氮和磷是生物的重要营养源，随着化肥和农药普遍使用，天然水体中氮、磷含量急剧增加。水体富营养化加剧，对水生生物和人体健康产生很大的危害。而常规活性污泥工艺对总氮、总磷的去除率仅在10％～30％之间，远不能达到国家排放标准。因此，研究开发高效、经济的生物脱氮除磷工艺已成为当前水污染控制领域的研究重点和热点。
生物脱氮除磷工艺
A2／O工艺
此工艺中，厌氧池进行磷的释放和氨化，缺氧池进行反硝化脱氮，好氧池用来去除BOD、吸收磷以及硝化。A2／O工艺是较早用来脱氮除磷的方法。工艺流程如图：
A2/O反硝化除磷工艺要优于传统的A/O法除磷工艺,且在反硝化进行同时,实现了同时脱氮除磷。A2/O法的生物除磷主要是通过聚磷菌(PAOS)在厌氧条件下释放磷之后,在缺氧阶段吸磷,好氧时继续对剩余磷的过量吸收实现的。通常情况下的吸磷是在好氧状态下进行的,但是最近的研究表明,聚磷菌并非是专性的好氧菌,而反硝化聚磷菌(DPB)具有以硝酸盐代替氧气作为电子受体的特性,同样具有除磷作用,而且这一过程可与反硝化同时进行,实现了同时脱氮除磷。
倒置A2/O脱氮除磷工艺与常规A2/O脱氮除磷工艺很相似，不同之处在于：取消初沉池或缩短初沉池沉淀时间；将常规A2/O先厌氧后缺氧改为先缺氧后厌氧；只有一个污泥回流系统，省去了常规A2/O法的混合液内回流系统。这种倒置A2/O脱氮除磷工艺可以将原传统活性污泥法的曝气池按容积或长度比例不同划分为缺氧、厌氧、好氧三段，在缺氧段微生物利用进水有机物为碳源，使回流污泥带来的硝态氮反硝化，达到脱氮的目的，在厌氧段主要是聚磷菌向水中释放出磷，在好氧段在微生物的作用下，BOD得到降解，氨态氮得到硝化，同时微生物吸收了大量磷，通过排除剩余活性污泥达到除磷的目的。
改良的Bardenpho工艺
改良的Bardenpho工艺流程有厌氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧五段组成，第二个缺氧段利用好氧段产生的硝酸盐作为电子受体，利用剩余的碳源或内碳源作为电子供体进一步提高反硝化效果，最后好氧段主要用于剩余氮气的吹脱。因为系统的脱氮效果好，通过回流污泥进入厌氧池的硝酸盐量较少，対污泥的释磷反应影响小，从而使整个系统达到较好的脱氮除磷效果。
UCT改良工艺
改良的UCT脱氮除磷工艺由厌氧池、缺氧1池、缺氧2池、好氧池、沉淀池系统组成，有2个缺氧池。缺氧1池只接受沉淀池的回流污泥，同时缺氧1池有混合液回流至厌氧池，以补充厌氧池中污泥的流失。回流污泥携带的硝态氮在缺氧1池中经反硝化被完全去除。在缺氧2池中接受来自好氧池的混合液回流，同时进行反硝化，缺氧1池出水中的 带进厌氧池使之保持较为严格的厌氧环境，从而提高系统的除磷效率。将沉淀池污泥回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，避免回流污泥中的硝酸盐对除磷效果的影响，增加了缺氧池到厌氧池的混合液回流，以弥补厌氧池中污泥的流失，强化除磷效果。
SBR工艺
SBR工艺为序批式好氧生物处理工艺，传统的脱氮理论认为，硝化与反硝化反应不能同时发生，硝化反应在好氧条件下进行，而反硝化反应在缺氧条件下完成，SBR工艺的序批式运行为这样的反应条件创造了良好的环境其去除有机物的机理在于充氧时与普通活性污泥法相同，不同点是其在运行时，进水、反应、沉淀、排水及空载5个工序，依次在一个反应池中周期性运行，所以该法不需要专门设置二沉池和污泥回流系统，系统自动运行及污泥培养、驯化均比较容易。因为SBR是间歇运行的，为了解决连续进水问题，至少需要设置两套SBR设施，进行切换运行。SBR工艺流程图见图：
BCFS工艺
