隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化的問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)城市污水中氮、磷的去除要求也越來(lái)越高。但去除氮、磷所需的環(huán)境條件相互矛盾，要達(dá)到同時(shí)去除氮、磷的目的，有必要先弄清二者之間的關(guān)系。

泥齡對(duì)于生物脫氮工藝而言是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。理論上講，為保證連續(xù)流反應(yīng)器中有數(shù)量足夠且性能穩(wěn)定的硝化和反硝化菌，必須使微生物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間(即污泥泥齡SRT)大于硝化和反硝化菌的最小世代期(即它們最大比增長(zhǎng)速率的倒數(shù))。作為硝化過(guò)程的主體，硝化菌通常都屬于自養(yǎng)型專性好氧菌。這類微生物的一個(gè)突出特點(diǎn)是繁殖速度慢，世代時(shí)間長(zhǎng)。一般而言，生物脫氮工藝的污泥泥齡可以計(jì)算，但應(yīng)按計(jì)算值乘2倍以上的安全系數(shù)取值，一般應(yīng)控制在3~5d以上，有的可高達(dá)10~15 d，較長(zhǎng)的泥齡可增加生物硝化的能力，并可減輕有毒物質(zhì)的抑制作用。而反硝化菌是兼性菌，反硝化段的泥齡主要取決于需反硝化的硝酸鹽與可利用的BOD的比值，所需泥齡比硝化菌小得多。對(duì)于生物除的

磷系統(tǒng)而言，泥齡越長(zhǎng)，污泥含磷量越低，去除單位質(zhì)量的磷需消耗的BOD越多。此外，還會(huì)由于有機(jī)物的不足而使污泥發(fā)生“自溶”現(xiàn)象，致使磷溶解及排泥量減少而導(dǎo)致除磷效果的降低;泥齡越短，污泥含磷量越高，通過(guò)剩余污泥的排放而去除的磷量也就越多。資料表明，以除磷為目的的生物除磷工藝的污泥齡一般應(yīng)控制在3.5~7d。

生物脫氮的反硝化過(guò)程中，需要一定數(shù)量的磷源以保證一定的碳氮比，使反硝化反應(yīng)能順利地進(jìn)行。反硝化以硝酸鹽為電子受體，以有機(jī)物為電子供體，使硝酸鹽中的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)鈴膹U水中釋放出來(lái)。在實(shí)際工程中，反硝化菌主要利用易于被生物降解的有機(jī)物為碳源，此時(shí)反硝化反應(yīng)速率較快，缺氧區(qū)則可以有較小的容積。一般認(rèn)為，當(dāng)廢水中的BOD5和 TKN之比在5~8時(shí)，可認(rèn)為廢水中的碳源是足夠的。廢水生物除磷工藝中厭氧段有機(jī)物質(zhì)的含量、種類及其與微生物營(yíng)養(yǎng)物之間的比例關(guān)系(主要是指BOD5/TP)是影響聚磷菌及攝磷效果的一個(gè)不可忽視的控制因素。就厭氧段中的有機(jī)物質(zhì)的種類而言，聚磷菌將優(yōu)先吸收分子量較小的低級(jí)脂肪酸類物質(zhì)。研究表明，若要使出水中磷含量控制在1.0mg/L以下，進(jìn)水中的BOD5/TP應(yīng)控制在20~30。也有人指出，進(jìn)水中的BOD5/TP值至少要高于15，才能保證聚磷菌有足夠的基質(zhì)需求而獲得良好的除磷效果。在生物除磷脫氮工藝中，由于厭氧區(qū)的釋磷消耗了大量的易于被生物降解的有機(jī)物，這不可避免地會(huì)影響缺氧區(qū)反硝化過(guò)程的進(jìn)行。考慮到我國(guó)城市污水BOD普遍偏低的情況，磷的達(dá)標(biāo)處理是相當(dāng)困難的。 K.S Kim 等在Phostrip工藝曝氣池前設(shè)反硝化段，強(qiáng)化了脫氮功能，同時(shí)也避免了二沉池回流污泥中高濃度硝酸鹽對(duì)釋磷的抑制。該工藝耐沖擊負(fù)荷，缺點(diǎn)是工藝流程復(fù)雜，運(yùn)行管理不便。近年來(lái)，國(guó)外公司向中國(guó)推薦設(shè)計(jì)的城市污水處理工藝，出水總磷也只能保證達(dá)到1mg/L，而且還預(yù)備了化學(xué)除磷措施。

