第1章绪论
随着社会经济的快速发展，人们对水的需求量大大增加，水资源日趋紧缺；同时，对有限水资源的不合理利用以及大量未达标废水的排放［13］，使现有水体受到了不同程度的污染。据监测，国内82%的河流受到不同程度污染。我国七大水系中，一至三类、四至五类和劣五类水质的断面比例分别为41.8%、30.3%和27.9%。其中，海河水系属重度污染，辽河、淮河、黄河、松花江属中度污染，长江属于轻度污染。在所监测的27个重点湖库中，仅有2个达到了二类水质，5个为三类，4个为四类，6个为五类，达到劣五类的为10个。
氮、磷化合物进入水体不仅导致水环境恶化，而且对人体的健康以及动植物的生存造成一定的危害。
1.1水体中氮、磷元素的危害
氮、磷元素通过不同途径进入水体后产生多种危害。用来饮用的地表水和地下水中硝态氮（NO-3N）和亚硝态氮（NO-2N）的含量过高会给人体健康带来严重的影响和危害。首先，它能引起血色素变性。变性后的血色素能够破坏红细胞的载氧能力，引起人体严重缺氧而导致死亡。其次，它还可以增加肝癌、食管癌、胃癌等各种癌症的发病率。此外，它还可以降低人体对维生素A的利用率，容易引起维生素A缺乏症。
氮、磷富集能够加速水体“富营养化”。水体的“富营养化”是指含氮、磷等元素的无机营养物质大量进入相对封闭、水流缓慢的水体，引起水体中藻类及其他水生生物异常繁殖，水体透明度和溶解氧下降，从而破坏水体生态系统的结构和功能，导致水体恶化的现象。水体的“富营养化”促使藻类过度繁殖，消耗大量溶解氧，同时散发出恶臭，加快水质的恶化和水体的老化速度，严重影响和破坏水生生态系统。
1.2传统生物脱氮除磷原理与技术
〖1〗1.2.1传统生物脱氮原理
活性污泥法生物脱氮的过程包括两个不同的阶段，即硝化阶段和反硝化阶段。在微生物的作用下，污水中的氨氮通过这两个阶段最终以氮气的形式去除，参与这两个过程的微生物的种类、转化的基质以及所需要的条件并不相同，其生化反应的特性［4，5］见表1.1。
表1.1生物脱氮的生化特性
生化反应类型去除有机物硝化阶段亚硝化硝化反硝化阶段
微生物好氧菌和兼性菌(异养菌)Nitrosomonas(自养菌)Nitrobacter(自养菌)兼性菌(异养菌)
细胞形状各种形状椭球或棒状椭球或棒状各种形状
世代周期20min至数小时8～36h12～59h20min至数小时
能源有机物化学能化学能有机物
氧源氧气氧气氧气NO-3，NO-2
碱度无变化7.14mg/mg无变化3.57mg/mg
最适pH6～87～8.56～7.56～8
硝化过程是将污水中的氨氮转变为硝态氮的过程，包括两个基本的反应：氨氧化菌首先将氨氮转化为亚硝态氮（NO-2N）；亚硝化细菌再将亚硝态氮转化为硝态氮（NO-3N）。氨氧化细菌和亚硝化细菌大多数为专性化能自养菌，硝化细菌生长速率低，硝化过程需要在好氧条件下进行，同时利用氧作为电子受体。其反应方程式表示为
NH+4+32O2NO-2+H2O+2H+（11）
NO-2+12O2NO-3（12）
反硝化是通过反硝化细菌使硝化过程中生成的NO-3N或NO-2N还原成为氮气的过程，反硝化在缺氧条件下由化能异养兼性缺氧型微生物完成。
5C+2H2O+4NO-3反硝化细菌2N2+4OH-+5CO2(13)
因此，NO-3还原为氮气经历以下连续四个步骤的反应：
NO-3→NO-2→NO→NO2→N2(14)
化学计量方程表明了生物系统中利用亚硝化单胞菌将水体中的氨转化为亚硝态氮的过程，同时也表明了利用硝化细菌将亚硝态氮转化为硝态氮的过程［6］。
18NH+4+3O2+32HCO-34C5H7O2N+14NO-2+26H2O+12H2CO3(15)
12NO-2+NH+4+O2+HCO-3+4H2CO3
C5H7O2N+12NO-3+3H2O(16)
通过式（13）～式（16）可得
115NH+4+13O2+199HCO-3
