中國工程院院士、實驗室學術委員會(hui) 委員、北京工業(ye) 大學教授彭永臻

　　現在城市汙水處理有兩(liang) 大難題。第一汙水脫氮除磷難。第二汙水處理廠的優(you) 化和節能降耗。因為(wei) 城市汙水運營費用非常高，節能降耗是永恒的主題。另外隨著中國汙水處理率的提高，黑臭水體(ti) 的解決(jue) ，氮磷超標排放日益嚴(yan) 重，導致風險化日益普遍。風險化成為(wei) 全球性的水汙染問題。可以說脫氮除磷成為(wei) 當今汙水處理領域的重大問題，特別是城市汙水。

　　我們(men) 國家水汙染中脫氮除磷存在的問題。我國大多數的汙水處理廠都沒有達到一級A的排放標準，其中瓶頸問題是總氮沒有達標。我國的汙水處理標準過嚴(yan) 了，不是這樣，達到一級A的標準，仍然遏製不了富營養(yang) 化的蔓延。我國應該針對敏感水環境區域製定更加嚴(yan) 格的標準。太湖、環渤海周邊等要製定嚴(yan) 於(yu) 國家一級A標準的排放。

　　還有另外一種情況，有些地區流域真沒有必要到一級A的標準。台灣不用搞脫氮除磷，台灣周邊是公海，排點氮磷往海裏一放，給海裏增加到富營養(yang) 化物質。黑龍江往往沒有必要脫氮除磷。還有一些區域實際上也沒有富營養(yang) 化，從(cong) 來沒有聽說特別大的河流有富營養(yang) 化的問題。富營養(yang) 化有幾個(ge) 條件，氮磷、溫度、陽光、擾動，因此標準該嚴(yan) 的嚴(yan) ，該鬆的鬆。

　　下麵是比較具體(ti) ，第二個(ge) 問題傳(chuan) 統汙水生物處理工藝和問題。從(cong) 全世界來看，在兩(liang) 個(ge) 世紀有固體(ti) 沉澱，處理城市汙水的懸浮物，上世紀20年代初，我記得上學到上海參加汙水處理廠特別驚訝，20年代在上海建立一個(ge) 活性汙泥法汙水處理廠。上世紀70、80年代，全世界脫氮除磷，富營養(yang) 化在全世界爆發了。隨著BOD、脫氮除磷，使汙水處理工藝越來越複雜，帶來很多技術問題，處理工程，包括機械儀(yi) 表處理問題。脫氮除磷的問題納入處理流程之外，提出了非常多的科學問題。

　　再看看脫氮除磷的大問題，汙水除磷可以通過生物除磷和化學除磷。汙水脫氮，隻有生物脫氮才是最經濟有效的，而且對於(yu) 城市汙水來講是唯一的，不僅(jin) 是經濟有效而且是唯一的方法，到現在還沒有聽說哪個(ge) 城市汙水處理廠不用生物脫氮。原因是什麽(me) ?混凝沉澱不能去除微濾、納濾口徑，區別不了水分子大小，隻有反滲透才能區別水分子大小。反滲透處理是中水，對於(yu) 城市汙水處理來講生物脫氮是唯一選擇的。

　　城市汙水總氮代表是關(guan) 鍵難點。

　　生物脫氮反兩(liang) 步，第一個(ge) 硝化，第二個(ge) 反硝化。一個(ge) 電子供體(ti) ，一個(ge) 是電子受體(ti) ，水中氨氮和有機氮從(cong) 汙水處理分離出來完成脫氮的問題，一個(ge) 需要氧氣，一個(ge) 需要有機碳源，這是關(guan) 鍵點。

　　生物除磷，有除磷微生物和菌，沒有氧的條件下，把磷從(cong) 細胞中釋放出來，可以使水中磷從(cong) 3每升毫克達到幾十毫克，在耗氧和曝氣過程中，把水中磷聚集在細胞中，攝取磷，而且是過量的，把含有磷的汙泥排除汙水處理係統就完成了處理，就是這樣簡單。

　　這是我們(men) 用的工藝AN/O除磷工藝，釋放出磷，然後曝氣、好氧，然後沉澱池，然後處理水。還有反硝化反應器缺氧然後到硝化反應器好氧，然後到沉澱池，到處理水。這個(ge) 兩(liang) 個(ge) 結合起來既除磷又脫氮，厭氧、缺氧和好氧。對小型的汙水處理廠應用廣泛的是序批式活性汙泥法，小於(yu) 5萬(wan) 噸的經常用這樣一種工藝。

