詳解污水處理A2O工藝技術改造路線

污水處理傳統A2O工藝是一項具有脫氮除磷功能的典型污水處理技術，該工藝結構簡單、水力停留時間（HRT）短且易于控制，多數污水廠都是采用傳統A2O工藝進行污水處理。

然而，生物脫氮除磷的過程中涉及硝化、反硝化、攝磷和釋磷等多個生化過程，而每個過程對微生物組成、基質類型及環境條件的要求存在許多差異。

在傳統A2O工藝的單泥系統中高效地完成脫氮和除磷兩個過程，就會發生各種矛盾沖突，比如泥齡的矛盾、碳源競爭、硝酸鹽及溶解氧（DO）殘余干擾等。

傳統A2O工藝存在的矛盾

01污泥齡矛盾

傳統A2O工藝屬于單泥系統，聚磷菌（PAOs）、反硝化菌和硝化菌等功能微生物混合生長于同一系統中，而各類微生物實現其功能最大化所需的泥齡不同：

1）自養硝化菌與普通異養好氧菌和反硝化菌相比，硝化菌的世代周期較長，欲使其成為優勢菌群，需控制系統在長泥齡狀態下運行。冬季系統具有良好硝化效果時的污泥齡（SRT）需控制在30d以上；即使夏季，若SRT＜5d，系統的硝化效果將顯得極其微弱。

2）PAOs屬短世代周期微生物，甚至其最大世代周期（Gmax）都小于硝化菌的最小世代周期（Gmin）。

從生物除磷角度分析富磷污泥的排放是實現系統磷減量化的唯一渠道。

若排泥不及時，一方面會因PAOs的內源呼吸使胞內糖原（Glycogen）消耗殆盡，進而影響厭氧區乙酸鹽的吸收及聚-β-羥基烷酸（PHAs）的貯存，系統除磷率下降，嚴重時甚至造成富磷污泥磷的二次釋放；另一方面，SRT也影響到系統內PAOs和聚糖菌（GAOs）的優勢生長。

在30℃的長泥齡（SRT≈10d）厭氧環境中，GAOs對乙酸鹽的吸收速率高于PAOs，使其在系統中占主導地位，影響PAOs釋磷行為的充分發揮。

02碳源競爭及硝酸鹽和DO殘余干擾

在傳統A2O脫氮除磷系統中，碳源主要消耗于釋磷、反硝化和異養菌的正常代謝等方面，其中釋磷和反硝化速率與進水碳源中易降解部分的含量有很大關系。一般而言，要同時完成脫氮和除磷兩個過程，進水的碳氮比（BOD5/ρ(TN)）＞4～5，碳磷比（BOD5/ρ(TP)）＞20～30。

當碳源含量低于此時，因前端厭氧區PAOs吸收進水中揮發性脂肪酸（VFAs）及醇類等易降解發酵產物完成其細胞內PHAs的合成，使得后續缺氧區沒有足夠的優質碳源而抑制反硝化潛力的充分發揮，降低了系統對TN的脫除效率。

反硝化菌以內碳源和甲醇或VFAs類為碳源時的反硝化速率分別為17～48、120～900mg/(g˙d)。因反硝化不徹底而殘余的硝酸鹽隨外回流污泥進入厭氧區，反硝化菌將優先于PAOs利用環境中的有機物進行反硝化脫氮，干擾厭氧釋磷的正常進行，最終影響系統對磷的高效去除。

一般，當厭氧區的NO3-N的質量濃度＞1.0mg/L時，會對PAOs釋磷產生抑制，當其達到3～4mg/L時，PAOs的釋磷行為幾乎完全被抑制，釋磷（PO43--P）速率降至2.4mg/(g˙d)。

按照回流位置的不同，溶解氧（DO）殘余干擾主要包括：

1）從分子態氧（O2）和硝酸鹽（NO3-N）作為電子受體的氧化產能數據分析，以O2作為電子受體的產能約為NO3-N的1.5倍，因此當系統中同時存在O2和NO3-N時，反硝化菌及普通異養菌將優先以O2為電子受體進行產能代謝。

2）氧的存在破壞了PAOs釋磷所需的“厭氧壓抑”環境，致使厭氧菌以O2為終電子受體而抑制其發酵產酸作用，妨礙磷的正常釋放，同時也將導致好氧異養菌與PAOs進行碳源競爭。

一般厭氧區的DO的質量濃度應嚴格控制在0.2mg/L以下。從某種意義上來說硝酸鹽及DO殘余干擾釋磷或反硝化過程歸根還是功能菌對碳源的競爭問題。

傳統A2O工藝改進策略分析

01基于SRT矛盾的復合式

A2O工藝在傳統A2O工藝的好氧區投加浮動載體填料，使載體表面附著生長自養硝化菌，而PAOs和反硝化菌則處于懸浮生長狀態，這樣附著態的自養硝化菌的SRT相對獨立，其硝化速率受短SRT排泥的影響較小，甚至在一定程度上得到強化。

