氮、磷元素的大量排放會造成水體的富營養(yǎng)化，因此我國將氨氮和總磷作為評價污水處理廠處理效果的重要考核指標。目前污水處理以生物脫氮為主，其脫氮原理為經(jīng)過好氧硝化，缺氧反硝化，將污水中的氮元素轉(zhuǎn)化為無害的氮氣。

一、原理

總氮是指可溶性及懸浮物顆粒中的含氮量，包括NO₃^-，NO₂^-和NH₄⁺等無機氮和氨基酸、蛋白質(zhì)和有機胺等有機氮。生物脫氮首先是在厭氧環(huán)境內(nèi)，通過氨化作用將有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮，這一過程稱為氨化過程，氨化過程很容易進行，在一般無數(shù)處理設(shè)施中均能完成；然后在好氧環(huán)境內(nèi)，通過硝化作用，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮；隨后在缺氧環(huán)境內(nèi)，通過反硝化作用，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氨氣，從水中逸出。

二、主要工藝

脫氮的主要工藝包括活性污泥法（A²O、氧化溝、SBR等）和生物膜法（生物濾池、生物接觸氧化池、生物轉(zhuǎn)盤等），對污水中的氮都有良好的去除效果，但在工藝以及操作上存在一定的局限性和復(fù)雜性。

1.活性污泥法：

（1）A²O法

A²O法即厭氧一缺氧一好氧活性污泥法。污水在流經(jīng)厭氧、缺氧、好氧三個不同功能分區(qū)的過程中，在不同微生物菌群的作用下，使污水中的有機物、N、P得到去除。A²/O法是最簡單的同步除磷脫氮工藝，總水力停留時間短，在厭氧、缺氧、好氧交替運行的條件下，可抑制絲狀菌的繁殖，克服污泥膨脹，SVI一般小于100，有利于處理后的污水與污泥分離，厭氧和缺氧段在運行中只需輕緩攪拌，運行費用低。該工藝在國內(nèi)外使用比較廣泛。

優(yōu)點：該工藝為最簡單的同步脫氮除磷，總的水力停留時間，總產(chǎn)占地面積少；在厭氧的好氧交替運行條件下，絲狀菌得不到大量增殖，無污泥膨脹；污泥中含磷濃度高，具有很高的肥效；運行中勿需投藥，只用輕緩攪拌，運行費低。缺點有：除磷效果難于再行提高，污泥增長有一定的限度，不易提高；脫氮效果也難于進一步提高，內(nèi)循環(huán)量不宜太高，否則增加運行費用；對沉淀池要保持一定的濃度的溶解氧，減少停留時間，溶解濃度也不宜過高，以防止循環(huán)混合液對缺反應(yīng)器的干擾。

（2）氧化溝

氧化溝又稱連續(xù)循環(huán)反應(yīng)器，是20世紀50年代由荷蘭的公共衛(wèi)生所（TNO）開發(fā)出來的。氧化溝是常規(guī)活性污泥法的一種改型和發(fā)展，是延時曝氣法的一種特殊形式。其主要功能是供氧；保證其活性污泥呈懸浮狀態(tài)，是污水、空氣、和污泥三者充分混合與接觸；推動水流以一定的流速（不低于0.25m/s）沿池長循環(huán)流動，這對保持氧化溝的凈化功能具有重要的意義。氧化溝具有出水水質(zhì)好、抗沖擊負荷能力強、除磷脫氮效率高、污泥易穩(wěn)定、能耗省、便于自動化控制等優(yōu)點。但是，在實際的運行過程中，仍存在一系列的問題，如污泥膨脹問題、泡沫問題、污泥上浮問題、流速不均及污泥沉積問題。

（3）SBR

間歇式活性污泥法簡稱SBR工藝，一個運行周期可分為五個階段即：進水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置。這種一體化工藝的特點是工藝簡單，由于只有一個反應(yīng)池，不需二沉池、回流污泥及設(shè)備，一般情況下不設(shè)調(diào)節(jié)池，多數(shù)情況下可省去初沉池。

特點：大多數(shù)情況下，無設(shè)置調(diào)節(jié)池的需要；SVI值較低，易于沉淀，一般情況下不會產(chǎn)生污泥膨脹；通過對運行方式的調(diào)節(jié)，進行除磷脫氮反應(yīng)；自動化程度較高；得當時，處理效果優(yōu)于連續(xù)式；單方投資較少；占地規(guī)模較大，處理水量較小。

 存在問題：A₂O和氧化溝工藝均需要較大的池體面積，基建成本高；污泥回流、沉淀工序復(fù)雜、能耗大，普通小型污水廠難以承擔，不適用于污水廠改造。SBR工藝需要精細度高的潷水器來保證出水水質(zhì)，后續(xù)要設(shè)置調(diào)節(jié)池來調(diào)節(jié)出水水量，對自動化要求高。

