水污染問題已引起了社會各界人士的廣泛關注。水體污染的主要源頭有城市生活廢水、工業廢水、農業污染源。污水中氮、磷含量過高會使水體富營養化，導致水質惡化，甚至影響人類健康，所以研究開發經濟、高效的脫氮除磷新工藝是解決水體污染問題的關鍵。脫氮除磷方法主要有物理、化學、生物方法，但是物化法投入大，容易造成二次污染，而生物法投入小，成本低，無二次污染。故生物法將是今后污水處理的主流方法。
1、生物脫氮除磷原理
一般來說，生物脫氮過程分為三步：第一步是有機氮在氨化菌的作用下，分解、轉化為氨氮。第二步是氨氮在硝化細菌的作用下，進一步分解、氧化為硝態氮。第三步是在缺氧狀態下，反硝化菌將硝化過程中產生的硝態氮還原成氣態氮，排放到大氣中。有研究表明:在硝化和反硝化的過程中，有些細菌能利用亞硝酸根或硝酸根作為電子受體直接將氨態氮氧化為氣態氮。這一發現將為新型脫氮工藝的研發奠定理論基礎。
生物除磷是指聚磷菌在厭氧條件下吸收磷，在好氧條件下過量釋放磷的一種生理變化現象，這一現象被稱為luxuryuptake現象。有研究發現：有一種兼性反硝化細菌能將硝酸根做為電子受體，將硝酸根轉化為氣態氮，并產生生物除磷作用。總而言之，生物脫氮除磷就是利用微生物的代謝活動將有機氮及有機磷分解、轉化。
2、傳統生物脫氮除磷典型工藝
傳統生物脫氮除磷工藝大體上可以分為2大類，一是按時間順序分布的，如SBR工藝;二是按空間順序分布的，如A2/0工藝。而氧化溝工藝既是按時間順序分布的工藝，也是按空間順序分布的工藝。這些工藝已被廣泛研究并應用，同時取得了較好效果。
2.1 SBR工藝
SBR是序批式活性污泥法的簡稱。其流程圖如圖1，是一種以間歇曝氣的方式來運行的水處理技術。該工藝SBR反應器反應過程分為進水、反應、沉淀、排放、閑置5個階段，周而復始，從而達到脫氮除磷效果。
進水C/N在2.2～3.5及曝氣強度為48～50L/h條件下脫氮除磷效果好。TP、TN的去除率分別達到89.4%及84.5%。有研究表明，在碳源適宜的情況下，采用SBR工藝TP、TN去除率分別達到96%及78.3%。但是該反應器容積利用率低，曝氣量大，增大了成本，且不能連續運行。
2.2 A2/O工藝
A2/O工藝即厭氧/缺氧/好氧工藝是一種典型的污水處理工藝其工藝(流程圖如圖2)。廢水首先進入厭氧段進行氨化反應及釋磷，接著進入缺氧段進行反硝化，最后在好氧段進行硝化反應及吸磷，部分硝化液回流至缺氧段，部分污泥回流至厭氧段。
A2/O工藝具有工藝流程簡單，活性污泥不易膨脹，基建及運行費用低等特點。但A2/O工藝也存在一定缺點，如設置的污泥及硝化液回流增加了投資和運行能耗，反硝化菌與聚磷菌競爭碳源問題等。
2.3 氧化溝工藝
氧化溝工藝自問世以來在全世界范圍內得到了廣泛應用，目前已成為我國污水處理的主導工藝之一。氧化溝具有獨特的構造形式(如圖3)，無終端循環水路，使得曝氣機產生的溶解氧沿著水流方向產生濃度梯度，并周而復始地發生變化，從而使得氧化溝在去除有機物的同時對混合液中的氮、磷也具有良好的去除效果。
氧化溝工藝抗沖擊能力強，污泥穩定，基建投資及運行費用較低。但是研究及應用表明，氧化溝工藝在運行中沒有考慮回流比，即使考慮到回流比但仍然采取經驗值或者不控制的方式。
3、傳統生物脫氮除磷工藝中存在的問題
傳統的脫氮除磷工藝總的說來存在微生物混合培養問題、碳源問題、泥齡問題、回流污泥中硝酸鹽問題等。單級SBR反應器在空間上是完全混合的，使得硝化菌，反硝化菌等混合在一起抑制了反應的進行且存在碳源不足的問題。A2/O工藝即厭氧/缺氧/好氧工藝具有內回流系統會將硝酸根帶回缺氧池不利于聚磷菌聚磷，使得除磷效果不明顯。其脫氮效果很難再通過改進的方式提高。氧化溝工藝是活性污泥法的一種變形，容易出現污泥膨脹造成污泥排量大，在同一溝中溶解氧濃度難以控制，故對脫氮能力有限而且除磷率較低。因此，為了獲得更好的脫氮除磷效果需進一步對舊工藝進行改造或研發新工藝。
3.1 微生物的生長條件受限
污水的脫氮除磷是多種微生物共同作用的結果。傳統的生物脫氮除磷工藝一般是單一的懸浮污泥生長系統，不能同時滿足所有微生物(硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等)的最佳生長條件，故系統的脫氮除磷難以到達理想效果。
