6000字讓你輕松讀懂12個脫氮除磷工藝！
生物脫氮除磷（Biological Nutrient Removal，簡稱BNR）是指用生物處理法去除污水中營養(yǎng)物質(zhì)氮和磷的工藝。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，脫氮除磷工藝演變出了多種工藝和工藝變種，為我們選擇污水處理技術(shù)路線，提供了很多種選項。
一、A2/O工藝
1、厭氧池
圖1為傳統(tǒng)的A2/O工藝流程，首段為厭氧池，本池的主要作用為釋放磷（具體反映機理看前面），其次在本池中也可發(fā)生水解酸化反應(yīng)。原水與同步進入的二沉池回流的含磷污泥二者混合后再兼性厭氧發(fā)酵菌的作用下部分易生物降解的大分子有機物被轉(zhuǎn)化為小分子的揮發(fā)性脂肪酸（VFA），聚磷菌將細胞內(nèi)的聚磷水解成正磷酸鹽，釋放到水中，釋放的能量可供轉(zhuǎn)型好氧的聚磷菌在厭氧的壓抑環(huán)境下維持生存，同時吸收水解后的小分子有機物合成PHB并儲存在體內(nèi)。另外，NH4+-N因細胞的合成而被去除一部分，同時回流污泥的稀釋作用使污水中的NH4+-N濃度下降；另外回流污泥中的NO3—-N進入?yún)捬醭睾笱杆倮迷械目焖俳到庥袡C物而被還原為氮氣釋放，會部分去除進水中的有機物，該池出水幾乎不含NO3—-N。
影響因素：對于高氨氮廢水，污泥回流中攜帶有大量的NO3—-N，當(dāng)硝氮濃度≥4mg/L時，將減少了據(jù)鄰居釋放所獲得的溶解性有機物的量，不能是該池形成較好的兼性厭氧環(huán)境，不僅不利于據(jù)鄰居的釋磷反應(yīng)，而且也不利于大分子的厭氧發(fā)酵為小分子有機物，對釋磷反應(yīng)不利。
2、缺氧池
廢水經(jīng)過厭氧池進入缺氧池，該池首要功能為反硝化脫氮，硝氮通過內(nèi)循環(huán)由好氧池進入缺氧池，回流比通過總氮去除率進行計算（見公式1）?；旌弦哼M入缺氧段后，反硝化菌利用污水中的有機物將回流液中的硝態(tài)氮還原為氮氣釋放到空氣中，因此有機物濃度和硝態(tài)氮濃度都會大幅度降低。其次，該段可能發(fā)生磷的釋放和吸收（反硝化除磷）反應(yīng)，或者兩者同時存在。另外，生活污水處理過程中，缺氧池末端的COD基本在50以下甚至更低，在不考慮好氧池同步硝化反硝化的情況下TN濃度和出水基本相同。
η=r/（1+r）————1
其中：η：總氮去除率；
r：回流比
3、好氧池
混合液從缺氧池進入好氧池，曝氣池的這一反應(yīng)單元室多功能的，去除BOD、硝化、吸收磷等反應(yīng)都在本反應(yīng)器內(nèi)進行?；旌弦河袡C物濃度已經(jīng)很低，聚磷菌主要是靠分解體內(nèi)儲存的PHB來獲取能量供自身生長繁殖，同時超量吸收水中的溶解性正磷酸鹽以聚磷（Poly-P）的形式儲存在細胞內(nèi)，經(jīng)過沉淀排出剩余污泥，達到除磷的效果。有機氨被氨化繼而被硝化，氨氮濃度顯著下降。隨著硝化過程的進行，硝氮濃度增加，堿度降低（對于高氨氮廢水，需在好氧池中大量投加堿才能維持硝化反應(yīng)的進行）。
4、A2/O工藝的優(yōu)缺點
優(yōu)點：同時脫氮除磷；反硝化過程為硝化提供堿度；釋磷及反硝化過程同時除去有機物；污泥沉降性能好，SVI值一般均小于100。
缺點：①回流污泥含有硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)，對除磷效果有影響；②脫氮受內(nèi)回流比影響；③聚磷菌和反硝化菌都需要易降解有機物。
A2/O這是一個很成熟的脫氮除磷工藝，后續(xù)介紹的其他脫氮處理工藝基本上是為克服A2/O工藝的缺點而進行改動的，從而在節(jié)能的基礎(chǔ)之上滿足出水要求。
