1 引言
近年来，随着我国污水处理率的不断提高，城市污水处理厂对CO D的处理已经基本达标，但对氮的控制不甚理想，我国有1200座污水处理厂没有脱氮功能，占到污水处理厂总数的60%。即使有脱氮功能的污水处理厂采用传统的脱氮技术对氨氮、总氮的去除仍然难达到一级A标准，由氮磷污染引起的水体富营养问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。“十二五”规划中也将氨氮作为重要的控制指标，废水的脱氮技术也一直是废水处理领域研究的热点和难点，因此, 研究和开发高效、经济的脱氮除磷工艺已成为当前城市污水处理技术研究的热点。
传统生物脱氮方法在废水脱氮方面起到了一定的作用，但仍存在许多问题。例如氨氮完全硝化需消耗大量氧气，增加了能耗；碳氮比低的废水，需要外加有机碳源；工艺流程长，占地面积大，基建投资高等。近年随着对生物脱氮工艺进入了深入研究，发现了一些超出传统认识的新现象，如异养菌可以参与硝化作用[1]；某些微生物在好氧条件下也可以进行反硝化作用[2]。这些新现象为探索生物脱氮新工艺提供了新的思路。
目前研究较多的生物脱氮新工艺主要有：短程硝化反硝化(Shortcut Nitrification D e n i t r i f i c a t i o n )、同步硝化反硝化(Simultaneous Nitrification Denitrification,SND)和厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Ox id at io n,A NA MM OX )。
2 短程硝化反硝化
生物脱氮包括硝化和反硝化2个阶段，主要涉及亚硝化菌、硝化菌和反硝化菌3类微生物。短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，省去了传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐两个环节。与传统的硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有很大的优势:(1)节省25%左右的氧供应量，降低能耗;(2)减少40%的碳源，在Ｃ/Ｎ较低的情况下可以实现反硝化脱氮;(3)缩短反应历程，可以节省30%～40%的反硝化池容积;(4)降低污泥产量，硝化过程可少产污泥33%～35%左右，反硝化阶段少产污泥55%左右;(5)减少了投碱量等。因此，短程硝化
反硝化对实际工程具有重要意义。
实现短程硝化反硝化的关键在于将NH 4+
的氧化控制在NO 2-阶段。
然而, 将硝化过程控制在亚硝化阶段的成功报道并不多见。因为影响NO 2-积累的控制因素很多，如温度、pH值、DO、游离氨、污泥等，而且在常温下硝酸菌的生长速率大于亚硝酸菌，硝化菌能够迅速地将亚硝酸盐转化为硝酸盐。目前比较成功的工艺就是由荷兰Delft 技术大学开发出的脱氮新工艺——S H A R O N 工艺[3]。
SHARON 工艺( Single reactor for High activity Ammonia Removal Over Nitrite,SHARON) 工艺应用了硝酸菌和亚硝酸菌的不同生长速率，即在较高温度(30～40°C)下，亚硝酸菌的生长速率明显高于硝酸菌。因此，通过控制反应器中温度和停留时间，就可以淘汰掉硝酸菌，使亚硝酸菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝化阶段。同时通过间歇曝气，可以实现反硝化。但是，该工艺是在较高温度下实现短程硝化反硝化的，必须持续加温以维持工艺要求的(30～40°C)的温度，这对大多数废水处理来说是不现实的，也是难以接受的，因此也限制了该工艺的广泛应用。和传统脱氮工艺相比,S HARO N工艺具有以下优点:(1)硝化与反硝化在同一个反应器中完成，可以简化工艺流程;(2)硝化产生的酸度可部分地由反硝化产生的碱度中和;(3)缩短水力停留时间，减少了反应器容积和占地面积;(4)可以节省加碳源;(5)节省供气量25%左右，减少了动力消耗。
3 同步硝化反硝化
对于传统生物脱氮理论，脱氮途径一
般包括硝化和反硝化两个过程，硝化和反硝化两个过程需要在两个隔离的反应器中进行，或在时间、空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行。然而，近年国外有不少实验和报道证明存在同步硝化反硝化现象[4],SND是指硝化与反硝化反应同时在同一反应器内完成。尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于不同的生物处理系统，如生物转盘、S B R 、氧化沟、C A S T 、M B R 、S M B R 等工艺。
目前对S N D 现象主要有两方面的解释:(1)溶解氧分布不均匀，宏观层面，由于充氧不均匀或是混合不均匀，导致反应器
局部存在缺氧区域，为反硝化菌提供了有利的条件，会出现SN D的现象；微观层面，受污泥浓度、水力停留时间、温度、污泥负荷等因素影响，会出现溶解氧扩散受限的情况，在污泥及生物膜的内部区域出现缺氧或厌氧的环境，使反硝化菌占优势，如好氧颗粒污泥的内部，就存在反硝化菌。(2)微生物作用，近年来发现了一些新的脱氮微生物，如好氧反硝化菌、低DO 下的硝化菌、异养硝化菌及自养反硝化菌等的存在，使得S N D 能够顺利进行。
由于SND是在同一个反应器内进行，和传统脱氮相比就具有明显优势，如：反应器体积小、反应时间短、无需添加碱度等。国外对SN D的研究已处于逐渐从实验室走向污水厂的实践阶段，国内学者也在实验室内做了大量的研究工作。目前，研究重点主要是脱氮机理、影响因素及不同工艺实现
SND的条件等[5]
。
4 厌氧氨氧化
厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以N H 4+-N 为电子供体，以N O 2--N 为电子受体，
将N H 4+-N 、N O 2--N
转变成N 2的生物过程
［6］
。与硝化作用相比，它以亚硝酸盐取代氧，改变了电子受体；与反硝化作用相比，它以氨取代有机物作为电子受体。这个过程产生的能量可使厌氧氨氧化菌在缺氧条件下生存。与传统的硝化反硝化脱氮技术相比，该技术需氧量低，运行费用低，对碳源要求不高，也适用于低碳废水的处理。
在厌氧氨氧化反应的基础上，开发出的生物脱氮新工艺有A N A M O X 工艺,O L A N D 工艺和两相S H A R O N -A N A M O X 工艺。
4.1ANAMOX 工艺
ANAMOX工艺是由荷兰Delft技术大学Kluyver生物技术实验室开发出的一种生
物脱氮的新工艺
［7］
。
由于参与厌氧氨氧化的细菌是自养菌，因此不需要添加有机物来维持反硝化。A N A M O X 工艺的生化反应式为:
5N H 4++3N O 3-→4N 2++9H 2O +2H +或N H 4++N O 2-→N 2+2H 2O
A N A M O X 工艺由于是在厌氧条件下直接利用NH 4+作电子供体，无需供氧，无需
①作者简介：王海花，女,1968年11月生,1990年7月毕业于山西大学环保系，现为怀仁县环保局工程师。
新型城市污水脱氮技术及其原理
王海花
(怀仁县环境保护局 山西朔州 038000)
摘 要：综述了城市污水脱氮领域的最新技术，对这些新技术的工艺特点及应用前景进行了评述，为我国城市污水脱氮工艺的发展提供参考和借鉴。
关键词：生物脱氮 短程硝化反硝化 同步硝化反硝化 厌氧氨氧化中图分类号:X 703文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)02(b)-0072-02
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2.2建模步骤
(1)平面图形数据导入。
二维矢量图形在三维景观模型构建中的作用非常关键，是建筑物三维模型的数据基础，为建模提供了各地物的真实尺寸。本实验中建筑物平面图形的数据为CAD格式，所测平面图中包含了多个图层。为了加快软件的运行速度和减小文件数据量，在将数据导入SketchUp之前，需要将建模中不需要的部分图层和线条利用C A D中的“purge”命令清除掉。在数据导入时，一般采用的“单位”是m m，这样做的目的是使S ke tc h Up中的图形尺寸与C A D中保持一致，在后续进行建筑物拉伸时可直接输入实际获得的建筑物高度，不必进行转换。导入的CA D数据不能直接用于三维模型的建立，需要将导入的线条进行连接处理形成面。导入的CAD平面图如图1所示。
(2)建筑物三维建模。
在SketchUp建模时，如需表达建筑物的细节，在建模时需要获取建筑物门、窗、阳台等细部尺寸。将这些部件模型建好，根据获取的位置数据将模型“安装”到建筑物的主体模型上。也可以在建模时只表达建
筑物的主体部分，细节部分则通过纹理图片表达。初步建立的模型与真实的建筑物形状是一致的。如图2所示，为教学楼模型。为了使建立的三维模型更逼真，更具真实感，还需对模型进行纹理粘贴。SketchUp提供了两种贴图方式，普通贴图和投影贴图。对于模型中的平面墙体，采用普通贴图。贴图后通过调整贴图坐标即可达到满意的效果。弧形建筑物墙体需采用投影贴图，否则会出现贴图变形，不能达到预期效果。本实
验中教学楼和实验楼的弧形墙体采用的就
是投影贴图方法。如图3所示是粘贴纹理后
的教学楼模型。图4所示为粘贴纹理后的实
验楼模型。
(3)校园三维景观构建。
将校区二维矢量图或影像图导入到
SketchUp中，生成三维场景底图。把建好的
建筑物及相关附属设施模型导入到校园场
景中。根据矢量图利用旋转、平移和缩放工
具进行调整，使其大小和位置与底图相一
致，形成校园三维景观。
3 建模应注意的问题
在利用S ke t c hU p进行三维景观建模
中，有以下几个问题需要注意。
(1)冗余数据的处理：作为建模所需的
CAD格式的平面图，往往包含多个图层。而
有些图层在建模中是不需要的。这些多余
的数据会影响软件的运行速度。在图形数
据导入之前，需要在CA D中将无用的图层
数据进行删除，并利用p ur ge命令进行处
理。(2)平面的生成：图形数据导入后，多边
形并没有自动生成面状区域，在操作时不
需要沿多边形边线重新绘制，只需要绘制
一条对角线，生成面状区域后将对角线删
除即可。(3)分层管理：当所建场景中模型比
较多时，一定要分层。将不同种类的模形定
义为不同的图层，使模型的管理更加方便。
(4)纹理贴图处理：数码相机拍摄得到的建
筑物纹理，受拍摄位置及障碍物的影响，会
存在着一定的变形。需要利用PhotoShop软
件进行彩平衡、纠正、裁剪和拼接等处
理。对于相似的纹理，可只拍局部纹理进行
拼接处理得到建筑物表面完整纹理。考虑
到运行速度和数据量问题，纹理图片大小
最好控制在100k以下。也可以在贴图时重
点部位采用真实纹理，其他部位采用
SketchUp软件本身提供的纹理和材质。
4 结语
利用SketchUp软件进行数字校园三维
景观建模简单易行、效率高、建模周期短。
所建模型可以直接导入到数字地球平台
Google Earth或地理信息系统软件ArcScene
模块中。对于大学校园新建校区建筑物进
行建模时，还可以直接以校区建设的规划
图作为源数据，通过规划平面图、立面图获
取建筑物的位置、平面尺寸及相应细部构
件(如门、窗)等几何尺寸。所建立的建筑物
模型具有可量测性，为数字校园三维地理
信息系统的建设提供可靠的基础数据。
参考文献
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的设计及实现[J].浙江工业大学学报,
2007,35(2):156～158.
