废水生物脱氨除磷工艺

随着水体富营养化的问题日益严重，对城市污水中氮、磷的去除要求也越来越高。但去除氮、磷所需的环境条件相互矛盾，要达到同时去除氮、磷的目的，有必要先弄清二者之间的关系。

泥龄对于生物脱氮工艺而言是一个重要的设计参数。理论上讲，为保证连续流反应器中有数量足够且性能稳定的硝化和反硝化菌，必须使微生物在反应器中的停留时间(即污泥泥龄SRT)大于硝化和反硝化菌的最小世代期(即它们最大比增长速率的倒数)。作为硝化过程的主体，硝化菌通常都属于自养型专性好氧菌。这类微生物的一个突出特点是繁殖速度慢，世代时间长。一般而言，生物脱氮工艺的污泥泥龄可以计算，但应按计算值乘2倍以上的安全系数取值，一般应控制在3~5d以上，有的可高达10~15 d，较长的泥龄可增加生物硝化的能力，并可减轻有毒物质的抑制作用。而反硝化菌是兼性菌，反硝化段的泥龄主要取决于需反硝化的硝酸盐与可利用的BOD的比值，所需泥龄比硝化菌小得多。对于生物除的

磷系统而言，泥龄越长，污泥含磷量越低，去除单位质量的磷需消耗的BOD越多。此外，还会由于有机物的不足而使污泥发生“自溶”现象，致使磷溶解及排泥量减少而导致除磷效果的降低;泥龄越短，污泥含磷量越高，通过剩余污泥的排放而去除的磷量也就越多。资料表明，以除磷为目的的生物除磷工艺的污泥龄一般应控制在3.5~7d。

生物脱氮的反硝化过程中，需要一定数量的磷源以保证一定的碳氮比，使反硝化反应能顺利地进行。反硝化以硝酸盐为电子受体，以有机物为电子供体，使硝酸盐中的氮转变为氮气从废水中释放出来。在实际工程中，反硝化菌主要利用易于被生物降解的有机物为碳源，此时反硝化反应速率较快，缺氧区则可以有较小的容积。一般认为，当废水中的BOD5和 TKN之比在5~8时，可认为废水中的碳源是足够的。废水生物除磷工艺中厌氧段有机物质的含量、种类及其与微生物营养物之间的比例关系(主要是指BOD5/TP)是影响聚磷菌及摄磷效果的一个不可忽视的控制因素。就厌氧段中的有机物质的种类而言，聚磷菌将优先吸收分子量较小的低级脂肪酸类物质。研究表明，若要使出水中磷含量控制在1.0mg/L以下，进水中的BOD5/TP应控制在20~30。也有人指出，进水中的BOD5/TP值至少要高于15，才能保证聚磷菌有足够的基质需求而获得良好的除磷效果。在生物除磷脱氮工艺中，由于厌氧区的释磷消耗了大量的易于被生物降解的有机物，这不可避免地会影响缺氧区反硝化过程的进行。考虑到我国城市污水BOD普遍偏低的情况，磷的达标处理是相当困难的。 K.S Kim 等在Phostrip工艺曝气池前设反硝化段，强化了脱氮功能，同时也避免了二沉池回流污泥中高浓度硝酸盐对释磷的抑制。该工艺耐冲击负荷，缺点是工艺流程复杂，运行管理不便。近年来，国外公司向中国推荐设计的城市污水处理工艺，出水总磷也只能保证达到1mg/L，而且还预备了化学除磷措施。

随着研究的不断深入，生物脱氮和除磷相结合构成生物除磷托脱氮系统，即常规A2/O工艺与在此基础之上开发出的一系列新型工艺，但大部分工艺系统的回流污泥中，携带的硝酸盐对工艺的除磷效果有不利的影响。有人通过实验发现，当回流污泥中硝酸盐上升时，系统的除磷效果有下降趋势，但并不成比例，有一组实验还发现了相反的例子。总之，回流污泥中的硝酸盐对生物除磷系统的厌氧释磷会构成不利的影响，但就整个系统的除磷效果而言硝酸盐的作用不完全一致。有的不对系统除磷效果构成不利影响，可能与具体的进水水质和工艺条件等因素有关，这在很大程度上又取决于管理水平。针对上述情况，近年来先后提出了时间顺序A-A-O除磷脱氮工艺、倒置A/O除磷脱氮工艺、低回流低氧A2/O除磷脱氮等新工艺。