在A2/O工藝運行中經(jīng)常一些問題，如：絲狀菌膨脹、污泥老化、SVI值過高、厭缺氧池表面出現(xiàn)黑色或者黃色浮泥、曝氣池表面出現(xiàn)白色泡沫或者粘稠的黃色泡沫、二沉池跑泥等等。出現(xiàn)這些問題，除進水指標的波動、設(shè)計缺陷外，其他均為工藝參數(shù)沒有控制好所導(dǎo)致的。關(guān)于工藝參數(shù)的控制，這個在書本上僅僅給出了一個參考值，比如：
DO：2-4mg/L
污泥齡：10-15d
C：N：P=100：5:1
反硝化碳氮比：（4-6）:1
碳磷比：20:1
MLSS：3000-4000mg/L
混合液回流比：200-300%
污泥回流比：50-100%
厭、缺氧池攪拌功率：4-8W/m3（我是根據(jù)水質(zhì)、池體類型進行選型）
HRT：6-8h（針對市政污水，實際經(jīng)驗告訴我，這個停留時間誰用誰哭）
厭氧：缺氧：好氧停留時間：1:1:（3-4）（這也是誰用誰哭）
甚至有些半吊子設(shè)計人員根據(jù)這些工藝參數(shù)去設(shè)計工業(yè)廢水，對于這點，我真的很佩服設(shè)計人員的膽大、業(yè)主的摳門。
這些工藝參數(shù)只是參考，運行參數(shù)需要針對自己的污水廠/污水站的實際情況進行調(diào)整，從而達到良好的處理效果。所以，在運行中各位污師需要針對問題進行分析，找到問題的根本所在，而不是盲目的排泥、投加碳源、投加營養(yǎng)、增加/減少曝氣等等。在自我分析問題之后可以到污托邦社區(qū)或者污托邦群里面進行討論，而不是出現(xiàn)問題第一時間問別人，每個人運行的污水廠/污水站的情況都不一樣，別人給你的只會是他遇到過的情況，但不一定適用于你運營的污水廠，甚至有時候同樣一個現(xiàn)象，在不同污水廠發(fā)生的機理是完全相反的。
二、倒置A2/O工藝
與常規(guī)的A2/O工藝相比，倒置A2/O工藝（見圖2）從前往后以此為缺氧-厭氧-好氧，該工藝的設(shè)計初衷是為了降低污泥回流中硝態(tài)氮對厭氧釋磷的影響，特別是對于高氨氮廢水污泥回流中攜帶有大量的硝氮，抑制厭氧釋磷反應(yīng)。同時，為了解決碳源分配的問題，采用兩點進水的方式來提供厭氧釋磷中有機物的消耗。
該工藝由于硝態(tài)氮在前端的缺氧池中完全反硝化，消除了硝氮對厭氧釋磷的不利影響，從而保證厭氧釋磷的穩(wěn)定進行，并且聚磷菌釋磷后直接進入生化效率比較高的好氧環(huán)境，使其在厭氧條件下形成的吸磷動力得到了更有效的利用。
有些設(shè)計人員在設(shè)計倒置A2/O工藝時省去了混合液回流，通過增大二沉池的污泥回流來滿足反硝化需求。增大污泥回流雖然不改變二沉池的比表面積負荷率，但是在一定程度上降低了二沉池的沉淀時間，不建議采用。
厭氧釋磷的實際停留時間（含回流量）一般要求在0.5-2h，倒置A2/O雖然滿足了硝氮對厭氧釋磷的影響，但是需要增加厭氧池的池容，從而滿足厭氧釋磷實際停留時間的要求，增加了土建成本。同時多點進水需要很好的進行控制，以此來調(diào)整厭、缺氧池的碳源配比達到良好的脫氮除磷效果。
該工藝適合原水中TN含量比較高的廢水，只要缺氧池的容積設(shè)計的合理可以完全反硝化，從而為厭氧釋磷提供良好的厭氧環(huán)境。
三、A+A2/O工藝與JHB工藝
A+A2/O工藝（見圖3）與A2/O工藝相比，在厭氧池的前段增加了一個預(yù)脫硝池，主要是為了解決污泥回流中攜帶的硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。該工藝與UCT工藝的目的是相同的。
在進水TN含量較高的情況下，該工藝不太適用，因為污泥回流中攜帶有大量的硝氮，預(yù)脫硝池因設(shè)計停留時間過短（一般在0.5-0.8h）無法進行完全的反硝化反應(yīng)，從而影響厭氧釋磷。
1991年，Pitman等人提出Johannesburg（JHB）工藝，該工藝是在A2/O工藝到厭氧區(qū)污泥回流路線中增加了一個缺氧池（見圖4），來自二沉池的污泥可利用33%左右（進水分配可調(diào)）進水中的有機物作為反硝化碳源去除硝態(tài)氮，以消除硝酸鹽對厭氧池厭氧釋磷的不利影響。
