5fA2O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践

1、王洪臣，等：5fA?/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践5f-A2/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践王洪臣，周军，李鑫玮，方先金，甘一萍（北京城市排水集团有限责任公司，北京100061）1 A2/O工艺的理论和应用近二十年来随着国内外对水体中氮磷浓度排放标准限制的日益严格叫高效、同步生物除磷脱 氮技术的研究、开发囚和工程应用成为国内外污水处理界关注的热点问题。其中a2/o工艺 （Anaerobic/Anoxic/Oxic,厌氧/缺氧/好氧）是一种被广为关注并大量实践的工艺，在其三十年的发 展历程中，因其工艺简单，能兼顾氮、磷的去除并有较好的效果，在城市污水处理厂、小区生活污 水处理站以及工业废水处理

2、设施等系统中均有广泛应用，对机理的理解也在不断深入叫1.1生物脱氮除磷的机理研究传统的生物脱氮理论认为，污水中含氮化合物在微生物的作用下，相继产生氨化、硝化、反硝 化三步反应，从而达到脱氮目的。根据传统脫氮理论，不能同时进行硝化反硝化。然而最近几年国内外有大量文献报道了同步硝 化反硝化现象，尤其是有氧条件下的反硝化现象确实存在于各种不同的生物处理系统中呵。对于同 步硝化反硝化现象，可以用微环境理论加以解释【。由于微生物的代谢活动以及氧气泡的搅动，使 得微环境是可变的，甚至是多变的。根据该理论，在好氧状态下，活性污泥的外部为好氧区，可进 行生物硝化，而部分污泥内部则可形成缺氧区进行反硝化，从而在

3、硝化时具有一定的反硝化能力。污水除磷技术的发展起源于生物超量吸磷现象的发现。生物除磷机理可槪述如下在厌氧条件下，聚磷菌消耗糖元，将胞内的聚磷水解为正磷酸盐释放到胞外，并从中获取能量, 同时将环境中的有机碳源（挥发性脂肪酸VFA）以胞内碳能源存贮物（主要为PHB,聚疑基丁 酸）的形式贮存。在好氧条件下，聚磷菌以02为电子受体，氧化胞内贮存的PHB,利用产生的能量 过量地从环境中摄取磷，以聚磷酸高能键的形式存贮。通过排放富磷的剩余污泥可实现磷的去除。另外，近几年研究发现，一种反硝化聚磷菌（DPB, denitrifying phosphorus removing bacteria） 能在缺氧条件下

4、过量吸磷【。DPB的生物吸倣磷作用被荷兰Delft工业大学和日本东京大学研究人 员合作研克确认，并冠名反硝化除磷”（denitrifyingdephosphatation）。比较传统的专性好氧磷细菌 去除工艺，反硝化除磷细菌能分别节省约50%和3D%的COD与氧的消耗量，相应减少剩余污泥量 50%。因此，具有反硝化除磷细菌富集的处理系统可以被视为可持续处理工艺。1.2 A2/O工艺的发展1932年开发的Wuhrmann工艺是最早的脱氮工艺（见图1）,流程遵循硝化、反硝化的顺序而设 置。1962年，Ludzack和Ettinger首次提出利用进水中可生物降解的物质作为脱氮碳源的前置反硝 化工艺，

5、解决碳源不足的问题。1973年，南非的Barnard。71提出改良型Ludzack-Ettinger脱氮工艺， 即广泛应用的A/O工艺。为了克服A/O工艺的不足，1973年Barnard把A/O工艺与Wuhnnann工艺结合起来，提出了 Bardenpho工艺同。图3所示的Bardenpho工艺属于早期生物脱氮除磷工艺，混合液回流中的硝酸盐 与亚硝酸盐对生物除磷有非常不利的影响。混合液回流进水T缺氧池卜一O冠卜-环莎环范卜t无秤4出水 剌余污泥亍回流污泥图 3 Bardenpho 工艺1976年，Barnard通过对Bardenpho工艺进行中试研究后提出：在Bardenpho工艺的初级缺氧反

