生物脱氮除磷技术：从原理到实践的全解析

生物脱氮除磷技术：从原理到实践的全解析

引言

随着全球水环境问题日益严峻，污水处理厂（WWTPs）的排放标准逐步提高，生物脱氮除磷（BNR）技术因其高效、低能耗的特点，成为污水处理的“黄金标准”。氮、磷过量排放会导致水体富营养化，引发藻类暴发、生态失衡等问题。本文将深入解析BNR技术的微生物学原理、核心工艺、操作要点及未来发展方向，为从业者提供系统性参考。

一、生物脱氮除磷的微生物学基础

1. 脱氮的“双剑客”：硝化与反硝化

硝化作用：在好氧条件下，氨氧化细菌（AOB）将氨氮（NH?）氧化为亚硝酸盐（NO??），亚硝酸盐氧化细菌（NOB）进一步将其转化为硝酸盐（NO??）。

关键参数：DO >2 mg/L，pH 6.8–7.4，温度20–35℃（最佳30℃）。

碱度消耗：每氧化1 mg NH??-N需7.1 mg CaCO?。

反硝化作用：在缺氧条件下，异养菌以硝酸盐为电子受体，将其还原为氮气（N?）。

碳源需求：BOD:TKN ≥3:1，挥发性脂肪酸（VFAs）可提升反硝化速率。

碱度恢复：每还原1 mg NO??-N可恢复3.6 mg CaCO?。

2. 除磷的“储能高手”：聚磷菌（PAOs）

厌氧释磷：PAOs分解体内聚磷颗粒（Poly-P）释放磷酸盐，同时吸收VFAs并储存为聚羟基丁酸酯（PHB）。

好氧吸磷：PAOs利用PHB氧化产生的能量，过量吸收水中磷酸盐，磷含量可达细胞干重的5–10%。

关键条件：严格厌氧（DO <0.2 mg/L）、充足VFAs（以乙酸为最优）。

二、BNR核心工艺技术详解

1. 传统工艺升级：A?O与氧化沟

A?O工艺（厌氧-缺氧-好氧）

流程：进水→厌氧释磷→缺氧反硝化→好氧硝化/吸磷→二沉池。

优势：同步脱氮除磷，TN去除率>85%，TP去除率>80%。

痛点：碳源竞争，需补充VFAs或调整回流比。

氧化沟工艺

特点：循环式曝气，溶解氧梯度自然形成（好氧→缺氧）。

适用性：抗冲击负荷强，适合中小型污水厂，TN可降至8 mg/L以下。

2. 创新工艺突破：短程硝化与厌氧氨氧化

短程硝化反硝化（SHARON）

原理：控制温度（30–35℃）和pH（6.5–7.5），抑制NOB活性，仅生成亚硝酸盐（NO??）。

节能效果：曝气量减少25%，碳源消耗降低40%。

厌氧氨氧化（ANAMMOX）

革命性突破：ANAMMOX菌直接以NH??为电子供体，NO??为受体，生成N?。

优势：无需有机碳源，污泥产率仅为传统工艺的10%，适合高氨氮废水（如污泥消化液）。

3. 工艺组合与优化

MLE工艺（改良Ludzack-Ettinger）

改进点：前置缺氧区，优先完成反硝化，消除硝酸盐对厌氧释磷的抑制。

出水指标：TN 6–8 mg/L，TP ≤0.5 mg/L。

SBR工艺（序批式反应器）

操作模式：进水→反应（厌氧/缺氧/好氧）→沉淀→排水，时序控制灵活。

适用场景：工业废水处理，TP可降至0.3 mg/L以下。

三、设计关键：参数控制与微生物管理

1. 温度：微生物的“生命线”

硝化：温度每降低10℃，硝化速率下降30%，需提升MLSS至3倍。

反硝化：温度从20℃降至10℃，脱氮率下降75%，需延长HRT或投加碳源。

2. 溶解氧（DO）的精准调控

硝化区：DO >2 mg/L，但末端可降至0.5–1.0 mg/L以促进同步硝化/反硝化（SND）。

厌氧区：DO <0.2 mg/L，避免破坏PAOs代谢。

3. 污泥龄（SRT）的权衡

硝化需求：SRT >10天（低温需延长）。

除磷需求：SRT 2–4天，防止PAOs内源释磷。

矛盾解决：采用多级AO工艺，分区控制SRT。

4. 碳源策略：VFAs的“黄金比例”

来源：初沉池污泥发酵、直接投加乙酸钠。

投加量：BOD:P =20–30:1，BOD:TKN =3–5:1。

四、实战挑战：问题诊断与解决方案

1. 丝状菌膨胀：污泥沉降的“隐形杀手”

成因：低DO、低F/M比、营养失衡。

对策：

设置厌氧选择区，抑制丝状菌增殖。

投加Cl?（5–10 mg/L）选择性杀灭丝状菌。

2. 二次释磷：工艺的“定时炸弹”

诱因：污泥停留过长、硝酸盐回流、污泥腐败。

控磷手段：

化学辅助：好氧区投加FeCl?（Fe:P=1.5:1）。

污泥处理：浓缩池投加石灰（Ca(OH)?），生成羟基磷灰石沉淀。

3. 低温运行：北极式考验

应对措施：

加盖保温、加热进水（能耗较高）。

投耐低温菌剂（如Nitrosomonas cryotolerans）。

五、未来趋势：技术创新与智能化

1. 微生物电化学系统（BES）

原理：利用产电菌将有机物氧化与脱氮耦合，产能＞耗能。

突破点：微生物燃料电池（MFC）中，TN去除率可达95%。

2. 智慧水务：AI驱动的精准控制

技术应用：

基于ORP（氧化还原电位）的DO实时调控。

机器学习预测进水负荷，动态调整回流比。

3. 磷回收：从废物到资源

鸟粪石结晶法：投加Mg??，生成MgNH?PO?·6H?O（纯度>90%），用作缓释肥料。

结语

生物脱氮除磷工艺是污水处理领域的一场“微生物革命”。从传统A?O到ANAMMOX，从参数调控到智慧运维，技术的每一步跨越都凝聚着科研与工程的智慧。未来，随着“双碳”目标的推进，BNR技术将朝着更低能耗、更高资源化的方向持续进化，为全球水环境治理提供中国方案。

（图片来自于网络，文章内容根据部分网络文章及教学资料整理，版权归原作者所有，如有侵权，请联系作者及时处理，谢谢。）