A2O生物同步脱氮除磷及其改良工艺进展

全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-81江苏无锡2010年7月A2/O生物同步脱氮除磷及其改良工艺进展张光明，杜锋伟，朱易春(哈尔滨工业大学市政环境学院，黑龙江哈尔滨150090)摘要：通过对传统A2/O脱氮除磷工艺弊端的分析，针对硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在的内在矛盾，列举了一些针对硝酸盐干扰释磷，碳源不足影响反硝化等的解决措施，并阐述了当前脱氮除磷工艺的昀新研究进展。关键词：A2/O工艺；脱氮除磷；碳源；反硝化除磷菌；双污泥工艺近年来，我国水体富营养化现象日趋严峻，《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)对污水处理厂出水氮磷的排放提出了更高的要求。对污水生物脱氮除磷机理、影响因素及工艺特点等的研究是我国当前污水处理的一个热点，同时还出现了一些新工艺。本文针对A2/O同步脱氮除磷工艺的分析，阐述了A2/O工艺的利弊，并列举了一些专家学者的改进措施。1A2/O脱氮除磷工艺的特点生物脱氮除磷是城市污水处理的重点课题，作为《室外排水设计规范》（GB50014-2006）推荐的主体工艺，A2/O是目前较为成熟的污水脱氮除磷工艺，也是目前我国许多污水处理厂都采用的工艺[1]。其工艺流程如图1所示：厌氧缺氧好氧二沉池进水出水剩余污泥污泥回流混合液回流厌氧缺氧好氧二沉池进水出水剩余污泥污泥回流混合液回流图1传统的A2/O脱氮除磷工艺流程但是，在实际运行中，发现A2/O也存在很多问题，如二沉池回流污泥中的硝酸盐对厌氧区磷的释放产生的不利影响[2]；反硝化菌与聚磷菌之间存在碳源的竞争，而城市污水的碳源浓度普遍较低，难以满足同时高效脱氮除磷的要求[3]；污泥中硝酸盐氮，亚硝酸盐氮在二沉池中发生反硝化产生的氮气附着在污泥表面而使其上浮，造成污泥沉降性能较差，出水SS升高的问题[4]。2A2/O脱氮除磷工艺弊端的一些解决措施针对A2/O系统中存在的问题，许多学者进行了大量研究并提出了许多改进工艺，归纳起来主要有四个方面:一是解决硝酸盐影响污泥释磷问题而提出的改进工艺，如：UCT、MUCT，VIP等工艺；二是针对碳源不足而采取的一些措施，如补充碳源、改变进水方式、为反硝化细菌和聚磷菌重新分配碳源，进而形成的一些工艺，如:倒置A2/O工艺、多点进水工艺及其组合工艺等；三是随着DPB（反硝化除磷细菌）的发现形成的以厌氧污泥中PHB（兼性厌氧反硝化除磷菌）为反硝化除磷工艺，如:以A2N为代表的双污泥工艺等；四是为避免硝酸盐氮，亚硝酸盐氮在二沉池或全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-82江苏无锡2010年7月厌氧池反硝化影响除磷效果，有关学者开发的新工艺如NRP脱氮除磷工艺等。下面分别针对这四类改进工艺进行论述。2.1针对硝酸盐影响污泥释磷问题的解决措施1）UCT脱氮除磷工艺针对A2/O工艺厌氧区存在硝酸盐对污泥释磷产生影响，MaraIs研究小组提出了UCT工艺。其工艺流程如图2所示：厌氧缺氧好氧二沉池进水出水II100～200%）内回流I（100～200%）（内回流厌氧缺氧好氧二沉池进水出水II100～200%）内回流I（100～200%）（内回流（内回流剩余污泥外回流（R50～100%）图2UCT脱氮除磷工艺流程UCT工艺二沉池回流污泥首先回流到缺氧池前端，缺氧池流出混合液再部分回流至厌氧池，这样就削弱了硝态氮对PAO（聚磷菌）利用进水底物及释磷的影响。当进水的TKN与COD的比值较高时，应减少由缺氧池至厌氧池的混合液回流比，以防止硝酸盐氮进入厌氧池，但是当回流比过低，将导致污泥在厌氧池中的SRT过长而影响其沉降性能及PAO的除磷效果。UCT工艺较适用于入流污水的BOD5/TKN或BOD5/TP较低的情况。