改良A2/O工藝對低C/N廢水脫氮除磷的應(yīng)用綜述

胡寶明，李 亮，祁 佺，劉 崢，劉煦晴

（武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430200）

近年來，低碳氮比（C/N＜5）廢水的處置在水處理領(lǐng)域依舊是熱點(diǎn)話題。低C/N污水中有機(jī)物含量不足使得反硝化菌不能將NO3--N完全去除，脫氮效果受到限制〔1-2〕。傳統(tǒng)A2/O工藝因流程簡單、管理與運(yùn)行費(fèi)用低，被廣泛應(yīng)用于含氮、磷污水的處理。國務(wù)院在2015年發(fā)布的《水污染防治行動計(jì)劃》中提出，對建成區(qū)水體水質(zhì)達(dá)不到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的城市，新建城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施要執(zhí)行一級A排放標(biāo)準(zhǔn)〔3〕。傳統(tǒng)A2/O工藝因碳源不足、污泥齡矛盾、回流硝酸鹽影響磷的釋放等諸多自身局限性〔4〕，脫氮除磷效率難以進(jìn)一步提升，無法滿足新標(biāo)準(zhǔn)下氮、磷的排放要求。為強(qiáng)化污水處理脫氮除磷效果，需對現(xiàn)有工藝進(jìn)行改良。

基于已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)，筆者重點(diǎn)綜述了A2/O工藝脫氮除磷的制約因素，研究了各改良方法在含氮、磷的低C/N廢水處理中應(yīng)用的有效性、局限性及未來前景，以期為A2/O工藝后續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 傳統(tǒng)A2/O工藝

1.1 傳統(tǒng)A2/O工藝流程

傳統(tǒng)A2/O工藝由厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)4部分組成，工藝流程簡單，水力停留時(shí)間短。A2/O工藝通過硝化液回流及污泥回流使微生物在3種交替環(huán)境中生長代謝，達(dá)到同步脫氮除磷的目的〔5〕，具體流程見圖1。

圖1 A2/O工藝流程Fig.1 A2/O process flow

1.2 傳統(tǒng)A2/O工藝存在的問題

A2/O工藝主要利用不同功能的微生物降解污染物，硝酸鹽、污泥齡、碳源類型和內(nèi)回流等因素在不同程度上影響微生物的生長活性，從而影響系統(tǒng)的處理效果〔6〕。

1.2.1 硝酸鹽限制

傳統(tǒng)生物除磷理論認(rèn)為，回流污泥中含有一定的硝酸鹽，過多的硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬醭睾髮⒁种凭哿拙≒AOs）釋放磷〔7〕，導(dǎo)致PAOs在和反硝化菌競爭有機(jī)物的過程中優(yōu)勢降低；PAOs不能得到足夠的營養(yǎng)物質(zhì)以滿足自身的生長代謝，最終難以達(dá)到除磷的效果〔8-9〕。

1.2.2 污泥齡矛盾

傳統(tǒng)A2/O工藝屬于單泥系統(tǒng)，聚磷菌、自養(yǎng)硝化菌和反硝化菌等各類微生物在同一環(huán)境中生長，各類微生物達(dá)到最大功能所需的污泥齡不同。自養(yǎng)硝化菌一般需要經(jīng)過較長污泥齡才能發(fā)展成為優(yōu)勢菌群，系統(tǒng)在冬季達(dá)到良好硝化作用時(shí)污泥齡一般要嚴(yán)格地控制在30 d以上，在夏季也不能小于5 d。而聚磷菌的世代周期很短，且廢水總磷去除主要是通過排放大量富磷污泥來完成的。因此，系統(tǒng)不能充分兼顧各種微生物的最佳泥齡，處理效果無法達(dá)到最佳〔10〕。

1.2.3 碳源競爭

PAOs厭氧釋磷反應(yīng)、異養(yǎng)菌生長代謝以及反硝化脫氮過程均需要有機(jī)物作為碳源。PAOs在厭氧條件下需要吸收大量可自身利用的小分子有機(jī)物才能最大程度地釋放磷；在反硝化過程中，反硝化菌在缺氧條件下需利用易降解的有機(jī)物作為碳源，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。在A2/O工藝中，PAOs釋磷會優(yōu)先消耗大部分有機(jī)物，當(dāng)進(jìn)水碳源含量較低時(shí)，提供給反硝化菌的可利用有機(jī)物不足，導(dǎo)致系統(tǒng)反硝化效率降低，工藝脫氮效果降低〔11〕。

