隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，水資源供需矛盾日趨激化，對污廢水處理后回用成為了亟待解決的問題。我國現(xiàn)有的城市污水處理廠主要是針對以BOD5為主的碳源污染物的去除，對氮、磷的去除率很低，而氮、磷又是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要營養(yǎng)物。

一、傳統(tǒng)生物脫氮除磷理論與技術(shù)

1.傳統(tǒng)生物脫氮原理

污水經(jīng)二級生化處理，在好氧條件下去除以BOD5為主的碳源污染物的同時，在氨化細菌的參與下完成脫氨基作用，并在硝化和亞硝化細菌的參與下完成硝化作用;在厭氧或缺氧條件下經(jīng)反硝化細菌的參與完成反硝化作用。

2.傳統(tǒng)生物除磷原理

在厭氧條件下，聚磷菌體內(nèi)的ATP進行水解，放出H3PO4和能量形成ADP;在好氧條件下，聚磷菌有氧呼吸，不斷地放出能量，聚磷菌在透膜酶的催化作用下利用能量、通過主動運輸從外部攝取H3PO4，其中一部分與ADP結(jié)合形成ATP，另一部分合成聚磷酸鹽(PHB)儲存在細胞內(nèi)，實現(xiàn)過量吸磷。通過排除剩余污泥或側(cè)流富集厭氧上清液將磷從系統(tǒng)內(nèi)排除，在生物除磷過程中，碳源微生物也得到分解。

3.常用工藝及升級改造

具有代表性的常用工藝有A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝、SBR工藝、Bardenpho工藝、生物轉(zhuǎn)盤工藝等，這些工藝都是通過調(diào)節(jié)工況，利用各階段的優(yōu)勢菌群，盡可能的消除各影響因素間的干擾，以達到適應(yīng)各階段菌群生長條件，實現(xiàn)水處理效果。近年來隨著研究的深入，對常用工藝有了一些改進，目前應(yīng)用*泛、水廠升級改造難度較低的是分段進水工藝。

與傳統(tǒng)A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等相比，分段進水工藝可以充分利用碳源并能較好的維持好氧、厭氧(或缺氧)環(huán)境，具有脫氮除磷效率高、無需內(nèi)循環(huán)、污泥濃度高、污泥齡長等優(yōu)點。分段進水工藝適用于對A/O工藝、A2/O工藝、UCT工藝等的升級改造，通過將生化反應(yīng)池分隔并使進水按一定比例分段進入各段反應(yīng)池，以充分利用碳源，解決目前污水處理廠普遍存在的碳源不足和剩余污泥量過大的問題。分段進水工藝雖然對提高出水水質(zhì)有較好的效果，但該工藝并不能提高處理能力，當水廠處于超負荷運行時，分段進水改造也不能達到良好的處理效果。

二、新型生物脫氮除磷理論與技術(shù)

近年來，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，生物脫氮除磷過程中出現(xiàn)了超出傳統(tǒng)生物脫氮除磷理論的現(xiàn)象，據(jù)此提出了一些新的脫氮除磷工藝，如：短程硝化反硝化工藝、同步硝化反硝化工藝、厭氧氨氧化工藝、反硝化除磷工藝。

1.短程硝化反硝化工藝

傳統(tǒng)生物脫氮理論為全程硝化反硝化過程，即以NO3-為反硝化過程的電子受體;而短程硝化反硝化利用NO2-為反硝化過程的電子受體。

短程硝化反硝化相對全程硝化反硝化節(jié)省了25%的曝氣量、節(jié)省了40%的有機碳源并縮短了反應(yīng)時間，因此實現(xiàn)與維持短程硝化反硝化具有實際工程應(yīng)用價值。實現(xiàn)短程硝化反硝化的關(guān)鍵在于硝化反應(yīng)過程中氨氧化菌相對于亞硝酸鹽氧化菌優(yōu)勢增殖，即氨氧化菌積累。短程硝化反硝化的影響因素主要有溫度、pH、溶解氧(DO)濃度、游離氨(FA)濃度、污泥齡(SRT)、有機物濃度等。

具有代表性的短程硝化反硝化工藝為SHARON工藝，該工藝利用高溫(30-36℃)抑制亞硝酸鹽氧化菌增殖、實現(xiàn)氨氧化菌積累，從而控制硝化反應(yīng)維持在NO2-階段，隨后進行反硝化。

2.同步硝化反硝化工藝

同步硝化反硝化工藝是指硝化和反硝化過程在同一個反應(yīng)器中進行，系統(tǒng)不需要明顯的缺氧時間或缺氧區(qū)域而能將總氮去除的工藝。利用固定化微生物技術(shù)將包埋有硝化細菌的微生物載體投入好氧池，氨氮去除率達到90%以上，處理效果有明顯提高。硝化細菌載體投加方便、抗沖擊負荷能力較強、運行管理方便、成本較低、處理效果較好，具有良好的應(yīng)用前景。