隨著研究的不斷深入，生物脫氮和除磷相結(jié)合構(gòu)成生物除磷托脫氮系統(tǒng)，即常規(guī)A2/O工藝與在此基礎(chǔ)之上開(kāi)發(fā)出的一系列新型工藝，但大部分工藝系統(tǒng)的回流污泥中，攜帶的硝酸鹽對(duì)工藝的除磷效果有不利的影響。有人通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回流污泥中硝酸鹽上升時(shí)，系統(tǒng)的除磷效果有下降趨勢(shì)，但并不成比例，有一組實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)了相反的例子。總之，回流污泥中的硝酸鹽對(duì)生物除磷系統(tǒng)的厭氧釋磷會(huì)構(gòu)成不利的影響，但就整個(gè)系統(tǒng)的除磷效果而言硝酸鹽的作用不完全一致。有的不對(duì)系統(tǒng)除磷效果構(gòu)成不利影響，可能與具體的進(jìn)水水質(zhì)和工藝條件等因素有關(guān)，這在很大程度上又取決于管理水平。針對(duì)上述情況，近年來(lái)先后提出了時(shí)間順序A-A-O除磷脫氮工藝、倒置A/O除磷脫氮工藝、低回流低氧A2/O除磷脫氮等新工藝。

進(jìn)人20世紀(jì)90年代后，尋找快速可替代有機(jī)碳源已經(jīng)成了污水生物除磷脫氮的研究拉點(diǎn)之一。在城市污水中顆粒態(tài)有機(jī)物(占污水COD組成的60%)可通過(guò)沉淀去除，其中般初沉池對(duì)其去除率可達(dá)60%。這些顆粒態(tài)有機(jī)物再加上初沉池中的脂肪、蛋白質(zhì)等就構(gòu)成了大量的有機(jī)碳源，如果能將這些慢速降解有機(jī)碳源的一部分轉(zhuǎn)化為快速降解碳源再投加到污水中去，則該部分轉(zhuǎn)化來(lái)的快速有機(jī)碳源將使污水的生物除磷脫氮效率大大提高。基于這一設(shè)想，有些污水處理廠設(shè)立初沉污泥發(fā)酵池，利用發(fā)酵池上清液來(lái)補(bǔ)充原水VFA含的不足，但由于初沉污泥水解發(fā)酵需要較長(zhǎng)停留時(shí)間，發(fā)酵池所需體積較大，而且有機(jī)物解過(guò)程也不易控制在水解發(fā)酵階段，同時(shí)部分非聚磷苷糖元積累菌(GAO)和產(chǎn)甲烷菌的增殖也會(huì)消耗掉相當(dāng)一部分由厭氧水解發(fā)酵菌產(chǎn)生的VFA，使得這一彌補(bǔ)碳源不足的方法難于收到預(yù)想的效果。所以國(guó)內(nèi)有部分學(xué)者正在研究如何采用生物技術(shù)將初沉污泥這種潛的碳源高速、高效地轉(zhuǎn)化為快速有機(jī)碳源，以達(dá)到提高污水除磷脫氮效果和廢物利用的雙重目的。由于快速生物降解COD理論的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾要是由基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)引起的，因而現(xiàn)今有很大一部分研究者將工作的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了對(duì)碳源需求研究上。在以上所提到的諸多方法中，提高除磷效率往往伴隨著脫氮率的下降。常規(guī)除磷脫氨工藝總是優(yōu)先照顧除磷的要求，把厭氧區(qū)放在工藝的前部，這樣水中的有機(jī)物在經(jīng)厭氧聚磷菌的利用后已經(jīng)所剩無(wú)幾，因此就影響到了隨后的缺氧區(qū)的反硝化過(guò)程。所以希望聚磷菌或者聚磷菌的一部分能夠在缺氧條件下也進(jìn)行反硝化作用，這樣對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)就可以在很大程度上得到了緩解。這種做法當(dāng)然是以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提的。但是，釋磷本身并不是除磷脫氮工藝的最終目的。就工藝的最終目的而言，把厭氧區(qū)前置是否真正有利，利大還是弊大，是值得進(jìn)一步研究的。基于此觀點(diǎn)，倒置A2/0工藝將缺氧區(qū)放在工藝最前端，厭氧區(qū)置后。經(jīng)過(guò)這種改變，脫氮菌可優(yōu)先獲得碳源，反硝化速率得到大幅度提高。