6、 应器前加一厌氧反应器就能有效除磷（见图4）。该工艺在南非被称为Phoredox工艺，在美国称 之为改良型Bardenpho工艺。混合液回流进水一斗厌氧池卜T缺氧池一襦氧范卜J銭氣池 好氧池卜T沉淀池一出水回流污泥剰余污泥图4 Phoredox工艺或改良型Bardenpho工艺1980年，Rabinowitz和Marais呦在对Phoredox工艺的研究中，提出3阶段的Phoredox工艺， 即传统的A2/O工艺（见图5）。此工艺具有较好的除磷效果，但它的脱氮能力是依靠回流比来保证 的，为了达到较高的总氮去除率，就必须要有较高的污泥及混合液回流比。混合液回流进水P氧范T回流污泥好氣也亠區毬軒出

7、水剩余污泥图5传统A/O工艺ev与常规A?/O工艺相比，倒置A?/O工艺省去了混合液内回流，适当加大了污泥回流比】，其工 艺流程如图6所示。倒置A?/。工艺在厌氧池之前设缺氧反应池，来自二沉池的回流污泥和进水进入 该池，活性污泥利用进水中的有机物和活性污泥本身的有机物（内源反硝化彻底去除回流污泥中 的硝态氮。在倒置的A2/O方式下，碳源问题仍然存在，并造成聚磷菌的释磷水平明显低于常规的 A?/O方式。但在该方式中，由于硝酸盐在前面的缺氧区已经消耗殆尽，消除了硝态氮对后续厌氧池 的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性和生物除磷效果，并且微生物厌氧释磷后直接进入生化效率 较高的好氧环境，使其在厌氧条件

8、下形成的吸磷动力得到了更有效的利用。-37 -王洪臣，等：5fA?/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践-# -王洪臣，等：5fA?/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践AHa2/o工艺中回流污泥中很难保证不含有硝酸盐及亚硝酸盐，为了彻底排除在磷释放池内硝酸盐 及亚硝酸盐的干扰，南非开普敦大学（University of Cape Town）在1983年提出UCT工艺（见图7）。 UCT工艺不是将污泥回流到磷释放池，而是回流到其后的反硝化池。在反硝化池内排除硝酸盐及亚 硝酸盐后，再引入磷释放池与原污水混合。11缺氧池好氧施混合液回戏混合液回流回流污泥7沉淀池|_出水剩余污泥图7 UCT工艺与A2/O工艺相

9、比，UCT工艺在适当的COD/TKN比例下，缺氧区的反硝化可使厌氧区回流混混合菠回流混合液回流氧池氧綱* 好A池卜T二沉尅出水合液中硝酸盐含量接近于零。当进水TKN/COD较高时，缺氧区无法实现完全的脱氮，仍有部分硝 酸盐进入厌氧区，因此又产生改良UCT工艺MUCT工艺（见图8）。MUCT工艺有两个缺氧池, 前一个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化混合液，使污泥的脱氮与混合液的脱氮完全分 开，进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能口深圳市南山污水处理厂采用了以MUCT生化单元为主体 的除磷脱氮工艺，该工艺对污水水质（碳氮比）的变化适应能力强，运行管理灵活，既可按MUCT 方式运行，也可以A?/

10、0工艺和改良A/O工艺运行。-39 -王洪臣，等：5fA?/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践-# -王洪臣，等：5fA?/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践回流污泥剩余污泥图8 MUCTX艺当UCT工艺作为阶段反应器在水力停留时间较短和低泥龄下运行时在美国被称为VIP（Virginia Initiative Process, 1987）工艺卩气VIP工艺与UCT工艺非常类似，差别在于：VIP工艺反应池由多个 完全混合型反应格组成，采用分区方式，每区由24格组成，泥龄4 12止 工艺过程的典型水力停留时间为67h；而UCT工艺中厌氧.缺氧、好氧区是单个反应器，每个反应区都是完全混合的, 泥龄13-25

11、 d,通常$20山 工艺过程的典型水力停留时间为24 h。1991年，Pitman等人提出Johannesburg （JHB）工艺，该工艺是在A/O工艺到厌氧区污泥回 流线路中增加了一个缺氧池（见图9）,这样，来自二沉池的污泥可利用33%左右进水中的有机物作为反硝化碳源去除硝态氮，以消除硝酸盐对厌氧池厌氧环境的不利影响。进水67%33%混合液回流9JHB工艺-# -王洪臣，等：5fA?/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践in台湾中央大学的研究人员将传统a2/o工艺进行改造，通过在反应池内加入生物转盘可缩短硝化 段停留时间，从而缓解脱氮与除磷污泥停留时间之间的矛盾，该工艺被称为TNCU工艺（24】生