进人20世纪90年代后，寻找快速可替代有机碳源已经成了污水生物除磷脱氮的研究拉点之一。在城市污水中颗粒态有机物(占污水COD组成的60%)可通过沉淀去除，其中般初沉池对其去除率可达60%。这些颗粒态有机物再加上初沉池中的脂肪、蛋白质等就构成了大量的有机碳源，如果能将这些慢速降解有机碳源的一部分转化为快速降解碳源再投加到污水中去，则该部分转化来的快速有机碳源将使污水的生物除磷脱氮效率大大提高。基于这一设想，有些污水处理厂设立初沉污泥发酵池，利用发酵池上清液来补充原水VFA含的不足，但由于初沉污泥水解发酵需要较长停留时间，发酵池所需体积较大，而且有机物解过程也不易控制在水解发酵阶段，同时部分非聚磷苷糖元积累菌(GAO)和产甲烷菌的增殖也会消耗掉相当一部分由厌氧水解发酵菌产生的VFA，使得这一弥补碳源不足的方法难于收到预想的效果。所以国内有部分学者正在研究如何采用生物技术将初沉污泥这种潜的碳源高速、高效地转化为快速有机碳源，以达到提高污水除磷脱氮效果和废物利用的双重目的。由于快速生物降解COD理论的发展，人们逐渐认识到反硝化菌与聚磷菌间的矛盾要是由基质竞争引起的，因而现今有很大一部分研究者将工作的重点转移到了对碳源需求研究上。在以上所提到的诸多方法中，提高除磷效率往往伴随着脱氮率的下降。常规除磷脱氨工艺总是优先照顾除磷的要求，把厌氧区放在工艺的前部，这样水中的有机物在经厌氧聚磷菌的利用后已经所剩无几，因此就影响到了随后的缺氧区的反硝化过程。所以希望聚磷菌或者聚磷菌的一部分能够在缺氧条件下也进行反硝化作用，这样对碳源的竞争就可以在很大程度上得到了缓解。这种做法当然是以牺牲系统的反硝化速率为前提的。但是，释磷本身并不是除磷脱氮工艺的最终目的。就工艺的最终目的而言，把厌氧区前置是否真正有利，利大还是弊大，是值得进一步研究的。基于此观点，倒置A2/0工艺将缺氧区放在工艺最前端，厌氧区置后。经过这种改变，脱氮菌可优先获得碳源，反硝化速率得到大幅度提高。

国内外有些学者设想如果将反硝化与除磷这两个需碳源的过程合二为一，即在缺氧环境下利用硝酸盐作为电子受体，同时进行反硝化作用和超量聚磷，这样就可以最大程度地减少源需求量。污泥中的细菌可以在缺氧条件下吸收一部分易于被生物降解的溶解性有机物同时用于脱氮和摄磷，以克服污水中碳源不足的问题，提高脱氮除磷效率。近几年国外Baker和Kuba等就发现在某些改良的UCT脱氮除磷处理系统中污泥能够利用硝酸盐作为电子受，在缺氧环境下同时进行反硝化作用和超量聚磷，故认为存在反硝化聚磷的细菌(DNPAO)。Meinhold在实验室进行间歇试验也观察到同步脱氮除磷的现象，证明部分PAO具有利用硝酸盐进行脱氮的能力。在国内，王志盈等在试验中也观察到了PAO的反硝化聚磷能力，即利用这种细菌来进行生物除磷脱氮。既可以基本解决以上所提到的碳源需求等问题，又可以用DNPAO来实现传统除磷脱氮工艺中的反硝化菌和聚磷菌两类细菌的功能，减少污泥产量，降低污泥处理费用，还可以减少构筑物数量和所需体积。由于有的研究表明磷的去除效果在很大程度上取决于缺氧环境中硝酸盐的浓度，硝酸盐浓度不足则磷的过量摄取受限，硝酸盐浓度过高时带入厌氧段的硝酸盐会影响到磷额释放。所以在不同环境条件下，DNPAO的诱导增殖与代谢途径变化规律以及系统中DNPAO菌群演化数量的判定和调控方式等都是亟待研究的课题。

一、Phoredox工艺

Phoredox（五段）工艺是Bardenpho（四段）工艺的改进型，区别是在第一个缺氧池前增加了厌氧池，该工艺厌氧池的设置保证了磷的释放，在好氧状态下有更强的吸收能力，提高了除磷的效果，最后的好氧段的曝气也降低了二沉池出现厌氧状态和释放磷的可能性。个反应单元在系统中都反复进行二次或二次以上，都有首要功能并兼行其他项功能，除磷效果好。

