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來源：環(huán)境工程學(xué)報 作者：丁曉倩

A2/O工藝是一種簡單的具有同步生物脫氮除磷功能的污水處理工藝，由于其構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)簡單、水力停留時間短、污泥不易發(fā)生膨脹和設(shè)計運(yùn)行經(jīng)驗成熟等特點，已成為世界上應(yīng)用最為廣泛的污水處理工藝之一。在我國的城市污水處理廠中，以A2/O工藝模式運(yùn)行的污水廠占全國污水廠總處理能力的比例最大，約為33.2%;尤其是在大型城市污水處理廠中，A2/O工藝為最常用的處理工藝，約占總處理能力的43.52%。但是，A2/O工藝也存在一些不足之處，如硝化菌所需泥齡較長和除磷菌所需污泥齡較短之間的矛盾，厭氧釋磷和缺氧反硝化過程對基質(zhì)的競爭，回流污泥和混合液攜帶硝態(tài)氮和溶解氧的問題等，使得其難以同時保證脫氮和除磷效果。碳源分配、內(nèi)外回流比、污泥齡、溶解氧、污泥齡等運(yùn)行參數(shù)是影響系統(tǒng)脫氮除磷效率的關(guān)鍵因素，將這5個因素進(jìn)行調(diào)整得出的傳統(tǒng)A2/O工藝和衍生出的多種改良A2/O工藝可在一定條件下同時滿足較高的脫氮除磷效率的需要。另外，基于推流曝氣的特點，氧化溝內(nèi)的溶解氧沿池長呈現(xiàn)濃度梯度分布，在池中不同區(qū)域形成好氧﹑缺氧變化的反應(yīng)環(huán)境，可取得較好的脫氮效果。將A2/O工藝與氧化溝工藝相結(jié)合的A2/O氧化溝工藝有效地發(fā)揮了A2/O工藝脫氮除磷與氧化溝工藝高效去除有機(jī)污染物的優(yōu)點，具有建設(shè)投資少、處理成本低、出水水質(zhì)好、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。借鑒氧化溝工藝污水在好氧區(qū)和缺氧區(qū)依次、循環(huán)反應(yīng)的特點，將傳統(tǒng)A2/O工藝的反應(yīng)構(gòu)筑物和反應(yīng)順序進(jìn)行調(diào)整，可形成氧化溝型A2/O工藝。本研究旨在研究不同水力停留時間、內(nèi)外回流比、碳源分配條件下的傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的脫氮除磷效果，并分析2種工藝在典型運(yùn)行條件下的碳、氮、磷等污染物的反應(yīng)過程機(jī)理。

1 實驗部分

1.1 反應(yīng)裝置

實驗所用裝置由有機(jī)玻璃制成，包括3個長方體構(gòu)造的生物反應(yīng)池(厭氧池、缺氧池和好氧池)和1個圓錐體構(gòu)造的沉淀池。厭氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池的有效容積分別為7.5、10、20和6 L。各池采用硅膠管連接，前一池的出水通過重力作用溢流至下一池，反應(yīng)器進(jìn)水和回流污泥、回流混合液通過蠕動泵(蘭格BT100-2J)控制。好氧池內(nèi)底部裝有曝氣砂盤，通過空氣壓縮機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣，使用轉(zhuǎn)子流量計(雙環(huán)LZB-3WB)調(diào)節(jié)空氣流速保證DO濃度穩(wěn)定在(2.5±0.1) mg·L?1范圍內(nèi)。厭氧池、缺氧池和好氧池設(shè)置電動攪拌器和加熱棒，維持反應(yīng)器內(nèi)泥水混合均勻、反應(yīng)溫度在(26±1) ℃范圍內(nèi)。實驗采用連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水的方式運(yùn)行。實驗裝置如圖1所示。

圖1 A2/O實驗反應(yīng)裝置示意圖

1.2 接種污泥與進(jìn)水水質(zhì)

實驗接種污泥取自西安市長安區(qū)某市政污水處理廠污泥回流系統(tǒng)。實驗進(jìn)水為人工模擬生活污水，污水水質(zhì)及組分含量見表1、表2。

表1模擬污水水質(zhì)指標(biāo)

