A2O工藝脫氮與除磷矛盾

A2O法又稱AAO法，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一個(gè)字母的簡(jiǎn)稱（厭氧-缺氧-好氧法），是一種常用的污水處理工藝，可用于二級(jí)污水處理或三級(jí)污水處理，以及中水回用，具有良好的脫氮除磷效果。在傳統(tǒng) A²/O 工藝的單泥系統(tǒng)中高效地完成脫氮和除磷兩個(gè)過(guò)程，就會(huì)發(fā)生各種矛盾沖突，比如泥齡的矛盾、碳源競(jìng)爭(zhēng)、硝酸鹽及溶解氧（DO）殘余干擾等。

 

一、傳統(tǒng)A²O工藝存在的矛盾

 

 

1、污泥齡矛盾

 

 

傳統(tǒng)A²/O 工藝屬于單泥系統(tǒng)，聚磷菌（PAOs）、 反硝化菌和硝化菌等功能微生物混合生長(zhǎng)于同一系統(tǒng)中，而各類微生物實(shí)現(xiàn)其功能最大化所需的泥齡不同：

 

 

1）自養(yǎng)硝化菌與普通異養(yǎng)好氧菌和反硝化菌相比，硝化菌的世代周期較長(zhǎng)，欲使其成為優(yōu)勢(shì)菌群， 需控制系統(tǒng)在長(zhǎng)泥齡狀態(tài)下運(yùn)行。冬季系統(tǒng)具有良好硝化效果時(shí)的污泥齡（SRT）需控制在 30d 以上；即使夏季，若 SRT＜5 d，系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)磷減量化的唯一渠道。

 

若排泥不及時(shí)，一方面會(huì)因 PAOs 的內(nèi)源呼吸使胞內(nèi)糖原消耗殆盡，進(jìn)而影響厭氧區(qū)乙酸鹽的吸收及聚 -β- 羥基烷酸（PHAs）的貯存，系統(tǒng)除磷率下降，嚴(yán)重時(shí)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(tǒng)內(nèi) PAOs 和聚糖菌（GAOs） 的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)。

 

 

在 30 ℃的長(zhǎng)泥齡（SRT≈ 10 d）厭氧環(huán)境中，GAOs 對(duì)乙酸鹽的吸收速率高于PAOs，使其在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，影響 PAOs 釋磷行為的充分發(fā)揮。 

 

 

2、碳源競(jìng)爭(zhēng)及硝酸鹽和DO殘余干擾 

 

 

在傳統(tǒng)A²/O脫氮除磷系統(tǒng)中，碳源主要消耗于釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌的正常代謝等方面，其中釋磷和反硝化速率與進(jìn)水碳源中易降解部分的含量有很大關(guān)系。一般而言，要同時(shí)完成脫氮和除磷兩個(gè)過(guò)程，進(jìn)水的碳氮比（BOD5 /ρ(TN)）＞4～5，碳磷比（BOD5 /ρ(TP)）＞20～30。

 

 

當(dāng)碳源含量低于此時(shí)，因前端厭氧區(qū) PAOs 吸收進(jìn)水中揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）及醇類等易降解發(fā)酵產(chǎn)物完成其細(xì)胞內(nèi) PHAs 的合成，使得后續(xù)缺氧區(qū)沒(méi)有足夠的優(yōu)質(zhì)碳源而抑制反硝化潛力的充分發(fā)揮，降低了系統(tǒng)對(duì) TN 的脫除效率。 

 

 

反硝化菌以內(nèi)碳源和甲醇或 VFAs 類為碳源時(shí)的反硝化速率分別為 17～48 、120～900 mg/(g·d)。因反硝化不徹底而殘余的硝酸鹽隨外回流污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，反硝化菌將優(yōu)先于 PAOs 利用 環(huán)境中的有機(jī)物進(jìn)行反硝化脫氮，干擾厭氧釋磷的正常進(jìn)行，最終影響系統(tǒng)對(duì)磷的高效去除。

 

 

