报告题目： 新型生物脱氮除磷能否解决污水处理瓶颈？

中国工程院院士、北京工业大学教授 彭永臻

各位专家、各位同行，大家好！我介绍题目是污水生物脱氮除磷研究的现状与展望、我国城市污水处理的问题与任务、传统污水生物处理工艺与问题、新型生物处理脱氮除磷技术、厌氧氨氧化脱氮技术及厌氧氨氧化处理城市污水的展望。

我国消除黑臭水体是我们国家重要的战略任务。

现在城市污水处理有两大难题。第一污水脱氮除磷难。第二污水处理厂的优化和节能降耗。因为城市污水运营费用非常高，节能降耗是永恒的主题。另外随着中国污水处理率的提高，黑臭水体的解决，氮磷超标排放日益严重，导致风险化日益普遍。风险化成为全球性的水污染问题。可以说脱氮除磷成为当今污水处理领域的重大问题，特别是城市污水。

随着我国污水处理不断提高，消除黑臭水体解决，由水体富营养问题日益严重。我们可以看到尽管是2015年的指标数据，现在也是这样，我国重要大型湖泊水库面临非常严重的富营养化，至今没有得到解决。中国污水处理厂主要矛盾从有机物去除转到氮磷污染物的去除，特别是氮磷去除普遍不高，成为当今污水处理厂亟待解决的主要矛盾。

这是2002年颁布的标准，比较难以达标是总氮，还有总磷。主要围绕氮磷没有达标。我们看看澳大利亚，他们标准比我们还要严，总氮的标准是10，达标率90%不行，总氮小于10%，达标率90%不行，还要保证总氮小于5%，概率至少保证50%。非常严格的控制。

我们国家水污染中脱氮除磷存在的问题。我国大多数的污水处理厂都没有达到一级A的排放标准，其中瓶颈问题是总氮没有达标。我国的污水处理标准过严了，不是这样，达到一级A的标准，仍然遏制不了富营养化的蔓延。我国应该针对敏感水环境区域制定更加严格的标准。太湖、环渤海周边等要制定严于国家一级A标准的排放。

还有另外一种情况，有些地区流域真没有必要到一级A的标准。台湾不用搞脱氮除磷，台湾周边是公海，排点氮磷往海里一放，给海里增加到富营养化物质。黑龙江往往没有必要脱氮除磷。还有一些区域实际上也没有富营养化，从来没有听说特别大的河流有富营养化的问题。富营养化有几个条件，氮磷、温度、阳光、扰动，因此标准该严的严，该松的松。

下面是比较具体，第二个问题传统污水生物处理工艺和问题。从全世界来看，在两个世纪有固体沉淀，处理城市污水的悬浮物，上世纪20年代初，我记得上学到上海参加污水处理厂特别惊讶，20年代在上海建立一个活性污泥法污水处理厂。上世纪70、80年代，全世界脱氮除磷，富营养化在全世界爆发了。随着BOD、脱氮除磷，使污水处理工艺越来越复杂，带来很多技术问题，处理工程，包括机械仪表处理问题。脱氮除磷的问题纳入处理流程之外，提出了非常多的科学问题。

再看看脱氮除磷的大问题，污水除磷可以通过生物除磷和化学除磷。污水脱氮，只有生物脱氮才是最经济有效的，而且对于城市污水来讲是唯一的，不仅是经济有效而且是唯一的方法，到现在还没有听说哪个城市污水处理厂不用生物脱氮。原因是什么？混凝沉淀不能去除微滤、纳滤口径，区别不了水分子大小，只有反渗透才能区别水分子大小。反渗透处理是中水，对于城市污水处理来讲生物脱氮是唯一选择的。

城市污水总氮代表是关键难点。

生物脱氮反两步，第一个硝化，第二个反硝化。一个电子供体，一个是电子受体，水中氨氮和有机氮从污水处理分离出来完成脱氮的问题，一个需要氧气，一个需要有机碳源，这是关键点。

生物除磷，有除磷微生物和菌，没有氧的条件下，把磷从细胞中释放出来，可以使水中磷从3每升毫克达到几十毫克，在耗氧和曝气过程中，把水中磷聚集在细胞中，摄取磷，而且是过量的，把含有磷的污泥排除污水处理系统就完成了处理，就是这样简单。