表2人工配水組分及含量

1.3 監(jiān)測項目

實驗監(jiān)測項目包括COD、氨氮(NH4+-N)、溶解性磷酸鹽(PO43?-P)、硝酸鹽氮(NO3?-N)、亞硝酸鹽氮(NO2?-N)、溶解氧(DO)、溫度、pH、SV30、混合液懸浮固體濃度(MLSS)和揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)。總氮(TN)濃度采用氨氮、硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮濃度之和。各監(jiān)測項目的監(jiān)測均參考文獻(xiàn)中的方法[11]，見表3。

表3監(jiān)測項目與分析方法

1.4 運(yùn)行模式

實驗分為6個階段，分別研究了不同反應(yīng)條件下以傳統(tǒng)A2/O工藝和以氧化溝型A2/O工藝模式運(yùn)行的系統(tǒng)脫氮除磷效果。根據(jù)污水廠設(shè)計手冊、污水廠運(yùn)行技術(shù)規(guī)范及已有研究結(jié)果設(shè)定了水力停留時間、污泥齡、混合液回流比、污泥回流比、污泥濃度等主要運(yùn)行參數(shù)。實驗改變各階段的運(yùn)行參數(shù)值，各階段運(yùn)行條件見表4。在傳統(tǒng)A2/O工藝流程的基礎(chǔ)上，調(diào)整厭氧池出水使其直接進(jìn)入好氧池，好氧池混合液回流至缺氧池，可在反應(yīng)器中形成類似于氧化溝工藝的運(yùn)行模式，即污水在好氧區(qū)、缺氧區(qū)依次、循環(huán)進(jìn)行生化反應(yīng)，因此，把這種工藝稱為氧化溝型A2/O工藝。傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝流程見圖2。

表4傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝運(yùn)行條件

圖2 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝流程圖

2 結(jié)果與討論

2.1 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的碳、氮、磷去除效果

實驗研究了表4中6個工況不同水力停留時間、不同回流比、不同污泥濃度和污泥齡條件下的傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的污染物去除效果，2種A2/O工藝均在厭氧-缺氧-好氧交替運(yùn)行的環(huán)境中實現(xiàn)了碳、氮、磷等污染物的去除。運(yùn)行結(jié)果見圖3~圖6。

圖3 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝COD處理效果

如圖3所示，鑒于實驗?zāi)M的生活污水中的有機(jī)物由葡萄糖配制而成，為可快速去除的易生物降解基質(zhì)，傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在所有運(yùn)行工況下均取得了良好的有機(jī)物去除效果，COD去除率均高于90%，出水COD濃度均值為16.15 mg·L?1。通過傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的典型運(yùn)行工況(圖7 (a))可知，污水中的有機(jī)物在厭氧段已基本被全部去除。在此過程中，有機(jī)物首先在異養(yǎng)菌作用下被厭氧發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為甲酸、乙酸、丙酸等揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，然后被PAO利用聚磷酸鹽水解釋放的能量主動吸收，最終PAO將其轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)聚合物儲藏于體內(nèi)。

圖4 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O

工藝NH4+-N處理效果

如圖4所示，除傳統(tǒng)A2/O工藝的1#工況外，NH4+-N在傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝中也得到了有效去除，NH4+-N去除率高于95%，出水NH4+-N濃度接近于0 mg·L?1。尤其是在傳統(tǒng)A2/O工藝的2#工況中，在受到進(jìn)水NH4+-N負(fù)荷沖擊的情況下，系統(tǒng)依然能保持穩(wěn)定的處理效果。在傳統(tǒng)A2/O工藝的1#工況中，由于進(jìn)水量大、水力停留時間短，且曝氣池DO濃度稍低于其他工況(表4)，導(dǎo)致好氧環(huán)境下的氨氧化反應(yīng)不充分，最終使得出水中剩余了部分NH4+-N，出水NH4+-N平均濃度為19.13 mg·L?1，系統(tǒng)NH4+-N平均去除率僅為52.47%。比較、分析傳統(tǒng)A2/O工藝的1#工況與氧化溝型A2/O工藝的6#工況可知，2種工況進(jìn)水NH4+-N濃度相同，DO濃度接近，導(dǎo)致出水NH4+-N濃度存在差異的主要原因為水力停留時間的不同，因此，在本實驗DO濃度高于2 mg·L?1的活性污泥系統(tǒng)中，好氧反應(yīng)時間成為氨氮氧化的限制性因素。另外，2種工況污泥濃度分別為3 116 mg·L?1和2 665 mg·L?1，氧化溝型A2/O工藝的6#工況污泥濃度相對更低，但氨氮氧化效率反而更高，除了好氧段水力停留時間較長外，活性污泥中催化氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌生化反應(yīng)的氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶的活性更高也是潛在的因素。