懸浮污泥SRT、填料投配比及投配位置的選擇不僅要考慮硝化的增強程度，還要考慮懸浮態污泥含量降低對系統反硝化和除磷的負面影響。

載體填料的投配并不意味可大幅度增加系統排泥量，縮短懸浮污泥SRT以提高系統除磷效率；相反，SRT的縮短可能降低懸浮態污泥（MLSS）含量，從而影響系統的反硝化效果，甚至造成除磷效果惡化。

有研究表明，當懸浮污泥SRT控制為5d時，復合式A2O工藝的硝化效果與傳統A2O工藝相比，兩者的硝化效果無明顯差異，復合式A2O工藝的載體填料不能完全獨立地發揮其硝化性能；若再降低懸浮污泥SRT則因系統懸浮污泥含量的降低致使硝酸鹽積累，影響厭氧磷的正常釋放。

02基于“碳源競爭”角度的工藝

解決傳統A2O工藝碳源競爭及其硝酸鹽和DO殘余干擾釋磷或反硝化的問題，主要集中在3方面：

針對碳源競爭采取的解決策略，如補充外碳源、反硝化和釋磷重新分配碳源（如倒置A2O工藝）等；

解決硝酸鹽干擾釋磷提出的工藝改革，如JHB、UCT、MUCT等工藝；

針對DO殘余干擾釋磷、反硝化的問題，可在好氧區末端增設適當容積的“非曝氣區”。

1、補充外碳源

補充外碳源是在不改變原有工藝池體結構及各功能區順序的情況下，針對短期內因水質波動引起碳源不足而提出的應急措施。一般供選擇的碳源可分為2類：

1）甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等有機化合物；

2）可替代有機碳源，如厭氧消化污泥上清液、木屑、牲畜或家禽糞便及含高碳源的工業廢水等。相對糖類、纖維素等高碳物質而言，因微生物以低分子碳水化合物（如，甲醇、乙酸鈉等）為碳源進行合成代謝時所需能量較大，使其更傾向于利用此類碳源進行分解代謝，如反硝化等。

任何外碳源的投加都要使系統經歷一定的適應期，方可達到預期的效果。

針對要解決的矛盾主體選擇合適的碳源投加點對系統的穩定運行和節能降耗至關重要。一般在厭氧區投加外碳源不僅能改善系統除磷效果，而且可增強系統的反硝化潛能；但是若反硝化碳源嚴重不足致使系統TN脫除欠佳時，應優先考慮向缺氧區投加。

2、倒置A2O工藝及其改良工藝

傳統A2O工藝以犧牲系統的反硝化速率為前提，優先考慮釋磷對碳源的需求，而將厭氧區置于工藝前端，缺氧區后置，忽視了釋磷本身并非除磷工藝的目的所在。

從除磷角度分析可知，倒置A2O工藝還具有2個優勢：

“饑餓效應”。PAOs厭氧釋磷后直接進入生化效率較高的好氧環境，其在厭氧條件下形成的攝磷驅動力可以得到充分地利用。

“群體效應”。允許所有參與回流的污泥經歷完整的釋磷、攝磷過程。然而有研究者認為，倒置A2O工藝的布置形式。

3、JHB、UCT及改良UCT工藝

與分點進水倒置A2O工藝相比，JHB（亦稱A+A2O工藝）和UCT工藝的設計初衷是通過改變外回流位點以解決硝酸鹽、DO殘余干擾釋磷。

JHB工藝中的氮素的脫除主要發生在污泥反硝化區和缺氧區，且兩者的脫除量相當，污泥反硝化區的設置改變了氮素在各功能區的分配比例，使厭氧區能夠更好地專注于釋磷。

與倒置A2O工藝相同，對于低C/N進水而言，JHB工藝污泥反硝化區的設置可能會引起后續各功能區的碳源不足，為此也有必要采用分點進水方式。

與倒置A2O工藝不同，UCT工藝是在不改變傳統A2O工藝各功能區空間位置的情況下，污泥先回流至缺氧區，使其經歷反硝化脫氮后，再通過缺氧區的混合液回流至厭氧區，避免了回流污泥中硝酸鹽、DO對厭氧釋磷的干擾。

在進水C/N適中的情況下，缺氧區的反硝化作用可使回流至厭氧區的混合液中硝酸鹽的含量接近于0；而當進水C/N較低時，UCT工藝中的缺氧區可能無法實現氮的完全脫除，仍有部分硝酸鹽進入厭氧區，因此又產生了改良UCT工藝（MUCT）。