國(guó)內(nèi)外有些學(xué)者設(shè)想如果將反硝化與除磷這兩個(gè)需碳源的過(guò)程合二為一，即在缺氧環(huán)境下利用硝酸鹽作為電子受體，同時(shí)進(jìn)行反硝化作用和超量聚磷，這樣就可以最大程度地減少源需求量。污泥中的細(xì)菌可以在缺氧條件下吸收一部分易于被生物降解的溶解性有機(jī)物同時(shí)用于脫氮和攝磷，以克服污水中碳源不足的問(wèn)題，提高脫氮除磷效率。近幾年國(guó)外Baker和Kuba等就發(fā)現(xiàn)在某些改良的UCT脫氮除磷處理系統(tǒng)中污泥能夠利用硝酸鹽作為電子受，在缺氧環(huán)境下同時(shí)進(jìn)行反硝化作用和超量聚磷，故認(rèn)為存在反硝化聚磷的細(xì)菌(DNPAO)。Meinhold在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行間歇試驗(yàn)也觀察到同步脫氮除磷的現(xiàn)象，證明部分PAO具有利用硝酸鹽進(jìn)行脫氮的能力。在國(guó)內(nèi)，王志盈等在試驗(yàn)中也觀察到了PAO的反硝化聚磷能力，即利用這種細(xì)菌來(lái)進(jìn)行生物除磷脫氮。既可以基本解決以上所提到的碳源需求等問(wèn)題，又可以用DNPAO來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)除磷脫氮工藝中的反硝化菌和聚磷菌兩類細(xì)菌的功能，減少污泥產(chǎn)量，降低污泥處理費(fèi)用，還可以減少構(gòu)筑物數(shù)量和所需體積。由于有的研究表明磷的去除效果在很大程度上取決于缺氧環(huán)境中硝酸鹽的濃度，硝酸鹽濃度不足則磷的過(guò)量攝取受限，硝酸鹽濃度過(guò)高時(shí)帶入?yún)捬醵蔚南跛猁}會(huì)影響到磷額釋放。所以在不同環(huán)境條件下，DNPAO的誘導(dǎo)增殖與代謝途徑變化規(guī)律以及系統(tǒng)中DNPAO菌群演化數(shù)量的判定和調(diào)控方式等都是亟待研究的課題。

一、Phoredox工藝

Phoredox（五段）工藝是Bardenpho（四段）工藝的改進(jìn)型，區(qū)別是在第一個(gè)缺氧池前增加了厭氧池，該工藝厭氧池的設(shè)置保證了磷的釋放，在好氧狀態(tài)下有更強(qiáng)的吸收能力，提高了除磷的效果，最后的好氧段的曝氣也降低了二沉池出現(xiàn)厭氧狀態(tài)和釋放磷的可能性。個(gè)反應(yīng)單元在系統(tǒng)中都反復(fù)進(jìn)行二次或二次以上，都有首要功能并兼行其他項(xiàng)功能，除磷效果好。

但該工藝泥領(lǐng)較長(zhǎng)，污泥回流攜帶硝酸鹽回到厭氧池影響了除磷的效果，受水質(zhì)影響較大，效果不穩(wěn)定。

二、UCI工藝

南非開(kāi)普敦大學(xué)的UCT工藝將A2/0中的污泥回流由厭氧區(qū)改到缺氧區(qū)，使污泥經(jīng)反硝化后再回流至厭氧區(qū)，減少了回流污泥中硝酸鹽含量，改善了厭氧池磷的釋放環(huán)境，增加了厭氧段有機(jī)物的利用率。與A/O工藝相比，在適當(dāng)?shù)腡KN/COD比例下，缺氧區(qū)的反硝化完全，缺氧區(qū)出水中硝酸鹽濃度保持近似于零 可使厭氧區(qū)回流污泥中硝酸鹽含量接近于零。改進(jìn)污泥回流路線或增加反硝化環(huán)節(jié)，以控制厭氧區(qū)回流污泥中的硝酸鹽含量，UCT、VIP、JHB等工藝都屬于此類。當(dāng)進(jìn)水工TKN/COD較高時(shí)，缺氧區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的脫氮，仍有部分硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)。為減少進(jìn)入?yún)捬醭氐南鯌B(tài)氮，保證污泥的良好沉淀性能，開(kāi)普敦大學(xué)又開(kāi)發(fā)了改進(jìn)的UCT工藝，即MU JCT工藝。

