水资源短缺已成为我国乃至世界遇到的重大难题。随着未达标废水的违法排放，现有可用水体被污染，使得水资源短缺继续恶化〔1〕。尽管我国加强了对废水处理厂出水质量的监管，并取得一定成果，但水体富营养化现象依旧未得到妥善解决。
为进一步抑制水体富营养化，诸多学者采用同步脱氮除磷技术处理生活废水，且部分同步脱氮除磷技术已在废水处理厂运行使用〔2〕。同步脱氮除磷主要包括A2/O工艺〔3〕、SBR工艺〔4〕、氧化沟〔5〕、MBR工艺〔6〕、相关改进工艺以及联合处理工艺等〔7〕。在生物脱氮过程中，氮相继经过氨化、硝化、反硝化及同化等过程，最终以N2形式排出〔8〕。其中氨化过程依靠氨化细菌将水中的有机氮化物转化为NH4+-N。硝化过程通过硝化细菌这类自养菌完成，分为2步〔9〕：首先在氨氧化菌（AOB）的作用下将NH4+-N氧化为NO2--N，其次，NO2--N在亚硝酸盐氧化菌（NOB）的作用下氧化为NO3--N。反硝化过程则通过反硝化细菌完成，可将NO3--N和NO2--N还原为NxOy或N2。对于反硝化而言，NO3--N的代谢转移分为2种：一种是同化反硝化，其将NO3--N转化为有机氮化合物，最终成为生物体的有机组分；另一种是异化反硝化，不存在O2时，反硝化菌将NO2--N和NO3--N的结合氧作为最终电子受体，碳源为电子供体，使硝态氮还原为N2或N2O〔10〕。生物除磷过程中，厌氧条件下聚磷菌吸收废水中的易生物降解有机物及挥发性脂肪酸（VFA），同时水解胞内的聚磷并以PO43--P形式释放到水中，使自身处于“饥饿状态”〔11〕。随后在好氧条件下，聚磷菌消耗VFA生成的聚-β-羟基丁酸（PHB）和底物生成能量进行新陈代谢，超量摄入废水中的PO43--P储存于细胞内，进而形成含磷量较高的污泥。研究最终明确，交替进行厌氧/好氧并定期排放污泥能达到降低废水中磷的目标〔12〕。随着新环境保护法的施行，以及《水污染防治行动计划》发布，我国污水厂需进行提标改造，优化自身处理系统的性能。对传统脱氮除磷工艺进行优化改进，使其高效稳定运行成为现阶段研究者的主要目标。
1 倒置A2/O工艺
A2/O工艺因具有同步脱氮除磷性能，现已广泛用于我国生活废水的处理。据统计，2013年国内运行的4 136座污水处理厂中，有25.82%的污水处理厂采用传统A2/O工艺或其改进装置〔13〕。由于传统的A2/O工艺需满足脱氮、除磷的各自需求，且水中生物进行高效反应所需外界条件也不尽相同，因此不能充分发挥系统的脱氮除磷效能〔14〕。张波等〔15〕将传统A2/O工艺的缺氧池位置前置并取消原系统中的消化液回流，开发出倒置A2/O工艺。缺氧池前置解决了传统A2/O工艺因碳源缺乏而引起的反硝化不充分问题，提升了脱氮程度。聚磷菌经过厌氧释磷阶段后，未经其他反应器直接进入好氧池进行好氧吸磷，能充分发挥其吸磷动力。同时，循环的微生物均经过完整的释磷吸磷周期，具备“群体效应”，并大幅提升了整体工艺的生物脱氮除磷性能〔16〕。李亚静等〔17〕就传统A2/O工艺与倒置A2/O工艺的污染物去除效果进行对比研究，结果表明倒置A2/O工艺在去除COD、NH4+-N、PO43--P方面全部优于传统A2/O工艺。
尽管与传统A2/O工艺相比，倒置A2/O工艺已有明显提升，但随着我国废水排放标准的进一步提升，单独使用倒置A2/O工艺处理工业与生活废水时，氮、磷浓度很难全部符合一级A排放标准要求。因此对倒置A2/O工艺进行针对性的优化，提升处理效果并保持高效稳定运行具有现实意义。
2 倒置A2/O工艺脱氮除磷过程存在问题
2.1 碳源竞争
对于生物脱氮除磷工艺，碳源消耗主要在于反硝化脱氮、厌氧释磷及满足异养微生物自身生长代谢，其中厌氧释磷和反硝化脱氮在碳源消耗中占有较大比重。在倒置A2/O系统中，由于废水先进入缺氧池中进行反硝化反应，该过程中有机碳源的大量消耗会使进入厌氧池的有机碳源不足，进而影响聚磷菌释磷过程的充分进行，减弱聚磷菌在好氧过程中的吸磷动力，最终降低系统对TP的去除效果。
2.2 进水碳源不足
我国江南地区雨水、地下水充足，河流湖泊密集，导致进入城镇污水处理厂的水质常呈现低碳氮比的现象，具有成分复杂、排放量大、有机物含量低的特点。实际处理中若直接采用实际污水作为碳源来源，其一部分会为其他异养微生物消耗，还有一些被反硝化细菌用于自身生长，剩下的仅能缓慢降解的有机物则不能被迅速利用。一般来讲，碳氮比应控制在4左右。若碳源匮乏，氮、磷去除过程的一系列问题被显现出来。在脱氮过程中，反硝化过程以异养菌为主的反硝化细菌若没有足够碳源为其提供电子，将无法充分反硝化回流的NO3--N，削弱脱氮效率。而对于生物除磷，由于进水中的优质碳源较少，同时缺氧池前置进一步消耗了优质碳源，最终使得厌氧池中的优质碳源大大降低，聚磷菌无法充分厌氧释磷、在体内充分合成PHB，间接地降低好氧吸磷时的动力，吸磷效果减弱〔18〕。
