隨著城市人口的集中和工農業的發展，水體的富營養化問題日益突出。目前中國的某些湖泊，如昆明滇池，江蘇太湖，安徽巢湖等都已出現不同程度的富營養化現象。

　　引起富營養化的營養元素有碳、磷、氮、鉀、鐵等，其中，氮和磷是引起藻類大量繁殖的主要因素。欲控制富營養化，必須限制氮、磷的排放。國外一些污水處理廠把氮、磷的排放標準分別設定為15mg/L和0.5mg/L。

　　一、氮的去除

　　廢水中的氮以有機氮、氨氮、亞硝酸氮和硝酸氮四種形式存在。在生活污水中，主要含有有機氮和氨態氮，它們均來源于人們食物中的蛋白質。新鮮生活污水含氮中有機氮約占總氮的60%，氨氮約占40%。當污水中的有機物被生物降解氧化時，其中的有機氮被轉化為氨氮。經活性污泥法處理的污水有相當數量的氨氮排入水體，可導致水體富營養化。水體若為水源，將增加給水處理的難度和成本。因此二級處理的出水有時需進行脫氮處理。脫氮的方法有化學法和生物法兩大類，現分別加以論述。

　　1、化學法除氮

　　常用于去除氨氮的方法有吹脫法、折點加氯法和離子交換法。它們主要用于工廠內部的治理，對于城市污水處理廠很少采用。

　　(1)吹脫法

　　廢水的氨氮可以氣態吹脫。廢水中，NH3與NH4+以如下的平衡狀態共存：

　　NH3+H2O=NH4++OH-

　　這一平衡受pH值的影響，pH為10.5～11.5時，因廢水中的氨呈飽和狀態而逸出，所以吹脫法常需加石灰。

　　吹脫過程包括將廢水的pH值提高至10.5～11.5，然后曝氣，這一過程在吹脫塔中進行城市污水的深度處理---氮磷的去除)。

　　該過程受溫度的影響較大，隨溫度的降低，為達到同樣處理效果所需的空氣量迅速增加，由于用石灰調pH值，在吹脫塔中會發生碳酸鈣結垢現象，影響運行。另外，NH3氣的釋放會造成空氣污染。因此，對該工藝已有多種改進，例如使吹脫塔的氣體通過H2SO4溶液以吸收NH3。

　　(2)折點加氯法

　　在凈水工程中，稱氯胺為化合余氮，次氯酸為余氯，均有殺菌作用。

　　城市污水的深度處理---氮磷的去除途中A、B二個折點A點前余氯基本上是氯胺，B點稱這點，折點后余氯基本上是自由氯(游離氯)家率脫氮時采用的加氯量應以折點相應的加氯量為準。

　　此法最大的優點是通過適當的控制，可完全去除水中的氨氮。為了減少氯的投加量，此法常與生物硝化聯用，先硝化再除微量的殘留氨氮。

　　(3)離子交換法 用離子交換法去除氨氮時，常用天然的離子交換劑，如沸石等。與合成樹脂相比，天然離子交換劑價格便宜且可用石灰再生。采用合成樹脂，預處理工序和再生系統均較復雜，且樹脂壽命短，應用上受到一定的限制，在此不作詳述。

　　2、生物法脫氮

　　(1)生物脫氮機理 生物脫氮是在微生物的作用下，將有機氮和氨態氮轉化為N2和N20氣體的過程。其中包括硝化和反硝化兩個反應過程。

　　硝化反應是在好氧條件下，將NH4+轉化為NO2-和NO3-的過程。此作用是由亞硝酸菌和硝酸菌兩種菌共同完成的。這兩種菌屬于化能自養型微生物。其反應如下：

　　NH4++2O2=NO3-+2H++H2O

　　硝化細菌是化能自養菌，生長率低，對環境條件變化較為敏感。溫度，溶解氧，污泥齡，pH，有機負荷等都會對它產生影響。

　　硝化反應的適宜溫度為20℃～30℃。低于15℃時，反應速度迅速下降，5℃時反應幾乎完全停止。

　　由于硝化菌是自養菌，若水中BOD5值過高，將有助于異氧菌的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。硝化菌的生長世代周期較長，為了保證硝化作用的進行，泥齡應取大于硝化菌最小世代時間兩倍以上。

