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A2/O工艺的研究进展1前言近年来，我国城镇污水处理率不断提高，但是由氮磷污染引起的水体富营养化问题不仅没有得到解决，而且有日益严重的趋势。因此水体富营养化问题的加剧对氮、磷的去除提出了严格的要求，可见，污水处理的主要矛盾已由有机污染物的去除转变为氮、磷污染物的去除。我国对城镇污水处理厂的出水标准越来越高，特别提高了氮磷的标准，因此许多已建的城镇污水处理厂需要升级改造，增加设施去除污水中的氮、磷污染物，以达到国家规定的排放标准，新建的污水处理厂则须按照新标准进行建设。目前，对污水生物脱氮除磷的机理、影响因素及工艺等方面的研究已是一个热点，并以提出了一些新工艺和改良工艺。对于脱氮除磷工艺，今后的发展要求不仅仅局限于较高的氮磷去除率，而且要求处理效果稳定、可靠、工艺控制调节灵活、投资运行费用节省[1]。目前，生物脱氮除磷工艺正向着这一简洁、高效、经济的方向发展。A2/O工艺由于具有同时脱氮和除磷的功能，相对于其他同步脱氮除磷工艺具有构造简单、总水力停留时间短、运行费用低、控制复杂性小、不易产生污泥膨胀等优点，是传统活性污泥污水处理厂改建为具有脱氮除磷功能的污水处理厂时最佳的备选工艺，目前A2/O工艺及其变形脱氮除磷工艺在我国拥有50%以上的市场，是处理城市污水的主要工艺[2-3]。2A2/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。由于反硝化过程需要碳源，而这种后置反硝化工艺是以微生物的内源代谢物质作为碳源，能量释放速率很低，因而脱氮速率也很低。此外污水进入系统的第一级就进行好氧反应，能耗太高；如原污水的含氮量较高，会导致好氧池容积太大，致使实际上不能满足硝化作用的条件，尤其是温度在15℃以下时更是如此；在缺氧段，由于微生物死亡释放出有机氮和氨，其中一些随水流出，从而减少了系统中总氮的去除。因此该工艺在工程上不实用，但它为以后除磷脱氮工艺的发展奠定了基础[4]。进水出水回流污泥剩余污泥图1Wuhrmann脱氮工艺流程好氧池缺氧池沉淀池21962年，Ludzack和Ettinger[5]首次提出利用进水中可生物降解的物质作为脱氮能源的前置反硝化工艺，解决了碳源不足的问题。1973年，南非的Barnard[6]在开发Bardenpho工艺时提出改良型Ludzack-Ettinger脱氮工艺，即广泛应用的A/O工艺(见图2)。A/O工艺中，回流液中的大量硝酸盐到缺氧池后，可以从原污水得到充足的有机物，使反硝化脱氮得以充分进行。A/O工艺不能达到完全脱氮，因为好氧反应器总流量的一部分没有回流到缺氧反应器而是直接随出水排放了。混合液回流进水出水回流污泥剩余污泥图2改良型Ludzack-Ettinger脱氮工艺流程为了克服A/O工艺不完全脱氮的不足，1973年Barnard提出把此工艺与Wuhrmann工艺联合，并称之为Bardenpho工艺[7]（见图3）。Barnard认为，一级好氧反应器的低浓度硝酸盐排入二级缺氧反应器会被脱氮，而产生相对来说无硝酸盐的出水。为了除去二级缺氧器中产生的、附着于污泥絮体上的微细气泡和污泥停留期间释放出来的氨，在二级缺氧反应器和最终沉淀池之间引入了快速好氧反应器。Bardenpho工艺在概念上具有完全去除硝酸盐的潜力，但实际上是不可能的。混合液回流进水出水回流污泥剩余污泥图3Bardenpho脱氮工艺流程（4阶段Bardenpho脱氮工艺）1976年，Barnard通过对Bardenpho工艺进行中试研究后提出：在Bardenpho工艺的初级缺氧反应器前加一厌氧反应器就能有效除磷[8](见图4)。该工艺在南非称5阶段Phoredox工艺，或简称Phoredox工艺，在美国称之为改良型Bardenpho工艺。