圖5 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝TN處理效果

在傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝各工況中，TN去除效果與NH4+-N去除規(guī)律類似，如圖5所示。除傳統(tǒng)A2/O工藝的1#工況外，傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝的TN去除率均高于80%，平均去除率為84.54%，出水TN濃度均低于10 mg·L?1，平均為5.58 mg·L?1。說明2種工藝均可實現(xiàn)良好的脫氮性能。在傳統(tǒng)A2/O工藝的1#工況中，由于NH4+-N氧化不徹底，出水TN中的NOx?-N僅為0.2 mg·L?1，絕大部分為剩余的NH4+-N，TN去除率僅為52.13%。在污水生物處理過程中，一部分氨氮可被微生物同化為其細(xì)胞的組成部分，當(dāng)污水處理系統(tǒng)排出剩余污泥時，這部分氨氮被一同除去。但通過同化作用去除的氮較少，約占TN去除率的8%~20%。一般情況下，在A2/O工藝的好氧段，NH4+-N首先被氨氧化菌氧化為NO2?，NO2?再被亞硝酸鹽氧化菌氧化為NO3?，O2作為電子受體;然后在缺氧條件下，NO3?被依次還原為NO2?、NO、N2O和N2，從而被除去，厭氧條件下合成的胞內(nèi)聚合物作為電子供體;因此，實現(xiàn)傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝TN去除效能的前提是NH4+-N得到充分的氧化，只有更多的NH4+-N被氧化為NOx?-N，才能將更多的氮轉(zhuǎn)化為N2而被最終除去。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖6 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝PO43?-P處理效果

通常情況下，污水中的PO43?-P通過厭氧釋磷-好氧過量吸磷的途徑被儲存在微生物細(xì)胞內(nèi)而被除去。在A2/O工藝中，回流污泥中帶來的聚磷酸鹽首先在厭氧段被釋放為PO43?-P，然后PO43?-P在好氧段被微生物過量吸收而被除去。如圖6所示，傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在各種運(yùn)行條件下均得到了良好的除磷效果，PO43?-P平均去除率為89.69%。除傳統(tǒng)A2/O工藝的3#工況外，出水PO43?-P濃度大都低于0.5 mg·L?1，平均為0.36 mg·L?1。在傳統(tǒng)A2/O工藝的3#工況中，由于污泥濃度較低(表4)，潛在地削弱了系統(tǒng)的生物除磷功能。傳統(tǒng)A2/O工藝3#工況的出水PO43?-P平均濃度為0.93 mg·L?1。由于傳統(tǒng)A2/O工藝在一定程度上依靠在缺氧環(huán)境中發(fā)生的反硝化吸磷反應(yīng)實現(xiàn)生物除磷，混合液回流比的降低(表4)也導(dǎo)致在缺氧段通過反硝化吸磷作用去除的PO43?-P減少，從而導(dǎo)致出水PO43?-P濃度升高。已有研究表明，A2/O系統(tǒng)在一定條件下可實現(xiàn)生物反硝化除磷，但需要注意缺氧段硝酸鹽負(fù)荷的控制。WANG等發(fā)現(xiàn)，在A2/O系統(tǒng)中缺氧區(qū)硝酸鹽濃度為1～3 mg·L?1時，A2/O系統(tǒng)中可發(fā)生明顯的反硝化除磷現(xiàn)象，且此時的反硝化除磷作用對系統(tǒng)整體除磷貢獻(xiàn)最大，對應(yīng)的內(nèi)循環(huán)比約為300%~350%。因而本實驗中傳統(tǒng)A2/O工藝3#工況中的混合液回流比(100%)可能過低，未能為缺氧區(qū)提供足夠的NO3?-N來刺激反硝化除磷反應(yīng)的發(fā)生。因此，若要在缺氧區(qū)利用反硝化除磷反應(yīng)提高系統(tǒng)生物除磷效率，A2/O系統(tǒng)的混合液回流比不能過低。但此回流比也不能過高，因為過多的混合液回流至缺氧區(qū)將為缺氧區(qū)帶去過多的DO，使得聚磷菌優(yōu)先使用O2作為電子受體聚磷，從而抑制反硝化聚磷菌利用NO3?-N或NO2?-N作為電子受體的吸磷反應(yīng)，達(dá)不到聚磷同時反硝化的“一碳兩用”效果。

