城市污水生物除磷脫氮機理研究的理論綜述
生態環境治理一直是全球各國十分重視的問題，其中城市污水處理更是讓從事環境治理的專家學者們頭疼不已，雖然現有的生物工藝在城市污水處理技術中獲取的效果顯著，但是歷經幾百年變遷的生物污水處理技術仍不足以解決城市污水中氮磷的污染問題，所以全球自發上演了一場以高效率高質量作為城市污水除磷脫氮活動目標的生物技術研究熱潮。
1 城市含磷含氮污水的環境危害
城市污水具有危害人類健康，污染環境的破壞性影響性;根據來源主要可以被分為生活污水和工業污水兩部分;其中含有的氮和磷物質不僅會加劇水物質的富營養化，氮磷等物質還會發生反應生成具有超強好氧性的氨氮物質來降低水物質的氧含量，不僅如此，含有氮磷等物質的污水由于反應所生成的某些含氮化合物對于人類和自然界的其他生物也都是有毒害性影響的，為此，國際上規定的氮磷的排放量也日漸嚴格。
2 生物除磷脫氮相對關系研究
雖然國際上對于污水治理技術研究很早就開始了，但是采用生物脫氮除磷技術進行污水處理卻是近二十年才新興的。生物除磷脫氮技術具有良好的市場前景，因為它比起污水處理常用的物理化學技術較為經濟實惠，可以有效的節約成本;還能將我們較為熟悉的二級生物污水治理技術充分進行高效率高質量的改進改善，也正因為如此，生物除磷脫氮技術才成為現今使用率最高，發展前景最好的污水處理技術。
2.1 生物除磷結構流程以及技術原理
2.1.1 技術原理通常情況下生物處理活性污泥里面，磷含量僅占污泥干燥狀態下比重的百分之二左右。然而，如果處于厭氧一好氧進行變換的狀態下，污泥里面的一微生物就會發生變化，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系統
一般通過污泥的厭氧需氧變化進行除磷的技術流程(如圖1所示)比較簡單，只要就是在厭氧池里面進行化學物質聚磷菌的反應代謝后從而減緩BOD含量同時得到物質磷。然后再經過需氧反應器的化學物質聚磷菌的需氧呼吸活動，在對物質BOD進行氧化作用后通過轉變為聚合磷酸鹽來把磷物質有效地儲存在污水的異養菌聚磷菌里面。通過國內外對生物除磷技術的研究進行調查，我們發現各國學者所使用技術機理雖然標準不一樣，所獲得的技術形式卻是多種多樣。圖1：基本除磷技術流程圖
2.2 生物脫氮結構流程以及技術原理
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依據反應類型劃分，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，通過進行氮從兼具負三價電子的物質NH4反應變化成帶有正三價電子的NO2一以及帶有正五價電子的NO3。然而本質上僅僅是發生了水下氮的化合態形態轉變，根本將水中氮的實際含量進行改變，反應性質就是避免污水水體發生富養化現象，但污染問題根本沒得到處理。與此相對的反硝化卻恰恰相反，通過污水中硝酸鹽物質作為氮電子受方，讓碳源成為氮電子的實際供方，這期間雖然也是通過硝酸鹽里面的氮電子變化，可不同的是這個反應過程生成了氣態氮(如N2、N2O)，氣體可以從污水中揮發出去，從而真正實現氮的治理。
2.2.2 污水處理生物脫氮技術系統
生物脫氮系統的基本流程如下圖2所示。缺氧反應器是脫氮工藝的核心，通過污水中的一些有機物當做氮電子進行轉移的供方，將反應產生的物質硝酸鹽氮當做氮電子進行轉移的受方進而充分把污水中的氮脫掉。只是為了保證反應過程的正常進行，必須保證該反應中有充足的碳源如下圖圖3所示。隨著社會的發展，生物脫氮技術也在不斷進步，現如今這種技術在概念以及技術工藝方面都發生了全新的變化比如時下比較盛行的生物脫氮短程硝化反硝化反應方法、硝化反硝化同時進行反應的生物脫氮以及生物脫氮的厭氧氨氧化技術等等。圖2：生物脫氮系統基本流程圖3：脫氮處理基本過程結構圖
2.3 城市污水處理生物除磷脫氮技術之間關系