其實這兩個工藝是一樣的，只是叫法不同。在設(shè)計中A+A2/O工藝也會設(shè)計多點進水，畢竟碳源的有效分配是關(guān)鍵。
四、UCT工藝
A2/O工藝的回流污泥中很難保證不含有硝氮，為了徹底排除在厭氧池中硝氮的干擾，南非開普敦大學(xué)于1983年開發(fā)了UCT工藝（見圖5），將污泥回流至缺氧區(qū)，并增加了從缺氧段至厭氧段的缺氧混合液回流，使污泥經(jīng)缺氧反硝化后再回流至厭氧區(qū)，減少了回流污泥中的硝酸鹽含量，盡量的避免了硝態(tài)氮對厭氧釋磷的影響，同時在該工藝總存在反硝化除磷現(xiàn)象。但當(dāng)進水碳氮比較低時缺氧池不能實現(xiàn)完全反硝化，仍有一部分硝氮回流到厭氧區(qū)對厭氧釋磷產(chǎn)生不利影響。
書本上給出的設(shè)計參數(shù)：厭氧區(qū)HRT 1-2h；缺氧區(qū)HRT 2-4h；好氧區(qū)HRT 4-12h；污泥回流比80%-100%；缺氧回流比200%-400%；硝化液回流比100%-300%。（以上數(shù)據(jù)僅為參考，在設(shè)計時需要根據(jù)實際水質(zhì)進行設(shè)計。）
五、MUCT工藝
與A2/O工藝相比，UCT工藝在適當(dāng)?shù)腃OD/KTN比例下，缺氧池的反反硝化可使厭氧池回流液中的硝氮含量接近于零。當(dāng)進水COD/KTN較低時，缺氧池?zé)o法實現(xiàn)完全的脫氮，導(dǎo)致有一部分硝氮隨缺氧回流進入?yún)捬醭兀虼擞之a(chǎn)生了改良型UCT工藝—MUCT工藝（見圖6）。
MUCT工藝有兩個缺氧池，第一個缺氧池接受二沉池回流污泥，后一個缺氧池接受好氧池硝化液回流，使污泥的脫氮與混合液的脫氮完全分開，進一步減少硝酸鹽進入?yún)捬醭氐目赡苄浴?/p>
該工藝的主要目的是優(yōu)化除磷效果，第二個缺氧池進水中含有一定量的碳源，該部分碳源反硝化速率較高，在該部分碳源消耗殆盡后，還可進行內(nèi)源呼吸反硝化，雖然反硝化速率較低，但可進一步提高TN的去除率。
六、Bardenpho工藝系列
6.1 Bardenpho工藝（兩級AO工藝）
Barnard（1974）開發(fā)的Bardenpho工藝屬于早期生物脫氮（除磷）工藝，其目的是不投加外部碳源的情況下脫氮率達到90%以上。如圖7所示，在第一個缺氧段，來自硝化段的混合液內(nèi)回流中含有大量的硝氮，在第一個缺氧段中利用原水中的碳源作為電子供體，進行反硝化，在該段去除的硝氮約占70%（根據(jù)設(shè)計停留時間的不同，去除率也不相同）。BOD去除、氨氮氧化和磷的吸收都是在硝化（第一個好氧池）段完成的。第二缺氧段提供足夠的停留時間，通過混合液的內(nèi)源呼吸進一步去除殘余的硝氮。最終好氧段為混合液提供短暫的曝氣時間，以降低二沉池出現(xiàn)厭氧狀態(tài)和釋磷的可能性。
6.2 五段Phoredox工藝（簡稱為Phoredox工藝）
由于發(fā)現(xiàn)Bardenpho工藝中混合液回流中的硝氮對生物除磷有非常不利的影響，通過Bardenpho工藝的中試研究，Barnard（1976）提出真正意義上的生物脫氮除磷工藝流程（見圖8），即在Bardenpho工藝前段增設(shè)一個厭氧區(qū)。這一工藝流程在南非稱為五段Phoredox工藝（簡稱為Phoredox工藝），在美國稱之為改良型Bardenpho工藝。改良型Bardenpho工藝通常按低污泥負荷（較長污泥齡）方式設(shè)計和運行，目的是提高脫氮效率。
五段Phoredox工藝使用的SRT比A2/O工藝更長（10-20d），其他設(shè)計參數(shù)為：厭氧區(qū) HRT=0.5-1h；第一缺氧區(qū)HTR=1-3h；第二缺氧區(qū)HRT=2-4h；第一好氧區(qū)HRT=4-12h，第二好氧區(qū)HRT=0.5-1h；污泥回流比為50%-100%；混合液回流比為200%-400%。（以上數(shù)據(jù)僅供參考，具體設(shè)計請根據(jù)水質(zhì)進行變動。）
6.3 3段改良Bardenpho工藝（或A2/O工藝）