　　硝化反應對溶解氧有較高的要求，處理系統中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。另外，在硝化反應過程中，有H+釋放出來，使pH值下降。硝化菌受pH 值的影響很敏感，為了保持適宜的pH值7—8，應在廢水中保持足夠的堿度，以調節pH值的變化。1g氨態氮(以N計)完全硝化，需堿度(以CaCO3 計)7.1 g。

　　反硝化反應是指在無氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮NO2-)還原為氮氣的過程。反應如下：

　　6NO3-+5CH3OH=5CO2+3N2+7H2O+6OH-

　　反硝化菌屬異養型兼性厭氧菌，在有氧存在時，它會以O2為電子受體進行好氧呼吸;在無氧而有O3-或N02-存在時，則以N03-或N02-為電子受體，以有機碳為電子供體和營養源進行反硝化反應。

　　在反硝化菌代謝活動的同時，伴隨著反硝化菌的生長繁殖，即菌體合成過程，在反硝化反應中，最大的問題就是污水中可用于反硝化的有機碳的多少及其可生化程度。當污水中BOD5/TKN>3～5時，可認為碳源充足。不同的有機碳將導致反硝化速率的不同。碳源按其來源可分為三類：

　　①外加碳源，多采用甲醇，因為甲醇被分解后的產物為CO2，H20，不產生其它難降解的中間產物，但其費用較高;

　　②原水中含有的有機碳;

　　③內源呼吸碳源——細菌體內的原生物質及其貯存的有機物。

　　反硝化反應的適宜pH值為6.5～7.5。pH值高于8或低于6時，反硝化速率將迅速下降。

　　反硝化反應的溫度范圍較寬，在5℃～40℃范圍內都可以進行。但溫度低于15℃時，反硝化速率明顯下降。

　　(2)生物脫氮工藝 生物脫氮技術的開發是在30年代發現生物濾床中的硝化、反硝化反應開始的。但其應用還是在1969年美國的Barth提出三段生物脫氮工藝后。現對幾種典型的生物脫氮工藝進行討論。

　　①三段生物脫氮工藝

　　該工藝是將有機物氧化，硝化及反硝化段獨立開來，每一部分都有其自己的沉淀池和各自獨立的污泥回流系統。使除碳，硝化和反硝化在各自的反應器中進行，并分別控制在適宜的條件下運行，處理效率高。

　　由于反硝化段設置在有機物氧化和硝化段之后，主要靠內源呼吸碳源進行反硝化，效率很低，所以必須在反硝化段投加外加碳源來保證高效穩定的反硝化反應。隨著對硝化反應機理認識的加深，將有機物氧化和硝化合并成一個系統以簡化工藝，從而形成二段生物脫氮工藝成為現實。各段同樣有其自己的沉淀及污泥回流系統。除碳和硝化作用在一個反應器中進行時，設計的污泥負荷率要低，水力停留時間和泥齡要長，否則，硝化作用要降低。在反硝化段仍需要外加碳源來維持反硝化的順利進行。

　　②Bardenpho生物脫氮工藝

　　該工藝取消了三段脫氮工藝的中間沉淀池。該工藝設立了兩個缺氧段，第一段利用原水中的有機物為碳源和第一好氧池中回流的含有硝態氮的混合液進行反硝化反應。經第一段處理，脫氮已基本完成。為進一步提高脫氮效率，廢水進入第二段反硝化反應器，利用內源呼吸碳源進行反硝化。最后的曝氣池用于吹脫廢水中的氮氣，提高污 泥的沉降性能，防止在二沉池發生污泥上浮現象。這一工藝比三段脫氮工藝減少了投資和運行費用。

　　③缺氧一好氧生物脫氮工藝

　　該工藝于80年代初開發。該工藝將反硝化段設置在系統的前面，因此又稱為前置式反硝化生物脫氮系統，是目前較為廣泛采用的一種脫氮工藝。反硝化反應以污水中的有機物為碳源，曝氣池中含有大量硝酸鹽的回流混合液，在缺氧池中進行反硝化脫氮。在反硝化反應中產生的堿度可補償硝化反應中所消耗的堿度的50%左右。該工藝流程簡單，無需外加碳源，因而基建費用及運行費用較低，脫氮效率一般在70%左右;但由于出水中含有一定濃度的硝酸鹽，在二沉池中，有可能進行反硝化反應，造成污泥上浮，影響出水水質。