一般，當(dāng)厭氧區(qū)的 NO3-N 的質(zhì)量濃度＞1.0 mg/L 時(shí)，會(huì)對(duì) PAOs 釋磷產(chǎn)生抑制，當(dāng)其達(dá)到 3～4 mg/L 時(shí)，PAOs 的釋磷行為幾乎完全被抑制，釋磷（PO4 3--P）速率降 至 2.4 mg/(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(tài)氧（O2）和硝酸鹽（NO3-N）作為電子受體的氧化產(chǎn)能數(shù)據(jù)分析，以 O2 作為電子受體的產(chǎn)能約為 NO3-N 的 1.5 倍，因此當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)存在O2和NO3-N時(shí)，反硝化菌及普通異養(yǎng)菌將優(yōu)先以O(shè)2為電子受體進(jìn)行產(chǎn)能代謝。

 

 

2）氧的存在破壞了PAOs釋磷所需的“厭氧壓抑”環(huán)境，致使厭氧菌以O(shè)2為終電子受體而抑制其發(fā)酵產(chǎn)酸作用，妨礙磷的正常釋放，同時(shí)也將導(dǎo)致好氧異養(yǎng)菌與PAOs進(jìn)行碳源競(jìng)爭(zhēng)。

 

 

一般厭氧區(qū)的DO的質(zhì)量濃度應(yīng)嚴(yán)格控制在0.2mg/L以下。從某種意義上來(lái)說(shuō)硝酸鹽及DO殘余干擾釋磷或反硝化過(guò)程歸根還是功能菌對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

 

二、傳統(tǒng)A²O工藝改進(jìn)策略

 

1、基于 SRT 矛盾的復(fù)合式 

 

 

A²/O工藝在傳統(tǒng) A²/O工藝的好氧區(qū)投加浮動(dòng)載體填料，使載體表面附著生長(zhǎng)自養(yǎng)硝化菌，而 PAOs 和反硝化菌則處于懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，這樣附著態(tài)的自養(yǎng)硝化菌的 SRT 相對(duì)獨(dú)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(qiáng)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(qiáng)程度，還要考慮懸浮態(tài)污泥 含量降低對(duì)系統(tǒng)反硝化和除磷的負(fù)面影響。

 

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

 

 

研究表明，當(dāng)懸浮污泥 SRT 控制為 5 d 時(shí)，復(fù)合式 A²/O 工藝的硝化效果與傳統(tǒng)A²/O工藝相比，兩者的硝化效果無(wú)明顯差異，復(fù)合式A²/O工藝的載體填料不能完全獨(dú)立地發(fā)揮其硝化性能；若再降低懸浮污泥SRT則因系統(tǒng)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。

 

 

2、基于“碳源競(jìng)爭(zhēng)”角度的工藝

 

 

解決傳統(tǒng)  A²/O工藝碳源競(jìng)爭(zhēng)及其硝酸鹽和 DO 殘余干擾釋磷或反硝化的問(wèn)題，主要集中在 3 方面：

 

 

• 針對(duì)碳源競(jìng)爭(zhēng)采取的解決策略，如補(bǔ)充外碳源、反硝化和釋磷 重新分配碳源（如倒置  A²/O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(duì) DO 殘余干擾釋磷、反硝化的問(wèn)題， 可在好氧區(qū)末端增設(shè)適當(dāng)容積的“非曝氣區(qū)”。 

 

 

(1)補(bǔ)充外碳源

 

 

補(bǔ)充外碳源是在不改變?cè)泄に嚦伢w結(jié)構(gòu)及各功能區(qū)順序的情況下，針對(duì)短期內(nèi)因水質(zhì)波動(dòng)引起碳源不足而提出的應(yīng)急措施。一般供選擇的碳源可分為 2 類：

 

 

a、甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等有機(jī)化合物；

 

 

b、可替代有機(jī)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(yè)廢水等。相對(duì)糖類、纖維素等高碳物質(zhì)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(jìn)行合成代謝時(shí)所需能量較大，使其更傾向于利用此類碳源進(jìn)行分解代謝，如反硝化等。 

 

 

任何外碳源的投加都要使系統(tǒng)經(jīng)歷一定的適應(yīng)期，方可達(dá)到預(yù)期的效果。

 

針對(duì)要解決的矛盾主體選擇合適的碳源投加點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能降耗至關(guān)重要。一般在厭氧區(qū)投加外碳源不僅能改善系統(tǒng)除磷效果，而且可增強(qiáng)系統(tǒng)的反硝化潛能；但是若反硝化碳源嚴(yán)重不足致使系統(tǒng)TN脫除欠佳時(shí)， 應(yīng)優(yōu)先考慮向缺氧區(qū)投加。