2）MUCT脱氮除磷工艺有学者针对UCT工艺缺氧区易短流及易造成厌氧区受氧化还原电位影响而提出将缺氧段一分为二，形成二套独立的内回流系统的MUCT工艺。其工艺流程如图3所示：内回流Ⅰ（r=100-200﹪）内回流Ⅱ（r=100-200﹪）厌氧缺氧I好氧二沉池进水出水剩余污泥缺氧II内回流（50-100﹪）厌氧缺氧I好氧二沉池进水出水剩余污泥缺氧II内回流（50-100﹪）图3MUCT脱氮除磷工艺流程在MUCT工艺中，将缺氧池分成两个区域，前一个接受二沉池回流污泥，后一个接受好氧区硝化液，使污泥的脱氮与混合液的脱氮分开，减少了进入厌氧区的硝酸盐量，在实现完全反硝化的情况下，也控制了缺氧区向厌氧段回流的混合液中硝态氮的浓度，保持了厌氧池严格的厌氧环境而有利于磷的有效释放。但是MUCT工艺运行条件复杂，运行费用高。3）改进的MUCT脱氮除磷工艺MUCT工艺虽然昀大限度的解决了硝酸盐氮对厌氧污泥释磷的影响。但MUCT工艺存在缺氧区碳源的不足以及对进水水质变化适应性差的问题，有学者提出了改进的MUCT工艺。其工艺流全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-83江苏无锡2010年7月程如图4所示：二沉池二沉池回流混合液二沉池回流污泥回流混合液原污水二沉池剩余污泥AN--厌氧池Ax–缺氧池A–好氧池出水AN1AN1AN2Ax4AAx1Ax2Ax3图4改进的MUCT脱氮除磷工艺流程改进的MUCT工艺是将厌氧区和缺氧区均分隔开，运行过程灵活，可根据进水碳氮比将一个或二个缺氧单元转换为好氧单元。同时，它昀大特点是采用多点进水方式，可调节分配至厌氧段和缺氧段的进水比例，为生物除磷脱氮提供昀优的碳源。该工艺根据实际水质情况也可按A2/O方式运行，此时可以省掉第一级回流，节省能耗。但是该工艺运行管理复杂。4）VIP脱氮除磷工艺针对UCT系列脱氮除磷工艺污泥龄长，负荷不高，除磷速率慢的特点，美国的Randall教授提出了VIP工艺。其工艺流程如图5所示：进水混合液回流混合液回流污泥回流厌氧池缺氧池好氧池剩余污泥沉淀池图5VIP脱氮除磷工艺流程VIP工艺即将一系列完全混合反应池串联在一起，形成有机物浓度梯度，有利于提高微生物降解速率。缺氧反应池分格使大部分反硝化反应发生在前几格，有助于缺氧池的完全反硝化，同时混合液由缺氧池末端回流至厌氧池保证了厌氧池的严格厌氧环境，有利于提高PAO的磷释率。VIP工艺采用高负荷运行，混合液中活性污泥量高，污泥龄比UCT工艺短，除磷效率高，所需反应设备体积小。2.2针对反硝化碳源不足的解决措施针对反硝化碳源不足可以有以下解决措施：⑴投加甲醇、乙醇、乙酸等或易生物降解的碳源，它们可以是初沉池污泥发酵的上清液[5]，可以是酸性消化池的上清液，也可以是某种具有大量易生物降解组分的有机废水等；⑵对于污水厂而言，不设置初沉池或者缩短初沉池的水力停留时间，可以使沉砂池中部分有机物直接进入生全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-84江苏无锡2010年7月化系统中，这样可以增加进水的有机物总量；⑶对传统的A2/O工艺有人建议，将1/3水量进入缺氧区，2/3水量进入厌氧区，可以取得较好的脱氮除磷效果[6]。⑷同济大学高廷耀、张波等认为，传统A2/O工艺空间布局的合理性值得怀疑。因为传统A2/O工艺在碳源分配上总是优先满足聚磷菌释磷的需要，进而将厌氧区放在昀前端，缺氧区放在其后。这种空间布局会降低系统的反硝化脱氮效果，而系统的除磷效果不一定会提高。就昀终脱氮除磷的效果而言，把厌氧区前置或者将缺氧池前置哪一种真正有利，是值得研究的。为此高廷耀等提出了倒置A2/O工艺。现分别针对进水方式及反应器空间布局所进行的改良工艺介绍如下：1）倒置A2/O脱氮除磷工艺高廷耀等根据A2/O工艺空间布局不合理，提出了将厌氧和缺氧池调换的倒置A2/O脱氮除磷工艺。