磷是生物圈中的重要元素之一，是生命活動(dòng)的一種必需元素，也是一切生物重要的營(yíng)養(yǎng)元素。它不僅是生物細(xì)胞中的重要組成成分，而且在遺傳物質(zhì)的組成和能量貯存中都是必需的。在大多數(shù)情況下，磷循環(huán)是一個(gè)單向流動(dòng)過(guò)程，磷被利用后，以污水的形式排入水體，是一種不可再生且面臨枯竭的重要自然資源。城市污水中的磷主要來(lái)源于人類(lèi)排泄物、食物殘?jiān)?、工商企業(yè)、合成洗滌劑和家用清洗劑、農(nóng)藥和化肥。對(duì)其中的磷若不進(jìn)行處理，則容易引起受納水體的富營(yíng)養(yǎng)化。水體富營(yíng)養(yǎng)化就意味著藻類(lèi)(主要是藍(lán)藻中的微囊藻屬M(fèi)icrocystis、腔球藻屬Coelosphaerium 和魚(yú)腥藻屬Anabaena)的過(guò)量增長(zhǎng)，其直接后果就是淡水水體發(fā)生“水華”，海洋發(fā)生“赤潮”，隨后藻類(lèi)死亡，最后造成水體質(zhì)量惡化和水生態(tài)環(huán)境的破壞，嚴(yán)重的則將進(jìn)一步影響人類(lèi)健康。  

目前，生物除磷技術(shù)有兩種作用機(jī)理：一類(lèi)是聚磷菌（Polyphosphate accumulating organisms，PAOs）以O(shè)2作為電子受體，在好氧條件下完成吸磷；另一類(lèi)是反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphate Removal Bacteria，DPB）以NO3-作為電子受體，在缺氧條件下完成吸磷。兩者都在厭氧條件下釋磷，并吸收水中揮發(fā)性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFA），完成磷的代謝循環(huán)。 

1  生物除磷原理  

傳統(tǒng)的厭氧-好氧除磷原理  

在厭氧段，兼性細(xì)菌通過(guò)發(fā)酵作用，將污水中溶解性BOD轉(zhuǎn)化為低分子發(fā)酵產(chǎn)物揮發(fā)脂肪酸(VFA) 。聚磷菌此階段分解體內(nèi)的聚磷酸鹽產(chǎn)生ATP，并利用ATP將水中的低分子發(fā)酵產(chǎn)物等有機(jī)物攝入細(xì)胞內(nèi)，以聚-β-羥基丁酸 (PHB) 、聚-β-羥基鏈烷酸( PHA)及糖原等有機(jī)顆粒的形式貯存于體內(nèi)，所需的能量來(lái)自聚磷酸鹽的水解及細(xì)胞內(nèi)糖的酵解，同時(shí)還將分解聚磷酸鹽所產(chǎn)生的磷酸釋放到胞外，即厭氧放磷。在好氧段，聚磷菌又可以利用聚-β-羥基丁酸鹽氧化分解所釋放的能量來(lái)攝取污水中的磷，并把所攝取的磷合成聚磷酸鹽貯存于細(xì)胞內(nèi)。一般來(lái)說(shuō)，微生物增殖過(guò)程中，在好氧環(huán)境下所攝取的磷多于厭氧環(huán)境中所釋放的磷，即好氧聚磷。此原理的本質(zhì)是通過(guò)聚磷菌過(guò)量攝取污水中的磷酸鹽，以不溶性的聚磷酸鹽的形式積累于胞內(nèi)，通過(guò)排放富含磷的廢棄污泥來(lái)去除污水中的磷。 