　　隨著生物脫氮技術的發展，新的工藝不斷被開發出來，如氧化溝、序批式活性污泥法等，可在同一池中通過控制運行條件，在不同時段，形成缺氧和好氧的條件，從而達到除碳和脫氮的目的。另外，人們又開發了與除磷相結合的脫氮工藝，該內容將在本節后面加以討論。

　　二、磷的去除

　　城市污水中的磷主要有三個來源：糞便、洗滌劑和某些工業廢水。污水中的磷以正磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷等形式溶解于水中。一般僅能通過物理、化學或生物方法使溶解的磷化合物轉化為固體形態后予以分離。除磷的方法主要分為物理法，化學法及生物法三大類。物理法因成本過高、技術復雜而很少應用。

　　下面主要介紹化學法及生物法。

　　1、化學法除磷

　　化學法是最早采用的一種除磷方法。它是以磷酸鹽能和某些化學物質如鋁鹽、鐵鹽、石灰等反應生成不溶的沉淀物為基礎進行的。

　　化學法的特點是磷的去除率較高，處理結果穩定，污泥在處理和處置過程中不會重新釋放磷而造成二次污染，但污泥的產量比較大。

　　2、生物法除磷

　　生物法除磷是新工藝，近二十年來受到了廣泛的重視和研究。它是利用微生物在好氧條件下對污水中溶解性磷酸鹽的過量吸收作用，然后沉淀分離而除磷。含有過量磷的污泥部分以剩余污泥的形式排出系統，大部分和污水一起進入厭氧狀態，此時污水中的有機物在厭氧發酵產酸菌的作用下轉化為乙酸苷;而活性污泥中的聚磷菌在厭氧的不利狀態下，將體內積聚的聚磷分解，分解產生的能量部分供聚磷菌生存。另一部分能量供聚磷菌主動吸收乙酸苷轉化為PHB的形態儲藏于體內。聚磷分解形成的無機磷釋放回污水中，這就是厭氧放磷。進入好氧狀態后，聚磷菌將儲存于體內的PHB進行好氧分解并釋出大量能量供聚磷菌增殖，部分供其主動吸收污水中的磷酸鹽，以聚磷的形式積聚于體內，這就是好氧吸磷。由于活性污泥在運行中不斷增殖，為了系統的穩定運行，必須從系統中排除和增殖量相當的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含過量吸收磷的聚磷菌，也就是從污水中去除的含磷物質。這就是厭氧和好氧交替的生物處理系統除磷的本質。

　　從以上論述可知，在厭氧狀態下放磷愈多，合成的PHB愈多，則在好氧狀態下合成的聚磷量愈多，除磷的效果也就愈好。合成PHB的量和碳源的性質密切相關，乙酸等低級脂肪酸易被聚磷菌吸收轉化為PHB，因而在厭氧區加入消化池上清液可提高放磷速率。硝酸鹽對厭氧放磷不利，它有助于反硝化菌的增長，從而和聚磷菌爭奪碳源，抑制其生長和放磷。溫度對放磷也有重要的影響。當溫度從10℃上升到30℃時，放磷速率可提高5倍。

　　生物除磷的基本類型有二種：A/O法城市污水的深度處理---氮磷的去除和Phostrip工藝城市污水的深度處理---氮磷的去除)。

　　(1)A/O法是由厭氧池和好氧池組成的同時去除污水中有機污染物及磷的處理系統。

　　為了使微生物在好氧池中易于吸收磷，溶解氧應維持在2mg/L以上，pH值應控制在7—8之間。磷的去除率還取決于進水中的BOD5與磷濃度之比。

　　(2) Phostrip工藝

　　該工藝主流是常規的活性污泥工藝，而在回流污泥過程中增設厭氧放磷池和上清液的化學沉淀池，稱為旁路。約0.1～0.2qv的回流污泥經厭氧放磷后再和進水一起進入曝氣池吸收磷。因而該法是一種生物法和化學法協同的除磷方法。該工藝操作穩定性好，出流中磷含量可小于1.5mg/L。

　　3、生物脫氮除磷

　　為了達到在一個處理系統中同時去除氮、磷的目的，近年來，各種脫氮除磷工藝應運而生。主要是A2/O工藝、改進的Bardenpho工藝、UCT工藝和SBR工藝。

　　1)A2/O工藝

　　在原來A/O工藝的基礎上，嵌入一個缺氧池，并將好氧池中的混合液回流到缺氧池中，達到反硝化脫氮的目的，這樣厭氧一缺氧一好氧相串聯的系統能同時除磷脫氮。簡稱A2/O工藝。

