歐洲城市污水處理技術(shù)——可持續(xù)生物除磷脫氮工藝

 　　以控制富營(yíng)養(yǎng)化為目的的氮、磷脫除已成為各國(guó)主要的奮斗目標(biāo)。無(wú)疑，應(yīng)付日趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)工藝會(huì)因上述弊端而雪上加霜。在此情形下，發(fā)展可持續(xù)污水處理工藝變得勢(shì)在必行。所謂可持續(xù)污水處理工藝就是朝著zui小的COD氧化、zui低的CO2釋放、zui少的剩余污泥產(chǎn)量以及實(shí)現(xiàn)磷回收和處理水回用等方向努力。這就需要以較綜合的方式來(lái)解決污水處理問(wèn)題，即污水處理不應(yīng)僅僅是滿足單一的水質(zhì)改善，同時(shí)也需要一并考慮污水及所含污染物的資源化和能源化問(wèn)題，且所采用的技術(shù)必須以低能量消耗（避免出現(xiàn)污染轉(zhuǎn)移現(xiàn)象）、少資源損耗為前提。

 　　發(fā)展新穎的污水生物處理工藝依賴于在微生物學(xué)及生物化學(xué)方面的新發(fā)現(xiàn)或新認(rèn)識(shí)。荷蘭研究人員Mulder在10年前發(fā)現(xiàn)了厭氧氨（氮）氧化現(xiàn)象。與此同時(shí)，南非、荷蘭、日本等國(guó)科學(xué)家對(duì)生物攝/放磷代謝機(jī)理重新認(rèn)識(shí)后確定了反硝化除磷新途徑。這兩種新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用對(duì)發(fā)展可持續(xù)污水生物處理工藝具有劃時(shí)代意義的推動(dòng)作用。本文以厭氧氨氧化和反硝化除磷技術(shù)為藍(lán)本，詳細(xì)介紹它們的技術(shù)原理、工藝流程以及在歐洲的應(yīng)用情況；在此基礎(chǔ)之上提出一個(gè)以轉(zhuǎn)換有機(jī)能源（甲烷）、回收磷化合物（鳥糞石）和回用處理水（非飲用目的）為目標(biāo)的可持續(xù)城市污水生物除磷脫氮技術(shù)推薦工藝。

 　　在污水生物除磷實(shí)踐中，南非開普頓大學(xué)（UCT）研究人員zui早發(fā)現(xiàn)專性好氧細(xì)菌不是*對(duì)磷的生物攝/放起作用的菌種，兼性反硝化細(xì)菌也有著很強(qiáng)的生物攝/放磷現(xiàn)象。反硝化細(xì)菌的生物攝/放磷作用被荷蘭代爾夫特工業(yè)大學(xué)（TUDelft）和日本東京大學(xué)（UT）研究人員合作研究確認(rèn)，并冠名為反硝化除磷（denitrifyingdephosphatation）。在磷的生物攝/放過(guò)程中，反硝化除磷細(xì)菌以硝酸氮取代氧作為電子接受體，也就是說(shuō)反硝化除磷細(xì)菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個(gè)原本認(rèn)為彼此獨(dú)立的作用合二為一。顯然，在結(jié)合的除磷脫氮過(guò)程中，COD和氧的消耗量均能得到相應(yīng)節(jié)省。比較傳統(tǒng)的專性好氧磷細(xì)菌去除工藝，反硝化除磷細(xì)菌能分別節(jié)省約50%和30%的COD與氧的消耗量，相應(yīng)減少剩余污泥量50%。在反硝化除磷過(guò)程中由于COD需要量的大為減少，過(guò)剩的COD因此能被分離，并使之甲烷化，從而避免COD單一的氧化穩(wěn)定（至CO2）。歸因于曝氣能量的減少，以及過(guò)剩COD甲烷化后能量的產(chǎn)生，這種綜合的能量節(jié)約zui終會(huì)導(dǎo)致釋放到大氣的CO2量明顯減少。因此，具有反硝化除磷細(xì)菌富集的處理系統(tǒng)可以被視為可持續(xù)處理工藝。 傳統(tǒng)上，兩個(gè)已得到充分確認(rèn)的生物途徑，硝化（NH+4→NO3-）與反硝化（NO3→N2）被應(yīng)用于污水處理的生物脫氮。這種傳統(tǒng)生物脫氮途徑從可持續(xù)角度看并不是*的，因?yàn)槌浞值匮趸钡较跛岬紫纫拇罅磕茉矗ㄒ蚱貧猓黄浯?，還需要有足夠碳源（COD）來(lái)還原硝酸氮到氮?dú)?。?duì)這一傳統(tǒng)脫氮途徑的改進(jìn)可借助于新近由荷蘭TUDelft研發(fā)的一種中溫亞硝化技術(shù)——SHARON來(lái)實(shí)現(xiàn)。在亞硝化/反硝化脫氮途徑中，亞硝酸氮為僅有的中間過(guò)渡形態(tài)；這一途徑無(wú)論對(duì)氧化（NH+4→NO2-）還是還原（NO2-→N2）均能起到zui小量化的作用，意味著O2和COD消耗量的雙重節(jié)約。顯然，亞硝化/反硝化脫氮途徑可以成為一種可持續(xù)的脫氮技術(shù)。

 　　此外，荷蘭TUDelft研究人員幾乎在同一時(shí)期還試驗(yàn)確認(rèn)了一種新的氨氮轉(zhuǎn)換途徑，這使得氨氮以亞硝酸氮作為電子接受體而被直接氧化至氮?dú)獬蔀榭赡?。這種厭氧條件下的氨氮氧化與亞硝化過(guò)程（如SHARON工藝）相結(jié)合在工程上能夠?qū)崿F(xiàn)氨氮的zui短途徑轉(zhuǎn)換，這就意味著生物脫氮過(guò)程中能源與資源消耗量的zui小化*可能。污水處理過(guò)程中氮的所有可能轉(zhuǎn)換途徑列于圖1.與傳統(tǒng)脫氮工藝相比較，很明顯，由厭氧氨氧化與亞硝化工藝相結(jié)合的氮的*自養(yǎng)轉(zhuǎn)換方式是一種zui可持續(xù)的污水脫氮途徑。