反硝化除磷原理  

反硝化除磷原理與傳統(tǒng)的除磷過(guò)程相似，但其在吸磷階段以硝酸鹽取代氧氣為電子受體進(jìn)行缺氧攝磷，同時(shí)硝酸鹽被還原成氮?dú)舛靡匀コ?，達(dá)到同時(shí)脫氮除磷的目的，實(shí)現(xiàn)了“一碳兩用”。  反硝化除磷機(jī)理可以借用PAOs釋放和吸收無(wú)機(jī)磷酸鹽的Comeau - Wentzel模式來(lái)解釋。如圖1 所示。在厭氧段，乙酸(以乙酸分子形式)通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞膜。一旦進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)，即與ATP水解反應(yīng)耦合，活化成為乙酰輔酶A，同時(shí)產(chǎn)生ADP。細(xì)胞通過(guò)刺激多聚磷酸鹽( Poly -Pn )到ATP的再合成，對(duì)ATP /ADP比例的降低做出響應(yīng)。部分乙酰輔酶A經(jīng)TCA循環(huán)被代謝，提供合成PHB所需的還原力(NADH + H+ ) 。其余的乙酰輔酶A被轉(zhuǎn)化為PHB，約有90%的乙酸碳被儲(chǔ)存在這種多聚物中。在缺氧段，污水中的無(wú)機(jī)磷酸鹽豐富，而DPB 的多聚磷酸鹽含量低。因?yàn)樵谌毖鯀^(qū)NOx - 是電子受體，所以DPB為了生長(zhǎng)，利用儲(chǔ)存的PHB作為碳源和能源，通過(guò)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP，進(jìn)行無(wú)氧呼吸。隨著ATP /ADP比例增加，多聚磷酸鹽的合成受到激勵(lì)，因而能夠從污水中去除磷酸根和相應(yīng)的陽(yáng)離子，在細(xì)胞內(nèi)重新儲(chǔ)存多聚磷酸鹽。                                     

2生物除磷工藝  

傳統(tǒng)的生物除磷工藝都是通過(guò)厭氧/好氧在時(shí)間或空間上不同的排列組合來(lái)實(shí)現(xiàn)除磷的目的，另外在流程中設(shè)置缺氧段，則可在同一工藝中實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫氮除磷。

1  Phostrip側(cè)流生物除磷工藝  

側(cè)流除磷工藝是將生物除磷與化學(xué)除磷相結(jié)合的工藝， Phostrip側(cè)流除磷工藝是在常規(guī)活性污泥工藝的基礎(chǔ)上，在回流污泥過(guò)程中增設(shè)厭氧磷釋放池和化學(xué)反應(yīng)沉淀池將來(lái)自常規(guī)生物除磷工藝的一部分回流污泥轉(zhuǎn)移到一個(gè)厭氧磷釋放池，釋放池內(nèi)釋放的磷隨上層清液流到磷化學(xué)反應(yīng)沉淀池，富磷上層清液中的磷在反應(yīng)沉淀池內(nèi)被石灰或其他沉淀劑沉淀，然后進(jìn)入初沉池或一個(gè)單獨(dú)的絮凝/沉淀池進(jìn)行固液分離，最終磷以化學(xué)沉淀物的形式從系統(tǒng)中去除。其優(yōu)點(diǎn)是出水總磷濃度低于1 mg/L，而且不太受進(jìn)水BOD的影響。

2  厭氧/好氧(A /O)生物除磷工藝  

A /O工藝是最簡(jiǎn)單的生物除磷工藝，反應(yīng)池劃分為好氧區(qū)和厭氧區(qū)，進(jìn)水與回流污泥在厭氧區(qū)進(jìn)水端混合后流經(jīng)多個(gè)反應(yīng)格串聯(lián)組成的厭氧區(qū)，隨后是多個(gè)反應(yīng)格串聯(lián)組成的好氧區(qū)，混合液最后進(jìn)入二沉池，通過(guò)固液分離，污泥從二沉池回流到厭氧區(qū)。部分富磷的污泥以廢棄污泥的形式從系統(tǒng)中排出，實(shí)現(xiàn)磷的去除。其特征是負(fù)荷高、泥齡和水力停留時(shí)間短。

3 厭氧/缺氧/好氧(A /A /O)生物脫氮除磷工藝  

為了同時(shí)達(dá)到脫氮除磷的目的，可在A /O工藝的厭氧區(qū)之后、好氧區(qū)之前增設(shè)一個(gè)缺氧區(qū)，好氧區(qū)具有硝化功能，并使好氧區(qū)的混合液回流到缺氧區(qū)，使之反硝化脫氮。其特征是在高負(fù)荷狀態(tài)下才能獲得良好的除磷效果，污泥齡短，水力停留時(shí)間短。

4 氧化溝工藝  

氧化溝的種類(lèi)很多，如Carrousel氧化溝、Orbal氧化溝、DE型氧化溝和三溝式氧化溝等。其特點(diǎn)是在氧化溝內(nèi)部隨曝氣位置的變化形成好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，從而達(dá)到脫氮除磷的目的。為了提高除磷效果，可在氧化溝前增設(shè)厭氧區(qū)。其工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，可不設(shè)二沉池，處理效果良好。