　　我們(men) 看到什麽(me) 問題，無論對A/O都存在這樣的問題。缺氧，有機物進來這個(ge) 是氨氮，缺氧池沒有變化，在好氧池，此消彼漲形成硝態氮，用有機物還原硝態氮。回流中的硝階氮和出水的硝階氮相同，因為(wei) 他們(men) 都來源於(yu) 這個(ge) 地方，就是說出水和回流汙泥和剩餘(yu) 汙泥中硝階氮、氨氮、總氨是一樣的，這種工藝很難徹底深度的脫氮。

　　有一種工藝是分段進水，把A/O分成四段，假定硝化能夠100%，反硝化100%充分的。如果分成四段，進入第一段原水和有機物，把回流汙泥的硝態氮還原，回流汙泥假設100%，回流汙泥量等於(yu) 進水量，把總氨去掉了，第一段產(chan) 生的而第二段還原了，第三段被第四段水有機物還原掉了，前三段總氮全部被去掉，隻有第四段的氨氮被氧化產(chan) 生硝態氮，才能隨出水流出。第四段有汙泥回流比100%，第四段有一半的總氮可以去掉，這個(ge) 工藝去掉1/8的總氮。但是這四段比較繁瑣，我們(men) 經常用三段，這個(ge) 工藝可以完成深度脫氮。三段可以去掉6/5總氮。如果進水總氮30，出水氮達到5。它還有一個(ge) 優(you) 點，微生物濃度非常高，第一段回流汙泥濃度被1/3的水稀釋，因此汙泥濃度比較高。

　　ICEAS工藝是我們(men) 國家用的比較多的工藝，可以說80%的ICEAS都按照這樣一個(ge) 工藝，下麵的模式在運行。這個(ge) 是攪拌。這個(ge) 表示曝氣，這個(ge) 表示沉澱，這個(ge) 表示進水，但是進貫穿始終，說明什麽(me) ?說明在曝氣階段，一邊曝氣一邊進水，我們(men) 國家脫氮的重大障礙就是缺少碳源，有機物濃度比較低，氨氮總氮比較高，反應的時候沒有碳源，往往加碳源。三小時一邊曝氣一邊進水，用珍貴能源，曝氣需要能源，去除了可貴的碳源，因此既浪費了能量又把有機物去掉了。

　　把進水在攪拌進水中進，曝氣中不進，不僅(jin) 可以大量節省碳源，提高效率，而且節能降耗，有機物不需要能量去除，用反應化去除，幾個(ge) 工程實踐都收到很好的效果。我國現在的ICEAS幾乎用我說的剛才模式運行。

　　第三個(ge) 新型生物脫氮除磷技術。有一種技術叫做短程硝化。剛才說了什麽(me) 是硝化反硝化，特別城市汙水中90%以氨氮形式出現的總氮，還有一部分有機氮，有機氮一曝氣就轉化成氨氮了，氨氮經過曝氣變成硝態氮，有機碳源作用下，這時候不曝氣了，變為(wei) 氮氣，完成脫氮的過程，氮氣可以去除。短程硝化過程簡捷。亞(ya) 硝酸氮這個(ge) 過程減少了曝氣量，這個(ge) 過程減少了外加碳源，減少20%氧氣，減少20%二氧化碳的釋放等等。它為(wei) 實現厭氧提供了底物。

　　全世界包括中國在內(nei) ，全世界汙水處理廠都沒有實現短程硝化，有的僅(jin) 僅(jin) 一部分。這是我們(men) 學校的中試基地，實現了三年短程硝化，而且規模比較大一點。

　　剛才我說了除磷的基本原理，厭氧、吸磷、放磷，放磷在耗氧狀態下吸收磷，然後把汙泥排出處理。反硝化除磷，這個(ge) 過程既完成反硝化又完成了磷的吸收，一個(ge) 碳源兩(liang) 用。我們(men) 把含有富有磷的汙泥排除係統完成了汙水生物處理。

　　在生物脫氮過程當中需要水汙染被還原成氮氣，除磷也是這樣，反硝化和除磷過程這兩(liang) 個(ge) 過程可以同時完成，減少能源、生物量、減少氧等等優(you) 點。

　　最近開發了A2O-BAF同步脫氮除磷，就是反硝化除磷。這個(ge) 曝氣占2/9，BAF完成硝化，意味著提供大量的硝態氮進入蓄養(yang) 池，跟汙泥結合在一起，不想讓它反硝化除磷都很難，沒有給它反應條件，沒有氧給電子受體(ti) ，隻給硝態氮，占整個(ge) 反應器的2/3，這裏完成了反硝化除磷。

　　厭氧氨氧化脫氮技術。奧地利Broda從(cong) 熱力學角度，預言存在。荷蘭(lan) MULDER生物流化床首次發現。第一座ANAMMOX反應器建立於(yu) 荷蘭(lan) 鹿特丹。

