氮、磷元素的大量排放會造成水體的富營養化，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，其脫氮原理為經過好氧硝化，缺氧反硝化，將污水中的氮元素轉化為無害的氮氣。

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、蛋白質和有機胺等有機氮。生物脫氮首先是在厭氧環境內，通過氨化作用將有機氮轉化為氨氮，這一過程稱為氨化過程，氨化過程很容易進行，在一般無數處理設施中均能完成；然后在好氧環境內，通過硝化作用，將氨氮轉化為硝態氮；隨后在缺氧環境內，通過反硝化作用，將硝態氮轉化為氨氣，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。污水在流經厭氧、缺氧、好氧三個不同功能分區的過程中，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法是較簡單的同步除磷脫氮工藝，總水力停留時問短，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。該工藝在國內外使用比較廣泛。

優點：該工藝為較簡單的同步脫氮除磷，總的水力停留時間，總產占地面積少；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，內循環量不宜太高，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，以防止循環混合液對缺反應器的干擾。

（2）氧化溝

氧化溝又稱連續循環反應器，是20世紀50年代由荷蘭的公共衛生所（TNO）開發出來的。氧化溝是常規活性污泥法的一種改型和發展，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，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好、抗沖擊負荷能力強、除磷脫氮效率高、污泥易穩定、能耗省、便于自動化控制等優點。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、沉淀、排水、閑置。這種一體化工藝的特點是工藝簡單，由于只有一個反應池，不需二沉池、回流污泥及設備，一般情況下不設調節池，多數情況下可省去初沉池。

特點：大多數情況下，無設置調節池的心要；SVI值較低，易于沉淀，一般情況下不會產生污泥膨脹；通過對運行方式的調節，進行除磷脫氮反應；自動化程度較高；得當時，處理效果優于連續式；單方投資較少；占地規模較大，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，后續要設置調節池來調節出水水量，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，且二者均容易發生堵塞，對污水廠的長期穩定運作造成極大的困難。生物轉盤處理水量小，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展起來的，在同時發揮生物膜法和活性污泥法的優勢下，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，經過特殊工藝改性、構造而成，具有比表面積大、 親水性好、生物活性高、掛膜快、處理效果好、使用壽命長等優點。

微生物可大量附著在MBBR載體上，使生化處理系統在污泥濃度不變的情況下生物量得到成倍的提高。系統的處理能力和效率也因此得到相應的提高，強化了對不同水質的抗沖擊性。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，使得在好氧池內載體的內部仍存在缺氧區域，使反硝化菌能在載體內部進行反硝化作用，即同步硝化反硝化。可以有效節省碳源，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。在實際操作中，使用曝氣+攪拌使載體在水體中呈流化狀態，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，大大節省了投資成本。在污水廠的提標改造方面有良好的發展前景。

（2）短程硝化反硝化

傳統的脫氮工藝是將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，統稱為硝化菌，可得如下結論：亞硝化過程產生的能量比硝化過程產生的能量多，因而前者反應速率較后者快；亞硝化過程中產生大量的H+,使系統pH值降低，而硝化過程對系統的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，因此較能適應沖擊負荷和不利的環境條件。當硝酸菌受到抑制的時候，將會出現NO2-的積累。很顯然，在傳統的硝化-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-轉化為NO3-，然后由NO3-再轉化為NO2-的重復轉化過程中，要消耗更多的溶解氧和有機碳源。如果在實際過程中，控制這一轉化過程，使NH4+全部或絕大部分轉化為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，經過環境工作者的不懈努力，短程硝化-反硝化過程在許多反應器都得以實現。

與傳統脫氮工藝過程相比，短程硝化-反硝化體現出以下優勢。

節能：硝化階段，供氧量節省近25%，降低能耗；節約外加碳源：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，反應器的容積也相應減小；可減少剩余污泥產量：亞硝酸菌表觀產率系數為0.04~0.13gVSS/gN,硝酸菌的表觀產率系數為0.02~0.07 g VSS/g N，NO2-反硝化菌和NO3-反硝化菌的表觀產率系數分別為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泥24~33%，在反硝化過程中可少產泥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，需要研發更加完善的在線檢測和模糊控制技術，以實現穩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過程。這種反應通常對外界條件（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具有可持續發展的意義。 