这是我们用的工艺AN/O除磷工艺，释放出磷，然后曝气、好氧，然后沉淀池，然后处理水。还有反硝化反应器缺氧然后到硝化反应器好氧，然后到沉淀池，到处理水。这个两个结合起来既除磷又脱氮，厌氧、缺氧和好氧。对小型的污水处理厂应用广泛的是序批式活性污泥法，小于5万吨的经常用这样一种工艺。

我们看到什么问题，无论对A/O都存在这样的问题。缺氧，有机物进来这个是氨氮，缺氧池没有变化，在好氧池，此消彼涨形成硝态氮，用有机物还原硝态氮。回流中的硝阶氮和出水的硝阶氮相同，因为他们都来源于这个地方，就是说出水和回流污泥和剩余污泥中硝阶氮、氨氮、总氨是一样的，这种工艺很难彻底深度的脱氮。

有一种工艺是分段进水，把A/O分成四段，假定硝化能够100%，反硝化100%充分的。如果分成四段，进入第一段原水和有机物，把回流污泥的硝态氮还原，回流污泥假设100%，回流污泥量等于进水量，把总氨去掉了，第一段产生的而第二段还原了，第三段被第四段水有机物还原掉了，前三段总氮全部被去掉，只有第四段的氨氮被氧化产生硝态氮，才能随出水流出。第四段有污泥回流比100%，第四段有一半的总氮可以去掉，这个工艺去掉1/8的总氮。但是这四段比较繁琐，我们经常用三段，这个工艺可以完成深度脱氮。三段可以去掉6/5总氮。如果进水总氮30，出水氮达到5。它还有一个优点，微生物浓度非常高，第一段回流污泥浓度被1/3的水稀释，因此污泥浓度比较高。

ICEAS工艺是我们国家用的比较多的工艺，可以说80%的ICEAS都按照这样一个工艺，下面的模式在运行。这个是搅拌。这个表示曝气，这个表示沉淀，这个表示进水，但是进贯穿始终，说明什么？说明在曝气阶段，一边曝气一边进水，我们国家脱氮的重大障碍就是缺少碳源，有机物浓度比较低，氨氮总氮比较高，反应的时候没有碳源，往往加碳源。三小时一边曝气一边进水，用珍贵能源，曝气需要能源，去除了可贵的碳源，因此既浪费了能量又把有机物去掉了。

把进水在搅拌进水中进，曝气中不进，不仅可以大量节省碳源，提高效率，而且节能降耗，有机物不需要能量去除，用反应化去除，几个工程实践都收到很好的效果。我国现在的ICEAS几乎用我说的刚才模式运行。

第三个新型生物脱氮除磷技术。有一种技术叫做短程硝化。刚才说了什么是硝化反硝化，特别城市污水中90%以氨氮形式出现的总氮，还有一部分有机氮，有机氮一曝气就转化成氨氮了，氨氮经过曝气变成硝态氮，有机碳源作用下，这时候不曝气了，变为氮气，完成脱氮的过程，氮气可以去除。短程硝化过程简捷。亚硝酸氮这个过程减少了曝气量，这个过程减少了外加碳源，减少20%氧气，减少20%二氧化碳的释放等等。它为实现厌氧提供了底物。

全世界包括中国在内，全世界污水处理厂都没有实现短程硝化，有的仅仅一部分。这是我们学校的中试基地，实现了三年短程硝化，而且规模比较大一点。

刚才我说了除磷的基本原理，厌氧、吸磷、放磷，放磷在耗氧状态下吸收磷，然后把污泥排出处理。反硝化除磷，这个过程既完成反硝化又完成了磷的吸收，一个碳源两用。我们把含有富有磷的污泥排除系统完成了污水生物处理。

在生物脱氮过程当中需要水污染被还原成氮气，除磷也是这样，反硝化和除磷过程这两个过程可以同时完成，减少能源、生物量、减少氧等等优点。

最近开发了A2O-BAF同步脱氮除磷，就是反硝化除磷。这个曝气占2/9，BAF完成硝化，意味着提供大量的硝态氮进入蓄养池，跟污泥结合在一起，不想让它反硝化除磷都很难，没有给它反应条件，没有氧给电子受体，只给硝态氮，占整个反应器的2/3，这里完成了反硝化除磷。