1.2.4 內(nèi)回流限制

在工藝操作中，生物脫氮反應(yīng)需要通過內(nèi)回流引入大量硝酸鹽。如果回流量很大，缺氧區(qū)的溶解氧（DO）增加，反硝化菌的生長活性受到抑制，整體反硝化效率降低。由于內(nèi)部回流的限制，系統(tǒng)反硝化能力無法最大化。

2 A2/O改良工藝

為解決傳統(tǒng)A2/O工藝存在的諸多問題，需對其進(jìn)行改良以提升處理效果。倒置A2/O、UCT、MUCT、JHB及Bardenpho這5種改進(jìn)工藝不僅能有效克服傳統(tǒng)A2/O工藝的缺陷，還能減少能源和藥劑消耗，降低工程投資和運(yùn)行成本〔12-14〕。

2.1 倒置A2/O工藝

倒置A2/O工藝（圖2）是將傳統(tǒng)A2/O工藝的厭氧池定位在缺氧池之后，使反硝化菌能更好地利用進(jìn)水中的碳源進(jìn)行反硝化作用，提高碳源利用率〔15〕。同時(shí)，取消內(nèi)回流可節(jié)省部分能耗〔16-17〕。

圖2 倒置A2/O工藝流程Fig.2 Inverted A2/O process flow

Rong QI等〔18〕研究了傳統(tǒng)A2/O工藝與倒置A2/O工藝對磷的釋放和吸收的影響，倒置A2/O工藝因?yàn)槿∠藘?nèi)循環(huán)和調(diào)換了厭氧區(qū)與缺氧區(qū)位置，可以保留更多的PAOs種群，表現(xiàn)出較好的除磷性能。曾麟峰〔19〕采用倒置A2/O工藝處理C/N為0.28的城市污水，進(jìn)水COD、TP、NH4+-N分別為200、70、3 mg/L，當(dāng)MLSS為3 000 mg/L、水力停留時(shí)間（HRT）為12 h、污泥回流比（R）為200%、污泥齡（SRT）為6 d時(shí)，COD、TP、NH4+-N的平均去除率分別達(dá)到94.2%、79.6%、99.4%。Xiaolan ZENG等〔20〕采用汽提法預(yù)處理+倒置A2/O工藝處理城市污水與垃圾滲濾液混合污水，進(jìn)水COD、NH4+-N分別為6 000、890 mg/L，當(dāng)MLSS為2 500～3 500 mg/L、HRT為9～12 h、R為100%時(shí)，COD和NH4+-N的平均去除率分別達(dá)到90%和95%以上。

倒置A2/O工藝可以利用進(jìn)水中的碳源緩解碳源競爭問題、提高氨氮去除效果，但因厭氧段供給的優(yōu)質(zhì)碳源不足，總磷的去除效果不佳。

2.2 UCT工藝

UCT工藝在傳統(tǒng)A2/O工藝基礎(chǔ)上，額外增加了1條從缺氧區(qū)至厭氧區(qū)的混合液回流，并將污泥回流位置改到缺氧池，工藝流程見圖3。這種改進(jìn)方式可以有效避免由于內(nèi)回流限制導(dǎo)致的系統(tǒng)脫氮能力低的問題〔21-23〕，有效提高缺氧池的脫氮效率〔24-25〕。

圖3 UCT工藝流程Fig.3 UCT process flow

E.VAIOPOULOU等〔26〕采用UCT工藝處理生活污水，進(jìn)水COD、TKN、TP分別為560、86、15 mg/L，在污泥回流比（R）為100%、硝化液回流（r）為100%、HRT為9 h、SRT為10 d的條件下，COD、TKN、TP的平均去除率分別為89%、90%、67%。D.DI TRAPANI等〔27〕采用UCT-MBR聯(lián)合工藝處理城市污水，進(jìn)水COD、TN、TP分別為325、45.7、3.8 mg/L，在SRT為37 d、MLSS為2 000～3 000 mg/L時(shí)，COD、TN、TP的平均去除率分別為92%、95%、80%。孫展鵬等〔28〕采用UCT工藝處理低C/N城市污水，進(jìn)水COD、NH4+-N、TP分別為211、88.4、12.8 mg/L，在R為100%、r為200%、污泥沉降比（SV）在30%～40%的工況下，COD、NH4+-N、TP的去除率分別為82.94%、97.84%、58.31%。