但该工艺泥领较长，污泥回流携带硝酸盐回到厌氧池影响了除磷的效果，受水质影响较大，效果不稳定。

二、UCI工艺

南非开普敦大学的UCT工艺将A2/0中的污泥回流由厌氧区改到缺氧区，使污泥经反硝化后再回流至厌氧区，减少了回流污泥中硝酸盐含量，改善了厌氧池磷的释放环境，增加了厌氧段有机物的利用率。与A/O工艺相比，在适当的TKN/COD比例下，缺氧区的反硝化完全，缺氧区出水中硝酸盐浓度保持近似于零 可使厌氧区回流污泥中硝酸盐含量接近于零。改进污泥回流路线或增加反硝化环节，以控制厌氧区回流污泥中的硝酸盐含量，UCT、VIP、JHB等工艺都属于此类。当进水工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。为减少进入厌氧池的硝态氮，保证污泥的良好沉淀性能，开普敦大学又开发了改进的UCT工艺，即MU JCT工艺。

MUCT工艺有两个缺氧池，前前一个缺氧池接受二沉池回流污泥，再将污泥回流到厌氧反应池;后一个缺氧池接受好氧区硝化混合液，使污泥的脱氮与混合液的脱氮分开，进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能，其内进行反硝化。基本解决了UCT工艺存在的问题，最大限度地消除了向厌氧池回流过程中硝酸盐对摄磷的不利影响，由于增加了混合液回流，其运行费用较高。其代价是池内的COI D/TKN的最小比值从7.1提高到9.1。

JHB工艺是在A2/O工艺的厌氧区污泥回流线路中增加了一个缺氧池，以减少回流污泥中硝酸盐的含量。

与前述工艺相比，JHB工艺中污泥回路上的缺氧区只能以内源代谢物作为反硝化的碳源，反硝化速率很慢，所需容积较大。国内对A2/O工艺也作了很多研究，如增设污泥沉淀池以控制厌氧段的硝酸盐，在厌氧段之前设置厌氧/缺氧调节池等。

UCT与A2/O的不同之处在于沉淀池污泥回流到缺氧池，可防止由于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏了厌氧状态而影响除磷效果。增加了从缺氧池到厌氧池的缺氧池混合液回流，由缺氧池向厌氧池回流的混合液中含有较多的溶解性BOD 硝酸盐很少，为厌氧发酵提供了最优的条件。在实际运行过程中，进水的TKN(总凯氏氮)/COD较高时，需降低混合液的回流比以防止NO-3进入厌氧池，但回流比太小会增加厌氧池的停留时间。

三、VIP工艺

VIP工艺是美国弗吉尼亚州Hampton Roads 公共卫生区与CH2M HILL公司为该区 Lamberts Point污水处理厂改扩建设计的。与 UCT工艺非常相似，区别体现在池型构造和运行参数上，其内循环不同，回流污泥和好氧硝化液一起进入缺氧池，缺氧池混合液回流到厌氧池。

VIP工艺反应池是将一系列体积小的完全混合式反应池串联在一起，形成了有机物浓度的梯度分布，充分发挥了聚磷菌的作用，提高了厌氧池磷的释放和好氧池对磷的吸收速度，比单个池具有更高的除磷效果。缺氧池的分格使大部分反硝化反应发生在前几格，有利于缺氧池的反硝化。到最后一格时，硝酸盐的含量很少，基本上没有硝酸盐进入到厌氧池，保证了厌氧条件。采用高负荷运行，泥龄短，污泥中活性生物的比例增加，除磷效果好，减少了反应池的体积。

四、改良A2/O工艺

为避免改良UCT工艺增加一套回路系统和厌氧池污泥浓度较低，及A2/O工艺和改良UCT的优点，中国市政工程华北设计院开发了改良A2/O工艺，在厌氧池前增设了厌氧/缺氧调节池，二沉池的回流污泥和10%左右的进入该池，微生物利用短暂的停留时间和进水中的有机物去除回流中的硝态氮，保证了厌氧池的稳定性，处理效果优于改良UCT。

在出水总氮没有要求的情况下，取消混合液回流系统和避免厌氧池污泥的降低，以及避免工艺过程抗回流硝酸盐的影响能力不够强的弱点，吸收改良A2/O的优点，降低处理工艺的总体反硝化水平，中国市政工程华北设计院结合实际工程又开发了倒置A2/O工艺。