歐洲城市污水處理技術——可持續生物除磷脫氮工藝

 　　以控制富營養化為目的的氮、磷脫除已成為各國主要的奮斗目標。無疑，應付日趨嚴格的排放標準，傳統工藝會因上述弊端而雪上加霜。在此情形下，發展可持續污水處理工藝變得勢在必行。所謂可持續污水處理工藝就是朝著zui小的COD氧化、zui低的CO2釋放、zui少的剩余污泥產量以及實現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解決污水處理問題，即污水處理不應僅僅是滿足單一的水質改善，同時也需要一并考慮污水及所含污染物的資源化和能源化問題，且所采用的技術必須以低能量消耗（避免出現污染轉移現象）、少資源損耗為前提。

 　　發展新穎的污水生物處理工藝依賴于在微生物學及生物化學方面的新發現或新認識。荷蘭研究人員Mulder在10年前發現了厭氧氨（氮）氧化現象。與此同時，南非、荷蘭、日本等國科學家對生物攝/放磷代謝機理重新認識后確定了反硝化除磷新途徑。這兩種新技術的研發與應用對發展可持續污水生物處理工藝具有劃時代意義的推動作用。本文以厭氧氨氧化和反硝化除磷技術為藍本，詳細介紹它們的技術原理、工藝流程以及在歐洲的應用情況；在此基礎之上提出一個以轉換有機能源（甲烷）、回收磷化合物（鳥糞石）和回用處理水（非飲用目的）為目標的可持續城市污水生物除磷脫氮技術推薦工藝。

 　　在污水生物除磷實踐中，南非開普頓大學（UCT）研究人員zui早發現專性好氧細菌不是*對磷的生物攝/放起作用的菌種，兼性反硝化細菌也有著很強的生物攝/放磷現象。反硝化細菌的生物攝/放磷作用被荷蘭代爾夫特工業大學（TUDelft）和日本東京大學（UT）研究人員合作研究確認，并冠名為反硝化除磷（denitrifyingdephosphatation）。在磷的生物攝/放過程中，反硝化除磷細菌以硝酸氮取代氧作為電子接受體，也就是說反硝化除磷細菌能將反硝化脫氮和生物除磷這兩個原本認為彼此獨立的作用合二為一。顯然，在結合的除磷脫氮過程中，COD和氧的消耗量均能得到相應節省。比較傳統的專性好氧磷細菌去除工藝，反硝化除磷細菌能分別節省約50%和30%的COD與氧的消耗量，相應減少剩余污泥量50%。在反硝化除磷過程中由于COD需要量的大為減少，過剩的COD因此能被分離，并使之甲烷化，從而避免COD單一的氧化穩定（至CO2）。歸因于曝氣能量的減少，以及過剩COD甲烷化后能量的產生，這種綜合的能量節約zui終會導致釋放到大氣的CO2量明顯減少。因此，具有反硝化除磷細菌富集的處理系統可以被視為可持續處理工藝。 傳統上，兩個已得到充分確認的生物途徑，硝化（NH+4→NO3-）與反硝化（NO3→N2）被應用于污水處理的生物脫氮。這種傳統生物脫氮途徑從可持續角度看并不是*的，因為充分地氧化氨氮到硝酸氮首先要消耗大量能源（因曝氣）；其次，還需要有足夠碳源（COD）來還原硝酸氮到氮氣。對這一傳統脫氮途徑的改進可借助于新近由荷蘭TUDelft研發的一種中溫亞硝化技術——SHARON來實現。在亞硝化/反硝化脫氮途徑中，亞硝酸氮為僅有的中間過渡形態；這一途徑無論對氧化（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消耗量的雙重節約。顯然，亞硝化/反硝化脫氮途徑可以成為一種可持續的脫氮技術。

 　　此外，荷蘭TUDelft研究人員幾乎在同一時期還試驗確認了一種新的氨氮轉換途徑，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氣成為可能。這種厭氧條件下的氨氮氧化與亞硝化過程（如SHARON工藝）相結合在工程上能夠實現氨氮的zui短途徑轉換，這就意味著生物脫氮過程中能源與資源消耗量的zui小化*可能。污水處理過程中氮的所有可能轉換途徑列于圖1.與傳統脫氮工藝相比較，很明顯，由厭氧氨氧化與亞硝化工藝相結合的氮的*自養轉換方式是一種zui可持續的污水脫氮途徑。