31C5H7O2N+84NO-3+177H2O+44H2CO3(17)
从生物脱氮过程来说，其过程本身就是一个矛盾的统一体。一方面，在硝化反应的过程中，污泥中的硝化细菌需要较长的SRT时间与好氧条件；另一方面，反硝化则要求SRT较短的反硝化细菌与缺氧条件。此外，硝化过程和反硝化过程对污水中有机物的要求也存在矛盾：当污水中存在大量的有机物时，硝化细菌对氧气以及营养物质的竞争低于好氧异养菌，这导致在反应器内好氧异养菌易成为污泥中的优势菌种；而在反硝化过程中，则需要有机碳源的存在，使其作为反应过程中的电子供体完成工艺中的脱氮过程。硝化细菌和反硝化细菌在生理机制上的差异造成了生物脱氮反应器在结构上的不同组合［7］。例如，将硝化与反硝化由同一污泥来完成的单污泥工艺以及由不同污泥来完成的双污泥工艺。单污泥工艺通过交替的好氧和缺氧段来实现。双污泥工艺则通过使用分离的硝化池和反硝化池来完成。若硝化池在前，则在反硝化时需要从外部投加碳源进行脱氮；而硝化池在后时，则需要硝化液大规模地回流，但这些不利于传统生物脱氮工艺高效和稳定地运行。
1.2.2传统生物除磷原理
传统生物除磷原理认为在厌氧和好氧交替的条件下，能够驯化出一类微生物，即聚磷菌（PAO），它能够超量从水体中摄取磷酸盐，并以聚合磷酸盐的形式将其储存在细胞内，这样就形成了具有高磷含量的污泥，把这些污泥以剩余污泥的形式排出，可达到从污水中除磷的目的［811］。活性污泥法生物除磷过程包括两个过程，即厌氧段聚磷菌释磷和好氧段聚磷菌吸磷，其原理如图1.1所示。
图1.1生物除磷原理
E.能量;g.糖源;M.维持细胞生存;G.细胞繁殖增长
厌氧环境：PAO将其细胞体内的多聚磷酸盐水解成无机磷酸盐排放到体外，在这个过程中产生能量，同时利用产生的这些能量充分从水体吸收低级脂肪酸（VFA），把VFA转变成聚β羟基丁酸盐（PHB）储存在细胞内。还有一部分能量来自于聚合物碳源，它的主要作用是提供还原性辅酶来调节胞内氧化还原的平衡。
ATP+H2OADP+H3PO4+能量（18）
好氧环境：PAO利用储存在细胞内部的PHB来提供细胞生长所需要的能量和碳源。PHB最后被氧化成二氧化碳，而还原性辅酶被转化为ATP。聚磷菌生长的能量来自于ATP，并且在生长的同时还不断在细胞体内以多聚磷酸盐的形式储存磷以及合成糖源质，在这个过程中聚磷菌吸收的磷酸盐量远远超过了在厌氧段PAO所释放的磷量，即磷的超量吸收。因此，出水中磷酸盐浓度大大降低，即实现了从污水中除磷的目的。这个过程中产生富含磷的活性污泥，其中一部分作为接种污泥被循环回流到厌氧反应器，另一部分则以剩余污泥的形式被排出，从而使磷从该系统中去除，取得高效稳定的除磷效果。糖源的生成与恢复对能否实现稳定的除磷效果也十分重要，这主要是由于厌氧段将乙酸盐转化为PHB所需要的还原性辅酶主要来源于糖源质物质。好氧的过程可以表示为
ADP+H3PO4+能量ATP+H2O（19）
1.2.3SBR生物脱氮除磷技术
污水脱氮除磷技术是在生物脱氮除磷的原理上发展起来的。脱氮除磷工艺必须同时满足聚磷菌、硝化细菌和反硝化细菌的生长条件，并通过污泥回流实现氮、磷等元素的同时去除。
SBR(sequencing batch reactor)是序批式生物反应器的简称。1914年，Ardern和Lockett首先采用这种系统进行城市核工业废水处理，但未能得到广泛推广，其主要原因是该工艺对自动化控制要求高。当前，SBR不仅在发达国家迅速推广应用，而且在我国也受到了极大的重视。1985年，上海市政设计院为吴淞肉联厂设计、建造了我国第一座SBR废水处理厂，设计流量为2400m3/d，它比美国Culver市城市废水处理厂的建成投产仅晚5年。之后，各地的SBR废水处理厂相继建成并投入运行。此外，SBR还广泛应用于各种工业废水的处理［1214］。
SBR工艺是按一定时间顺序，间歇操作运行并在单个反应器中完成全部操作和运行过程的处理工艺。一个完整周期主要有五个阶段：进水期、反应期、沉淀期、排水排泥期以及闲置期。SBR工艺的流程如图1.2所示。