2.2 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝中的生化反應(yīng)機(jī)理

通過2.1節(jié)的分析可知，傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在多種運(yùn)行工況下均取得了良好的有機(jī)物和營養(yǎng)物去除效果，在進(jìn)水為模擬城市生活污水的情況下，出水COD、NH4+-N、TN和TP(全部為PO43?-P)等各項水質(zhì)指標(biāo)均可滿足國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)[24]一級A要求。因此，本研究選取了傳統(tǒng)A2/O工藝的2#工況和氧化溝型A2/O工藝的4#工況的運(yùn)行結(jié)果作為研究對象，分析了2種工藝在典型運(yùn)行工況下的污染物去除特征，2種工藝中的COD、NH4+-N、NOx?-N和PO43?-P反應(yīng)過程見圖7。

圖7 傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝典型運(yùn)行工況處理效果

由于具有相同的水力停留時間(15 h)、污泥回流比(200%)、混合液回流比(200%)、較為接近的DO濃度(2.50 mg·L?1和2.38 mg·L?1)和污泥濃度(3 569 mg·L?1和3 780 mg·L?1)，在選取的傳統(tǒng)A2/O工藝的2#工況和氧化溝型A2/O工藝的4#工況中，有機(jī)物均在厭氧段得到快速去除，COD濃度沿構(gòu)筑物分布的規(guī)律是一致的，結(jié)果見圖7 (a)。由于厭氧池的出水直接進(jìn)入好氧池，好氧池混合液再回流至缺氧池，因此，在氧化溝型A2/O工藝中，NH4+-N濃度在好氧池和缺氧池中是相同的。而在傳統(tǒng)A2/O工藝中，厭氧池出水先進(jìn)入缺氧池后再進(jìn)入好氧池，NH4+-N在好氧池的濃度低于缺氧池(圖7 (b))。與此相同，由于在氧化溝型A2/O工藝中，厭氧池出水先進(jìn)入好氧池，大量在厭氧段合成的胞內(nèi)聚合物被異養(yǎng)菌的好氧生長過程優(yōu)先利用，在之后的缺氧段中由于缺乏足夠的電子供體使得反硝化效率降低，因此，氧化溝型A2/O工藝的缺氧池中的NOx?-N濃度較高，出水NOx?-N濃度也比傳統(tǒng)A2/O工藝略高(圖7 (c))。另外，傳統(tǒng)A2/O工藝中的缺氧段發(fā)生了明顯的PO43?-P濃度降低現(xiàn)象(圖7 (d))，因此，可推測，在傳統(tǒng)A2/O工藝中發(fā)生了反硝化吸磷反應(yīng)。已有研究表明，以厭氧-缺氧-好氧交替模式運(yùn)行的活性污泥反應(yīng)器可能會富集一類特殊的兼性厭氧微生物，該類微生物具有反硝化除磷功能，它們可以利用NO3?或NO2?作為電子受體進(jìn)行吸磷，此類特殊的微生物即反硝化聚磷菌(DPAO)。在缺氧段，DPAO以NO3?或NO2?作為電子受體氧化胞內(nèi)貯存物，這是其與PAO以O(shè)2作為電子受體氧化胞內(nèi)聚合物的不同之處。胞內(nèi)聚合物氧化產(chǎn)生的能量大部分用于微生物的生長維持和糖原的合成，小部分則用于DPAO過量吸收污水中的溶解性PO43?，并將PO43?以聚磷酸鹽的形式儲存在細(xì)胞內(nèi)，同時NO3?和NO2?接受電子被還原為N2[29]。由于氧化溝型A2/O工藝中，厭氧池出水直接進(jìn)入好氧池完成吸磷作用，污水中的PO43?-P在好氧池中已得到充分去除，因此，缺氧池中的PO43?-P濃度與好氧池是一樣的，并未發(fā)生反硝化除磷反應(yīng)。但2種工藝在典型運(yùn)行條件下均實現(xiàn)了良好的除磷效果，出水PO43?-P濃度均較低，接近于0 mg·L?1。