BCFS工艺是由荷兰Delft大学的Mark教授在氧化沟和UCT工艺基础上开发的，是目前已经投入使用的单污泥系统。工艺由厌氧池、选择池、缺氧池、混合池及好氧池等5个功能相对专一的反应器组成。通过反应器之间的3个循环，来优化各反应器内细菌的生存环境，充分利用反硝化除磷菌的反硝化除磷和脱氮双重作用，来实现磷的完全去除和氮的最佳去除过程。BCFS工艺突出了反硝化除磷在系统中的作用，将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一，其主要特点是：对氮、磷的去除率高；SVI值低(80～120ml／g)且稳定；控制简单，通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现过程稳定；与常规污水厂相比，其污泥量减少10％；利用反硝化聚磷菌(DPB)实现生物除磷，使碳源(COD)能被有效地利用，使该工艺在COD／(N+P)值相对低的情况下仍能保持良好的运行状态；可回收磷。因此该工艺是一种可持续的污水处理技术。BCFS工艺由5个功能相对专一的独立反应器(厌氧池、选择池、缺氧池、缺氧/好氧池、好氧池)及3路循环系统构成，各循环的作用如下图所示：
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循环代码 |
主要作用 |
控制点 |
氧化还原电位控制范围 (mV) |
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A |
提供污泥释磷条件 ( 即硝酸盐氮＜ 0.1mg/L) |
厌氧池 |
-450 ～ -300 |
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B |
提供硝化混合液 |
缺氧池 |
-150 ～ 0 |
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C |
反硝化脱氮 |
缺氧 / 好氧池 |
-100 ～ 50( 或 0) |
CAST工艺
CAST实际上是一种循环SBR活性污泥法，反应器中活性污泥不断重复曝气和非曝气过程，生物反应和泥水分离在同一池内完成，与SBR同样使用滗水器。污水首先进入选择器，污水中溶解性的有机物通过生物作用得到去除，回流污泥中硝酸盐也此时得到反硝化；然后进入厌氧区，此时为微生物释磷提供条件；第三区为主曝气区，主要进行BOD降解，同时硝化反硝化。CAST选择器设置在池首，防止了污泥膨胀。CAST整个工艺在一个反应器中完成有机污染物的生物降解和泥水分离过程。反应器分为三个区，即生物选择区、兼氧区和主反应区。生物选择区在厌氧和兼氧条件下运行，使污水与回流污泥接触区，充分利用活性污泥的快速吸附作用而加速对溶解性底物的去除，并对难降解有机物起到酸化水解作用，同时可使污泥中过量吸收的磷在厌氧条件下得到有效释放。兼氧区主要是通过再生污泥的吸附作用去除有机物，同时促进磷的进一步释放和强化氮的硝化/反硝化，并通过曝气和闲置还可以恢复污泥活性。
工艺特点：处理效果好，出水水质稳定；通过程序控制可达到良好的脱氮除磷的目的；污泥沉降性能好，稳定化程度高；能很好缓冲进水水质、水量的波动；工艺简单，基建投资较低；采用组合式模块结构设计，方便分期建设和扩建工程；自动化程度高，运行管理较复杂，要求较高的设备维护水平；设备闲置率高，维修工作量大。
A2NSBR工艺
A2NSBR反硝化除磷工艺由2个反应器组成：A2／O一SBR反应器的主要功能是去除COD和反硝化除磷脱氮，N—SBR反应器主要起硝化作用。这2个反应器的活性污泥是完全分开的，只将各自沉淀后的上清液相互交换。在N—SBR反应器中进水COD。A2／O—SBR反应器中，好氧区有好氧吸磷和硝化发生，进一步去除水中残余磷和氨氮。此工艺硝化段、反硝化脱氮吸磷段和好氧吸磷段都处于较理想的反应条件下，显示出非常稳定的硝化和脱氮除磷效果。经研究表明，两反应器的结合表现出稳定的脱氮除磷特性，除磷率几乎达到100％，脱氮率稳定在90％左右；同时与传统脱氮除磷工艺相比较COD消耗量减少50％，耗氧量和污泥产量也可分别减少约30％和50％。因此该工艺特别适合处理BOD5／TP值较低的污水。
MSBR工艺
连续流序批式活性污泥法工艺简MSBR。首先，污水进入厌氧池，回流活性污泥中的聚磷菌在此充分释磷，然后混合液进入缺氧池反硝化。反硝化后的污水进入好氧池，有机物在好氧条件下被降解，活性污泥充分吸磷后再进入起沉淀作用的SBR，澄清后上清液排放。此时另一边的SBR在1.5Q回流量的条件下进行反硝化、硝化或静置预沉。回流污泥首先进入浓缩池浓缩，上清液直接进入好氧池，而浓缩污泥进入缺氧池。这样，一方面可以进行反硝化，另一方面可先消耗掉回流浓缩污泥中的溶解氧和硝酸盐，为随后进行的厌氧释磷提供更为有利的条件。CAST综合了以往除磷脱氮工艺的优点，保证了各污染物质降解的最大速率环境，去除有机污染物效率更高，脱氮除磷效果更好。