　　該處理系統出水中磷濃度基本可在1mg/L以下，氨氮也可在15mg/L.以下。由于污泥交替進入厭氧和好氧池，絲狀菌較少，污泥的沉降性能很好。

　　2)改進的Bardenpho工藝

　　改進的Bardenpho工藝由四池串聯，即缺氧一好氧一缺氧池一好氧池。類似二級A/O工藝串聯。第二級A/O的缺氧池基本上利用內源碳源進行脫氮，最后的曝氣池可以吹脫氨氮，提高污泥的沉降性能。

　　為了提高除磷的穩定性，在Bardenpho工藝流程之前增設一個厭氧池，以提高污泥的磷釋放效率。只要脫氮效果好，那么通過污泥進入厭氧池的硝酸鹽是很少的，不會影響污泥的放磷效果，從而使整個系統達到較好的脫氮除磷效果。

　　3)UCT工藝

　　在改進的Bardenpho工藝中，由于二沉池回流污泥中很難避免有一些硝酸鹽回流到流程前端的厭氧池，從而影響除磷效果;為此，UCT工藝將二沉池的回流污泥回流到缺氧池，污泥中攜帶的硝酸鹽在缺氧池中反硝化脫氮。同時為彌補厭氧池中污泥的流失，增設缺氧池至厭氧池的污泥回流。這樣厭氧池可免受硝酸鹽的干擾。

　　4)SBR工藝

　　SBR工藝是將除磷脫氮的各種反應，通過時間順序上的控制，在同一反應器中完成。如進水后進行一定時間的缺氧攪拌，好氧菌將利用進水中攜帶的有機物和溶解氧進行好氧分解，此時水中的溶解氧將迅速降低甚至達到零，這時厭氧發酵菌進行厭氧發酵，反硝化菌進行脫氮;然后停止攪拌一段時間，使污泥處于厭氧狀態，聚磷菌放磷;接著進行曝氣，硝化菌進行硝化反應，聚磷菌吸磷，經一定反應時間后，停止曝氣，進行靜止沉淀，當污泥沉淀下來后，撇出上部清水而后再放人原水，如此周而復始。研究表明，SBR工藝可取得很好的脫氮除磷效果。自動控制系統的完善，為SBR的應用提供了物質基礎。SBR是間歇運行的，為了連續進水，至少需設置二套SBR設施，進行切換。

　　4、脫氮除磷活性污泥法的影響因素

　　影響傳統活性污泥法的因素同樣影響生物脫氮除磷活性污泥法，但影響的程度則可能有差異，因為主體微生物的生理特性和環境要求有差異。

　　影響因素主要有三類：

　　①環境因素，如溫度、pH、溶解氧;

　　②工藝因素，如泥齡、各反應區的水力停留時間;

　　③污水成分，如B0D5與N、P的比值。

　　生命活動一般都受溫度影響，通常溫度上升，活性加強。溫度影響應在處理設施長期的運行中留心考察。

　　城市污水的pH值通常在7左右，適于生物處理，略有波動影響不大，未見因pH值波動而運行失敗的報導。硝化菌和聚磷菌對pH較為敏感，pH值低于6.5時影響嚴重，處理效率下降。

　　硝化菌和聚磷菌要求有氧區有豐富的溶解氧，而在缺氧區或無氧區沒有溶解氧。但回流混合液和回流污泥挾帶溶解氧，因而有氧區溶解氧也不宜過高，通常維持在2mg/L左右。

　　生物除磷泥齡越短，污泥含磷量越高，因而希望在高負荷下運行;但除磷的同時又希望脫氮，而硝化只能在泥齡長的低負荷系統中才能進行，因而是有矛盾的。這種矛盾在水溫較低時更明顯，水溫低于15℃時，硝化效果下降。

　　通常城市生活污水比較高的N、P的組成，可適應生物脫氮除磷的要求。近年來的研究表明，通過缺氧、厭氧和好氧的合理組合，并提高活性污泥的濃度，在水力停留時間接近傳統活性污泥法的情況下，出水COD、BOD5、SS、NH3—N和總磷都能達到排放標準。若N或P過高，則較難同時達到排放標準。