2種工藝相比，由于好氧段反應(yīng)順序的不同，有機(jī)物和氮、磷的去除過程仍存在一定差異。由于氧化溝型A2/O工藝的厭氧池出水直接進(jìn)入好氧池，且異養(yǎng)菌基于胞內(nèi)聚合物的好氧增長速率高于缺氧增長速率(缺氧最大比生長速率約為好氧最大比生長速率的60%)[25]，因此，氧化溝型A2/O工藝的好氧反應(yīng)消耗了大量的胞內(nèi)聚合物，從而使得缺氧段硝態(tài)氮的還原反應(yīng)可利用的電子不足，反硝化不徹底，最終導(dǎo)致TN去除率低;反過來，沉淀池出水NO3?-N濃度較高，使得回流污泥帶入?yún)捬醭氐腘O3?-N濃度也較高，此部分NO3?-N可利用污水中的有機(jī)物進(jìn)行反硝化，因此，氧化溝型A2/O工藝的厭氧池出水COD比傳統(tǒng)A2/O工藝更低，最終使得其沉淀池出水COD更低。同時，較高的NO3?-N濃度將會影響厭氧區(qū)聚磷菌將進(jìn)水中的碳源轉(zhuǎn)化為體內(nèi)的胞內(nèi)聚合物，影響磷的釋放，因此，氧化溝型A2/O工藝厭氧池中磷的釋放量少于傳統(tǒng)A2/O工藝(圖7 (d))。

根據(jù)2種工藝中各個反應(yīng)構(gòu)筑物的進(jìn)水量、污泥回流量、混合液回流量和各構(gòu)筑物中的COD、NH4+-N、NOx?-N和PO43?-P濃度，本研究分別計算了傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在2種典型工況下的各池實際進(jìn)、出水中的COD、NH4+-N、NOx?-N、PO43?-P濃度，結(jié)果如表5、表6所示。

表5傳統(tǒng)A2/O工藝(2#工況)沿程水質(zhì)指標(biāo)

表6氧化溝型A2/O工藝(4#工況)沿程水質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝在典型運(yùn)行工況下的COD、NH4+-N、NOx?-N和PO43?-P濃度的沿程變化情況(表5、表6)可知，在傳統(tǒng)A2/O工藝的缺氧池中，隨著NOx?-N濃度的降低，PO43?-P濃度也明顯降低，說明在缺氧段確實發(fā)生了異養(yǎng)菌以NO3?-N或NO2?-N為電子受體進(jìn)行反硝化吸磷的反硝化吸磷反應(yīng)，反硝化除磷量為3.06 mg·L?1，占總吸磷量的21.05%，這與吳昌永等的研究結(jié)果類似。另外，通過調(diào)整內(nèi)回流比等手段還有望增加缺氧段的反硝化吸磷量[32]。而在氧化溝型A2/O工藝中，由于異養(yǎng)菌在好氧段將厭氧釋放的PO43?-P全部聚合在細(xì)胞內(nèi)，后續(xù)的缺氧段中PO43?-P濃度為0 mg·L?1，因此僅發(fā)生了反硝化反應(yīng)。另外，通過比較好氧池出水和沉淀池出水可知，2種工藝在沉淀池內(nèi)均發(fā)生了硝酸鹽的反硝化反應(yīng)，需要注意的是，在A2/O工藝的反硝化階段(包括缺氧池和潛在的沉淀池)，由于反硝化菌利用胞內(nèi)聚合物PHB等進(jìn)行NO3?-N或NO2?-N的還原反應(yīng)，此過程將產(chǎn)生溫室氣體N2O。因為A2/O工藝廣泛應(yīng)用于我國城市污水處理廠，且目前尚不清楚我國污水處理廠實際運(yùn)行時的N2O排放量和排放規(guī)律，N2O在以A2/O工藝模式運(yùn)行的、以PHB驅(qū)動生物反硝化的污水廠中的釋放狀況值得關(guān)注。

3 結(jié)論

1)在大多數(shù)運(yùn)行工況下，傳統(tǒng)A2/O工藝和氧化溝型A2/O工藝均可取得良好的污染物去除效果，COD、NH4+-N、TN和PO43?-P的平均去除率可達(dá)95.78%和96.89%、99.13%和95.03%、88.44%和85.03%、91.29%和95.43%。

2)傳統(tǒng)A2/O工藝的脫氮效果略好于氧化溝型A2/O工藝，氧化溝型A2/O工藝的除磷效果略優(yōu)于傳統(tǒng)A2/O工藝。

3)傳統(tǒng)A2/O工藝的缺氧池中發(fā)生了反硝化除磷反應(yīng)，由于好氧池和缺氧池反應(yīng)順序的調(diào)整，氧化溝型A2/O工藝缺氧池中則未發(fā)生明顯的反硝化除磷反應(yīng)。

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