隨著水體富營養(yǎng)化的問題日益嚴重，對城市污水中氮、磷的去除要求也越來越高。但去除氮、磷所需的環(huán)境條件相互矛盾，要達到同時去除氮、磷的目的，有必要先弄清二者之間的關(guān)系。

泥齡對于生物脫氮工藝而言是一個重要的設(shè)計參數(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(即它們最大比增長速率的倒數(shù))。作為硝化過程的主體，硝化菌通常都屬于自養(yǎng)型專性好氧菌。這類微生物的一個突出特點是繁殖速度慢，世代時間長。一般而言，生物脫氮工藝的污泥泥齡可以計算，但應(yīng)按計算值乘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10~15 d，較長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。對于生物除的

磷系統(tǒng)而言，泥齡越長，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，還會由于有機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)能順利地進行。反硝化以硝酸鹽為電子受體，以有機物為電子供體，使硝酸鹽中的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨鈴膹U水中釋放出來。在實際工程中，反硝化菌主要利用易于被生物降解的有機物為碳源，此時反硝化反應(yīng)速率較快，缺氧區(qū)則可以有較小的容積。一般認為，當廢水中的BOD5和 TKN之比在5~8時，可認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物質(zhì)的含量、種類及其與微生物營養(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不可忽視的控制因素。就厭氧段中的有機物質(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，進水中的BOD5/TP應(yīng)控制在20~30。也有人指出，進水中的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物，這不可避免地會影響缺氧區(qū)反硝化過程的進行?？紤]到我國城市污水BOD普遍偏低的情況，磷的達標處理是相當困難的。 K.S Kim 等在Phostrip工藝曝氣池前設(shè)反硝化段，強化了脫氮功能，同時也避免了二沉池回流污泥中高濃度硝酸鹽對釋磷的抑制。該工藝耐沖擊負荷，缺點是工藝流程復(fù)雜，運行管理不便。近年來，國外公司向中國推薦設(shè)計的城市污水處理工藝，出水總磷也只能保證達到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，攜帶的硝酸鹽對工藝的除磷效果有不利的影響。有人通過實驗發(fā)現(xiàn)，當回流污泥中硝酸鹽上升時，系統(tǒng)的除磷效果有下降趨勢，但并不成比例，有一組實驗還發(fā)現(xiàn)了相反的例子?？傊亓魑勰嘀械南跛猁}對生物除磷系統(tǒng)的厭氧釋磷會構(gòu)成不利的影響，但就整個系統(tǒng)的除磷效果而言硝酸鹽的作用不完全一致。有的不對系統(tǒng)除磷效果構(gòu)成不利影響，可能與具體的進水水質(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。針對上述情況，近年來先后提出了時間順序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。

進人20世紀90年代后，尋找快速可替代有機碳源已經(jīng)成了污水生物除磷脫氮的研究拉點之一。在城市污水中顆粒態(tài)有機物(占污水COD組成的60%)可通過沉淀去除，其中般初沉池對其去除率可達60%。這些顆粒態(tài)有機物再加上初沉池中的脂肪、蛋白質(zhì)等就構(gòu)成了大量的有機碳源，如果能將這些慢速降解有機碳源的一部分轉(zhuǎn)化為快速降解碳源再投加到污水中去，則該部分轉(zhuǎn)化來的快速有機碳源將使污水的生物除磷脫氮效率大大提高?；谶@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)酵池上清液來補充原水VFA含的不足，但由于初沉污泥水解發(fā)酵需要較長停留時間，發(fā)酵池所需體積較大，而且有機物解過程也不易控制在水解發(fā)酵階段，同時部分非聚磷苷糖元積累菌(GAO)和產(chǎn)甲烷菌的增殖也會消耗掉相當一部分由厭氧水解發(fā)酵菌產(chǎn)生的VFA，使得這一彌補碳源不足的方法難于收到預(yù)想的效果。所以國內(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)化為快速有機碳源，以達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，人們逐漸認識到反硝化菌與聚磷菌間的矛盾要是由基質(zhì)競爭引起的，因而現(xiàn)今有很大一部分研究者將工作的重點轉(zhuǎn)移到了對碳源需求研究上。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，這樣水中的有機物在經(jīng)厭氧聚磷菌的利用后已經(jīng)所剩無幾，因此就影響到了隨后的缺氧區(qū)的反硝化過程。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行反硝化作用，這樣對碳源的競爭就可以在很大程度上得到了緩解。這種做法當然是以犧牲系統(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，是值得進一步研究的?；诖擞^點，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。

