控制污水中氮和磷的排放，對于防治水體富營養化是十分重要的。針對常規生物脫氮除磷技術和工藝中存在的問題，研究開發出從不同類型污水中去除氮和磷的生物膜與活性污泥結合工藝、亞硝酸型脫氮技術、新型膜生物反應器和立體循環一體化氧化溝等。這些技術和工藝發揮了不同微生物菌群的優勢，使其分別處于各自最佳狀態，可提高處理效率、簡化操作、降低處理費用。
水體富營養化是世界性問題，大量的研究已經證明，污水中的氮和磷是導致受納水體富營養化的主要原因之一。常規的污水處理技術主要去除有機物和懸浮固體，對氮和磷的去處效率較低。許多發達國家對排放污水中的氮和磷含量都做了限定，并要求污水處理廠達到除氮除磷的要求。污水脫氮除磷的技術可分為物理法、化學法和生物法。相對而言，生物脫氮除磷技術投資少、運行操作簡單、無二次污染而被廣泛應用。常用的生物脫氮除磷工藝有：缺氧-好氧脫氮工藝；厭氧-好氧除磷工藝；厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝等。但是，在常規的生物脫氮除磷工藝中，污泥在厭氧、缺氧和好氧段之間往復循環。該污泥由硝化菌、反硝化菌、除磷菌以及其它多種微生物組成，由于不同菌的最佳生長環境不同，脫氮與除磷之間存在著矛盾。實際應用中經常出現脫氮效果好時除磷效果較差，而除磷效果好時脫氮效果不佳。因此，常規生物脫氮除磷工藝流程存在著影響該工藝有效運行的相互影響和制約的因素，主要表現為：①厭氧與缺氧段污泥量的分配比影響磷釋放或硝態氮反硝化的效果，厭氧段污泥量比例大則磷釋放效果好，但反硝化效果差；反之，則反硝化效果好，而磷釋放效果差；②原污水經厭氧段進入缺氧段，磷釋放與硝態氮反硝化爭奪碳源，當原水中碳源不足時，磷釋放或反硝化不完全；③硝化菌世代繁殖時間長，要求較長的污泥齡，但磷從系統中被去除主要是通過剩余污泥的排放，因此要提高除磷效率則要求短污泥齡。對于某些含高濃度氨氮的工業廢水，由于碳源不足，總氮的去除率較低。
一、生物脫氮除磷原理
生物脫氮過程通過氨化、硝化和反硝化三步驟完成。硝化和反硝化反應可用下式表示：
NH4+ + 3/2 O2 NO2- + H2O + H+ (1)
NO2- + 1/2 O2 NO3- (2)
NO3- + 2H（氫供給體—有機物） NO2- + H2O (3)
NO2- + 3H（氫供給體—有機物） 0.5N2 + 2H2O + OH- (4)
生物除磷是利用除磷菌從外部環境超量地攝取磷，并將磷以聚合的形態儲藏在菌體內，形成高磷污泥，排出系統，達到從污水中除磷。
二、生物脫氮除磷新技術與工藝
1．生物膜與活性污泥結合生物脫氮除磷新工藝
常規生物脫氮除磷工藝存在相互影響和制約的因素，因此脫氮和除磷效果難以同時達到最佳。生物膜與活性污泥結合新工藝的特點是缺氧段采用生物膜法，反硝化菌均勻分布在整個缺氧池內，反硝化反應充分；好氧和厭氧段采用懸浮污泥法便于對污泥齡的控制，有利于硝化菌和除磷菌的生長繁殖。生物膜與活性污泥結合工藝將常規工藝中相互影響和制約的因素分解，使不同的菌類生長在各自最佳環境條件下，因而在本工藝中脫氮和除磷效果可以同時達到最佳，而且工藝的可控性增強。工藝流程如圖1所示。
圖1 生物膜與活性污泥結合工藝示意圖
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在研究中，試驗用水為城市污水，水質情況見表1。在正常運行期間，系統的總水力停留時間(HRT)為20~25小時。缺氧池內反硝化菌附著生長在填料上，污泥量為10g/L，比較穩定，無需特殊管理。濃縮池回流污泥濃度(VSS)達到15~20 g/L，SVI為30~50mL/g。好氧池污泥濃度保持在2~4g/L，SVI保持在50~80 mL/g，沒有出現污泥膨脹現象。
表1 污水水質統計表
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項目
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單位
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范圍
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平均值
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pH
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7.0 ~ 8.4
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7.7
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SS
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mg/L
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30 ~ 477
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138
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COD
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mg/L
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117 ~ 900
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462
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NH4-N
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mg/L