UCT工藝在處理城市污水過程中對氨氮的去除有著較大優(yōu)勢，雖降低了硝酸鹽的影響，但因回流過程中DO的限制，總磷去除率較低。

2.3 MUCT工藝

MUCT工藝將UCT工藝的缺氧區(qū)分成2部分，分別控制污泥回流和混合液回流，彌補(bǔ)了UCT工藝中缺氧區(qū)停留時(shí)間由于缺氧區(qū)混合液回流與硝化液回流相交而不便控制的缺陷，工藝流程見圖4。這一改進(jìn)避免了回流中的DO對厭氧釋磷的影響，表現(xiàn)出較好的脫氮除磷性能。

圖4 MUCT工藝流程Fig.4 MUCT process flow

劉華光〔29〕采用MUCT工藝處理垃圾滲濾液與市政污水混合廢水，進(jìn)水COD、NH3-N分別為113、30.5 mg/L，在HRT為8.3 h、SRT為10 d、MLSS為5 800～6 200 mg/L、垃圾滲濾液混合比例在0.125%以內(nèi)時(shí)，NH4+-N和COD的去除率分別為97.5%、88.1%。Wei ZENG等〔30〕采用MUCT工藝處理C/N為2.07的生活污水，進(jìn)水COD、NH3-N、PO43--P分別為157、79、5.39 mg/L，在HRT為6.0 h、MLSS為3 000～4 000 mg/L、缺氧池混合液回流比（r1）為80%、好氧池混合液回流比（r2）為120%、污泥回流比（R）為300%的工況下，MUCT工藝實(shí)現(xiàn)了硝化反硝化除磷，NH3-N、PO4

3--P去除率分別為99%、90%。由此可見，MUCT工藝避免了UCT工藝運(yùn)行時(shí)內(nèi)回流交叉過程中DO對厭氧釋磷的限制，改善了對磷的去除效果。

2.4 JHB工藝

為避免傳統(tǒng)A2/O工藝中因回流引入過量硝酸鹽而使系統(tǒng)除磷受抑制的問題，JHB工藝前端增加了1個(gè)預(yù)缺氧池，一部分原水流進(jìn)預(yù)缺氧池，另一部分流入?yún)捬醭兀恋沓氐囊徊糠治勰喾祷仡A(yù)缺氧池，工藝流程見圖5。這種改進(jìn)方式使污泥中的微生物可利用流入的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行反硝化，減少了污泥中硝酸鹽的含量。

圖5 JHB工藝流程Fig.5 JHB process flow

Yuanyuan SONG等〔31〕研究了JHB-SAD（硫自養(yǎng)反硝化）組合工藝對低C/N城市污水生物脫氮除磷的影響，進(jìn)水COD、TN、TP分別為134、32.5、1.87 mg/L，投入0.21%（體積分?jǐn)?shù)）的垃圾滲濾液后，在MLSS為2 500～2 700 mg/L、混合液回流比（r）為200%、污泥回流比（R）為100%、SRT為27～33 d的條件下，COD、TN、TP去除率分別達(dá)到85.2%、92.6%、75.6%。Wei ZENG等〔32〕通過JHB工藝處理城市污水，進(jìn)水COD、NH3-N、TN分別為168.1、71.8、72.6 mg/L，在MLSS為3 500 mg/L、r為200%、R為60%、SRT為20 d的工況下，NH3-N、TN去除率均超過85%。

JHB工藝通過進(jìn)水分流的方式優(yōu)化了碳源供給，表現(xiàn)出較好的脫氮性能。JHB工藝雖降低了硝酸鹽的影響，但碳源不足制約了系統(tǒng)的除磷能力。

