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现如今，我国城市污水处理厂的主要矛盾是氮、磷等营养物的去除。而城市污水处理厂目前普遍采用的传统生物脱氮除磷工艺因其自身的特点及城市污水特征,导致氮、磷污染物去除效率无法满足愈发严格的国家标准。针对这种问题,通过对同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化这些新型技术及其研究现状进行介绍,探究新型生物脱氮除磷技术在城市污水处理领域中应用的优越性与合理性。并基于多菌群协同除污机理,结合我国城市污水处理可持续发展现状,探索未来的技术发展方向。
研究亮点
1、总结分析同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷、短程硝化反硝化这些新型技术及其研究现状，探究新型生物脱氮除磷技术在城市污水处理领域中应用的优越性与合理性；
2、本文基于多菌群协同除污机理,结合我国城市污水处理可持续发展现状,探索未来的技术发展方向。
城市污水处理一直是城市建设中的关键一环，作为环保领域的重要分支，长久以来都是备受人们关注的话题。过去的几十年中，随着社会向城市化、工业化的发展和居民生活水平的上升，水体富营养化的问题也越来越严重，这给城市污水处理带来了巨大难题。根据《2019年中国生态环境统计年报》，2019年共排放化学需氧量(COD)5.671×106 t、总氮(TN)1.176×106 t、总磷(TP)5.9×104 t，城市污水处理中氮、磷污染物的比重较大；且相对于COD每年去除量的增加程度而言，氮、磷污染物每年去除量增加的数目较少。
在城市污水处理的现有技术中，如AAO、SBR、氧化沟等都存在一定限制，如都对碳氮比(C/N)或者碳磷比(C/P)等有一定要求、微生物菌种彼此独立导致生化反应进程存在障碍、微生物世代时间的不同导致对污泥龄要求不同等，伴随于此的通常会是更高的成本与更大的人力消耗。这些缺陷使城市污水脱氮除磷效率已经越来越无法满足人们的需求，城市污水处理技术需要在强化脱氮除磷方面做改进。
1 新型脱氮除磷技术
1.1 同步硝化反硝化除磷
同步硝化反硝化(SND)是40多年前在土壤中水的浸出过程中发现的一种新型硝化反硝化技术，指将传统生物硝化过程和反硝化过程在同一反应器中同时进行(图1)。
目前，已有证据表明这一理论是可行的，且可减少近30%的碳需求及污泥产量。发展至今，SND已成为高效的脱氮技术中一种很有前途的选择。如Chai等研究在序批式生物膜反应器内强化SND处理低C/N废水的性能，显示在同步硝化反硝化效率(SND率)大于97.3%时，仍可以有效脱氮。如果把SND系统和除磷系统相结合，则可以提出一种同步硝化反硝化除磷(SNDPR)的新系统，进一步降低处理过程中的碳、氧需求，现今，已有很多研究人员对SNDPR系统及其各种衍生技术进行影响因素研究，以探究其实用性，如表1所示。 诸多试验结果表明，由SNDPR系统衍生出的各种新工艺、新技术已可在各种条件下表现出良好的耐受性，且针对低C/N污水实现了良好的去除效果，体现了一定实用价值。SNDPR作为一种较易实现的高效脱氮除磷方式，其特性提升了生物池一体化的可能性，可以预见未来会在水处理领域发挥重要作用。但是目前其在污泥形态、溶解氧等方面都有一定限制，如由于生物硝化与反硝化对氧环境的需求不同，会导致某一进程在一定程度上受到限制，使SND率偏低，去除效果不理想，因此，如何控制反应器内溶解氧将是一个棘手的问题。 1.2 厌氧氨氧化 厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，以亚硝态氮为电子受体，将氨氮直接氧化为氮气的过程。整个过程须保持完全厌氧的条件，且研究表明，其在pH值为8、温度为30 ℃左右时运行条件最好(图2)。 这一过程是在1965年由Rids观察到缺氧海洋盆地中的氨损失后首次提出的, 后又在海洋沉积物的孔隙水剖面中观察到亚硝酸盐和氨的同时消失，为这种反应的存在提供了早期证据。但直到1995年，这种技术才在一个处理废水的反硝化流化床反应器中被首次证实，到2007年，首个大型厌氧氨氧化反应器才在鹿特丹建成。相对于传统脱氮方法，厌氧氨氧化的脱氮容积负荷更高，已有研究表明，其脱氮容积负荷很容易达到5 kg/(m3·d)，而对于传统的脱氮工艺而言，脱氮容积负荷通常小于0.5 kg/(m3·d)。如表2所示，针对厌氧氨氧化已展开很多研究。 厌氧氨氧化作为一种近些年来新出现的技术，由于其脱氮效率高、污泥产量小、碳源需求小的优势，成为了一种脱氮的理想方式。但厌氧氨氧化的缺点也十分明显，其主要缺点是厌氧氨氧化菌的生长速率十分缓慢、细胞产量低。且厌氧氨氧化还容易被环境因素影响，低温、高碱度、有机物形态等很多因素都会抑制其反应性能。其中，作为反应底物的亚硝态氮和氨氮是影响其速率的关键因子，但过高的底物浓度反而会抑制其反应速率，已有试验验证同时提供能源的碳源也具有这一特点。相比于实验室小试，在实际工程中这些影响因子更加难以控制。所以，厌氧氨氧化的应用条件将成为此技术从实验室技术向实际应用过渡的关键问题，可以预见此方向将会是今后技术研究的重点与难点。 1.3 反硝化除磷 Comeau等在1987年发现了一类不同于传统除磷工艺中聚磷菌的新型聚磷菌，这种聚磷菌在缺氧环境中可以同时去除氮和磷两种污染物质，将其命名为反硝化聚磷菌(denitrifying phosphorus accumulating organisms, DPAOs)。DPAOs利用体内储存的聚羟基脂肪酸酯(PHA)，在缺氧环境中以硝态氮或者亚硝态氮替代氧气作为电子受体，从而实现过量吸磷。相比于传统除磷工艺，反硝化除磷可以实现同步脱氮除磷与“一碳两用”，并解决大部分能耗问题，理论上可以节省多达30%的曝气系统能耗、50%的碳源需求及污泥产量。根据反硝化除磷的特点，其可以与很多技术联用，同时也衍生了许多新型工艺,如UCT、AOA、AAN等。这些工艺共同的特点都是可以极大限度地利用反硝化除磷原理中“一碳两用”的特点，且避免了硝化菌和DPAOs的竞争，非常适合处理低C/N污水。已有大量学者研究其适宜工作条件，以探究其实用性，如表3所示。 反硝化除磷目前已经处于由基础研究向实际工程过渡的阶段，但是除开其节省能耗、一碳两用等优势，还存在部分缺陷。为了实现反硝化除磷，需要控制合适的C/N，而且对于厌氧部分投加硝酸盐作为底物时，需要注意投加方式。除此以外，反硝化除磷菌的世代周期较长，需要控制反应器污泥停留时间不能太短，以便为反硝化除磷菌提供良好的生长环境。与此同时，虽然反硝化除磷技术的污泥产量较少，但是其后续污泥较难处理，填埋之后在厌氧条件下可能会造成释磷从而影响环境，给实际工程也带来一定困扰。