缺氧池好氧池沉淀池缺氧池好氧池沉淀池好氧池缺氧池3混合液回流进水出水回流污泥剩余污泥图4Phoredox工艺流程（改良型Bardenpho工艺或5阶段Bardenpho脱氮除磷工艺）1980年，Rabinowitz和Marais[9]对Phoredox工艺的研究中，选择3阶段的Phoredox工艺，即所谓的传统A2/O工艺(见图5)。混合液回流进水出水回流污泥剩余污泥图5传统A2/O工艺流程（Phoredox3阶段生物脱氮除磷工艺）3A2/O工艺生物脱氮除磷的原理及影响因素3.1A2/O工艺生物脱氮除磷的原理下图（如图6）为传统的A2/O工艺流程及其各部分功能图。首段为厌氧池，本池主要功能为释放磷。原污水与同步进入的二沉池回流的含磷污泥二者混合后在兼性厌氧发酵菌的作用下部分易生物降解的大分子有机物被转化为小分子的挥发性脂肪酸（VFA），聚磷菌吸收这些小分子有机物合成PHB并储存在细胞内，同时将细胞内的聚磷水解成正磷酸盐，释放到水中，释放的能量可供专性好氧的聚磷菌在厌氧压抑环境下维持生存，结果污水中的溶解性磷浓度升高，部分或全部溶解性有机物被利用而使污水中BOD浓度下降；另外，NH4+-N因细胞的合成而去除一部分，同时回流污泥的稀释作用使污水中NH4+-N浓度下降；另外，回流污泥中的NO3--N进入厌氧池后迅速利用原水中的快速降解有机物而被还原为氮气释放，会部分去除进水中的有机物，该池出水几乎不含NO3--N。回流污泥中NO3--N的引入，尤其是大量引入将减少了聚磷菌释放所获得的溶解性有机物的量，不能使该池形成较好的兼缺氧池好氧池沉淀池好氧池缺氧池缺氧池厌氧池好氧池沉淀池缺氧池4性厌氧条件，不仅不利于聚磷菌的放磷反应，而且也不利于大分子的厌氧发酵为易于利用的小分子有机物，对磷的释放不利，同时进入缺氧反应器的外碳源量减少，反硝化潜力降低[10]。N2硝化液回流（内循环）进水出水（除BOD、释磷、氨化）(脱氮、释磷或吸磷、除BOD）（硝化、吸磷、除BOD）回流污泥（含磷污泥）图6A2/O工艺流程及其各部分功能图废水经过厌氧池进入缺氧池，缺氧池的首要功能是反硝化脱氮，硝态氮经过内循环回流由好氧池送来，循环的混合液量较大，一般为2~3Q（Q为原废水流量）。混合液进入缺氧段后，反硝化菌利用污水中的有机物将回流混合液中的硝态氮还原为氮气释放到空气中，有效地完成反硝化反应，因此有机物浓度和反硝化菌浓度都大幅降低。其次在该段可能发生磷的释放或吸收反应，或二者同时存在。混合液从缺氧池进入好氧池，曝气池这一反应单元是多功能的，去除BOD、硝化和吸收磷等项反应都在本反应器内进行。混合液中有机物浓度已经降低，聚磷菌主要是靠分解体内储存的PHB来获得能量供自身生长繁殖，同时超量吸收水中的溶解性正磷酸盐以聚磷酸盐的形式储存在体内，经过沉淀，将含磷高的污泥从水中分离出来，达到除磷的效果。有机物被微生物生化降解，继续下降；有机氨被氨化继而被硝化，NH4+-N浓度显著下降。随着硝化过程的进行，NO3--N浓度增加，消耗碱度。3.2A2/O工艺的影响因素影响A2/O工艺出水效果的因素有很多，一般有以下一些方面的因素：(1)污水中可生物降解有机物对脱氮除磷的影响可生物降解有机物对脱氮除磷有着十分重要的影响，它对A2/O工艺中的三种生化过程的影响是复杂的、相互制约甚至是相互矛盾的[11，12]。在厌氧池中，聚磷菌本身是好氧菌，其运动能力很弱，增殖缓慢，只能利用低分子的有机物，是竞争能力很差的软弱细菌。但由于聚磷菌能在细胞内贮存PHB和聚磷酸基，当它处于不利的厌氧环境下，能将贮藏的聚磷酸盐中的磷通过水解而释放出来，并利用其产生厌氧池缺氧池好氧池沉淀池5的能量吸收低分子有机物而合成PHB，在利用有机物的竞争中比其它好氧菌占优势，聚磷菌成为厌氧段的优势菌群。因此，污水中可生物降解有机物对聚磷菌厌氧释磷起着关键性的作用。所以，厌氧池进水中溶解性磷与溶解性有机物的比值(S-P/S-BOD)应在0.06之内，且有机物的污泥负荷率应0.10kgBOD5/kgMLSS·d。在缺氧段，异养型兼性反硝化菌成为优势菌群，反硝化菌利用污水中可降解的有机物作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体，将回流混合液中的硝态氮还原成N2而释放，从而达到脱氮的目的。