氧池進(jìn)入缺氧池，該池首要功能為反硝化脫氮，硝氮通過內(nèi)循環(huán)由好氧池進(jìn)入缺氧池，回流比通過總氮去除率進(jìn)行計算（見公式1）?；旌弦哼M(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)，或者兩者同時存在。另外，生活污水處理過程中，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。
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?；旌弦河袡C(jī)物濃度已經(jīng)很低，聚磷菌主要是靠分解體內(nèi)儲存的PHB來獲取能量供自身生長繁殖，同時超量吸收水中的溶解性正磷酸鹽以聚磷（Poly-P）的形式儲存在細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過沉淀排出剩余污泥，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。隨著硝化過程的進(jìn)行，硝氮濃度增加，堿度降低（對于高氨氮廢水，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)：同時脫氮除磷；反硝化過程為硝化提供堿度；釋磷及反硝化過程同時除去有機(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)常一些問題，如：絲狀菌膨脹、污泥老化、SVI值過高、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)這些問題，除進(jìn)水指標(biāo)的波動、設(shè)計缺陷外，其他均為工藝參數(shù)沒有控制好所導(dǎo)致的。關(guān)于工藝參數(shù)的控制，這個在書本上僅僅給出了一個參考值，比如：
DO：2-4mg/L污泥齡：10-15dC：N：P=100：5:1反硝化碳氮比：（4-6）:1碳磷比：20:1MLSS：3000-4000mg/L混合液回流比：200-300%污泥回流比：50-100%厭、缺氧池攪拌功率：4-8W/m3（我是根據(jù)水質(zhì)、池體類型進(jìn)行選型）HRT：6-8h（針對市政污水，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)告訴我，這個停留時間誰用誰哭）厭氧：缺氧：好氧停留時間：1:1:（3-4）
甚至有些半吊子設(shè)計人員根據(jù)這些工藝參數(shù)去設(shè)計工業(yè)廢水，對于這點(diǎn)，我真的很佩服設(shè)計人員的膽大、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問題進(jìn)行分析，找到問題的根本所在，而不是盲目的排泥、投加碳源、投加營養(yǎng)、增加/減少曝氣等等。在自我分析問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)問題第一時間問別人，每個人運(yùn)行的污水廠/污水站的情況都不一樣，別人給你的只會是他遇到過的情況，但不一定適用于你運(yùn)營的污水廠，甚至有時候同樣一個現(xiàn)象，在不同污水廠發(fā)生的機(jī)理是完全相反的。
2、倒置A2/O工藝
與常規(guī)的A2/O工藝相比，倒置A2/O工藝從前往后以此為缺氧-厭氧-好氧，該工藝的設(shè)計初衷是為了降低污泥回流中硝態(tài)氮對厭氧釋磷的影響，特別是對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，為了解決碳源分配的問題，采用兩點(diǎn)進(jìn)水的方式來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力得到了更有效的利用。
有些設(shè)計人員在設(shè)計倒置A2/O工藝時省去了混合液回流，通過增大二沉池的污泥回流來滿足反硝化需求。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間，不建議采用。
厭氧釋磷的實(shí)際停留時間（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)際停留時間的要求，增加了土建成本。同時多點(diǎn)進(jìn)水需要很好的進(jìn)行控制，以此來調(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。
3、A+A2/O工藝與JHB工藝
A+A2/O工藝（見圖8）與A2/O工藝相比，在厭氧池的前段增加了一個預(yù)脫硝池，主要是為了解決污泥回流中攜帶的硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。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)計停留時間過短（一般在0.5-0.8h）無法進(jìn)行完全的反硝化反應(yīng)，從而影響厭氧釋磷。
4、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，南非開普敦大學(xué)于1983年開發(fā)了UCT工藝，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)氮對厭氧釋磷的影響，同時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)對厭氧釋磷產(chǎn)生不利影響。
5、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，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（見圖11）。
MUCT工藝有兩個缺氧池，第一個缺氧池接受二沉池回流污泥，后一個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，進(jìn)一步減少硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬醭氐目赡苄浴?/span>
該工藝的主要目的是優(yōu)化除磷效果，第二個缺氧池進(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。
6、Bardenpho工藝系列
6.1 Bardenpho工藝（兩級AO工藝）
Barnard（1974）開發(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。在第一個缺氧段，來自硝化段的混合液內(nèi)回流中含有大量的硝氮，在第一個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)計停留時間的不同，去除率也不相同）。BOD去除、氨氮氧化和磷的吸收都是在硝化（第一個好氧池）段完成的。第二缺氧段提供足夠的停留時間，通過混合液的內(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生物除磷有非常不利的影響，通過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，即在Bardenpho工藝前段增設(shè)一個厭氧區(qū)。這一工藝流程在南非稱為五段Phoredox工藝（簡稱為Phoredox工藝），在美國稱之為改良型Bardenpho工藝。改良型Bardenpho工藝通常按低污泥負(fù)荷（較長污泥齡）方式設(shè)計和運(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（10-20d），其他設(shè)計參數(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)計請根據(jù)水質(zhì)進(jìn)行變動。）
6.3 3段改良Bardenpho工藝（或A2/O工藝）
測試表明，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，也就是目前常用的A2/O工藝。
7、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，該工藝的主要目的是盡量減少污泥回流中的硝氮進(jìn)入?yún)捬醭?，提高較低進(jìn)水濃度廢水德爾處理效率（其實(shí)脫氮工藝就是碳源的合理分配問題，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）。回流活性污泥直接進(jìn)入缺氧池，該池有足夠的停留時間利用內(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，有些問題沒必要去糾結(jié)。）
8、PASF工藝
針對A2/O工藝中各菌群間污泥齡需求矛盾的問題，近年來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。這時系統(tǒng)中就存在兩類菌群：短泥齡懸浮活性污泥和長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。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厭氧釋磷的影響。另外硝化菌和聚磷菌的分開更有利于營造最適宜各類菌群生長的環(huán)境。該工藝中，菌群分開專性較強(qiáng)，可以縮短各反應(yīng)器的停留時間。同時，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)，所以該池停留時間可以很短（1-2h）。
9、Dephanox工藝
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爭碳源的問題（參照反硝化除磷原理），同時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存PHB，經(jīng)過快沉池分離后，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污泥沒有經(jīng)過好氧池，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，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，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。
三、總結(jié)
以上工藝是比較常規(guī)的脫氮除磷工藝，一些衍生工藝或者不常見的工藝就不在此一一列舉了，如果有興趣的話，可以自己查一下資料。如：VIP、BCFS、Enbnras、OCO、A2N-SBR、SBR、MSBR、CAST以及A2/O工藝衍生的工藝等等，這些工藝都是基于脫氮除磷原理產(chǎn)生的。
樂中環(huán)保認(rèn)為脫氮除磷前文所述的工藝，可歸結(jié)為碳源的分配（除反硝化除磷工藝外），每個工藝都有其優(yōu)點(diǎn)，所以不能說哪個工藝最好，就看其適不適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)（不考慮操作水平）。
現(xiàn)在環(huán)保要求越來越嚴(yán)，對于不少污水廠因?yàn)門N問題，給生化池中投加大量的碳源，來滿足出水TN的要求，針對于這種污水廠來說，可以不用考慮生物除磷，畢竟生物除磷的成本比化學(xué)除磷的高的太多。
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