5 序批式反應(yīng)器( SBR)工藝  

SBR系統(tǒng)運(yùn)行模式為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水和閑置，這些都是在同一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行的。在進(jìn)水期既不混合也不曝氣，為了使微生物與底物有充分的接觸，進(jìn)水時(shí)也可以只攪拌而不曝氣，保證混合液處于厭氧狀態(tài);反應(yīng)期進(jìn)行曝氣，該階段反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)行碳氧化、硝化和磷的吸收，好氧階段的長(zhǎng)短一般由要求處理的程度決定;停止曝氣后，反應(yīng)器處于缺氧狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)行反硝化，達(dá)到脫氮的目的，缺氧期不宜過(guò)長(zhǎng)，以防止聚磷菌過(guò)量吸收的磷發(fā)生釋放;沉淀時(shí)反應(yīng)器處于完全靜止?fàn)顟B(tài)，所以其沉淀效果高于一般沉淀池的沉淀效率;沉淀完后進(jìn)行排水，排水期的長(zhǎng)短由一個(gè)周期的處理水量和排水設(shè)備來(lái)確定;當(dāng)系統(tǒng)為多池運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)器會(huì)有一個(gè)閑置期，在此階段從反應(yīng)器中排出廢棄富含磷的活性污泥。典型的SBR反應(yīng)器還包括其改進(jìn)工藝，如CASS工藝、CAST工藝、UN ITANK工藝和AICS工藝等。SBR工藝運(yùn)行方式可靈活調(diào)整，并能達(dá)到良好的脫氮除磷效果。   

6 反硝化除磷工藝  

比較傳統(tǒng)的專(zhuān)性好氧聚磷菌去除工藝，反硝化聚磷菌能分別節(jié)省約50%和30%的COD 和氧的消耗量，相應(yīng)減少剩余污泥量50%，還可避免COD 單一氧化至CO2，使釋放到大氣中的CO2量明顯降低。目前，研究者在基于反硝化除磷的機(jī)理之上開(kāi)發(fā)了許多新工藝。根據(jù)系統(tǒng)中微生物所處的環(huán)境可將反硝化除磷系統(tǒng)分為單污泥系統(tǒng)和雙污泥系統(tǒng)。

單泥系統(tǒng)  

在單污泥系統(tǒng)中，反硝化聚磷菌、硝化細(xì)菌以及其它微生物共處于厭氧、缺氧、好氧相互交替的環(huán)境中。根據(jù)其原理發(fā)展起來(lái)的工藝有SBR、BCFS、顆粒污泥法等。

（1）SBR 工藝  

SBR工藝是按時(shí)間順序?qū)崿F(xiàn)脫除磷的最典型工藝。一般采用傳統(tǒng)的厭氧、好氧交替運(yùn)行的方式進(jìn)行除磷。采用厭氧、缺氧SBR 反應(yīng)器對(duì)反硝化除磷過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)污泥齡為16d時(shí)除磷效率達(dá)90％以上，且得出缺氧環(huán)境下作為電子受體的硝酸鹽的消耗量于廢水中磷的吸收量的線性關(guān)系式為： PO43 --P吸收=0.89NO3－－N 消耗+1.49（R2＝0.9966）。采用單污泥SBR 工藝處理模擬生活污水的研究表明， 單一的SBR 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)反硝化除磷，并且發(fā)現(xiàn)控制反硝化的終點(diǎn)對(duì)于SBR 反應(yīng)器除磷非常重要。以SBR反應(yīng)器分別采用一段式和二段式培養(yǎng)方法對(duì)反硝化除磷菌進(jìn)行了馴化富集。結(jié)果表明，一段式和二段式培養(yǎng)方法馴化完成后的活性污泥沉降性能均較好，污泥體積指數(shù)（SVI）分別約為60、50 mL/g，反硝化除磷菌占聚磷菌的比例達(dá)到了77％和71％。兩種培養(yǎng)方法下反硝化除磷PO43 --P去除率和脫氮率分別達(dá)到了97％和95％以上， 缺氧結(jié)束時(shí)水中PO43 --P質(zhì)量濃度小于1 mg/L。馴化完成后污泥的含磷率最高達(dá)到了3.7％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。因此，采用一段式或二段式馴化方法均能實(shí)現(xiàn)反硝化除磷菌的有效富集。  

