氮、磷元素的大量排放会造成水体的富营养化，因此我国将氨氮和总磷作为评价污水处理厂处理效果的重要考核指标。目前污水处理以生物脱氮为主，其脱氮原理为经过好氧硝化，缺氧反硝化，将污水中的氮元素转化为无害的氮气。
原理
总氮是指可溶性及悬浮物颗粒中的含氮量，包括NO3-，NO2-和NH4+等无机氮和氨基酸、蛋白质和有机胺等有机氮。生物脱氮首先是在厌氧环境内，通过氨化作用将有机氮转化为氨氮，这一过程称为氨化过程，氨化过程很容易进行，在一般无数处理设施中均能完成；然后在好氧环境内，通过硝化作用，将氨氮转化为硝态氮；随后在缺氧环境内，通过反硝化作用，将硝态氮转化为氨气，从水中逸出。
主要工艺
脱氮的主要工艺包括活性污泥法（A2O、氧化沟、SBR等）和生物膜法（生物滤池、生物接触氧化池、生物转盘等），对污水中的氮都有良好的去除效果，但在工艺以及操作上存在一定的局限性和复杂性。
1.活性污泥法：
A2O法即厌氧一缺氧一好氧活性污泥法。污水在流经厌氧、缺氧、好氧三个不同功能分区的过程中，在不同微生物菌群的作用下，使污水中的有机物、N、P得到去除。A2/O法是最简单的同步除磷脱氮工艺，总水力停留时间短，在厌氧、缺氧、好氧交替运行的条件下，可抑制丝状菌的繁殖，克服污泥膨胀，SVI一般小于100，有利于处理后的污水与污泥分离，厌氧和缺氧段在运行中只需轻缓搅拌，运行费用低。该工艺在国内外使用比较广泛。优点：该工艺为最简单的同步脱氮除磷，总的水力停留时间，总产占地面积少；在厌氧的好氧交替运行条件下，丝状菌得不到大量增殖，无污泥膨胀；污泥中含磷浓度高，具有很高的肥效；运行中勿需投药，只用轻缓搅拌，运行费低。缺点：除磷效果难于再行提高，污泥增长有一定的限度，不易提高；脱氮效果也难于进一步提高，内循环量不宜太高，否则增加运行费用；对沉淀池要保持一定的浓度的溶解氧，减少停留时间，溶解浓度也不宜过高，以防止循环混合液对缺反应器的干扰。
氧化沟又称连续循环反应器，是20世纪50年代由荷兰的公共卫生所（TNO）开发出来的。氧化沟是常规活性污泥法的一种改型和发展，是延时曝气法的一种特殊形式。其主要功能是供氧；保证其活性污泥呈悬浮状态，是污水、空气、和污泥三者充分混合与接触；推动水流以一定的流速（不低于0.25m/s）沿池长循环流动，这对保持氧化沟的净化功能具有重要的意义。氧化沟具有出水水质好、抗冲击负荷能力强、除磷脱氮效率高、污泥易稳定、能耗省、便于自动化控制等优点。但是，在实际的运行过程中，仍存在一系列的问题，如污泥膨胀问题、泡沫问题、污泥上浮问题、流速不均及污泥沉积问题。间歇式活性污泥法简称SBR工艺，一个运行周期可分为五个阶段即：进水、反应、沉淀、排水、闲置。这种一体化工艺的特点是工艺简单，由于只有一个反应池，不需二沉池、回流污泥及设备，一般情况下不设调节池，多数情况下可省去初沉池。特点：大多数情况下，无设置调节池的需要；SVI值较低，易于沉淀，一般情况下不会产生污泥膨胀；通过对运行方式的调节，进行除磷脱氮反应；自动化程度较高；得当时，处理效果优于连续式；单方投资较少；占地规模较大，处理水量较小。存在问题：A2O和氧化沟工艺均需要较大的池体面积，基建成本高；污泥回流、沉淀工序复杂、能耗大，普通小型污水厂难以承担，不适用于污水厂改造。SBR工艺需要精细度高的滗水器来保证出水水质，后续要设置调节池来调节出水水量，对自动化要求高。
2.生物膜法：
生物滤池占地面积大，生物接触氧化池固定载体施工维护难度大，且二者均容易发生堵塞，对污水厂的长期稳定运作造成极大的困难。生物转盘处理水量小，仅适用于处理水量小的污水处理厂。
3.新型工艺