 2.生物膜法：

 生物濾池占地面積大，生物接觸氧化池固定載體施工維護難度大，且二者均容易發(fā)生堵塞，對污水廠的長期穩(wěn)定運作造成極大的困難。生物轉(zhuǎn)盤處理水量小，僅適用于處理水量小的污水處理廠。

 3.新型工藝

（1）MBBR膜法

MBBR工藝是基于生物濾池和生物流化床工藝發(fā)展起來的，在同時發(fā)揮生物膜法和活性污泥法的優(yōu)勢下，克服了生物膜法常遇到的填料堵塞和反沖洗的高能耗，還克服了活性污泥法的污泥流失等問題，使其生物處理效果更為有效。

MBBR載體使用聚合高分子材料制成，高分子材料中融合多種有利于微生物快速附著生長的微量元素，經(jīng)過特殊工藝改性、構(gòu)造而成，具有比表面積大、 親水性好、生物活性高、掛膜快、處理效果好、使用壽命長等優(yōu)點。

微生物可大量附著在MBBR載體上，使生化處理系統(tǒng)在污泥濃度不變的情況下生物量得到成倍的提高。系統(tǒng)的處理能力和效率也因此得到相應(yīng)的提高，強化了對不同水質(zhì)的抗沖擊性。當附著在MBBR載體上的生物膜達到一定的厚度時，生物膜形成溶氧梯度，使得在好氧池內(nèi)載體的內(nèi)部仍存在缺氧區(qū)域，使反硝化菌能在載體內(nèi)部進行反硝化作用，即同步硝化反硝化。可以有效節(jié)省碳源，使其能在較低的碳氮比的情況下仍能有良好的脫氮能力。

MBBR載體密度均小于1，在掛膜之后密度與水相近，能在水體中呈懸浮狀態(tài)。在實際操作中，使用曝氣+攪拌使載體在水體中呈流化狀態(tài)，形成氣-液-固三相流化，強化了氣、液相和載體之間的接觸，大大提高了對氧氣的利用效率，有效降低曝氣量和能耗。 

MBBR工藝只需在原有生化工藝上按比例投加載體，和設(shè)置載體格柵，無需大量的基建即可起到強化脫氮能力的作用，大大節(jié)省了投資成本。在污水廠的提標改造方面有良好的發(fā)展前景。

（2）短程硝化反硝化

傳統(tǒng)的脫氮工藝是將NH₄⁺氧化成NO₂^-,再氧化成NO₃^-；起作用的分別是亞硝酸菌和硝酸菌，統(tǒng)稱為硝化菌，可得如下結(jié)論：亞硝化過程產(chǎn)生的能量比硝化過程產(chǎn)生的能量多，因而前者反應(yīng)速率較后者快；亞硝化過程中產(chǎn)生大量的H⁺,使系統(tǒng)pH值降低，而硝化過程對系統(tǒng)的pH值無影響；亞硝化過程和硝化過程好氧比為3:1；亞硝酸菌和硝酸菌的生理特性大致相似，但前者的時代周期短，生長較快，因此較能適應(yīng)沖擊負荷和不利的環(huán)境條件。當硝酸菌受到抑制的時候，將會出現(xiàn)NO₂^-的積累。很顯然，在傳統(tǒng)的硝化-反硝化脫氮過程中，在反硝化菌的作用下，反硝化過程既可從硝酸鹽開始，也可以從亞硝酸鹽開始。但由NO₂^-轉(zhuǎn)化為NO₃^-，然后由NO₃^-再轉(zhuǎn)化為NO₂^-的重復(fù)轉(zhuǎn)化過程中，要消耗更多的溶解氧和有機碳源。如果在實際過程中，控制這一轉(zhuǎn)化過程，使NH₄⁺全部或絕大部分轉(zhuǎn)化為NO₂^-而不是NO₃^-，由NO₂^-直接進行反硝化，稱此過程為短程硝化-反硝化，經(jīng)過環(huán)境工作者的不懈努力，短程硝化-反硝化過程在許多反應(yīng)器都得以實現(xiàn)。

與傳統(tǒng)脫氮工藝過程相比，短程硝化-反硝化體現(xiàn)出以下優(yōu)勢。

節(jié)能：硝化階段，供氧量節(jié)省近25%，降低能耗；節(jié)約外加碳源：從NO₂^-到N₂要比從NO₃^-到N₂的反硝化過程中，減少40%的有機碳源；可以縮短水力停留時間：在高氨環(huán)境下，NH₄⁺的硝化速率和NO₂^-的反硝化速率均比NO₂^-的氧化速率和NO₃^-的反硝化速率快，因此水力停留時間可以縮短，反應(yīng)器的容積也相應(yīng)減�。豢蓽p少剩余污泥產(chǎn)量：亞硝酸菌表觀產(chǎn)率系數(shù)為0.04~0.13gVSS/gN,硝酸菌的表觀產(chǎn)率系數(shù)為0.02~0.07 g VSS/g N，NO₂^-反硝化菌和NO₃^-反硝化菌的表觀產(chǎn)率系數(shù)分別為0.345 g VSS/g N和0.765 g VSS/g N，因此短程硝化反硝化過程中可以減少產(chǎn)泥24~33%，在反硝化過程中可少產(chǎn)泥50%。