與UCT工藝相比，MUCT將傳統A2O工藝中的缺氧區分隔為2個獨立區域，前缺氧區接受來自二沉池的回流污泥，后缺氧區接受好氧區的硝化液，從而使外回流污泥的反硝化與內回流硝化液的反硝化完全分離，進一步減少了硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。

無論UCT還是MUCT，回流系統的改變強化了厭氧、缺氧的交替環境，使其與JHB一樣，缺氧區容易富集反硝化PAOs，實現同步脫氮除磷。

03兼顧SRT矛盾及“碳源競爭”工藝

1、新型雙污泥脫氮除磷工藝

新型雙污泥脫氮除磷工藝（PASF）工藝也可謂是傳統A2O與曝氣生物濾池（BAF）的組合工藝，是以分相培養為基礎的雙泥系統，能更好地滿足各功能微生物對環境、營養物質及生存空間的最佳需求。

在工藝設計及運行過程中，通過縮短前端A2O工藝好氧區的HRT，將硝化過程從中分離而順序“嫁接”于二沉池后端的BAF。

對于PAOs的厭氧釋磷而言，因前端的污泥單元不承擔硝化功能，在理想條件下外回流污泥中不含有硝酸鹽，為PAOs釋磷創造了良好的“壓抑”環境，使其優先利用原水中的VFAs類物質合成PHAs并釋放磷；

再者，也因長SRT硝化菌以生物膜形式固著生長在填料表面而短SRT的PAOs和反硝化菌呈懸浮態生長在前端的污泥單元，實現了硝化菌與反硝化菌、PAOs等功能微生物的SRT分離，緩解了SRT矛盾。

決定缺氧區反硝化效果的因素主要有2個：進入缺氧區的優質碳源（VFAs和PHAs）含量及來自BAF的內回流硝化液中的硝酸鹽含量。

當進水C/N較高時，硝酸鹽成為反硝化的限制因子，隨著內回流比的增大缺氧區異養反硝化效果也相應提高，但升高幅度卻呈遞減趨勢；

而當進水C/N較低時，因碳源成為反硝化的限制因子，根據異養反硝化菌和反硝化PAOs對電子受體的競爭機制，適當提高內回流硝酸鹽負荷的方式刺激反硝化聚磷菌（DPAOs）的優勢生長，使其以硝酸鹽為電子受體，并以PHAs為電子供體進行同步反硝化脫氮除磷，實現“一碳兩用”，同時可節省系統的能耗，減少污泥產量。

2、雙循環兩相生物處理工藝

雙循環兩相生物處理工藝（BICT）是在序批式活性污泥法的基礎上，增設獨立的生物膜硝化反應器，使自養硝化菌與反硝化菌、PAOs等異養菌分相培養，以克服脫氮與除磷間的SRT矛盾及硝酸鹽、DO干擾釋磷而開發的污水處理新工藝，其主體單元由厭氧生物選擇器、序批式懸浮污泥主反應器、生物膜硝化反應器組成。

該工藝正常運行時主要完成4個操作過程：

1）進水、曝氣攪拌+污泥回流

原水與沉淀池的回流污泥在厭氧生物選擇器內混合接觸，借助高負荷梯度產生的“選擇壓力”篩選出具有良好絮凝性的細菌，并使PAOs厭氧釋磷。此時，主反應器在曝氣攪拌的作用下，完成COD的去除及PAOs的超量攝磷；

2）缺氧攪拌+硝化液回流

主反應器接受來自生物膜反應器的硝化液，在機械攪拌作用下，完成反硝化脫氮，同時被擠出的混合液進入沉淀池，經沉淀分離后上清液進入生物膜硝化反應器；

3）再曝氣（可選做）

吹脫污泥中包裹的氮氣以利于泥水分離，也可強化PAOs的好氧攝磷；

4）靜止沉淀、潷水

靜止沉淀的同時排出富磷污泥。此工藝獨立硝化反應單元的設置消除了SRT與硝化的高度關聯性，SRT不再是影響系統脫氮效率的限制因子。

3、BCFS工藝

BCFS工藝（BiologischeChemischeFosfaatStikstofverwijdering）可實現磷的完全去除和氮的最佳脫除。

與UCT工藝相比，BCFS工藝在主流線上增設2個反應區——接觸區和混合區。

介于厭氧區與缺氧區之間的接觸區相當于第2選擇池，可以有效控制絲狀菌的異常生長，防止污泥膨脹的發生；另外，也因回流污泥先回流于此進行反硝化脫氮反應，給PAOs厭氧釋磷營造了良好的“壓抑”環境。

介于缺氧區與好氧區之間的混合區相當于一個“機動單元”，可通過曝氣系統的啟閉靈活地控制其前端好氧區和后端缺氧區的氧化還原電位，也可在低C/N條件下誘導反硝化PAOs成為優勢菌群而發揮同步脫氮除磷，實現“一碳兩用”。