磷是生物圈中的重要元素之一，是生命活动的一种必需元素，也是一切生物重要的营养元素。它不仅是生物细胞中的重要组成成分，而且在遗传物质的组成和能量贮存中都是必需的。在大多数情况下，磷循环是一个单向流动过程，磷被利用后，以污水的形式排入水体，是一种不可再生且面临枯竭的重要自然资源。城市污水中的磷主要来源于人类排泄物、食物残渣、工商企业、合成洗涤剂和家用清洗剂、农药和化肥。对其中的磷若不进行处理，则容易引起受纳水体的富营养化。水体富营养化就意味着藻类(主要是蓝藻中的微囊藻属Microcystis、腔球藻属Coelosphaerium 和鱼腥藻属Anabaena)的过量增长，其直接后果就是淡水水体发生“水华”，海洋发生“赤潮”，随后藻类死亡，最后造成水体质量恶化和水生态环境的破坏，严重的则将进一步影响人类健康。
目前，生物除磷技术有两种作用机理：一类是聚磷菌（Polyphosphate accumulating organisms，PAOs）以O2作为电子受体，在好氧条件下完成吸磷；另一类是反硝化聚磷菌（Denitrifying Phosphate Removal Bacteria，DPB）以NO3-作为电子受体，在缺氧条件下完成吸磷。两者都在厌氧条件下释磷，并吸收水中挥发性脂肪酸（Volatile fatty acids，VFA），完成磷的代谢循环。
1 生物除磷原理
传统的厌氧-好氧除磷原理
在厌氧段，兼性细菌通过发酵作用，将污水中溶解性BOD转化为低分子发酵产物挥发脂肪酸(VFA) 。聚磷菌此阶段分解体内的聚磷酸盐产生ATP，并利用ATP将水中的低分子发酵产物等有机物摄入细胞内，以聚-β-羟基丁酸 (PHB) 、聚-β-羟基链烷酸( PHA)及糖原等有机颗粒的形式贮存于体内，所需的能量来自聚磷酸盐的水解及细胞内糖的酵解，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸释放到胞外，即厌氧放磷。在好氧段，聚磷菌又可以利用聚-β-羟基丁酸盐氧化分解所释放的能量来摄取污水中的磷，并把所摄取的磷合成聚磷酸盐贮存于细胞内。一般来说，微生物增殖过程中，在好氧环境下所摄取的磷多于厌氧环境中所释放的磷，即好氧聚磷。此原理的本质是通过聚磷菌过量摄取污水中的磷酸盐，以不溶性的聚磷酸盐的形式积累于胞内，通过排放富含磷的废弃污泥来去除污水中的磷。
反硝化除磷原理
反硝化除磷原理与传统的除磷过程相似，但其在吸磷阶段以硝酸盐取代氧气为电子受体进行缺氧摄磷，同时硝酸盐被还原成氮气而得以去除，达到同时脱氮除磷的目的，实现了“一碳两用”。 反硝化除磷机理可以借用PAOs释放和吸收无机磷酸盐的Comeau - Wentzel模式来解释。如图1 所示。在厌氧段，乙酸(以乙酸分子形式)通过被动扩散穿过细胞膜。一旦进入到细胞内，即与ATP水解反应耦合，活化成为乙酰辅酶A，同时产生ADP。细胞通过刺激多聚磷酸盐( Poly -Pn )到ATP的再合成，对ATP /ADP比例的降低做出响应。部分乙酰辅酶A经TCA循环被代谢，提供合成PHB所需的还原力(NADH + H+ ) 。其余的乙酰辅酶A被转化为PHB，约有90%的乙酸碳被储存在这种多聚物中。在缺氧段，污水中的无机磷酸盐丰富，而DPB 的多聚磷酸盐含量低。因为在缺氧区NOx - 是电子受体，所以DPB为了生长，利用储存的PHB作为碳源和能源，通过氧化磷酸化产生ATP，进行无氧呼吸。随着ATP /ADP比例增加，多聚磷酸盐的合成受到激励，因而能够从污水中去除磷酸根和相应的阳离子，在细胞内重新储存多聚磷酸盐。
2生物除磷工艺