厌氧氨氧化脱氮技术。奥地利Broda从热力学角度，预言存在。荷兰生物流化床首次发现。第一座反应器建立于荷兰鹿特丹。

我们看看厌氧氨氧化，有机氮变为氨氮叫做氨化，氨氮需要氧需要生物参与，氧化为亚硝态氮。逐步经过几个步骤还原为氮气，完成污水处理脱氮。20年之前人们认为氮循环只能沿着这样一个过程。

厌氧氨氧化怎么样？厌氧氨氧化就是发现厌氧氨氧化微生物一种细菌。把氨氮的一部分可以说60%氧化为亚硝，用亚硝氧化氨氮，必须有厌氧氨氧化的推进。有将近一半的氨氮不用动就被氧化为氮气。一半多一点被氧化为亚硝态氮厌氧氨氧化。全世界生活污水主流依然按照这个过程脱氮，这还有生物固氮。全世界都在研究城市污水处理包括工业污水，能不能这样脱氮。由于高氨氮的废水，垃圾渗滤液等完成了工程化应用。城市污水处理还没有实现这样一种工艺。而且这个工艺有什么好处？很少有氧化氮的产生。

我们可以看到这些完全一部分氨氮没有必要好氧再用反硝化。一部分氨氮不需要经过下一步到这就完了，因此可以节省碳源、能源、节省有机物100%、节省曝气量60%、温室气体小。这是厌氧氨氧化的发展历程，现在工业上应用，有了很多实际工程应用。

全世界比较著名的奥地利污水处理厂，没有实现主流厌氧氨氧化，但是实现了厌氧氨氧化处理污泥消化液的应用。污泥液氧发酵的消化液进行厌氧处理，实现了。这是北排搞得厌氧氨氧化的工程。

这是新加坡樟宜污水处理厂实现了部分厌氧氨氧化的脱氮。

国内也发现了厌氧氨氧化的部分，大大提高效率。厌氧氨氧化瓶颈是短程硝化很难实现，短程硝化一旦实现，厌氧氨氧化比较好实现。我们发明的技术短程反硝化耦合厌氧氨氧化。部分氨氮演化成硝态氮还原成亚硝态氮，对工业富水中本来有很多硝态氮，可以把它还原为亚硝，和城市污水同步处理。如果含有两千毫升的氨氮经过厌氧氨氧化处理，产生220毫升的硝态氮也很高，厌氧氨氧化用短程反硝化也是非常好。短程反硝化就是把硝态氮还原成亚硝，不是还原成氮气的过程。

比如说一个污水处理厂短程硝化很难，我们让它全程硝化，有机物没有了，把氨氮硝化成亚硝，我们硝化成硝态氮，把这个水回流过来和原水混合，这里有硝态氮、氨氮和有机物，把这里硝态氮还原成亚硝，自然和水中氨氮产生反应。

我们看一看，这是传统的硝化反硝化的过程。这是短程硝化耦合厌氧氨氧化最艰难的过程。如果是短程反硝化耦合厌氧氨氧化，把氨氮全部硝化成硝态氮，也是很难的。短程硝化耦合厌氧氨氧化，仅仅把部分氨氮转化为亚硝，完全不用有机物，节省100%的碳源。

厌氧氨氧化处理城市污水的展望。主要存在三个瓶颈，第一个低氨氮。城市污水氨氮非常低。产业化应用都是高氨氮的废水，少则一千，多则几千，每升毫克的氨氮，包括高浓度的工业废水，低氨氮的很难实现。

第二个低温。城市污水温度随季节变化，常常在20摄氏度以下，因此很难达到30度，因此对厌氧氨氧化应用产生非常大的障碍。

第三个厌氧氨氧化富集非常慢，氨氮浓度低于，城市污水量大，少则几万吨，多则几十万吨，主流污水利用厌氧氨氧化困难也比较大，三个瓶颈阻碍厌氧氨氧化在主流城市污水中的应用与发展。

今后展望，可以在城市污水强化部分厌氧氨氧化，部分厌氧氨氧化也是相当节能或者降耗，节省碳源。第二个也可以考虑污泥发酵作为碳源实现短程反硝化和厌氧氨氧化结合。

谢谢大家。