 

 

（2）倒置  A²/O 工藝及其改良工藝

 

 

傳統(tǒng)  A²/O工藝以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提，優(yōu)先考慮釋磷對(duì)碳源的需求，而將厭氧區(qū)置于工藝前端，缺氧區(qū)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 A²/O 工藝還具有 2 個(gè)優(yōu)勢(shì)：

 

 

• “饑餓效應(yīng)”。PAOs厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化 效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成的攝磷驅(qū) 動(dòng)力可以得到充分地利用。
• “群體效應(yīng)”。允許所有 參與回流的污泥經(jīng)歷完整的釋磷、攝磷過(guò)程。然而有研究者認(rèn)為，倒置 A2 /O 工藝的布置形式。

 

 

（3）JHB、UCT 及改良 UCT 工藝 

 

 

與分點(diǎn)進(jìn)水倒置 A2 /O 工藝相比，JHB（亦稱 A+ A2 /O 工藝） 和 UCT 工藝的設(shè)計(jì)初衷是通過(guò)改變外回流位點(diǎn)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(fā)生在污泥反硝化區(qū)和缺氧區(qū)，且兩者的脫除量相當(dāng)， 污泥反硝化區(qū)的設(shè)置改變了氮素在各功能區(qū)的分配比例，使厭氧區(qū)能夠更好地專注于釋磷。 

 

 

 

JHB 工藝流程

 

與倒置 A2 /O 工藝相同，對(duì)于低 C/N 進(jìn)水而言， JHB 工藝污泥反硝化區(qū)的設(shè)置可能會(huì)引起后續(xù)各功能區(qū)的碳源不足，為此也有必要采用分點(diǎn)進(jìn)水方式。 

 

 

與倒置 A2 /O 工藝不同，UCT 工藝是在不改變傳統(tǒng) A2 /O 工藝各功能區(qū)空間位置的情況下，污泥先回流至缺氧區(qū)，使其經(jīng)歷反硝化脫氮后，再通過(guò)缺氧區(qū)的混合液回流至厭氧區(qū)，避免了回流污泥中硝酸鹽、DO 對(duì)厭氧釋磷的干擾。

 

 

 

UCT 工藝流程

 

在進(jìn)水C/N適中的情況下，缺氧區(qū)的反硝化作用可使回流至厭氧區(qū)的混合液中硝酸鹽的含量接近于0；而當(dāng)進(jìn)水C/N較低時(shí)， UCT工藝中的缺氧區(qū)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)氮的完全脫除， 仍有部分硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，因此又產(chǎn)生了改良 UCT 工藝（MUCT）。

 

 

與 UCT 工藝相比，MUCT 將傳統(tǒng) A2 /O 工藝中 的缺氧區(qū)分隔為 2 個(gè)獨(dú)立區(qū)域，前缺氧區(qū)接受來(lái)自 二沉池的回流污泥，后缺氧區(qū)接受好氧區(qū)的硝化液， 從而使外回流污泥的反硝化與內(nèi)回流硝化液的反硝 化完全分離，進(jìn)一步減少了硝酸鹽對(duì)厭氧釋磷的影響。

 

 

 

以MUCT工藝為主體工藝的流程圖

 

無(wú)論 UCT 還是 MUCT，回流系統(tǒng)的改變強(qiáng)化了 厭氧、缺氧的交替環(huán)境，使其與 JHB 一樣，缺氧區(qū)容易富集反硝化 PAOs，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。

 

 

3、兼顧 SRT 矛盾及“碳源競(jìng)爭(zhēng)”工藝

 

 

AAO+BAF

 

 

與傳統(tǒng)活性污泥法相比,該工藝?yán)蒙锬さ男问綄⑾趸?xì)菌從活性污泥中獨(dú)立出來(lái),在 BAF 池中完成硝化,在 AAO 中完成反硝化與除磷.較之傳統(tǒng)單污泥系統(tǒng),雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)能降低 30%的曝氣量、50%的剩余污泥產(chǎn)量及碳源需求,是很有實(shí)用潛力的一種新型工藝。