現在城市汙水處理有兩大難題。第一汙水脫氮除磷難。第二汙水處理廠的優化和節能降耗。因為城市汙水運營費用非常高，節能降耗是永恆的主題。另外隨著中國汙水處理率的提高，黑臭水體的解決，氮磷超標排放日益嚴重，導致風險化日益普遍。風險化成為全球性的水汙染問題。可以說脫氮除磷成為當今汙水處理領域的重大問題，特別是城市汙水。
我們國家水汙染中脫氮除磷存在的問題。我國大多數的汙水處理廠都沒有達到一級A的排放標準，其中瓶頸問題是總氮沒有達標。我國的汙水處理標準過嚴了，不是這樣，達到一級A的標準，仍然遏制不了富營養化的蔓延。我國應該針對敏感水環境區域制定更加嚴格的標準。太湖、環渤海周邊等要制定嚴於國家一級A標準的排放。
還有另外一種情況，有些地區流域真沒有必要到一級A的標準。臺灣不用搞脫氮除磷，臺灣周邊是公海，排點氮磷往海裡一放，給海裡增加到富營養化物質。黑龍江往往沒有必要脫氮除磷。還有一些區域實際上也沒有富營養化，從來沒有聽說特別大的河流有富營養化的問題。富營養化有幾個條件，氮磷、溫度、陽光、擾動，因此標準該嚴的嚴，該松的松。
下面是比較具體，第二個問題傳統汙水生物處理工藝和問題。從全世界來看，在兩個世紀有固體沉澱，處理城市汙水的懸浮物，上世紀20年代初，我記得上學到上海參加汙水處理廠特別驚訝，20年代在上海建立一個活性汙泥法汙水處理廠。上世紀70、80年代，全世界脫氮除磷，富營養化在全世界爆發了。
隨著BOD、脫氮除磷，使汙水處理工藝越來越複雜，帶來很多技術問題，處理工程，包括機械儀表處理問題。脫氮除磷的問題納入處理流程之外，提出了非常多的科學問題。
再看看脫氮除磷的大問題，汙水除磷可以通過生物除磷和化學除磷。汙水脫氮，只有生物脫氮才是最經濟有效的，而且對於城市汙水來講是唯一的，不僅是經濟有效而且是唯一的方法，到現在還沒有聽說哪個城市汙水處理廠不用生物脫氮。原因是什麼?
混凝沉澱不能去除微濾、納濾口徑，區別不了水分子大小，只有反滲透才能區別水分子大小。反滲透處理是中水，對於城市汙水處理來講生物脫氮是唯一選擇的。
城市汙水總氮代表是關鍵難點。
生物脫氮反兩步，第一個硝化，第二個反硝化。一個電子供體，一個是電子受體，水中氨氮和有機氮從汙水處理分離出來完成脫氮的問題，一個需要氧氣，一個需要有機碳源，這是關鍵點。
生物除磷，有除磷微生物和菌，沒有氧的條件下，把磷從細胞中釋放出來，可以使水中磷從3每升毫克達到幾十毫克，在耗氧和曝氣過程中，把水中磷聚集在細胞中，攝取磷，而且是過量的，把含有磷的汙泥排除汙水處理系統就完成了處理，就是這樣簡單。
這是我們用的工藝AN/O除磷工藝，釋放出磷，然後曝氣、好氧，然後沉澱池，然後處理水。還有反硝化反應器缺氧然後到硝化反應器好氧，然後到沉澱池，到處理水。這個兩個結合起來既除磷又脫氮，厭氧、缺氧和好氧。對小型的汙水處理廠應用廣泛的是序批式活性汙泥法，小於5萬噸的經常用這樣一種工藝。
我們看到什麼問題，無論對A/O都存在這樣的問題。缺氧，有機物進來這個是氨氮，缺氧池沒有變化，在好氧池，此消彼漲形成硝態氮，用有機物還原硝態氮。回流中的硝階氮和出水的硝階氮相同，因為他們都來源於這個地方，就是說出水和回流汙泥和剩餘汙泥中硝階氮、氨氮、總氨是一樣的，這種工藝很難徹底深度的脫氮。