12、物除磷的基础是聚磷菌在厌氧状态下释放磷，在好氧状态下大量吸收磷。但是在实际的A?/。系统中，发现混合液中磷的浓度经缺氧区之后降低了 50%以上。这说明，聚磷菌在缺氧状态下亦能 大量吸收磷。后来的一系列实验也证明，聚磷菌在分解有机物为大量吸收磷获取能量的过程中，可 以以NO?为疑终电子受体，即聚磷菌也能进行反硝化。目前已出现基于这一现象的两种最新脱氮除 磷工艺：Dephanox工艺和BCFS工艺。2国内外工程应用情况及分析综合分析当前国内外采用A2/O及其变形工艺的城市污水处理厂的工程建设和运行资料，同时结 合现场调査，我们发现a2/o及其变形工艺在工程应用中具有以下特点:2.1应用普及率高除磷

13、脱氮，是当前全世界范围内污水处理行业共同提出的新要求。A2/O及其变形工艺由于能同 时满足该项要求，且处理构筑物少，处理工艺相对简单，运行管理相对方便，从而在大多数国家和地区得到了广泛地应用。以我国为例，在北京、上海、山东.江苏.云南、河北、福建.四川、重 庆、陕西等省市均建有不同处理规模的a2/o及其变形工艺的污水处理厂。2.2设计处理规模多样为适应不同地区不同污水量的处理要求，当前设计建设的A2/O及其变形工艺污水处理厂中，设 计处理规模的范围分布较广，小到几万n?/d,大到几十万品/d甚至上百万m3/do可见，A?/O及其变形工艺的适应性强，能满足不同污水处理规模的工艺要求。23泥龄长短

14、矛盾突出一般在活性污泥处理系统泥龄的设计时，考虑的是高负荷时为022.5d,中负荷时为5-15 d, 低负荷时为2030d。而在A?/O及其变形工艺中，泥龄越长，越有利于脱氮，但系统排泥量小，不 利丁除磷；相反的，短泥龄虽有利于除磷，但又不利于氮的去除。因此，泥龄长短成为污水除磷脱 氮处理的主耍矛盾。在A?/。及其变形工艺的实际运行中，根据不同进水的氮磷浓度及处理要求，设 计不同的泥龄综合除磷脱氮两个过程对泥龄的要求，一般设计泥龄变化范围较广，大多在825d 范围内。2.4内外回流比变化范围大在A2/O及其变形工艺系统中一般有两条回流线路设计，一条是从好氧池到缺氧池的混合液回 流，称为内回流；

15、另一条是从二沉池至厌氧池的污泥回流，称为外回流。内回流为缺氧池的反硝化 过程提供电子受体，而外回流则是为整个处理系统提供微生物。确定内外回流比例的因素有很多， 主要依据是氮磷的去除效果，一般该系统中设计内回流比为200% 400%,外回流比为60% 150%。2.5厌氧、缺氧、好氧三段体积比不一A?/O及其变形工艺的厌氧、缺氧、好氧三段体积比直接决定着各段的水力停留时问，而三段的 水力停留时问之问又相互制约、相互影响。不同的污水处理厂，根据不同的处理耍求，设计不同体 积的厌氧池、缺氧池和好氧池。目前建设的污水处理厂中，厌氧、缺氧、好氧三段的体积比一般为 1 ： 1 ： （34）,但不同的污水处

16、理厂采用三段体积比例的差异较大。26出水水质较好国内外大多数采用A?/O及其变形工艺的污水处理厂出水水质能达到设计要求，在运行正常的情况下，运行效果良好。当进水N、P浓度较高时，除磷脱氮的矛盾突出，两者难以同时达标排放。3A2/O工艺存在的问题众多研究者对A2/O工艺脱氮除磷性能的研究结果表明2m, a2/O工艺在运行过程中存在有下 述问题：34碳源问题Cri3由于聚磷菌、硝化菌.反硝化菌及其他多种微生物共同生长在一个系统内，并在整个系统内循 -41 -王洪臣，等：5f-A2/O工艺脱氮除磷工艺的创新与实践环，使得从好氧段回流的污泥中含有大量的硝酸盐，造成厌氧段中反硝化菌与聚磷菌对底物形成竞