（2）BCFS 工藝  

BCFS工藝是生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一種新工藝， 這種工藝是在UCT 工藝基礎(chǔ)之上增加了兩個(gè)反應(yīng)池。由厭氧池、接觸池、缺氧池、混合池及好氧池等5 個(gè)功能相對(duì)專(zhuān)一的反應(yīng)器組成。通過(guò)反應(yīng)器之間的3 個(gè)循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)DPB 富集和氮、磷的最佳去除。BCFS 工藝的主要特點(diǎn)有：①對(duì)氮、磷的去除率高；②抑制污泥膨脹；③控制簡(jiǎn)單，通過(guò)氧化還原電位與溶解氧可有效地實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器穩(wěn)定的運(yùn)行； ④充分利用DPB 倍增時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，污泥量減少10％左右；⑤利用DPB 實(shí)現(xiàn)生物除磷，使碳源能被有效地利用，使該工藝在COD/（N+P）值相對(duì)低的情況下仍能保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。  

（3）顆粒污泥法 

顆粒污泥表面微生物對(duì)溶解氧的吸收利用以及傳質(zhì)阻力對(duì)溶解氧擴(kuò)散的限制，使溶解氧在顆粒內(nèi)部形成明顯的濃度梯度，因此好氧顆粒污泥由外向內(nèi)形成了“好氧-缺氧-厭氧”的微環(huán)境。由于外部緊密、內(nèi)部松散的結(jié)構(gòu)有利于基質(zhì)向內(nèi)部擴(kuò)散以及內(nèi)部代謝產(chǎn)物向外傳遞，好氧區(qū)硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO3-、NO2-容易擴(kuò)散到缺氧區(qū)內(nèi)， 利于缺氧區(qū)內(nèi)DPB 以NO3-、NO2-為電子受體進(jìn)行反硝化吸磷活動(dòng)。同時(shí)由于基質(zhì)傳遞受到限制，缺氧區(qū)內(nèi)可利用的基質(zhì)濃度較低，更有利于DPAO除磷。  顆粒污泥沉降性能較好，生物濃度高，污泥含水率低。隨著顆粒污泥的應(yīng)用，存在于普通污泥中的問(wèn)題都可以被克服。同時(shí)它具有獨(dú)特的影響因素：①DO 濃度和顆粒粒度的相互作用對(duì)于反硝化除磷的效果影響很大，如果顆粒粒徑過(guò)小，那么氧氣的穿透力相對(duì)較強(qiáng)，影響缺氧區(qū)的形成，導(dǎo)致反硝化除磷和脫氮不能實(shí)現(xiàn)。②維持適當(dāng)?shù)牡踪|(zhì)量比對(duì)于污泥的顆?；统啄芰Ψ浅Ｖ匾?，當(dāng)?shù)踪|(zhì)量比由2.36 上升至4.0 時(shí)，除磷率由85.0%下降至54.1%。

（4）BABE 工藝 

BABE 工藝的基本原理是使二沉池的回流污泥以側(cè)流的方式進(jìn)人BABE 反應(yīng)器，同時(shí)消化液中帶有的高濃度氨氮在反應(yīng)器中能夠增強(qiáng)活性污泥的硝化能力， 當(dāng)這些活性污泥回到主流工藝后，其硝化能力提高，對(duì)氮的去除效率也隨之提高。

雙污泥系統(tǒng)  

在雙泥系統(tǒng)中，硝化細(xì)菌獨(dú)立于DPB 而單獨(dú)存在于好氧SBR 反應(yīng)器或者固定膜生物反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)了硝化和除磷功能菌的分離，從而避免了聚磷菌和反硝化菌爭(zhēng)奪VFA 而產(chǎn)生矛盾，同時(shí)避免了硝化細(xì)菌需要較長(zhǎng)SRT 和聚磷菌需要較短SRT 之間產(chǎn)生矛盾。根據(jù)其原理發(fā)展起來(lái)的工藝有Dephanox 工藝、A2NSBR 工藝、HITNP 工藝等。

（1）Dephanox 工藝  

該工藝在厭氧池和缺氧池之間增加了沉淀池和固定膜反應(yīng)池， 污水在厭氧池中釋磷，在沉淀池中進(jìn)行泥水分離，含氨較多的上清液進(jìn)入固定膜反應(yīng)池進(jìn)行硝化，污泥則跨越固定膜反應(yīng)池進(jìn)入缺氧段，完成反硝化除磷。該工藝具有能耗低，污泥產(chǎn)量低且COD 消耗量低的特點(diǎn)。但該工藝中磷的去除效果很大程度上取決于缺氧段硝酸鹽的濃度，當(dāng)缺氧段硝酸鹽不充足時(shí)，磷的過(guò)量攝取受到限制，反之硝酸鹽又會(huì)隨回流污泥進(jìn)入?yún)捬醵危蓴_磷的釋放和聚磷菌體的PHB 的合成。