传统的生物除磷工艺都是通过厌氧/好氧在时间或空间上不同的排列组合来实现除磷的目的，另外在流程中设置缺氧段，则可在同一工艺中实现同时脱氮除磷。
1 Phostrip侧流生物除磷工艺
侧流除磷工艺是将生物除磷与化学除磷相结合的工艺， Phostrip侧流除磷工艺是在常规活性污泥工艺的基础上，在回流污泥过程中增设厌氧磷释放池和化学反应沉淀池将来自常规生物除磷工艺的一部分回流污泥转移到一个厌氧磷释放池，释放池内释放的磷随上层清液流到磷化学反应沉淀池，富磷上层清液中的磷在反应沉淀池内被石灰或其他沉淀剂沉淀，然后进入初沉池或一个单独的絮凝/沉淀池进行固液分离，最终磷以化学沉淀物的形式从系统中去除。其优点是出水总磷浓度低于1 mg/L，而且不太受进水BOD的影响。
2 厌氧/好氧(A /O)生物除磷工艺
A /O工艺是最简单的生物除磷工艺，反应池划分为好氧区和厌氧区，进水与回流污泥在厌氧区进水端混合后流经多个反应格串联组成的厌氧区，随后是多个反应格串联组成的好氧区，混合液最后进入二沉池，通过固液分离，污泥从二沉池回流到厌氧区。部分富磷的污泥以废弃污泥的形式从系统中排出，实现磷的去除。其特征是负荷高、泥龄和水力停留时间短。
3 厌氧/缺氧/好氧(A /A /O)生物脱氮除磷工艺
为了同时达到脱氮除磷的目的，可在A /O工艺的厌氧区之后、好氧区之前增设一个缺氧区，好氧区具有硝化功能，并使好氧区的混合液回流到缺氧区，使之反硝化脱氮。其特征是在高负荷状态下才能获得良好的除磷效果，污泥龄短，水力停留时间短。
4 氧化沟工艺
氧化沟的种类很多，如Carrousel氧化沟、Orbal氧化沟、DE型氧化沟和三沟式氧化沟等。其特点是在氧化沟内部随曝气位置的变化形成好氧区、缺氧区和厌氧区，从而达到脱氮除磷的目的。为了提高除磷效果，可在氧化沟前增设厌氧区。其工艺设备简单，可不设二沉池，处理效果良好。
5 序批式反应器( SBR)工艺
SBR系统运行模式为进水、反应、沉淀、排水和闲置，这些都是在同一个反应器中进行的。在进水期既不混合也不曝气，为了使微生物与底物有充分的接触，进水时也可以只搅拌而不曝气，保证混合液处于厌氧状态;反应期进行曝气，该阶段反应池内进行碳氧化、硝化和磷的吸收，好氧阶段的长短一般由要求处理的程度决定;停止曝气后，反应器处于缺氧状态，此时进行反硝化，达到脱氮的目的，缺氧期不宜过长，以防止聚磷菌过量吸收的磷发生释放;沉淀时反应器处于完全静止状态，所以其沉淀效果高于一般沉淀池的沉淀效率;沉淀完后进行排水，排水期的长短由一个周期的处理水量和排水设备来确定;当系统为多池运行时，反应器会有一个闲置期，在此阶段从反应器中排出废弃富含磷的活性污泥。典型的SBR反应器还包括其改进工艺，如CASS工艺、CAST工艺、UN ITANK工艺和AICS工艺等。SBR工艺运行方式可灵活调整，并能达到良好的脱氮除磷效果。
6 反硝化除磷工艺
比较传统的专性好氧聚磷菌去除工艺，反硝化聚磷菌能分别节省约50%和30%的COD 和氧的消耗量，相应减少剩余污泥量50%，还可避免COD 单一氧化至CO2，使释放到大气中的CO2量明显降低。目前，研究者在基于反硝化除磷的机理之上开发了许多新工艺。根据系统中微生物所处的环境可将反硝化除磷系统分为单污泥系统和双污泥系统。
单泥系统
在单污泥系统中，反硝化聚磷菌、硝化细菌以及其它微生物共处于厌氧、缺氧、好氧相互交替的环境中。根据其原理发展起来的工艺有SBR、BCFS、颗粒污泥法等。
（1）SBR 工艺