污水中的可降解有机物浓度高，则C/N比高，反硝化速率大，缺氧段的水力停留时间HRT短，一般为0.5~1.0h即可。反之，则反硝化速率小，HRT需2~3h。可见污水中的C/N比值较低时，则脱氮率不高。通常只要污水中的COD/TKN8时，氮的去除率可达80%。在好氧段，当有机物浓度高时污泥负荷也较大，降解有机物的异养型好氧菌超过自养型好氧硝化菌，使氨氮硝化不完全，出水中NH4+-N浓度急剧上升，使氮的去除效率大大降低。所以要严格控制进入好氧池污水中的有机物浓度，在满足好氧池对有机物需要的情况下，使进入好氧池的有机物浓度较低，以保证硝化细菌在好氧池中占优势生长，使硝化作用完全。对此，好氧段的污泥负荷应0.18kgBOD5/kgMLSS·d。由此可见，在厌氧池，要有较高的有机物浓度；在缺氧池，应有充足的有机物；而在好氧池的有机物浓度应较小。(2)污泥龄SRT的影响硝化细菌属于专性自养型好氧细菌，其突出特点是繁殖速度慢，世代时间较长，其比增长速率比异养细菌低一个数量级[13]，在冬季，硝化细菌繁殖所需的世代时间长达30d以上，即使是夏季，在泥龄小于5d的活性污泥系统中硝化作用也十分微弱[14]。与之相反，系统中异养降解细菌和反硝化细菌的世代周期一般为2~3d，过长的泥龄会造成上述菌种的老化，影响其降解活性。另外，聚磷脱氮菌也多为短泥龄微生物，较短的泥龄可获得较高的除磷效果[15]，在实际生产中，A2/O系统为满足硝化脱氮功能常采用10~15d的长泥龄。这就造成了系统在一定程度上牺牲了部分有机物降解、除磷和反硝化速率[16]。此外，生物除磷的唯一渠道是排除剩余污泥，为保证系统的除磷效果就不得不维持较高的污泥排放量，系统的泥龄也就相应地降低。美国Hyperion污水处理厂的试验研究表明[17]，当温度为22~24℃时，除磷系统的泥龄为3.1d，出水磷为0.4mg/L。因此硝化菌和聚磷脱氮菌在泥龄需求上存在着矛盾，整个系统的泥龄必须控制在一个很窄的范围，这种调和虽然使系统具备脱氮除磷效果，同时也使两类微生物无法发挥各自的优势。6(3)DO的影响在好氧段，DO升高，硝化速度增大，但当DO2mg/L后其硝化速度增长趋势减缓，高浓度的DO会抑制硝化菌的硝化反应。同时，好氧池过高的溶解氧会随污泥回流和混合液回流分别带至厌氧段和缺氧段，影响厌氧段聚磷菌的释放和缺氧段的NOX--N的反硝化，对脱氮除磷均不利。相反，好氧池的DO浓度太低也限制了硝化菌的生长率，其对DO的忍受极限为0.5~0.7mg/L，否则将导致硝化菌从污泥系统中淘汰，严重影响脱氮效果。所以根据实践经验，好氧池的DO为2mg/L左右为宜，太高太低都不利。在缺氧池，DO对反硝化脱氮有很大影响。这是由于溶解氧与硝酸盐竞争电子供体，同时还抑制硝酸盐还原酶的合成和活性，影响反硝化脱氮。为此，缺氧段DO0.5mg/L。在厌氧池严格的厌氧环境下，聚磷菌才能从体内大量释放出磷而处于饥饿状态，为好氧段大量吸磷创造了前提，从而才能有效地从污水中去除磷。但由于回流污泥将溶解氧和NOX--N带入厌氧段，很难保持严格的厌氧状态，所以一般要求DO0.2mg/L，这对除磷影响不大。(4)混合液回流比R的影响从好氧池流出的混合液，很大一部分要回流到缺氧段进行反硝化脱氮。混合液回流比的大小直接影响反硝化脱氮效果[18]。回流比R大、脱氮率提高，但回流比R太大时则混合液回流的动力消耗太大，造成运行费用大大提高。(5)污泥回流比r的影响回流污泥是从二沉池底流回到厌氧池，靠回流污泥维持各段污泥浓度，使之进行生化反应。如果污泥回流比R太小，则影响各段的生化反应速率，反之回流比r太高，A2/O工艺系统中硝化作用良好，反硝化效果不佳，导致回流污泥将大量NO-X-N带入厌氧池，引起反硝化菌和聚磷菌产生竞争，因聚磷菌为软弱菌群，所以反硝化速度大于磷的释放速度，反硝化菌抢先消耗掉快速生物降解的有机物进行反硝化，当反硝化脱氮完全后聚磷菌才开始进行磷