17、争，使聚磷菌无法得到足够的短链脂肪酸(SCFAs)进行充分释磷，进而严重影响了磷的吸收而导 致系统除磷效率降低。同时，由于进入厌氧段的硝酸盐浓度直接与出水硝酸盐浓度有关，如果因某 种原因在COD保持不变的情况下增加了硝酸盐浓度，则该工艺唯一可采用的减小进入厌氧段硝酸盐 浓度的措施就只有减小回流污泥量，而这对除磷来说是一种有风险的选择。3.2泥龄问题产生这一矛盾的根本原因是由于不同功能的微生物均不能在各自最佳的生长条件下生长。由于 A2/O法中不同的微生物均参与到系统的循环中，因此在系统内要达到所有微生物的最佳生长条件是 不可能的。好氧段中要实现硝化作用，必然需耍维持较高的硝化菌数量。硝化菌基本

18、上属于自养型 专性好氧细菌，其突出的特点是生长速率慢、世代期长，在系统内耍保持较高浓度的硝化菌，就要 求在较长的泥龄下运行。在冬季，硝化菌繁殖所需世代时间可长达30 d以上；即使在夏季，在泥龄 小于5 d的活性污泥中硝化作用也十分微弱。A/O法的除磷是通过排泥实现的，这就耍求尽可能采 用短的泥龄来增加剩余污泥排放量。系统除磷的主 一聚磷菌多为短世代微生物，可以在较短的 泥龄下正常生长，因此在较短的泥龄下运行时可获得较高的除磷效率，泥龄在3.0d左右时，系统仍能 维持较好的除磷效率。另外，较长的泥龄还会导致系统内糖原累积、非聚磷微生物(GAOs, glycogen accumulating no

19、n-poly-P organisms)增长而使除磷效率大幅度降低。显然，在泥龄上，A/O工艺在 脱氮与除磷之间存在着矛盾。为了缓解这一矛盾，A/O法通常在一较窄的泥龄范围内运行，以兼顾 脱氮与除磷对泥龄的要求。事实证明，这样的运行条件仅能部分地解决问题，实际运用中还是经常 出现脱氮效果好时除磷效率低、除磷效果好时脱氮效率低的情形。3.3系统的硝化和反硝化能力问题-44r硝化和反硝化是生物除磷脱氮系统密不可分的两个过程。硝化不充分，出水氨氮必然升高，反 硝化能力也发挥不出来；反硝化不充分出水硝酸盐就会上升，而且，硝酸盐的存在严重影响了聚磷 菌的释磷效率，尤其当进水中VFA较少，污泥的含磷量又不高

20、时，硝酸盐的存在甚至会导致聚磷 直接吸磷。系统的硝化和反硝化能力首先是决定于各自相应区域的水力停留吋间(或有效容积)。对于城市 污水来说，一般夏季的反硝化和硝化分别需要1 2h和34h,考虑冬季低温的影响，通常确定反 硝化时间为23h,硝化时间为56h。决定硝化和反硝化能力的第二个因素是工艺布置形式。例如缺氧区前置的倒置A?/。工艺可明显 提高系统反硝化能力，而在好氧区适当投放填料则会提高系统的硝化能力。r=i通过改变运行参数也可以对系统的硝化和反硝化能力进行调整。延长泥龄，加强曝气和搅拌，有 利于提髙好氧区的硝化能力；适当缩短泥龄，降低溶解氧水平，则有利于提高系统的反硝化能力。III对于前置

21、反硝化来说，内循环比是十分重要的运行参数，对硝化、反硝化以及释磷、吸磷都有 重要影响。表面上，内循环是把硝化液从硝化区回流至反硝化区，在一定范围内，内循环比越大， 出水硝酸盐越少，但是，内循环给系统带来的一个不可忽视的问题是，硝化液中的溶解氧对缺氧环 境具有破坏作用，当存在溶解氧时，脱氮菌总是优先利用游离氧作为电子受体氧化有机物，反硝化 过程因而被阻碍，而且，随着内循环加大，系统中的短流现象也会越来越明显。所以即使不考虑动 力消耗，内循环比也不宜过大，此外，对于常规A?/。工艺，若内循环比过大，则参与释磷吸磷过程 的污泥比例将会严重减少，影响除磷效率。因此，对于一定的工艺系统，内循环比应有一个

