中国工程院院士、实验室学术委员会委员、北京工业大学教授彭永臻

　　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。

　　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MULDER生物流化床首次发现。第一座ANAMMOX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STRASS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。