3.2 碳源問題
系統中碳源的消耗主要在反硝化、聚磷菌的厭氧釋磷及異養菌的代謝等方面。由于污水中易降解的有機物產生碳元素有限，而反硝化反應與厭氧釋磷的反應速率都與碳源有著很大關系，要使脫氮除磷都達到良好效果還需進行深入研究。
3.3 泥齡問題
較長的泥齡是獲得良好硝化效果的重要保證。而聚磷菌繁殖快，世代周期短，且生物除磷是通過排放剩余污泥實現的。如果泥齡過長，那么在硝化過程中活性污泥的活性就會降，而且會影響聚磷菌對磷的吸收。從而導致活性污泥中糖類物質的累積及非聚磷菌的的增長，使除磷效果大幅度降低。所以為了兼顧脫氮除磷對泥齡的要求，通常將系統控制在一個泥齡較窄的范圍內運行，但實際運行中系統的脫氮除磷效果還是經常出現不穩定的情況。
3.4 回流污泥中的硝酸鹽問題
在脫氮除磷系統中，硝化菌、反硝化菌、聚磷菌參與整個系統的循環運行并起著重要作用。常規工藝中，缺氧區設在好氧區前，故好氧區污泥回流不可避免地將部分硝酸鹽帶入缺氧區。而在缺氧區中反硝化菌會與聚磷菌競爭底物，從而無法滿足聚磷菌的正常生長代謝，導致除磷效果降低。
4、生物脫氮除磷新工藝
基于傳統生物脫氮工藝存在的問題及產生問題的原因，本著尋找高效、經濟、適用工藝的原則，近年來新的生物脫氮除磷工藝不斷被研發出來，如改進型DEPHANOX工藝、BCFS工藝、SHARON-ANAMMOX聯合工藝等。改進型DEPHANOX工藝具有獨立的硝化系統，將硝化，反硝化反應分開解決了碳源不足問題及微生物混合培養問題。BCFS工藝是一種改進的氧化溝組合工藝，污泥產生量大幅度減少，且提高了除磷率。SHARON-ANAMMOX聯合工藝由于將氨氮氧化控制在亞硝化階段直接進行反硝化反應大大縮短了反應時間，其不存在碳源供應不足的問題且脫氮除磷效果較好，是一種十分經濟適用的污水處理工藝。
4.1 改進型DEPHANOX工藝
該工藝的原理是反硝化除磷，在理論上進一步強化了氮、磷矛盾的解決，其工藝流程如圖4。污水進入系統后，先與回流污泥混合且吸附大量有機質，上清液進入獨立的硝化系統，下層有機污泥進入厭氧區，然后在缺氧區重新混合，接著進行氮吹脫流入二沉池，最后達標排放。
該工藝的特點在于有獨立的硝化系統，使硝化反應充分地進行;為反硝化提供充足氮源，使得整個系統平穩、有效運行。該工藝中COD去除率為84.4%,氨氮的去除率在80%左右，總氮和總磷的去除率分別為67.1%和79.4%，基本達到預期效果。
4.2 BCFS工藝
荷蘭Delft大學的Mark教授以氧化溝和UCT工藝為基礎研發的BCFS工藝是目前已投入使用的單污泥系統。該工藝主要由厭氧池、選擇池、缺氧池等5個主池及3個循環系統構成，其工藝流程見圖5。
該工藝實現了反硝化脫氮與生物除磷的有機結合，其特點是：對氮、磷的去除率高，污泥量比常規污水處理少10%，運行簡單，脫氮除磷效果好，因此該工藝是是一種很有前景的污水處理工藝。
4.3 SHARON-ANAMMOX聯合工藝
SHARON工藝的基本原理是短程硝化反硝化。該原理與傳統硝化反硝化的區別在于將氨氮氧化控制在亞硝化階段直接進行反硝化，使得反應時間縮短，除磷效果提高。厭氧氨氧化工藝中，由于厭氧氨氧化菌是自氧菌無需外加碳源，大大降低了硝化反應的充氧能耗。因此將SHARON工藝作為硝化反應器，ANAMOX工藝作為反硝化反應器形成組合工藝，工藝圖如圖6。該工藝適用于處理高氨氮濃度廢水，此工藝與傳統工藝相比反應時間短，能耗低，產泥量少。
5、展望
污水脫氮除磷技術已成為水污染治理的重要技術，未來發展將集中在以下幾個方面：
(1)對傳統脫氮除磷工藝進行改進，使不同營養型微生物獨立生長在不同反應器中。將傳統工藝進行組合試驗尋找最優的組合新工藝。
(2)以短程硝化反硝化，厭氧氨氧化、反硝化除磷等新理論為基礎，開發新型脫氮除磷工藝。目前有些新技術已應用于實踐當中，但這些新技術的原理、工藝及影響因素還未完全掌握，有待進一步深入研究。
(3)生物脫氮除磷工藝應遵循可持續發展的理念，最大程度減少CO2的排放，剩余污泥的產生，實現污染物無害化和廢水的回收利用。