[2]汪娟娟，康玲.虚拟现实在数字校园中
的应用[J].计算机仿真,2003,20(6):
79～80.
[3]郝卫英.基于IM AGI S二维矢量数据的
城市三维景观构建方法[J].城市勘测,
2008(1),44～46.
[4]毕晓佳，苗放，叶成名.基于数字地球平
台的三维虚拟数字校园建设[J].地理空
间信息,2008,6(3),94～96.
外加有机碳源维持反硝化，无需额外投加酸碱中和试剂，故降低了能耗，节约了运行费用，同时避免了
可能造成二次污染的问题。但由于目前的研究大多采用人工配水，与实际污水的水质有较大差异，同时实验室研究可以将条件控制得相对理想，而实际工程中控制较为困难，所以目前还不能在实际工程中有较多应用。
4.2OLAND工艺
OLAND(Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification)工艺是由比利时Gent微生物生态实验室开发。该工艺的关键是控制溶解氧，使硝化过程仅进行到N
H 4+氧化为NO
2
-阶段，由于缺乏电子受体，由
NH
4+氧化产生的NO
2
-
氧化未反应的NH
4
+形
成N
2
。该反应机理为由亚硝化菌(Nitrosomo
nas)催化的NO
2
-的歧化反应[8]。
OLAND工艺是在低溶解氧浓度下实现亚硝酸积累，但是活性污泥易解体和发生丝状膨胀。因此，低溶解氧对活性污泥的沉降性、污泥膨胀等的影响仍有待进一步的研究。
4.3 SHARON-ANAMOX工艺
S H A R O N-A N A M O X工艺分别在两个反应器中实现部分硝化和厌氧氨氧化,
能优化两类细菌的生存环境，运行性能
稳定。S H A R O N是一种理想的N O
2
-生成
装置，目前己有生产规模运行,S H A R O N
和A N A M O X联合脱氮时，只需约50%的
N H
4
+转化成N O
2
-
。虽然各国学者对
S H A R O N-A N A M O X工艺进行了宏观和
微观的研究，但对其反应的途径及微生
物生理特性的研究还不够深入，需进一
步加强研究。目前只有荷兰的D o k h a v e n
污水厂应用该工艺处理其泥区废水，规
模仅为600m3/d[9]。
厌氧氨氧化技术还应加强以下几个方
面的研究:(1)如何促进ANAM OX菌的快速
大量繁殖，并对微生物及其酶的特性作进
一步研究;(2)如何解决氨氮和亚硝态氮同
时存在对厌氧氨氧化菌的抑制作用;(3)
A N A M O X的机理有待进一步研究，特别是
氨和羟胺的耦合机理;(4)大多数的厌氧氨
氧化是在高氨氮浓度条件下研究开发的,
因此低氨浓度条件下的研究仍有待进一步
进行。
5 结语
目前这些新型的城市污水生物脱氮技
术的提出突破了传统理论，缩短氮素的转
化过程，开拓了厌氧生物脱氮的新思路，但
这些生物脱氮技术还存在许多领域有待研
reactor 原理
究，工艺尚不够成熟，处理效果应多因素综
合考虑。从长远来看，这些节约能源、能耗、
又能节省基建投资、运行费用，同时还可以
实现氮高效去除的新工艺的技术会日趋完
善，成为可持续污水生物脱氮工艺的主流
技术。
参考文献
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[3]郭冬艳，李多松，孙开蓓，等.同步硝化
反硝化生物脱氮技术[J].安全与环境工
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[4]王建龙.氨的厌氧氧化[J].生命的化学,
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