3.厭氧氨氧化工藝

厭氧氨氧化工藝是指在厭氧條件下，以NO2-作為電子受體，將NH3轉(zhuǎn)化為N2的工藝，反應(yīng)過程中無需有機碳源和O2的介入。從工程角度看，厭氧氨氧化工藝較傳統(tǒng)生物脫氮工藝有明顯優(yōu)勢，這一過程可以擺脫對傳統(tǒng)電子供體(有機碳源)的束縛，又可以省去硝化過程的需氧量，從而減少了剩余污泥，又節(jié)約了能源。此外，將厭氧氨氧化菌以顆粒污泥的形式富集于反應(yīng)器中，可以充分利用垂直空間，減少占地。當然，厭氧氨氧化工藝的反應(yīng)器形式不僅可以是顆粒污泥形式，也可以是SBR、生物轉(zhuǎn)盤、移動床等。

雖然厭氧氨氧化技工藝有諸多優(yōu)點，但其工程應(yīng)用受限于厭氧氨氧化菌極低的生長率(世代時間10d左右)，反應(yīng)器啟動時間極長。目前，該工藝主要針對高NH4+、低COD且有一定余溫的污廢水，如厭氧消化液、垃圾滲濾液等。

4.反硝化除磷工藝

反硝化除磷的機理與傳統(tǒng)生物除磷機理類似，其反應(yīng)主要依靠反硝化除磷菌，該類微生物以O2或NO3-為電子受體吸磷，并以聚磷酸鹽形式儲存在細胞內(nèi)，同時NO3-轉(zhuǎn)化為N2。利用反硝化除磷菌實現(xiàn)生物除磷，對氮、磷的去除率高，同時可以減少剩余污泥，降低有機碳源的需求。

三、可持續(xù)生物脫氮除磷與碳中和運行

傳統(tǒng)的污水處理理論將水作為主要產(chǎn)品，其他物質(zhì)作為處理廢物以廢氣和污泥的形式排出，存在著能源浪費和資源浪費等問題，同時傳統(tǒng)的水處理工藝會占用大量土地。污水處理碳中和運行的實質(zhì)是實現(xiàn)處理過程所需能源的自給自足，從而解決“以能消能"和“污染轉(zhuǎn)嫁"的問題。在這一過程中，不僅是能源的“開源"，更要考慮處理工藝的“節(jié)流"。污水處理的可持續(xù)性和碳中和運行是大勢所趨。

1.可持續(xù)生物脫氮除磷

可持續(xù)生物脫氮除磷工藝的技術(shù)基礎(chǔ)是反硝化除磷技術(shù)和厭氧氨氧化技術(shù)。利用兼性反硝化細菌，將反硝化脫氮和生物除磷合二為一，降低有機碳源和O2的消耗量，相比傳統(tǒng)專性好氧除磷菌能節(jié)約50%的有機碳源和30%的O2，同時減少50%的剩余污泥量。厭氧氨氧化菌使得NH4+以NO2-為電子受體而被直接轉(zhuǎn)化為N2，這一過程無需有機碳源和O2，相比傳統(tǒng)全程硝化反硝化工藝最大限度的減少了有機碳源和O2的消耗。通過在生物脫氮除磷過程中對有機碳源的節(jié)約，為剩余COD不經(jīng)過傳統(tǒng)的氧化穩(wěn)定(至CO2)而進行甲烷化并產(chǎn)生能量創(chuàng)造條件;同時，對O2的消耗量的減少，降低了曝氣量，間接地減少了為污水處理提供能源而燃燒化石能源排放的CO2。

基于上述技術(shù)基礎(chǔ)，研究提出了一種可持續(xù)生物脫氮除磷工藝，該工藝以A/B為基礎(chǔ)架構(gòu)并結(jié)合了BCFS工藝和CANON工藝，突出了COD甲烷化(能源化)、磷酸鹽回收和處理水回用等可持續(xù)性目標的實現(xiàn)。進水經(jīng)格柵、沉沙預(yù)處理后進入AB法的A段，采用很短的污泥齡使細菌快速增值，原水中70%-80%的COD合稱為細菌細胞;經(jīng)A段沉淀池分離后，上清液進入BCFS工藝進行脫氮除磷處理;BCFS工藝排出的高磷含量污泥與A段排出的污泥一起進入污泥消化池，產(chǎn)生CH4和高磷、高NH4+的污泥消化液，消化液通過投加鎂化物形成磷酸按鎂化合物沉淀后分離并回收磷;磷回收后的消化液采用CANON工藝脫除高濃度的NH4+; CANON工藝出水與BCFS工藝出水混合后排放。經(jīng)此工藝處理的生活污水僅需經(jīng)過簡單的深度處理即可達到中水回用標準。

可持續(xù)生物脫氮除磷工藝與傳統(tǒng)生物處理工藝相比，氧消耗量減少了約45 %，節(jié)約了約70%的有機碳源，減少了25%的剩余污泥量，減少了18%的CO2釋放量，同時每公斤COD產(chǎn)生了0.28ka的CH4并回收了49%的磷。

2.碳中和運行

研究表明，受限于我國市政污水處理廠進水COD較低，剩余污泥厭氧消化回收的CH4(能量)僅能提供污水處理廠50%的能量消耗，間接減少了50%的CO2排放量。這一限制決定了我國污水處理碳中和運行必須走“開源"、“節(jié)流"并重的道路，除了通過研究、開發(fā)新型的污水處理理論、工藝，還需要利用水源熱泵、空氣源熱泵、風(fēng)能、太陽能、微生物燃料電池等非傳統(tǒng)能源。