2.5 Bardenpho工藝

Bardenpho工藝在傳統(tǒng)A2/O工藝基礎(chǔ)上增設(shè)1個(gè)缺氧段和1個(gè)好氧段，第二缺氧段利用第一好氧段產(chǎn)生的硝酸鹽和剩余碳源進(jìn)行反硝化脫氮，工藝流程見圖6。在低C/N廢水處理過程中，Bardenpho工藝可以有效避免硝酸鹽限制的問題。

圖6 Bardenpho工藝流程Fig.6 Bardenpho process flow

姚偉濤等〔33〕采用Bardenpho工藝處理C/N為1.86的混合污水，進(jìn)水COD、TN、TP分別為300、70、6.5 mg/L，在HRT為22.1 h、MLSS為4 000 mg/L、硝化液回流比（r）為200%、污泥回流比（R）為100%的操作條件下，出水水質(zhì)均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。Jin LI等〔34〕采用UASB改進(jìn)Bardenpho工藝處理城市垃圾滲濾液，進(jìn)水COD、NH3-N、TN分別為36 828、1 805、1 933 mg/L，其中UASB反應(yīng)器的MLSS為13 200 mg/L、HRT為1.32 d、內(nèi)回流比為300%，Bardenpho工藝的MLSS為5 620 mg/L、HRT為6.0 d、r為300%、出水再循環(huán)比為400%，處理后COD、NH3-N、TN去除率分別為97.5%、99.3%、97.7%。N.M.DEMIR等〔35〕采用Bardenpho工藝處理生活污水，進(jìn)水COD、TN、TP分別為647、79、6.5 mg/L，在HRT為20.6 h、MLSS為4 500～5 000 mg/L、r為200%、R為400%操作條件下，COD、TN、TP去除率均超過85%。

綜上，Bardenpho工藝通過2次反硝化過程進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的脫氮效率；厭氧段也能得到足夠的優(yōu)質(zhì)碳源，達(dá)到更好的釋磷效果。但Bardenpho工藝在處理高濃度低C/N廢水過程中，還需要組合其他工藝強(qiáng)化脫氮。

表1總結(jié)了不同改良A2/O工藝的特點(diǎn)。

表1 不同改良A2/O工藝功能特點(diǎn)Table 1 Functional characteristics of different modified A2/O processes

3 運(yùn)行優(yōu)化

從整體工藝上改良傳統(tǒng)A2/O工藝流程可提高系統(tǒng)脫氮除磷效率，但受碳源不足因素限制，改良后工藝的處理效果仍不能達(dá)到最佳，目前的研究多通過補(bǔ)充碳源、池體增設(shè)填料和分段進(jìn)水的方式優(yōu)化運(yùn)行，進(jìn)一步加強(qiáng)對氮磷污染物的去除。

3.1 補(bǔ)充碳源

生物脫氮除磷過程消耗的有機(jī)物可分為系統(tǒng)碳源和外加碳源。由于系統(tǒng)碳源在污水中濃度較低，且現(xiàn)有工藝未充分發(fā)揮其內(nèi)在價(jià)值，通常需外加碳源來提高系統(tǒng)的脫氮除磷效果。劉方婧〔36〕采用A2/O工藝處理低C/N生活污水，在處理過程中引入了啤酒廢水，當(dāng)啤酒廢水的投加量為70 mg/L（以COD計(jì)）時(shí)，TN和TP去除率分別達(dá)到82.39%和94.95%。孫雅雯等〔37〕采用A2/O+BCO（生物接觸氧化）組合工藝處理C/N為4.3左右的廢水，探究丙酸鈉和乙酸鈉碳源對TP的去除效果，結(jié)果表明丙酸鈉的效果優(yōu)于乙酸鈉，且PO43--P去除率穩(wěn)定在94%。黃胡林等〔38〕以秸稈發(fā)酵液為外加碳源，研究其對污水反硝化脫氮的潛能，當(dāng)加入稻草、玉米秸稈發(fā)酵液并維持系統(tǒng)C/N在6左右時(shí)，生物脫氮率分別可達(dá)到80.1%、97.3%。