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30 ~ 110
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75
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NO3-N
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mg/L
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0.5 ~ 1.4
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1.0
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NO2-N
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mg/L
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0 ~ 0.3
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0.1
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TKN
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mg/L
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39 ~ 133
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90.2
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TN
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mg/L
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91.3
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TP
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mg/L
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4.3 ~ 22.5
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12.6
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COD∶TN
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5.1
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COD∶TP
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38.8
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在本工藝中脫氮和除磷效果可以同時達到最佳，氨氮去除率達99%以上，TN、TP和COD的去除率分別達到85%、95%和95%。
2．立體循環一體化氧化溝
氧化溝是一種經濟而有效的污水處理技術，具有穩定的處理效果，是污水生物處理技術之一。特別是用于污水脫氮，氧化溝比其它生物脫氮工藝費用低、TN去除效率高。然而，與活性污泥法相比，氧化溝占地面積較大，在土地緊張的城市或地區，氧化溝的應用受到限制。
針對常規氧化溝存在的問題，成功地研究出立體循環一體化氧化溝。其特點是：① 氧化溝采用立體循環，在循環過程中完成降解有機物和脫氮過程。與現有氧化溝相比，占地面積可減少約50%。② 沉淀區與氧化溝合建，沉淀的污泥可自動回流到氧化溝內，可節省投資和能耗。③ 結構緊湊，運行操作簡便。新型立體循環一體化氧化溝既保留氧化溝設備和運行操作簡單等優點，又可減少占地面積。該項技術已申請專利（發明專利申請號：01109727.2）。
試驗研究和應用的結果表明，能夠同時有效地去除污水中的有機污染物和氮。COD去除率達到95%，BOD 去除率為98%。NH3-N去除率達到99%，總氮去除率90%以上。試驗運行結果見圖2 ~ 圖4。
3．重力出流式膜生物反應器
膜生物反應器是近年來將生物處理技術與膜分離技術相結合而發展的水處理新技術，具有流程短、易操作、處理效率高、出水可直接回用等特點。尤其在處理效果方面，MBR對有機物、懸浮物等去除效果遠優于傳統生物處理法。但是目前的分體式或一體式膜生物反應器存在投資高、能耗大等問題。
新型重力出流式膜生物反應器利用反應器內液位水頭、采用重力驅動出水,省去傳統的出水抽吸泵及復雜的氣或水反沖洗設備，低水頭連續過濾出水，既保留傳統一體式MBR水處理效率高等優點，又可提高膜通量，降低膜污染。整個系統結構緊湊，投資少，操作簡便。該項技術已申請專利（發明專利申請號：01120586.5）。重力出流式膜生物反應器工藝系統如圖5所示。
通過對生活污水和城市污水進行試驗研究，結果表明，經膜生物反應器處理，出水水質達到生活雜用水水質標準，可以回用于綠化用水、景觀用水和沖廁用水等。
圖5
三、結論
試驗研究結果表明，上述各污水生物脫氮除磷新技術與工藝是高效和可行的。根據不同污水的特點，通過對上述生物脫氮除磷新技術與工藝的選擇與集成，能夠有效地從污水中同時去除氮、磷和有機污染物。
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