MSBR法的主要运行特点：MSBR系统能进行不同配置的设计和运行，以达到不同的处理目的；每半个运行周期中,步骤的数量和每步骤所需的时间,取决于原水的特性和出水的要求。在每半个循环中,原水大部分时间是进入曝气格。接着是部分或全部污水进入作为SBR的序批处理格。在主曝气格中完成了大部分有机碳、有机氮和氨氮的氧化。另外,主曝气格在完全混合状态下连续曝气，创造了一个稳定的生物反应环境。这使得整个设备能承受冲击负荷的影响；从序批处理格到主曝气格的循环流动，使得前者积聚的悬浮固体运送到了后者。循环也把主曝气格内的被氧化的硝化氮运送到在半个循环的大部分时期处在缺氧搅拌状态下的序批处理格,实现脱氮的目的；污泥层作为一个污泥过滤器，对改善出水质量和缺氧内源呼吸进行的反硝化有重要作用。
DEPHANOX工艺
DEPHANOX工艺是BortoneG等于1996年提出的一种具有硝化和反硝化除磷双污泥回流系统的技术。该工艺在厌氧池与缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池，可以避免由于氧化作用而造成有机碳源的损失并稳定系统的硝酸盐浓度。污水在厌氧池中释磷，在沉淀池中进行泥水分离，含氨较多的上清液进入固定膜反应池进行硝化，污泥则跨越固定膜反应池进入缺氧段完成反硝化。该工艺优点在于不但能解决除磷系统反硝化碳源不足的问题和降低系统的能源消耗，而且可缩小曝气区的体积，降低剩余污泥量，尤其适用于处理低COD／TKN(TKN为总凯氏氮)的污水。不过由于进水中氮和磷的比例很难恰好满足缺氧摄磷的要求，从而给系统的控制带来一定困难。
SHARON工艺SHARON—ANAMMOX联合工艺
SHARON工艺由荷兰Delft工业大学开发的脱氮新工艺,是短程反硝化原理的具体应用。其基本原理是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段,然后进行反硝化。该工艺核心是应用硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率,即在操作温度30～35℃下,亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌的生长速率,亚硝酸菌的最小停留时间小于硝酸菌这一特性,通过控制系统的水力停留时间使其介于硝酸菌和亚硝酸菌最小停留时间之间,从而使亚硝酸菌具有较高的浓度而硝酸菌被自然淘汰,维持稳定的亚硝酸积累。
SHARON工艺由于在反硝化中需要消耗有机碳源,并且出水浓度相对较高,因此可以SHAR2ON工艺作为硝化反应器,而ANMMOX工艺作为反硝化反应器进行组合形成一个新型的生物脱氮工艺。SHARON工艺可以控制部分硝化,使出水中的NH4+与NO2-比例为1∶1,从而作为ANAMMOX工艺的进水。联合的SHARON-ANAMMOX工艺具有耗氧少、污泥产量少、不需外加碳源等优点,但应严格保证SHARON工艺出水中的NH4+与NO2-比例满足ANMMOX工艺进水的要求。
立体循环一体化氧化沟
氧化沟是一种经济而有效的污水处理技术，具有稳定的处理效果，是污水生物处理技术之一。特别是用于污水脱氮，氧化沟比其它生物脱氮工艺费用低、去除效率高。然而，与活性污泥法相比，氧化沟占地面积较大，在土地紧张的城市或地区，氧化沟的应用受到限制。。
针对常规氧化沟存在的问题，成功地研究出立体循环一体化氧化沟。其特点是：氧化沟采用立体循环，在循环过程中完成降解有机物和脱氮过程；与现有氧化沟相比，占地面积可减少约50%；沉淀区与氧化沟合建，沉淀的污泥可自动回流到氧化沟内，可节省投资和能耗；结构紧凑，运行操作简便；新型立体循环一体化氧化沟既保留氧化沟设备和运行操作简单等优点，又可减少占地面积。立体循环一体化氧化沟由曝气转刷、上下两层沟道及沉淀区组成，氧化沟的上层为好氧区，下层为缺氧区，混合液在上下循环过程中完成降解有机物和生物脱氮过程。立体循环一体化氧化沟结构形式如图所示。
随着社会的进步、科学技术的快速发展。脱氮除磷新理论将不断出现，人们对生物脱氮除磷的认识将进一步深入,生物脱氮除磷工艺也将得到更大的发展。