3.2 增設(shè)懸浮填料

懸浮填料具有水力剪切作用，自養(yǎng)硝化菌可以黏附并生長在填料上，而聚磷菌和反硝化菌則以懸浮狀態(tài)生長，因而系統(tǒng)可兼顧自養(yǎng)硝化菌的污泥齡，減少污泥排放對硝化速率的影響。污水處理過程中選擇適當(dāng)?shù)奶盍虾徒?jīng)過馴化的微生物，可以提高系統(tǒng)的處理效率和抗沖擊能力。T.M.LAI等〔39〕采用聚丙烯纖維填料改性A2/O工藝處理城市污水，研究不同操作條件下水中有機(jī)物和營養(yǎng)物的去除率，結(jié)果表明，懸浮填料不僅能減少水力停留時(shí)間，還可提高污染物的去除率。劉永紅等〔40〕在使用多級MBBR工藝處理某高校生活污水時(shí)，加入了2種新型生物填料，維持系統(tǒng)的COD容積負(fù)荷在1.5 kg/（m3·d）左右，運(yùn)行20 d后，COD和NH4+-N的去除率分別達(dá)到82.0%和97.0%。呂絳等〔41〕研究了缺氧池填料填充率對A2/O+MBBR組合工藝反硝化除磷的影響，在填料填充率為10%時(shí)，反硝化除磷量占總除磷量的46.3%。

3.3 分段進(jìn)水

分段進(jìn)水主要應(yīng)用于厭氧段和缺氧段，在處理低C/N污水時(shí)有著良好的效果。系統(tǒng)脫氮除磷效果的關(guān)鍵在于缺氧反硝化作用和厭氧釋磷作用，依據(jù)原水水質(zhì)合理調(diào)節(jié)厭氧段和缺氧段的進(jìn)水分配比例，聚磷菌和反硝化菌都能利用到優(yōu)質(zhì)碳源，從而緩解碳源競爭問題，提高系統(tǒng)脫氮除磷能力。徐宇峰等〔42〕研究了分配比對分段進(jìn)水A2/O工藝脫氮除磷的影響，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水比（厭氧段∶缺氧段）為3∶6，缺氧單元除磷貢獻(xiàn)率由5.2%升至13.0%，好氧單元除磷貢獻(xiàn)率由94.8%降低至87.0%。南彥斌等〔43〕通過兩段式進(jìn)水研究了改良A2/O-BAF（曝氣生物濾池）工藝進(jìn)水配比對反硝化除磷脫氮的影響，當(dāng)進(jìn)水比（預(yù)缺氧段∶缺氧段）為7∶3時(shí)，COD、NH4+-N、TN、TP去除率分別為82.1%、92.7%、75.4%、91.2%。黃帥〔44〕通過分段進(jìn)水對改良A2+OSA（好氧/沉淀/厭氧）工藝除磷機(jī)制進(jìn)行了研究，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)水比（厭氧池∶缺氧池）為1∶1時(shí)，COD、NH4+-N、TN、TP平均去除率分別為92.7%、92.2%、90.1%、96.8%。

4 結(jié)語與展望

采用改良A2/O工藝處理低C/N廢水，能針對性地解決傳統(tǒng)A2/O工藝在運(yùn)行過程中的缺陷，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：（1）優(yōu)化了混合液回流和污泥回流位置，減少了硝酸鹽限制及污泥齡矛盾問題；（2）優(yōu)化了構(gòu)筑物布局，緩解了碳源競爭；（3）通過調(diào)整進(jìn)水配比，提高了系統(tǒng)碳源利用率，降低了外加碳源成本；（4）通過增設(shè)填料，降低了排泥對硝化速率的影響，并提高了系統(tǒng)抗沖擊能力。

盡管改良A2/O工藝能提高系統(tǒng)的脫氮除磷效果，但在處理低C/N廢水時(shí)，碳源不足仍是主要制約因素。為進(jìn)一步提高對氮磷的去除效果，還可從以下方面研究：

（1）組合適當(dāng)工藝。根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的不同，適當(dāng)組合不同工藝以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高系統(tǒng)碳源利用率。

（2）研究新型碳源。引入廢水類液體碳源，兼顧環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益；研究釋放速率穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)的固體緩釋碳源。

（3）強(qiáng)化微生物培養(yǎng)。利用工程技術(shù)手段培養(yǎng)高效脫氮除磷的微生物，提升對低C/N廢水的處理效果。