(1)SRT(即污水污泥齡)方面的技術矛盾：我們首先分析一下除磷技術，根據除磷技術使用的系統反應原理，污水中SRT與磷含量成反比關系，較長時效的SRT會由于有機物質的缺失而出現磷物質的自我消融，甚至由于物質自融后污水處理后的排泥量逐步減少而影響我們對污水中磷含量的去除效率;然而對于脫氮技術來看，由于脫氮主要是進行硝化以及反硝化反應，其中硝化反應主要依靠自養型好氧菌，反硝化反應主要依靠兼性菌，雖然兩個反應相比較而言前者所需SRT較大，可是為了實現兩個反應的效率最大化，一定比例內通常是呈現SRT與脫氮技術的正比關系。
(2)碳含量的需求矛盾：生物脫氮因為兩個反應中硝化反應必須達到一定標準的碳氮配比，而反硝化反應由于主要利用硝酸鹽作為氮電子反應變化的承受方，不需一定標準的碳含量污水中含碳量物質完全可以滿足，所以只需達到硝化反應的碳氮標準即可;然而對于除磷技術只需要污水中某些有機質以及微生物達到一定配比就可以，基本是不需要碳物質的。
(3)硝酸鹽對于兩項技術的互反性影響：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只會產生阻礙發酵反應甚至大量消耗除磷工藝過程中所必須的低分子有機物質。雖然現在有些除磷工藝技術比如開普敦研發的UCT除磷技術已經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除磷工藝的影響，但是，硝化鹽對于除磷脫氮兩方面污水處理技術理論上的影響還是存在。
3 城市污水處理對生物除磷脫氮技術的改進需求
通過上文我們了解到生物除磷脫氮技術是存在很多矛盾的，為了更好地進行污水治理工作，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，雖然現在已經有很多改進性技術，比如為了解決碳物質引起的除磷脫氮矛盾，一般是將工藝進行順序倒敘把原來放在技術后面的缺氧反應部分提到最前面，同時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準碳量的脫氮菌最先接觸到碳物質，充分將反硝化反應進行速度提升。與此同時，還可以將原有的硝酸鹽對除磷的干擾性降低。除此之外還有一項實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(如下圖圖4所示)。這個新技術主要通過將活性污泥處理反應進行加時，
從而實現減少甚至充分把控污水中污染物質，以及簡化了工藝流程，節約操作成本等目的，目前我國已經在四川新都修建了新技術展示的示范性工程。下面就探討一下除磷脫氮組合技術改進方向問題：圖4：污水除磷脫氮處理同步氧化溝技術3.1 新技術研究設想：
①氧環境轉換設想：因為生物除磷應該在好氧、厭氧相互適時變換的條件下進行，生物脫氮要在分開后的好氧、缺氧環境下進行反應。為此我們可以參考圖五結構將氧氣分為好氧、缺氧、厭氧三種環境。并根據氧環境的改變，以及改進進水或回流等方法進行技術整合，現今類似的組合工藝主要有UCT、SBR、氧化溝以及生物轉盤等。圖5②技術組合分布改進設想：運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行常溫環境下污水氨氮發生亞硝酸化反應以及目前使用比較多的ANAMMOX和CANON等技術，實現高效率，高質量，低消耗的綜合技術需要對操作流程進行污水循環治理。
4 結論
城市污水處理生物技術中，除磷脫氮工藝是最為復雜最為艱難的，但是相信只要我們能對生物除磷脫氮進行有效研究，并充分做好除磷脫氮技術間的平衡問題，城市污水生物除磷脫氮技術一定會為污水處理帶來更高效率以及更高的經濟效益。
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收稿日期：2013-4-12
作者簡介：鄭新華(1979-)，男，助理工程師，研究方向：環境保護.
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