SBR工艺是按时间顺序实现脱除磷的最典型工艺。一般采用传统的厌氧、好氧交替运行的方式进行除磷。采用厌氧、缺氧SBR 反应器对反硝化除磷过程进行研究，发现污泥龄为16d时除磷效率达90％以上，且得出缺氧环境下作为电子受体的硝酸盐的消耗量于废水中磷的吸收量的线性关系式为： PO43 --P吸收=0.89NO3－－N 消耗+1.49（R2＝0.9966）。采用单污泥SBR 工艺处理模拟生活污水的研究表明， 单一的SBR 系统能够实现反硝化除磷，并且发现控制反硝化的终点对于SBR 反应器除磷非常重要。以SBR反应器分别采用一段式和二段式培养方法对反硝化除磷菌进行了驯化富集。结果表明，一段式和二段式培养方法驯化完成后的活性污泥沉降性能均较好，污泥体积指数（SVI）分别约为60、50 mL/g，反硝化除磷菌占聚磷菌的比例达到了77％和71％。两种培养方法下反硝化除磷PO43 --P去除率和脱氮率分别达到了97％和95％以上， 缺氧结束时水中PO43 --P质量浓度小于1 mg/L。驯化完成后污泥的含磷率最高达到了3.7％（质量分数）。因此，采用一段式或二段式驯化方法均能实现反硝化除磷菌的有效富集。
（2）BCFS 工艺
BCFS工艺是生物技术实验室研发的一种新工艺， 这种工艺是在UCT 工艺基础之上增加了两个反应池。由厌氧池、接触池、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 个循环来实现反应器内DPB 富集和氮、磷的最佳去除。BCFS 工艺的主要特点有：①对氮、磷的去除率高；②抑制污泥膨胀；③控制简单，通过氧化还原电位与溶解氧可有效地实现反应器稳定的运行； ④充分利用DPB 倍增时间长的特点，污泥量减少10％左右；⑤利用DPB 实现生物除磷，使碳源能被有效地利用，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。
（3）颗粒污泥法
颗粒污泥表面微生物对溶解氧的吸收利用以及传质阻力对溶解氧扩散的限制，使溶解氧在颗粒内部形成明显的浓度梯度，因此好氧颗粒污泥由外向内形成了“好氧-缺氧-厌氧”的微环境。由于外部紧密、内部松散的结构有利于基质向内部扩散以及内部代谢产物向外传递，好氧区硝化反应产生的NO3-、NO2-容易扩散到缺氧区内， 利于缺氧区内DPB 以NO3-、NO2-为电子受体进行反硝化吸磷活动。同时由于基质传递受到限制，缺氧区内可利用的基质浓度较低，更有利于DPAO除磷。 颗粒污泥沉降性能较好，生物浓度高，污泥含水率低。随着颗粒污泥的应用，存在于普通污泥中的问题都可以被克服。同时它具有独特的影响因素：①DO 浓度和颗粒粒度的相互作用对于反硝化除磷的效果影响很大，如果颗粒粒径过小，那么氧气的穿透力相对较强，影响缺氧区的形成，导致反硝化除磷和脱氮不能实现。②维持适当的氮磷质量比对于污泥的颗粒化和除磷能力非常重要，当氮磷质量比由2.36 上升至4.0 时，除磷率由85.0%下降至54.1%。
（4）BABE 工艺
BABE 工艺的基本原理是使二沉池的回流污泥以侧流的方式进人BABE 反应器，同时消化液中带有的高浓度氨氮在反应器中能够增强活性污泥的硝化能力， 当这些活性污泥回到主流工艺后，其硝化能力提高，对氮的去除效率也随之提高。
双污泥系统
在双泥系统中，硝化细菌独立于DPB 而单独存在于好氧SBR 反应器或者固定膜生物反应器中，实现了硝化和除磷功能菌的分离，从而避免了聚磷菌和反硝化菌争夺VFA 而产生矛盾，同时避免了硝化细菌需要较长SRT 和聚磷菌需要较短SRT 之间产生矛盾。根据其原理发展起来的工艺有Dephanox 工艺、A2NSBR 工艺、HITNP 工艺等。
（1）Dephanox 工艺