2.3 SRT矛盾
3 3种强化脱氮除磷措施
3.1 碳源投加
为解决碳源不足的局限性，有研究者在不改变工艺整体流程的前提下向进水中人工投加碳源，以提高对氮、磷的去除效果。而常被人们采用的外加碳源主要为2类：以甲醇、乙酸钠、葡萄糖等为主的有机化合物，以及一些可替代的有机碳源，包括污泥上清液、工业废水、粪便废水。一般而言投加有机化合物后的反硝化速率高于投加可替代有机碳源，但无论哪种外加碳源，都需经历一段适应期才能达到最佳处理效果。乙酸钠作为外加碳源会经历快速的适应期；而甲醇作为外加碳源时，初期反硝化速率并未有明显改变，随着反应进行，反硝化细菌适应了甲醇为营养物质，反硝化速率不断提高〔22〕。人工投放的外加碳源一定程度上解决了低碳氮比废水因缺乏碳源而引起的问题。倒置A2/O系统的缺氧池与厌氧池因外加碳源存在，反硝化细菌和聚磷菌均恢复了活性，氮、磷的去除率提高。崔新伟等〔23〕采用倒置A2/O-MBR系统，以乙酸钠、甲醇、乙酸为研究对象，结果显示外加碳源后TN去除率提升了26.5%。
3.2 分段进水
为解决碳源竞争，有部分学者提出分段进水的理念〔24〕。分段进水是指改进废水单一从缺氧池流入，再按顺序通过厌氧池、好氧池的传统进水模式。根据进水分配比将进水一分为二，分别流入缺氧池与厌氧池，以保证厌氧池聚磷菌释磷所需碳源的充足。同时，为避免进水分段化后，缺氧池反硝化不彻底而导致的缺氧池NO3--N流入厌氧池，争夺厌氧池的碳源从而抑制厌氧释磷，应保持进水比例，使反硝化菌与聚磷菌维持正常的生理活动状态。凌琪等〔25〕研究显示，无论静态试验还是小试，当进水配比为7:3时，出水TN和TP的平均质量浓度为13.02、0.48 mg/L，能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A标准要求。曾麒峰〔26〕选用乙酸钠作为外加碳源，同时控制缺氧池投加量和厌氧池投加量分别为70%、30%，出水中的COD、NH4+-N、TP均符合一级A排放标准要求。
3.3 MBR联合处理工艺
膜生物反应器（MBR）的滤膜具有高效截留作用，因此有学者提出将倒置A2/O工艺与MBR工艺联合使用，构成倒置A2/O-MBR处理体系，以期解决不同微生物SRT的矛盾。研究发现，该体系的MBR生物膜富集的微生物主要为硝化细菌，而处于悬浮态的活性污泥多数由异养细菌组成〔27〕。该研究证明可通过生物膜固定硝化细菌，以满足硝化细菌生理所需的较长SRT，同时不会阻碍反硝化细菌与聚磷菌的正常生长。该体系中，硝化反应依靠MBR系统完成，反硝化脱氮与厌氧释磷好氧吸磷依靠悬浮污泥来完成。I. W. Lo等〔28〕也证明复合生物膜体系能解决倒置A2/O工艺中SRT矛盾的问题。赵曙光等〔29〕采用倒置A2/O+MBR处理矿区生活污水，该工艺出水中的COD、TN、TP符合甚至优于污水厂的污染物排放标准要求。为降低膜组件成本，有学者提出用以尼龙布、不锈钢等为膜支撑材料的动态膜反应器（DDMBR）代替传统生物膜，在保留传统生物膜优点的同时，大幅降低了工艺成本〔30〕。
4 结论与展望
（1）对于低碳氮比废水处理，若所有污染物均按照国家一级A排放标准时，选用单一的强化处理工艺很难符合排放标准。因此，宜采取多模式理念，联合使用多种强化处理工艺。
（2）针对处理低碳氮比废水所需碳源不足的现象，外加碳源可取得较好的优化效果。但若应用到实际工程中，应进行经济可行性分析，采用乙酸钠作为外加碳源会带来一定经济负担。因此，寻找效果更好、更经济的外加碳源或充分发掘污泥自身碳源的潜力成为此方面研究的重点方向。
（3）动态膜工艺的出现为解决膜生物反应器造价昂贵问题带来希望。但相较于传统膜生物反应器，动态膜工艺的污染更加迅速，膜污染程度会随时间推移而加剧，且随污染的加剧，膜的清洗周期也逐渐缩短。制造价格低廉、抗污染性能更强的膜生物反应器，或研发有效的膜修复措施具有一定意义。
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