有一種工藝是分段進水，把A/O分成四段，假定硝化能夠100%，反硝化100%充分的。如果分成四段，進入第一段原水和有機物，把回流汙泥的硝態氮還原，回流汙泥假設100%，回流汙泥量等於進水量，把總氨去掉了，第一段產生的而第二段還原了，第三段被第四段水有機物還原掉了，前三段總氮全部被去掉，只有第四段的氨氮被氧化產生硝態氮，才能隨出水流出。第四段有汙泥回流比100%，第四段有一半的總氮可以去掉，這個工藝去掉1/8的總氮。
但是這四段比較繁瑣，我們經常用三段，這個工藝可以完成深度脫氮。三段可以去掉6/5總氮。如果進水總氮30，出水氮達到5。它還有一個優點，微生物濃度非常高，第一段回流汙泥濃度被1/3的水稀釋，因此汙泥濃度比較高。
ICEAS工藝是我們國家用的比較多的工藝，可以說80%的ICEAS都按照這樣一個工藝，下面的模式在運行。這個是攪拌。這個表示曝氣，這個表示沉澱，這個表示進水，但是進貫穿始終，說明什麼?說明在曝氣階段，一邊曝氣一邊進水，我們國家脫氮的重大障礙就是缺少碳源，有機物濃度比較低，氨氮總氮比較高，反應的時候沒有碳源，往往加碳源。三小時一邊曝氣一邊進水，用珍貴能源，曝氣需要能源，去除了可貴的碳源，因此既浪費了能量又把有機物去掉了。
把進水在攪拌進水中進，曝氣中不進，不僅可以大量節省碳源，提高效率，而且節能降耗，有機物不需要能量去除，用反應化去除，幾個工程實踐都收到很好的效果。我國現在的ICEAS幾乎用我說的剛才模式運行。
第三個新型生物脫氮除磷技術。有一種技術叫做短程硝化。剛才說了什麼是硝化反硝化，特別城市汙水中90%以氨氮形式出現的總氮，還有一部分有機氮，有機氮一曝氣就轉化成氨氮了，氨氮經過曝氣變成硝態氮，有機碳源作用下，這時候不曝氣了，變為氮氣，完成脫氮的過程，氮氣可以去除。短程硝化過程簡捷。亞硝酸氮這個過程減少了曝氣量，這個過程減少了外加碳源，減少20%氧氣，減少20%二氧化碳的釋放等等。它為實現厭氧提供了底物。
全世界包括中國在內，全世界汙水處理廠都沒有實現短程硝化，有的僅僅一部分。這是我們學校的中試基地，實現了三年短程硝化，而且規模比較大一點。
剛才我說了除磷的基本原理，厭氧、吸磷、放磷，放磷在耗氧狀態下吸收磷，然後把汙泥排出處理。反硝化除磷，這個過程既完成反硝化又完成了磷的吸收，一個碳源兩用。我們把含有富有磷的汙泥排除系統完成了汙水生物處理。
在生物脫氮過程當中需要水汙染被還原成氮氣，除磷也是這樣，反硝化和除磷過程這兩個過程可以同時完成，減少能源、生物量、減少氧等等優點。
最近開發了A2O-BAF同步脫氮除磷，就是反硝化除磷。這個曝氣佔2/9，BAF完成硝化，意味著提供大量的硝態氮進入蓄養池，跟汙泥結合在一起，不想讓它反硝化除磷都很難，沒有給它反應條件，沒有氧給電子受體，只給硝態氮，佔整個反應器的2/3，這裡完成了反硝化除磷。
厭氧氨氧化脫氮技術。奧地利Broda從熱力學角度，預言存在。荷蘭MULDER生物流化床首次發現。第一座ANAMMOX反應器建立於荷蘭鹿特丹。