（2）A2NSBR 工藝  

A2NSBR 工藝是開(kāi)發(fā)較早的一種反硝化除磷脫氮間歇工藝，由兩個(gè)獨(dú)立的SBR反應(yīng)器組成：一個(gè)是An/A-SBR反應(yīng)器， 其主要功能是去除COD和反硝化除磷脫氮；另一個(gè)是N-SBR反應(yīng)器，主要起硝化作用。這兩個(gè)反應(yīng)器的活性污泥是完全分開(kāi)的，只將各自沉淀后的上清液相互交換。污水進(jìn)入An/A-SBR反應(yīng)器后依次經(jīng)歷厭氧、缺氧段。在厭氧段，水中的NH4+濃度幾乎保持不變，反硝化聚磷菌在厭氧環(huán)境下充分地釋磷并吸收，快速降解有機(jī)物合成大量的PHB， 靜置沉淀后含NH4+的上清液進(jìn)入N-SBR反應(yīng)器完成硝化反應(yīng)，含DPB的污泥則進(jìn)入缺氧段，利用N-SBR反應(yīng)器提供的硝化液同時(shí)完成反硝化脫氮和吸磷過(guò)程。

3）HITNP工藝  

HITNP（Habrin Institute Technology of Nitrogenand phosphoms removal）反硝化脫氮除磷工藝，由厭氧池、缺氧池、生物膜活性污泥復(fù)合式好氧池和沉淀池組成。HITNP 反硝化除磷工藝采用的是雙泥系統(tǒng)。利用的是DPB 同步反硝化除磷的原理，該工藝的主要特點(diǎn)是好氧硝化池采用復(fù)合式活性污泥與生物膜反應(yīng)器。從而分別為硝化菌和反硝化除磷菌創(chuàng)造了最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，使系統(tǒng)更穩(wěn)定、高效。該工藝流程比UCT、VIP、DEPHONOX、連續(xù)流A2N 等同步除磷脫氮工藝簡(jiǎn)單，易于控制和管理，尤其與其它反硝化除磷新工藝比，當(dāng)遇到?jīng)_擊負(fù)荷時(shí)需要調(diào)整的運(yùn)行參數(shù)少。

（4）SBMBR工藝  

大量研究證明，在MBR 的活性污泥中存在著反硝化聚磷菌，而且通過(guò)創(chuàng)造厭氧、缺氧交替的環(huán)境可以使反硝化聚磷菌得到富集。采用序批式膜生物反應(yīng)器(SBMBR)對(duì)反硝化聚磷菌的富集進(jìn)行了研究， 通過(guò)在厭氧/好氧過(guò)程中外加硝酸鹽引入缺氧段，SBMBR 系統(tǒng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)階段的選擇和富集，反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例從19.14%上升到69.16%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明穩(wěn)定運(yùn)行的SBMBR反硝化強(qiáng)化除磷體系具有良好的反硝化脫氮除磷和有機(jī)物去除特性， 膜出水總磷濃度平均低于0.5mg/L， 除磷效率達(dá)到96.1%， 厭氧段COD去除率在98 %以上，缺氧段脫氮和除磷效率分別達(dá)到100%和84%。

（5）A2O工藝反硝化除磷   

A2O工藝是一種結(jié)構(gòu)上最為簡(jiǎn)單的同步脫氮除磷污水處理工藝。采用啤酒配制的廢水，對(duì)A2O中的缺氧問(wèn)題進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明，和傳統(tǒng)的A2O工藝相比，具有反硝化除磷功能的A2O工藝的污染物去除效率更高。采用52.5 L的A2O反應(yīng)器處理實(shí)際污水，研究A2O工藝中的反硝化除磷現(xiàn)象及影響因素。 結(jié)果表明：正常運(yùn)行的A2O工藝中存在反硝化除磷現(xiàn)象，在系統(tǒng)HRT為8 h，污泥回流比為70%和內(nèi)回流比為250%的情況下，A2O系統(tǒng)中缺氧區(qū)吸磷占總吸磷量的36%左右，序批試驗(yàn)表明，此時(shí)反硝化除磷菌占總除磷菌的35.4%。原水的C /N比越低，反硝化除磷的比例越高，但是過(guò)低的C /N比會(huì)導(dǎo)致TN去除率低下。將缺氧區(qū)和好氧區(qū)的容積比從1 /1擴(kuò)大到5 /8，延長(zhǎng)反硝化除磷反應(yīng)的時(shí)間，TN去除率可從62%提高到70%左右，相比單純提高內(nèi)回流比更節(jié)能。