该工艺在厌氧池和缺氧池之间增加了沉淀池和固定膜反应池， 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，完成反硝化除磷。该工艺具有能耗低，污泥产量低且COD 消耗量低的特点。但该工艺中磷的去除效果很大程度上取决于缺氧段硝酸盐的浓度，当缺氧段硝酸盐不充足时，磷的过量摄取受到限制，反之硝酸盐又会随回流污泥进入厌氧段，干扰磷的释放和聚磷菌体的PHB 的合成。
（2）A2NSBR 工艺
A2NSBR 工艺是开发较早的一种反硝化除磷脱氮间歇工艺，由两个独立的SBR反应器组成：一个是An/A-SBR反应器， 其主要功能是去除COD和反硝化除磷脱氮；另一个是N-SBR反应器，主要起硝化作用。这两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。污水进入An/A-SBR反应器后依次经历厌氧、缺氧段。在厌氧段，水中的NH4+浓度几乎保持不变，反硝化聚磷菌在厌氧环境下充分地释磷并吸收，快速降解有机物合成大量的PHB， 静置沉淀后含NH4+的上清液进入N-SBR反应器完成硝化反应，含DPB的污泥则进入缺氧段，利用N-SBR反应器提供的硝化液同时完成反硝化脱氮和吸磷过程。
3）HITNP工艺
HITNP（Habrin Institute Technology of Nitrogenand phosphoms removal）反硝化脱氮除磷工艺，由厌氧池、缺氧池、生物膜活性污泥复合式好氧池和沉淀池组成。HITNP 反硝化除磷工艺采用的是双泥系统。利用的是DPB 同步反硝化除磷的原理，该工艺的主要特点是好氧硝化池采用复合式活性污泥与生物膜反应器。从而分别为硝化菌和反硝化除磷菌创造了最佳的生长环境，使系统更稳定、高效。该工艺流程比UCT、VIP、DEPHONOX、连续流A2N 等同步除磷脱氮工艺简单，易于控制和管理，尤其与其它反硝化除磷新工艺比，当遇到冲击负荷时需要调整的运行参数少。
（4）SBMBR工艺
大量研究证明，在MBR 的活性污泥中存在着反硝化聚磷菌，而且通过创造厌氧、缺氧交替的环境可以使反硝化聚磷菌得到富集。采用序批式膜生物反应器(SBMBR)对反硝化聚磷菌的富集进行了研究， 通过在厌氧/好氧过程中外加硝酸盐引入缺氧段，SBMBR 系统经过两个阶段的选择和富集，反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例从19.14%上升到69.16%。通过实验证明稳定运行的SBMBR反硝化强化除磷体系具有良好的反硝化脱氮除磷和有机物去除特性， 膜出水总磷浓度平均低于0.5mg/L， 除磷效率达到96.1%， 厌氧段COD去除率在98 %以上，缺氧段脱氮和除磷效率分别达到100%和84%。
（5）A2O工艺反硝化除磷
A2O工艺是一种结构上最为简单的同步脱氮除磷污水处理工艺。采用啤酒配制的废水，对A2O中的缺氧问题进行初步研究，结果表明，和传统的A2O工艺相比，具有反硝化除磷功能的A2O工艺的污染物去除效率更高。采用52.5 L的A2O反应器处理实际污水，研究A2O工艺中的反硝化除磷现象及影响因素。 结果表明：正常运行的A2O工艺中存在反硝化除磷现象，在系统HRT为8 h，污泥回流比为70%和内回流比为250%的情况下，A2O系统中缺氧区吸磷占总吸磷量的36%左右，序批试验表明，此时反硝化除磷菌占总除磷菌的35.4%。原水的C /N比越低，反硝化除磷的比例越高，但是过低的C /N比会导致TN去除率低下。将缺氧区和好氧区的容积比从1 /1扩大到5 /8，延长反硝化除磷反应的时间，TN去除率可从62%提高到70%左右，相比单纯提高内回流比更节能。