MUCT工藝有兩個(gè)缺氧池，前前一個(gè)缺氧池接受二沉池回流污泥，再將污泥回流到厭氧反應(yīng)池;后一個(gè)缺氧池接受好氧區(qū)硝化混合液，使污泥的脫氮與混合液的脫氮分開(kāi)，進(jìn)一步減少硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)的可能，其內(nèi)進(jìn)行反硝化?；窘鉀Q了UCT工藝存在的問(wèn)題，最大限度地消除了向厭氧池回流過(guò)程中硝酸鹽對(duì)攝磷的不利影響，由于增加了混合液回流，其運(yùn)行費(fèi)用較高。其代價(jià)是池內(nèi)的COI D/TKN的最小比值從7.1提高到9.1。

JHB工藝是在A2/O工藝的厭氧區(qū)污泥回流線路中增加了一個(gè)缺氧池，以減少回流污泥中硝酸鹽的含量。

與前述工藝相比，JHB工藝中污泥回路上的缺氧區(qū)只能以內(nèi)源代謝物作為反硝化的碳源，反硝化速率很慢，所需容積較大。國(guó)內(nèi)對(duì)A2/O工藝也作了很多研究，如增設(shè)污泥沉淀池以控制厭氧段的硝酸鹽，在厭氧段之前設(shè)置厭氧/缺氧調(diào)節(jié)池等。

UCT與A2/O的不同之處在于沉淀池污泥回流到缺氧池，可防止由于硝酸鹽氮進(jìn)入?yún)捬醭?，破壞了厭氧狀態(tài)而影響除磷效果。增加了從缺氧池到厭氧池的缺氧池混合液回流，由缺氧池向厭氧池回流的混合液中含有較多的溶解性BOD 硝酸鹽很少，為厭氧發(fā)酵提供了最優(yōu)的條件。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水的TKN(總凱氏氮)/COD較高時(shí)，需降低混合液的回流比以防止NO-3進(jìn)入?yún)捬醭?，但回流比太小?huì)增加厭氧池的停留時(shí)間。

三、VIP工藝

VIP工藝是美國(guó)弗吉尼亞州Hampton Roads 公共衛(wèi)生區(qū)與CH2M HILL公司為該區(qū) Lamberts Point污水處理廠改擴(kuò)建設(shè)計(jì)的。與 UCT工藝非常相似，區(qū)別體現(xiàn)在池型構(gòu)造和運(yùn)行參數(shù)上，其內(nèi)循環(huán)不同，回流污泥和好氧硝化液一起進(jìn)入缺氧池，缺氧池混合液回流到厭氧池。

VIP工藝反應(yīng)池是將一系列體積小的完全混合式反應(yīng)池串聯(lián)在一起，形成了有機(jī)物濃度的梯度分布，充分發(fā)揮了聚磷菌的作用，提高了厭氧池磷的釋放和好氧池對(duì)磷的吸收速度，比單個(gè)池具有更高的除磷效果。缺氧池的分格使大部分反硝化反應(yīng)發(fā)生在前幾格，有利于缺氧池的反硝化。到最后一格時(shí)，硝酸鹽的含量很少，基本上沒(méi)有硝酸鹽進(jìn)入到厭氧池，保證了厭氧條件。采用高負(fù)荷運(yùn)行，泥齡短，污泥中活性生物的比例增加，除磷效果好，減少了反應(yīng)池的體積。

四、改良A2/O工藝

為避免改良UCT工藝增加一套回路系統(tǒng)和厭氧池污泥濃度較低，及A2/O工藝和改良UCT的優(yōu)點(diǎn)，中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)院開(kāi)發(fā)了改良A2/O工藝，在厭氧池前增設(shè)了厭氧/缺氧調(diào)節(jié)池，二沉池的回流污泥和10%左右的進(jìn)入該池，微生物利用短暫的停留時(shí)間和進(jìn)水中的有機(jī)物去除回流中的硝態(tài)氮，保證了厭氧池的穩(wěn)定性，處理效果優(yōu)于改良UCT。

在出水總氮沒(méi)有要求的情況下，取消混合液回流系統(tǒng)和避免厭氧池污泥的降低，以及避免工藝過(guò)程抗回流硝酸鹽的影響能力不夠強(qiáng)的弱點(diǎn)，吸收改良A2/O的優(yōu)點(diǎn)，降低處理工藝的總體反硝化水平，中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)院結(jié)合實(shí)際工程又開(kāi)發(fā)了倒置A2/O工藝。