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有成功的運用實例。

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

（3）unitank

Unitank工藝系統是SBR工藝的一種變型和發展，本工藝將傳統活性污泥工藝和SBR工藝運行模式的優點加以綜合，通過對時間和和空間的靈活控制，并適當改變曝氣攪拌方式和提高水力停留時間，可取得良好的脫氮除磷效果。其廢水處理池的池型為矩形，三池共用池壁，節省投資，同時占地面積小。具有可觀的應用價值。

好氧UNITANK系統的運行過程包括6個階段：

(1) 污水進入邊池A，池內進行曝氣，池內混合液經中間池B進入邊池C，C池通過固定出水堰排水；

(2) A池停止進水，繼續曝氣，污水進入B池，C 池繼續排水；采用

(3) A池停止曝氣，靜沉，污水繼續進入B池，C 池繼續排水；

(4) 污水進入邊池C，池內進行曝氣，混合液經中間池B進入A池，A池通過固定出水堰排水；

(5) C池停止進水，繼續曝氣，污水進入B池，A池繼續排水； 

(6) C池停止曝氣，靜沉，污水繼續進入B池，A池繼續排水，直至排水完畢，完成一個運行周期。整個周期內中間池B始終進行曝氣，其中(1)～(3)階段和(4)～(6)階段運行方好正好相反。

 當脫氮除磷時，UNI’FANK系統的曝氣池內除了設有曝氣設備外，還設有攪拌設備等，根據工藝要求，通過對曝氣和攪拌沒備的控制存池內形成交替的好氧、缺氧、厭氧狀態。這些上藝過程的實現依賴于在線溶氧儀、在線氧化還原電位等監控設備和系統。

工藝特點

UNITANK工藝具有傳統SBR工藝的一些優點，同時在其基礎上又有較大的改進，其特點如下：

(1)與傳統活性污泥法相比，UNlTANK系統小省去了污泥回流，節省了太量的投資，運行費用較低。

(2)所有的池體均采用矩形，可以共用池壁，而且3個池之間水力押通，中間池擘水受單向水壓，因而土建省，同時占地面積小。

(3)系統在恒定水位下運行，水力負荷穩定，不僅可以充分利用反應池的有效容積，而且可以降低對管道閥等設備的要求。同時，在恒定水位下運行，曝氣系統可以采用表面曝氣設備，使曝氣系統的管理和維護較為方便；采用構造簡單的固定出水堰代替價格昂貴的潷水器，節省了投資。

(4)可以根據反應池內的溶解氧、氧化還原電位等在線監測數據，通過改變供氧量，切換進出水閥門，以及改變好氧、缺氧及厭氧反應時間等控制手段，在空間上營造合適的反應條件，高效地去除污水中的碳源有機物，以及脫氮除磷。

UNITANK工藝污水處理系統中需設有一套簡單而有效的生物處理監測與控制系統，包括溶氧儀、氧化還原電位（ORP）、污泥濃度、流量、pH等等，根據水質、水量情況，改變或設定運行周期，改變進水點，獲得相應的污泥負荷。故UNITANK工藝需要較高的自動監測和自動控制水平。

適用范圍：UNITANK工藝更適用于用地緊張的大中型城市和中小型污水處理廠，在一定的范圍內，可以替代其它活性污泥法，有獨特的優點，并具有較強的競爭力。

（4）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達國家廣為流行。

該工藝具有去除 SS 、化學需氧量、 BOD 、硝化、脫氮、除磷、去除 AOX （有害物質）的作用，其特點是集生物氧化和截留懸浮固體與一體，節省了后續沉淀池 ( 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，出水水質好：運行能耗低，運行費用省。

 BAF 屬第三代生物膜反應器，不僅具有生物膜工藝技術的優勢，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核氣堵現象，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，空氣能將固體物質帶入濾床深處，在濾池中能得到高負荷、均勻的固體物質，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事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 后面不需再設二次沉淀池；

適用范圍：

城市污水、小區生活污水、生活雜排水和食品加工水、釀造等有機廢水處理。

（5）STCC

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

技術名稱STCC寓意：ST代表standard(標準)，首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”。

處理城鎮污水后的出水優于國家《城鎮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《地表水環境質量標準》(GB3838—2002）Ⅳ類標準。

適用范圍：

城鎮生活污水處理及深度處理、生態型城市污水處理廠、河流湖泊水體凈化與修復。