國內(nèi)外有些學(xué)者設(shè)想如果將反硝化與除磷這兩個需碳源的過程合二為一，即在缺氧環(huán)境下利用硝酸鹽作為電子受體，同時進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物同時用于脫氮和攝磷，以克服污水中碳源不足的問題，提高脫氮除磷效率。近幾年國外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)境下同時進行反硝化作用和超量聚磷，故認為存在反硝化聚磷的細菌(DNPAO)。Meinhold在實驗室進行間歇試驗也觀察到同步脫氮除磷的現(xiàn)象，證明部分PAO具有利用硝酸鹽進行脫氮的能力。在國內(nèi)，王志盈等在試驗中也觀察到了PAO的反硝化聚磷能力，即利用這種細菌來進行生物除磷脫氮。既可以基本解決以上所提到的碳源需求等問題，又可以用DNPAO來實現(xiàn)傳統(tǒng)除磷脫氮工藝中的反硝化菌和聚磷菌兩類細菌的功能，減少污泥產(chǎn)量，降低污泥處理費用，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量攝取受限，硝酸鹽濃度過高時帶入?yún)捬醵蔚南跛猁}會影響到磷額釋放。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）工藝的改進型，區(qū)別是在第一個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。個反應(yīng)單元在系統(tǒng)中都反復(fù)進行二次或二次以上，都有首要功能并兼行其他項功能，除磷效果好。

但該工藝泥領(lǐng)較長，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，增加了厭氧段有機物的利用率。與A/O工藝相比，在適當?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。當進水工TKN/COD較高時，缺氧區(qū)無法實現(xiàn)完全的脫氮，仍有部分硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)。為減少進入?yún)捬醭氐南鯌B(tài)氮，保證污泥的良好沉淀性能，開普敦大學(xué)又開發(fā)了改進的UCT工藝，即MU JCT工藝。

MUCT工藝有兩個缺氧池，前前一個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，進一步減少硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)的可能，其內(nèi)進行反硝化?；窘鉀Q了UCT工藝存在的問題，最大限度地消除了向厭氧池回流過程中硝酸鹽對攝磷的不利影響，由于增加了混合液回流，其運行費用較高。其代價是池內(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。國內(nèi)對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。在實際運行過程中，進水的TKN(總凱氏氮)/COD較高時，需降低混合液的回流比以防止NO-3進入?yún)捬醭?，但回流比太小會增加厭氧池的停留時間。

三、VIP工藝

VIP工藝是美國弗吉尼亞州Hampton Roads 公共衛(wèi)生區(qū)與CH2M HILL公司為該區(qū) Lamberts Point污水處理廠改擴建設(shè)計的。與 UCT工藝非常相似，區(qū)別體現(xiàn)在池型構(gòu)造和運行參數(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磷的吸收速度，比單個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，硝酸鹽的含量很少，基本上沒有硝酸鹽進入到厭氧池，保證了厭氧條件。采用高負荷運行，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，中國市政工程華北設(shè)計院開發(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%左右的進入該池，微生物利用短暫的停留時間和進水中的有機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，以及避免工藝過程抗回流硝酸鹽的影響能力不夠強的弱點，吸收改良A2/O的優(yōu)點，降低處理工藝的總體反硝化水平，中國市政工程華北設(shè)計院結(jié)合實際工程又開發(fā)了倒置A2/O工藝。