污水处理生物脱氮工艺的故事

来源：JIEI创新实验室

1914年，Arden和Lockett发明了活性污泥法，从那时起污水处理技术的面貌便焕然一新，现代污水处理技术大厦的基石就此建立。Arden和Lockett在早期研究活性污泥法时便注意到了硝化的现象，并试图回收污水中的氨，但并不成功。今天，世界各地污水处理厂的运行过程中经常会遇到二沉池反硝化浮泥的现象，70多年前Sawyer对此进行了深入的研究。所有这些现象为硝化理论的建立铺平了道路。1964年英国水污染中心的Downing建立起硝化理论的基本法则，Downing的研究结果显示，硝化过程依赖于自养硝化菌的最大比增长速率，该速率低于异养菌的比增长速率，运行的泥龄需要足够长，以防止硝化菌的流失。

20世纪50年代，世界各地的水体富营养化现象促使研究者对脱氮除磷产生了浓厚的兴趣。1962年，瑞士人Wuhrmann提出在硝化系统之后紧接着一个反硝化系统的工艺构型，这种工艺构型是在高负荷活性污泥系统中，利用内部存储的碳源进行后置反硝化。为了获得较高的脱氮效率，需要在后置的缺氧区投加碳源。另外，在后置缺氧区中內源呼吸会导致氨氮的释放，从而影响出水水质。

也是在1962年，Ludzack和Egginger提出了“半好氧活性污泥法”的工艺，如下图所示，该工艺是一个集成的反应器，在反应器中有一个沉淀的部分，沉淀后的污泥回到好氧区，同时硝化后的混合液通过曝气的作用返回到前部的“半好氧区”，对于COD较低浓度的污水，脱氮的效果令人失望，主要原因是好氧区返回的大量DO影响了工艺的性能。

还是在1962年，年轻的Perry McCarty来到了斯坦福大学，7年之后他提出了在厌氧滤池中投加CH3OH进行反硝化的想法，并在加州圣华金谷地区排水系统中进行了实践，McCarty的研究实际上成为后来反硝化滤池的早期实践。

通过深入详细的试验，McCarty建立起了甲醇用于反硝化的投加量计算公式，这一公式今天仍被广泛使用。

Cm=2.47N0+1.53N1+0.87D0

Cm：甲醇的投加量，mg/L

N0：起始的NO3-N浓度，mg/L

N1：起始NO2-N浓度，mg/L

D0：起始的DO浓度，mg/L

上世纪70年代初，一代大师Eckenfelder和Balakrishnan合作提出用接触稳定工艺储存的碳源来进行反硝化，首先污水中的有机物与微生物接触吸附，然后进入第一个沉淀池进行沉淀，沉淀之后的污泥进入一个非曝气的完全混合接触区，利用吸附的有机物进行反硝化，沉淀之后的污水进入一个好氧硝化池。通过这种方式实现了85%的脱氮效果，但是由于第一个沉淀池中的一部分入流进入接触池会导致出水氨氮不能达到很低的浓度。

上述的这些研究，人们极力想找到一种可靠、廉价的脱氮方式，但始终没有找到一种性价比很高的工艺。当时在Eckenfelder的门下有个来自南非的学生叫James Barnard，当时他正在美国读书，他目睹了Eckenfelder的研究。1971年，James Barnard告别了老师回到了故乡南非。

James Barnard接受了McCarty采用厌氧滤池去除N03-N的想法，与McCarty不同的是，Barnard尝试想尽量采用原污水中的碳源进行脱氮。他采用的试验工艺路线还是Balakrishnan-Eckenfelder的工艺，但做了一些改进，Barnard将硝化后的混合液回流到稳定池进行反硝化，这样就正好利用上了原污水中的碳源，由于从接触池之后的沉淀池的底流有一部分直接进入稳定池后会有一部分氨氮直接穿出系统，因此在后续的环节中又加入了硝化工艺和反硝化单元（“厌氧滤池”），投加CH3OH进行反硝化，同时也省掉了最后的沉淀池。该工艺后来发展成为A/O脱氮工艺。

上述的工艺构型看起来颇为复杂，由于上述工艺的核心思想是将硝化后的出水回流到前端进行反硝化，因此James Barnard又进行了一个更为简洁的工艺试验，这次试验是将厌氧在前、好氧在后，用较大的污泥回流比（200%~400%）进行回流，如图1所示。

上述试验获得了大概70%的脱氮率，但沉淀池出现的反硝化浮泥现象令James Barnard并不满意，结合之前的改良Balakrishnan-Eckenfelder工艺思路，他又在好氧区之后又加了一段“厌氧区”（现在实际上称为缺氧区），大比例的污泥回流被第一好氧区末端的混合液回流所替代，同时最后一个小的好氧区用于吹脱氮气和降解“厌氧区”释放的氨氮，保证水质。至此，经典的Bardenpho污水处理脱氮工艺就此形成。在Bardenpho工艺的基础上，A2/O、5段Bardenpho等各种工艺陆续出现。

可以看出，James Barnard是将Wuhrmann、Ludzark & Ettinger、McCarty的思想充分吸收，创造性地发展成实用的污水处理脱氮工艺。实际上，60年代Ludzark & Ettinger的实践已经有了利用原污水的碳源进行反硝化的思想，但是后面的人并没有沿着这条路走下去，James Barnard对这一现象也感到颇为不解。由于对生物脱氮除磷的杰出贡献，James Barnard被誉为“生物脱氮除磷之父”，并获得了2011年李光耀水奖。李光耀水奖提名委员会这样评价：“他孜孜不倦地为解决水环境问题奋斗，他所开创的技术有效地保护了日益珍贵的水资源，奠定了今日世界各地污水生物脱氮除磷的基石”。

1972年的春天，南非约翰内斯堡市决定将Goudkoppies污水厂（75万人口当量）的工艺由高负荷活性污泥法+氨氮吹脱改为4段Bardenpho工艺。由此，世界各地污水厂的脱氮实践陆续拉开序幕。

在70年代污水处理生物脱氮工艺基本定型的基础上，经过数十年的发展，最终形成百家争鸣、百花齐放的技术格局（图2）。