測試表明，五段Phoredox工藝并不能將硝酸鹽含量降低至零，與第一缺氧區(qū)相比，第二缺氧池因為采用內(nèi)源呼吸反硝化導(dǎo)致單位容積反硝化速率相當(dāng)?shù)?。第二缺氧池的低效促使Simpkins和McLaren（1978）提出，在某些情況下可取消第二缺氧池，適當(dāng)加大第一缺氧池，以獲得最大的反硝化處理效果和最低的回流污泥硝酸鹽濃度，即3段改良Bardenpho工藝（見圖9），也就是目前常用的A2/O工藝。
七、約翰內(nèi)斯堡（Johannesburg）工藝
本工藝源自南非約翰內(nèi)斯堡，為UCT變型工藝，該工藝（見圖10）的主要目的是盡量減少污泥回流中的硝氮進入?yún)捬醭?，提高較低進水濃度廢水德爾處理效率（其實脫氮工藝就是碳源的合理分配問題，在不考慮反硝化除磷的情況下，低COD廢水，除磷量越多，反硝化脫氮越差，關(guān)鍵是看操作人員如何取舍）。回流活性污泥直接進入缺氧池，該池有足夠的停留時間利用內(nèi)源呼吸去還原污泥中攜帶的硝氮，然后再進入?yún)捬鯀^(qū)進行釋磷反應(yīng)。（題外話，這個工藝在有些資料上給歸為JHB工藝，我認為知道工藝的原理就行，有些問題沒必要去糾結(jié)。）
八、PASF工藝
針對A2/O工藝中各菌群間污泥齡需求矛盾的問題，近年來有很多研究提出將活性污泥法和生物膜法相結(jié)合（非泥膜共存工藝）以緩解這一矛盾。這時系統(tǒng)中就存在兩類菌群：短泥齡懸浮活性污泥和長齡生物膜上附著的菌群，這樣能很好的解決硝化細菌與聚磷菌間的泥齡矛盾。在此基礎(chǔ)之上發(fā)展的工藝為PASF工藝，（見圖11）。該工藝分為前后兩段，前段采用活性污泥法，主要包括厭氧、缺氧、好氧、二沉等；后段采用生物膜法，主要采用曝氣生物濾池或者加裝填料的生物膜池。
該工藝中硝化作用主要集中在曝氣生物濾池內(nèi)，大量的硝化反應(yīng)在二沉池之后完成，避免了污泥回流攜帶硝氮對厭氧釋磷的影響。另外硝化菌和聚磷菌的分開更有利于營造最適宜各類菌群生長的環(huán)境。該工藝中，菌群分開專性較強，可以縮短各反應(yīng)器的停留時間。同時，在前段活性污泥工藝中釋磷菌在缺少好氧除磷的情況下，反硝化除磷菌（DPB）可以大量富集從而產(chǎn)生反硝化除磷反應(yīng)，節(jié)省碳源、節(jié)省能耗。
該工藝在設(shè)計中，好氧池起到降低污泥沉降比、進一步降低BOD（不影響硝化反應(yīng)）的功能，幾乎不參與硝化反應(yīng)，所以該池停留時間可以很短（1-2h）。
九、Dephanox工藝
Wanner（1992）首次提出Dephanox雙污泥反硝化脫氮除磷工藝雛形（見圖12）。
所謂雙污泥系統(tǒng)就是硝化菌獨立于反硝化除磷菌（DPB）而單獨存在于固定膜生物反應(yīng)器中。該工藝解決了聚磷菌和反硝化菌競爭碳源的問題（參照反硝化除磷原理），同時也巧妙的解決了活性污泥系統(tǒng)培養(yǎng)硝化菌需要的較長SRT這一不利條件。
在該工藝中，含DPB回流污泥首先在厭氧池完成釋磷和儲存PHB，經(jīng)過快沉池分離后，富含DPB的污泥超越固定膜反應(yīng)器至缺氧池，含氨氮的上清液直接進入固定膜反應(yīng)器，進行好氧硝化，產(chǎn)生的硝化液流入缺氧池后與DPB污泥接觸，完成反硝化除磷反應(yīng)。由于DPB污泥沒有經(jīng)過好氧池，所以它體內(nèi)的PHB幾乎全用于反硝化吸磷作用。因DPB每吸收1份的正磷酸鹽就需要7份的NO3—-N，故而在污水中N/P低于7時，就意味著缺氧池中硝氮含量不足導(dǎo)致不能徹底除磷，因此需要在缺氧池后增加再曝氣池，從而保證TP的穩(wěn)定達標。
其實該工藝還有一定的缺陷，比如：①厭氧池中無法完全吸附有機物，導(dǎo)致固定膜反應(yīng)器進水中攜帶有BOD，一方面抑制硝化反應(yīng)，另一方面造成有機物的浪費和能耗的增高；②在進水氨氮偏高時，缺氧池中反硝化除磷菌不能徹底的去除硝氮，導(dǎo)致出水TN的升高。