MBBR工艺是基于生物滤池和生物流化床工艺发展起来的，在同时发挥生物膜法和活性污泥法的优势下，克服了生物膜法常遇到的填料堵塞和反冲洗的高能耗，还克服了活性污泥法的污泥流失等问题，使其生物处理效果更为有效。MBBR载体使用聚合高分子材料制成，高分子材料中融合多种有利于微生物快速附着生长的微量元素，经过特殊工艺改性、构造而成，具有比表面积大、 亲水性好、生物活性高、挂膜快、处理效果好、使用寿命长等优点。微生物可大量附着在MBBR载体上，使生化处理系统在污泥浓度不变的情况下生物量得到成倍的提高。系统的处理能力和效率也因此得到相应的提高，强化了对不同水质的抗冲击性。当附着在MBBR载体上的生物膜达到一定的厚度时，生物膜形成溶氧梯度，使得在好氧池内载体的内部仍存在缺氧区域，使反硝化菌能在载体内部进行反硝化作用，即同步硝化反硝化。可以有效节省碳源，使其能在较低的碳氮比的情况下仍能有良好的脱氮能力。MBBR载体密度均小于1，在挂膜之后密度与水相近，能在水体中呈悬浮状态。在实际操作中，使用曝气+搅拌使载体在水体中呈流化状态，形成气-液-固三相流化，强化了气、液相和载体之间的接触，大大提高了对氧气的利用效率，有效降低曝气量和能耗。 MBBR工艺只需在原有生化工艺上按比例投加载体，和设置载体格栅，无需大量的基建即可起到强化脱氮能力的作用，大大节省了投资成本。在污水厂的提标改造方面有良好的发展前景。传统的脱氮工艺是将NH4+氧化成NO2-,再氧化成NO3-；起作用的分别是亚硝酸菌和硝酸菌，统称为硝化菌，可得如下结论：亚硝化过程产生的能量比硝化过程产生的能量多，因而前者反应速率较后者快；亚硝化过程中产生大量的H+,使系统pH值降低，而硝化过程对系统的pH值无影响；亚硝化过程和硝化过程好氧比为3:1；亚硝酸菌和硝酸菌的生理特性大致相似，但前者的时代周期短，生长较快，因此较能适应冲击负荷和不利的环境条件。当硝酸菌受到抑制的时候，将会出现NO2-的积累。很显然，在传统的硝化-反硝化脱氮过程中，在反硝化菌的作用下，反硝化过程既可从硝酸盐开始，也可以从亚硝酸盐开始。但由NO2-转化为NO3-，然后由NO3-再转化为NO2-的重复转化过程中，要消耗更多的溶解氧和有机碳源。如果在实际过程中，控制这一转化过程，使NH4+全部或绝大部分转化为NO2-而不是NO3-，由NO2-直接进行反硝化，称此过程为短程硝化-反硝化，经过环境工作者的不懈努力，短程硝化-反硝化过程在许多反应器都得以实现。与传统脱氮工艺过程相比，短程硝化-反硝化体现出以下优势。节能：硝化阶段，供氧量节省近25%，降低能耗；节约外加碳源：从NO2-到N2要比从NO3-到N2的反硝化过程中，减少40%的有机碳源；可以缩短水力停留时间：在高氨环境下，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，因此水力停留时间可以缩短，反应器的容积也相应减小；可减少剩余污泥产量：亚硝酸菌表观产率系数为0.04~0.13gVSS/gN,硝酸菌的表观产率系数为0.02~0.07 g VSS/g N，NO2-反硝化菌和NO3-反硝化菌的表观产率系数分别为0.345 g VSS/g N和0.765 g VSS/g N，因此短程硝化反硝化过程中可以减少产泥24~33%，在反硝化过程中可少产泥50%。存在问题：短程硝化反硝化工艺目前还处于研究阶段，实际应用工程较少。由于短程硝化阶段温度、pH 值等因素的控制难度较大，需要研发更加完善的在线检测和模糊控制技术，以实现稳定的短程硝化反硝化，从而不断扩大短程硝化反硝化工艺的应用。