我們看看厭氧氨氧化，有機氮變為氨氮叫做氨化，氨氮需要氧需要生物參與，氧化為亞硝態氮。逐步經過幾個步驟還原為氮氣，完成汙水處理脫氮。20年之前人們認為氮循環只能沿著這樣一個過程。
厭氧氨氧化怎麼樣?厭氧氨氧化就是發現厭氧氨氧化微生物一種細菌。把氨氮的一部分可以說60%氧化為亞硝，用亞硝氧化氨氮，必須有厭氧氨氧化的推進。
有將近一半的氨氮不用動就被氧化為氮氣。一半多一點被氧化為亞硝態氮厭氧氨氧化。全世界生活汙水主流依然按照這個過程脫氮，這還有生物固氮。全世界都在研究城市汙水處理包括工業汙水，能不能這樣脫氮。由於高氨氮的廢水，垃圾滲濾液等完成了工程化應用。城市汙水處理還沒有實現這樣一種工藝。而且這個工藝有什麼好處?很少有氧化氮的產生。
我們可以看到這些完全一部分氨氮沒有必要好氧再用反硝化。一部分氨氮不需要經過下一步到這就完了，因此可以節省碳源、能源、節省有機物100%、節省曝氣量60%、溫室氣體小。這是厭氧氨氧化的發展歷程，現在工業上應用，有了很多實際工程應用。
全世界比較著名的奧地利STRASS汙水處理廠，沒有實現主流厭氧氨氧化，但是實現了厭氧氨氧化處理汙泥消化液的應用。汙泥液氧發酵的消化液進行厭氧處理，實現了。這是北排搞得厭氧氨氧化的工程。
這是新加坡樟宜汙水處理廠實現了部分厭氧氨氧化的脫氮。
國內也發現了厭氧氨氧化的部分，大大提高效率。厭氧氨氧化瓶頸是短程硝化很難實現，短程硝化一旦實現，厭氧氨氧化比較好實現。
我們發明的技術短程反硝化耦合厭氧氨氧化。部分氨氮演化成硝態氮還原成亞硝態氮，對工業富水中本來有很多硝態氮，可以把它還原為亞硝，和城市汙水同步處理。
如果含有兩千毫升的氨氮經過厭氧氨氧化處理，產生220毫升的硝態氮也很高，厭氧氨氧化用短程反硝化也是非常好。短程反硝化就是把硝態氮還原成亞硝，不是還原成氮氣的過程。
比如說一個汙水處理廠短程硝化很難，我們讓它全程硝化，有機物沒有了，把氨氮硝化成亞硝，我們硝化成硝態氮，把這個水回流過來和原水混合，這裡有硝態氮、氨氮和有機物，把這裡硝態氮還原成亞硝，自然和水中氨氮產生反應。
我們看一看，這是傳統的硝化反硝化的過程。這是短程硝化耦合厭氧氨氧化最艱難的過程。如果是短程反硝化耦合厭氧氨氧化，把氨氮全部硝化成硝態氮，也是很難的。短程硝化耦合厭氧氨氧化，僅僅把部分氨氮轉化為亞硝，完全不用有機物，節省100%的碳源。
厭氧氨氧化處理城市汙水的展望。主要存在三個瓶頸，第一個低氨氮。城市汙水氨氮非常低。產業化應用都是高氨氮的廢水，少則一千，多則幾千，每升毫克的氨氮，包括高濃度的工業廢水，低氨氮的很難實現。
第二個低溫。城市汙水溫度隨季節變化，常常在20攝氏度以下，因此很難達到30度，因此對厭氧氨氧化應用產生非常大的障礙。
第三個厭氧氨氧化富集非常慢，氨氮濃度低於，城市汙水量大，少則幾萬噸，多則幾十萬噸，主流汙水利用厭氧氨氧化困難也比較大，三個瓶頸阻礙厭氧氨氧化在主流城市汙水中的應用與發展。
今後展望，可以在城市汙水強化部分厭氧氨氧化，部分厭氧氨氧化也是相當節能或者降耗，節省碳源。第二個也可以考慮汙泥發酵作為碳源實現短程反硝化和厭氧氨氧化結合。
編輯：趙凡