图1.2SBR工艺
进水期：进水初期，反应器污染物浓度较低，随着污染物的不断加入，浓度不断增加。如果处理的污水中含有有毒物质，就会造成反应器中污泥中毒，往往会采用曝气的形式，来抑制该作用。
反应期：在进水结束后，进行曝气，实现对有机污染物等的生物降解和转换过程。在反应期阶段，活性污泥微生物周期性地处于高浓度和低浓度环境中，反应器也相应形成厌氧、缺氧、好氧交替运行，能够有效地处理有机物，同时进行脱氮除磷。
沉淀期：沉淀过程的功能是澄清出水，浓缩污泥。对于SBR工艺而言，其没有污泥回流系统，更能保证澄清出水，避免了活性污泥法中泥水混合液必须经过管渠进入沉淀池的过程，使得污泥絮凝性得到良好的发挥。通常来说，沉淀时间与污水类型有关，一般为1～2h。
排水排泥期：沉淀期结束后，先将反应器中的上清液排出至周期出水时的最低水位（高于沉淀后污泥层）形成一定的保护高度。一般而言，SBR排水通常由排水装置完成，因此必须注意防止出现沉底污泥上浮问题。排水排泥期一般为1～2h。
闲置期：闲置期的作用是，在静置无进水的情况下，使微生物通过内源呼吸作用恢复其良好的吸附能力，并在缺氧池实现部分反硝化，从而进行脱氮或释磷，为下一个周期创造良好的条件。这个阶段是保证SBR出水水质的重要组成部分，所需时间与所处理污水种类、处理负荷以及所要达到的处理效果有关。
SBR工艺的特点为：工艺简单，调节池容积小，或可不设调节池，不设二次沉淀池，造价低；脱氮除磷效果较好；反应器存在较大的浓度梯度，污泥沉降性能好；厌氧和好氧交替发生，污泥龄短且活性高，抗负荷冲击能力强，出水水质好。
1.2.4传统生物脱氮除磷技术亟待解决的问题
传统的生物脱氮方法包括硝化、反硝化两个过程。硝化细菌在有氧气参与的情况下才能发生硝化过程，反硝化细菌在厌氧或缺氧的情况下才具有较高的活性进行反硝化过程［15］。二者对有利于自身生长和繁殖的环境条件的要求存在差异，硝化、反硝化过程一般不能同时发生，只能序批式地进行。近几十年来，经过不断地改型和发展，生物脱氮技术取得了较大进步，但仍然普遍存在以下弊端［16，17］：
（1） 条件控制复杂，硝化和反硝化分成两个阶段，很难在时间和空间上统一，投资费用高。
（2） 硝化细菌生长周期长，增殖速率较慢，尤其是在低温条件下很难维持较高的生物浓度。
（3） 硝化过程中，为了提高硝化细菌的活性，必须进行曝气来提供良好的好氧条件。但是曝气可以去除大量的有机物，在后续反硝化中需要补充碳源来提高反硝化效率。
（4） 整个系统易受冲击，工艺进水中如果氨氮和亚硝态氮的浓度过高，就会抑制硝化细菌的生长和繁殖，进而影响脱氮效果。
（5） 反应过程中需要加碱中和硝化过程中产生的酸度，这增加了处理费用。
因此，如何降低传统脱氮工艺中曝气所消耗的大量能源和降低将硝态氮还原成气态氮所需要的碳源，是降低动力消耗及运行费用的关键。
传统生物除磷，利用聚磷菌（PAO）一类的微生物，能够超过其生理需要从外部环境摄取磷，并将磷以聚合的形态储藏在菌体内，形成高磷污泥，排出系统外，达到从污水中除磷的效果。PAO只有在厌氧和好氧条件下交替循环时，其大量储存磷酸盐的能力才能够得到实现［18，19］。一般地说，传统的生物除磷可以有效地去除污水中的有机物，但除磷效率较低。这是因为虽然细菌为了合成菌体需要磷，但所需数量有限。该工艺虽然经过几十年发展取得了很大进步，但单纯利用传统生物除磷工艺依然很难满足出水要求。因为传统生物除磷工艺除了具有诸多优点外，缺点也很明显：
（1） 生物除磷对工艺条件变化（如pH、温度和污泥龄等）较化学除磷工艺更为敏感。
（2） 生物除磷必须保持非常低的出水悬浮物浓度。
（3） 生物除磷工艺的污泥难于处理。一旦污泥处于厌氧状态，磷随
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