　　我們(men) 看看厭氧氨氧化，有機氮變為(wei) 氨氮叫做氨化，氨氮需要氧需要生物參與(yu) ，氧化為(wei) 亞(ya) 硝態氮。逐步經過幾個(ge) 步驟還原為(wei) 氮氣，完成汙水處理脫氮。20年之前人們(men) 認為(wei) 氮循環隻能沿著這樣一個(ge) 過程。

　　厭氧氨氧化怎麽(me) 樣?厭氧氨氧化就是發現厭氧氨氧化微生物一種細菌。把氨氮的一部分可以說60%氧化為(wei) 亞(ya) 硝，用亞(ya) 硝氧化氨氮，必須有厭氧氨氧化的推進。有將近一半的氨氮不用動就被氧化為(wei) 氮氣。一半多一點被氧化為(wei) 亞(ya) 硝態氮厭氧氨氧化。全世界生活汙水主流依然按照這個(ge) 過程脫氮，這還有生物固氮。全世界都在研究城市汙水處理包括工業(ye) 汙水，能不能這樣脫氮。由於(yu) 高氨氮的廢水，垃圾滲濾液等完成了工程化應用。城市汙水處理還沒有實現這樣一種工藝。而且這個(ge) 工藝有什麽(me) 好處?很少有氧化氮的產(chan) 生。

　　我們(men) 可以看到這些完全一部分氨氮沒有必要好氧再用反硝化。一部分氨氮不需要經過下一步到這就完了，因此可以節省碳源、能源、節省有機物100%、節省曝氣量60%、溫室氣體(ti) 小。這是厭氧氨氧化的發展曆程，現在工業(ye) 上應用，有了很多實際工程應用。

　　全世界比較著名的奧地利STRASS汙水處理廠，沒有實現主流厭氧氨氧化，但是實現了厭氧氨氧化處理汙泥消化液的應用。汙泥液氧發酵的消化液進行厭氧處理，實現了。這是北排搞得厭氧氨氧化的工程。

　　這是新加坡樟宜汙水處理廠實現了部分厭氧氨氧化的脫氮。

　　國內(nei) 也發現了厭氧氨氧化的部分，大大提高效率。厭氧氨氧化瓶頸是短程硝化很難實現，短程硝化一旦實現，厭氧氨氧化比較好實現。我們(men) 發明的技術短程反硝化耦合厭氧氨氧化。部分氨氮演化成硝態氮還原成亞(ya) 硝態氮，對工業(ye) 富水中本來有很多硝態氮，可以把它還原為(wei) 亞(ya) 硝，和城市汙水同步處理。如果含有兩(liang) 千毫升的氨氮經過厭氧氨氧化處理，產(chan) 生220毫升的硝態氮也很高，厭氧氨氧化用短程反硝化也是非常好。短程反硝化就是把硝態氮還原成亞(ya) 硝，不是還原成氮氣的過程。

　　比如說一個(ge) 汙水處理廠短程硝化很難，我們(men) 讓它全程硝化，有機物沒有了，把氨氮硝化成亞(ya) 硝，我們(men) 硝化成硝態氮，把這個(ge) 水回流過來和原水混合，這裏有硝態氮、氨氮和有機物，把這裏硝態氮還原成亞(ya) 硝，自然和水中氨氮產(chan) 生反應。

　　我們(men) 看一看，這是傳(chuan) 統的硝化反硝化的過程。這是短程硝化耦合厭氧氨氧化最艱難的過程。如果是短程反硝化耦合厭氧氨氧化，把氨氮全部硝化成硝態氮，也是很難的。短程硝化耦合厭氧氨氧化，僅(jin) 僅(jin) 把部分氨氮轉化為(wei) 亞(ya) 硝，完全不用有機物，節省100%的碳源。

　　厭氧氨氧化處理城市汙水的展望。主要存在三個(ge) 瓶頸，第一個(ge) 低氨氮。城市汙水氨氮非常低。產(chan) 業(ye) 化應用都是高氨氮的廢水，少則一千，多則幾千，每升毫克的氨氮，包括高濃度的工業(ye) 廢水，低氨氮的很難實現。

　　第二個(ge) 低溫。城市汙水溫度隨季節變化，常常在20攝氏度以下，因此很難達到30度，因此對厭氧氨氧化應用產(chan) 生非常大的障礙。

　　第三個(ge) 厭氧氨氧化富集非常慢，氨氮濃度低於(yu) ，城市汙水量大，少則幾萬(wan) 噸，多則幾十萬(wan) 噸，主流汙水利用厭氧氨氧化困難也比較大，三個(ge) 瓶頸阻礙厭氧氨氧化在主流城市汙水中的應用與(yu) 發展。