存在問題：短程硝化反硝化工藝目前還處于研究階段，實際應(yīng)用工程較少。由于短程硝化階段溫度、pH 值等因素的控制難度較大，需要研發(fā)更加完善的在線檢測和模糊控制技術(shù)，以實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化反硝化，從而不斷擴大短程硝化反硝化工藝的應(yīng)用

（2）厭氧氨氧化

厭氧氨氧化作用即在厭氧條件下由厭氧氨氧化菌利用亞硝酸鹽為電子受體，將氨氮氧化為氮氣的生物反應(yīng)過程。這種反應(yīng)通常對外界條件（pH值、溫度、溶解氧等）的要求比較苛刻，但這種反應(yīng)由于不需要氧氣和有機物的參與，因此對其研究和工藝的開發(fā)具有可持續(xù)發(fā)展的意義。 

厭氧氨氮化一般前置短程硝化工藝，將廢水中的一部分氨氮轉(zhuǎn)化成亞硝酸鹽。目前在處理焦化廢水、垃圾滲濾液等廢水方面已經(jīng)有成功的運用實例。

厭氧氨氧化是一個微生物反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物為氮氣。具有一些優(yōu)點：由于氨直接作反硝化反應(yīng)的電子供體，可免去外源有機物(甲醇)，既可節(jié)約運行費用，也可防止二次污染；由于氧得到有效利用，供氧能耗下降；由于部分氨沒有經(jīng)過硝化作用而直接參與厭氧氨氧化反應(yīng)，產(chǎn)酸量下降，產(chǎn)堿量為零，這樣可以減少中和所需的化學(xué)試劑，降低運行費用，也可以減輕二次污染。

（5）曝氣生物濾池（BAF）

  曝氣生物濾池是 90 年代初興起的污水處理新工藝，已在歐美和日本等發(fā)達國家廣為流行。

該工藝具有去除 SS 、化學(xué)需氧量、 BOD 、硝化、脫氮、除磷、去除 AOX （有害物質(zhì)）的作用，其特點是集生物氧化和截留懸浮固體與一體，節(jié)省了后續(xù)沉淀池 ( 二沉池 ) ，其容積負荷、水力負荷大，水力停留時間短，所需基建投資少，出水水質(zhì)好：運行能耗低，運行費用省。

 BAF 屬第三代生物膜反應(yīng)器，不僅具有生物膜工藝技術(shù)的優(yōu)勢，同時也起著有效的空間過濾作用，通過使用特殊的濾料和正確的配氣設(shè)計， BAF 具有以下工藝特點

1 、 采用氣水平行上向流，使得氣水進行極好均分，防止了氣泡在濾料層中凝結(jié)核氣堵現(xiàn)象，氧的利用率高，能耗低；

2 、與下向流過濾相反，上向流過濾維持在整個濾池高度上提供正壓條件，可以更好的避免形成溝流或短流，從而避免通過形成溝流來影響過濾工藝而形成的氣阱；

 3、上向流形成了對工藝有好處的半柱推條件，即使采用高過濾速度和負荷，仍能保證 BAF 工藝的持久穩(wěn)定性和有效性；

 4 、采用氣水平行上向流，使空間過濾能被更好的運用，空氣能將固體物質(zhì)帶入濾床深處，在濾池中能得到高負荷、均勻的固體物質(zhì)，從而延長了反沖洗周期，減少清洗時間和清洗時用的氣水量；

5 、濾料層對氣泡的切割作用是使氣泡在濾池中的停留時間延長，提高了氧的利用率；

6 、由于濾池極好的截污能力，使得 BAF 后面不需再設(shè)二次沉淀池；

適用范圍：

城市污水、小區(qū)生活污水、生活雜排水和食品加工水、釀造等有機廢水處理。

（4）STCC

“STCC污水處理及深度凈化技術(shù)”是一種新型的多種介質(zhì)填料的“曝氣生物濾池技術(shù)”，該技術(shù)在“土壤凈化法”的長期實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上，采用本地天然材料和廢棄材料，研發(fā)出具有自凈功能的“不飽和炭”、“脫氮材料”和“除磷材料”等多種介質(zhì)的填料，組成復(fù)合填料床。通過特殊的曝氣系統(tǒng)在填料床中形成好氧缺氧和厭氧交替的環(huán)境，達到脫氮和除磷的目的。 

技術(shù)名稱STCC寓意：ST代表standard(標準)，第一個C代表 combination(組合)，第二個C代表carbon(碳) ，STCC意即“標準化組合的、以碳系材料生物濾池為核心的污水處理及深度凈化技術(shù)”。

處理城鎮(zhèn)污水后的出水優(yōu)于國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準，可以達到國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002）Ⅳ類標準。

適用范圍：

城鎮(zhèn)生活污水處理及深度處理、生態(tài)型城市污水處理廠、河流湖泊水體凈化與修復(fù)。