厌氧氨氧化作用即在厌氧条件下由厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐为电子受体，将氨氮氧化为氮气的生物反应过程。这种反应通常对外界条件（pH值、温度、溶解氧等）的要求比较苛刻，但这种反应由于不需要氧气和有机物的参与，因此对其研究和工艺的开发具有可持续发展的意义。 厌氧氨氮化一般前置短程硝化工艺，将废水中的一部分氨氮转化成亚硝酸盐。目前在处理焦化废水、垃圾渗滤液等废水方面已经有成功的运用实例。厌氧氨氧化是一个微生物反应，反应产物为氮气。具有一些优点：由于氨直接作反硝化反应的电子供体，可免去外源有机物(甲醇)，既可节约运行费用，也可防止二次污染；由于氧得到有效利用，供氧能耗下降；由于部分氨没有经过硝化作用而直接参与厌氧氨氧化反应，产酸量下降，产碱量为零，这样可以减少中和所需的化学试剂，降低运行费用，也可以减轻二次污染。 曝气生物滤池是 90 年代初兴起的污水处理新工艺，已在欧美和日本等发达国家广为流行。该工艺具有去除 SS 、化学需氧量、 BOD 、硝化、脱氮、除磷、去除 AOX （有害物质）的作用，其特点是集生物氧化和截留悬浮固体与一体，节省了后续沉淀池 ( 二沉池 ) ，其容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，出水水质好：运行能耗低，运行费用省。 BAF 属第三代生物膜反应器，不仅具有生物膜工艺技术的优势，同时也起着有效的空间过滤作用，通过使用特殊的滤料和正确的配气设计。工艺特点：
1 、 采用气水平行上向流，使得气水进行极好均分，防止了气泡在滤料层中凝结核气堵现象，氧的利用率高，能耗低；2 、与下向流过滤相反，上向流过滤维持在整个滤池高度上提供正压条件，可以更好的避免形成沟流或短流，从而避免通过形成沟流来影响过滤工艺而形成的气阱； 3、上向流形成了对工艺有好处的半柱推条件，即使采用高过滤速度和负荷，仍能保证 BAF 工艺的持久稳定性和有效性； 4 、采用气水平行上向流，使空间过滤能被更好的运用，空气能将固体物质带入滤床深处，在滤池中能得到高负荷、均匀的固体物质，从而延长了反冲洗周期，减少清洗时间和清洗时用的气水量；5 、滤料层对气泡的切割作用是使气泡在滤池中的停留时间延长，提高了氧的利用率；6 、由于滤池极好的截污能力，使得 BAF 后面不需再设二次沉淀池；城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品加工水、酿造等有机废水处理。“STCC污水处理及深度净化技术”是一种新型的多种介质填料的“曝气生物滤池技术”，该技术在“土壤净化法”的长期实践经验基础上，采用本地天然材料和废弃材料，研发出具有自净功能的“不饱和炭”、“脱氮材料”和“除磷材料”等多种介质的填料，组成复合填料床。通过特殊的曝气系统在填料床中形成好氧缺氧和厌氧交替的环境，达到脱氮和除磷的目的。 技术名称STCC寓意：ST代表standard(标准)，第一个C代表 combination(组合)，第二个C代表carbon(碳) ，STCC意即“标准化组合的、以碳系材料生物滤池为核心的污水处理及深度净化技术”。
处理城镇污水后的出水优于国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准，可以达到国家《地表水环境质量标准》(GB3838—2002）Ⅳ类标准。城镇生活污水处理及深度处理、生态型城市污水处理厂、河流湖泊水体净化与修复。
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