22、恰当的范围，并随水质.水量和温度的变化而适当调整。3.4释磷与吸磷能力问题1=.叵1释磷和吸磷是相互关联的两个过程。一般认为，聚磷菌只有经过充分的厌氧环境并释磷才能更 好地吸磷，而且也只有吸磷良好的聚磷菌才会在厌氧或缺氧条件下大量释磷。对于运行良好的城市 污水生物脱氮除磷系统来说，一般夏季的释磷和吸磷时间分别需要1.5 2.5 h和23 h,冬季低温 环境下两者所需的时间均应适当延长。在A?/。工艺中，吸磷和硝化是同步进行的，而硝化吋间较长, 故吸磷能力通常不成问题。从系统的角度看，微生物的厌氧释磷过程似乎更为关键。以往关于厌氧 释磷过程时间的确定，多是就释磷本身以释磷曲线为依据进行研究的。但

23、是，释磷并不是处理系统 的摄终目的，当把释磷和吸磷过程以及最终的除磷效果联系起来进行考察时就会发现，单纯按照上 述方法来确定厌氧区的HRT是不充分的。根据有关厌氧历时对除磷效率影响的研究表明；在一定范 围内，适当延长厌氧反应时间，降低厌氧区氧化还原电位，可以明显提高系统的除磷效率。因此， 脱氮除磷工艺厌氧区的HRT还应进一步延长，例如夏季采用23h,冬季采用34h4 5F-AZ/O工艺的提出为解决A2/O工艺目前在运行中存在的种种问题,5M2/O工艺应运而生。本课题将现有传统A2/O 工艺及其各种变型工艺的优势进行系统集成，在完善泥龄、厌氧/缺氧/好氧段的比例、回流比、溶解 氧、碳源五个因子可

24、调的A?/。工艺基础上，创造在一个系统中实现脱氮除磷双达标的工艺条件，将 脱氮除磷这一矛盾通过五因子的调控，有机地统一在一个系统中（以下简称五因子可调A2/O工艺或 5F-A2/O工艺）。5fA2/O工艺不仅是一种工艺，更是一种全新的理念，它对工艺设计、设备选型和运 行调节等三方面均有明确的要求。4.1设计要求5f-A2/O工艺强调在设计中充分利用计算机数字模拟技术，按照国际通行的方法在对进水水质特 征全面掌握的基础上，对工艺优化进行全面考虑，包括：工艺处理效果的可靠性和稳定性；工艺实 施的可行性；工艺运行和维护管理的方便性以及工艺的经济可行性。其中出水水质的模拟和工艺实 施的经济可行性是最重

25、要的两个目标。在设计参数的选取方面强调可调性。好氧段水力停留时间HRT=412h,缺氧段水力停留时间 HRT=2 6 h,厌氧段水力停留时间HRT=0.5 2.5 h,内回流比50% 400%,外回流比25%300%, 且内外回流点也具有相当的可调性，这样在实际运行中可根据条件的变化按A2/O及衍生工艺运行。4.2设备要求5f-A2/O工艺的顺利实施对设备选型有特殊耍求，具有代表性的是移动式隔墙和移动式变频潜水 搅拌机。这种设备选型完全是基于五因子可调A2/O工艺的需要，为调节好氧段、缺氧段和厌氧段 的停留时间服务。4.3运行要求5匸A?/O工艺是一种新型的脱氮除磷工艺，为保证氮磷的取达标必然

26、要求有新型的要求运行要 求包括：5fA2/O工艺运行启动方式、成套设备及自动控制系统再优化方式、A2/O工艺设计和运行 管理准则、运行指导规程等。5 5400工艺的意义5f-A2/O工艺的提出有三方面的意义:5.1可持续脱氮除磷的概念（可持续化Sustainable）相对于传统污水处理工艺以能消能的方式，5f-A2/O工艺充分发挥生物除磷系统的作用，尽量少 地依赖化学除磷，最大幅度地减少剩余污泥的产量，是一种符合可持续脱氮除磷概念的新工艺。同 时，5f-A2/OI艺的控制因素可调，体系开放，更为该工艺提供了可持续发展的空间。在体系内部， 五种因素：碳源、溶解氧水平、回流比、体积比、泥龄可调，在体系外部，5匸A?/O工艺监控另外五 种因素：pH、温度、碱度、ORP、C0D组份的变化，并把外部因素的变化反馈到体系内部，通过体 系内部因素的简单调节实现氮磷的同时达标排放。5.2脱氮除磷过程的可控化概念（可控化Controllable）III5fA2/