其工艺流程如图6所示：好氧二沉池进水出水剩余污泥厌氧缺氧外回流R(150～200﹪)好氧二沉池进水出水剩余污泥厌氧缺氧外回流R(150～200﹪)图6倒置A2/O脱氮除磷工艺流程倒置A2/O工艺主要特点是聚磷菌在厌氧池释磷后直接进好氧池，具有很高的吸磷动力，磷的去除效率高；回流污泥可以全部经历完整的释磷、吸磷过程，故在除磷方面具有“群体效应”优势；缺氧段在厌氧段前，反硝化优先获得碳源，系统的脱氮能力增强；工程上采取适当措施可以将回流污泥和内循环合并为一个外回流系统，因而流程简捷，宜于推广。同时倒置A2/O工艺也存在不足：外回流加大增加了二沉池的固体负荷，对出水水质和二沉池底流浓度有影响；厌氧区能获得的优质碳源不多，除磷效率不高等。3）分点进水倒置A2/O脱氮除磷工艺针对倒置A2/O工艺厌氧区碳源不足影响污泥释磷，有学者提出将一部分进水直接进入厌氧池，形成分点进水倒置A2/O工艺。其工艺流程如图7所示：缺氧厌氧好氧二沉池出水剩余污泥混合液回流（50～150％）30～50％进水70～50％进水污泥回流（50100～％）缺氧厌氧好氧二沉池二沉池出水剩余污泥混合液回流（50～150％）30～50％进水70～50％进水污泥回流（50100～％）图7分点进水倒置A2/O脱氮除磷工艺流程分点进水倒置A2/O工艺单位池容的反硝化速率明显提高，反硝化作用能够得到有效保证。可根据不同进水水质，不同季节情况下，生物脱氮和生物除磷所需碳源的变化，调节分配至缺氧段和厌氧段的进水比例，反硝化作用能够得到有效保证，系统中的除磷效果也有保证。4）多模式A2/O脱氮除磷工艺为了使倒置A2/O工艺（分点进水倒置A2/O工艺）能够根据不同进水水质，不同季节生物脱氮除磷所需碳源的变化，取得较好的脱氮除磷效果，有学者提出了多模式A2/O脱氮除磷工艺。其工艺流程如图8所示：全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-85江苏无锡2010年7月缺氧混合液回流(50-200﹪)缺氧厌氧好氧出水30-50﹪进水二沉池50-70﹪进水污泥回流(25-125﹪)好氧混合液回流(50-200﹪)图8多模式倒置A2/O脱氮除磷工艺流程该工艺在分点进水倒置A2/O工艺的基础上增加缺氧混合液回流，可根据进水水质水量的变化，对处理工艺进行了优化，通过进水、污泥回流、混合液回流位置的多点设置，体现了一池多工艺、多工况的特点，可以按多种工艺方式(UCT、VIP、A2/O、A/O、倒置A2/O)运行，从运行来看，针对不同水质，通过不同模式切换，出水能够达到很好的效果。2.3以PHB为主体的反硝化除磷工艺反硝化除磷脱氮是指在厌氧/缺氧环境交替运行的条件下，PHB能够利用O2或NO3-N作为电子受体，通过它们的代谢作用同时完成过量吸磷和反硝化过程而达到除磷脱氮的目的。反硝化除磷相对于常规脱氮除磷工艺而言，其主要特点是：⑴由于避免了反硝化菌和聚磷菌之间对有机物的竞争，可以节省50%COD的消耗[7]，适合处理高TKN/COD污水；⑵由于PHB利用硝酸盐作为电子受体，故了节省了曝气量(节省30%曝气量[7])；⑶系统运行中产泥量减少，而污泥处理费用也相应减少；⑷减小了反应器的体积。下面简单介绍以A2N为代表的双泥反硝化除磷工艺，其工艺流程如图9所示：污泥回流厌氧池沉淀池1硝化池沉淀池2缺氧池后曝气沉淀池3进水出水硝化泥回流厌氧污泥超越回流剩余污泥图9A2N反硝化除磷工艺流程A2N反硝化除磷工艺流程如下[7]：污水流经厌氧池后，反硝化聚磷菌释磷，也会将污水中的COD转化为PHB贮存在体内；在沉淀池1进行泥水分离，上清液进入硝化池，污泥超越硝化池进入缺氧池；在硝化池中，氨氮转化为硝态氮，沉淀池2中的污泥回流至硝化池。沉淀池1的污泥和沉淀池2流出的硝化液一起进入缺氧池进行反硝化除磷；后曝气去除多余的磷和吹脱氮气防止污泥上浮；经过沉淀池3后一部分污泥回流至厌氧池，一部分直接外排。A2N工艺的主要特点：⑴在厌氧池PHB利用大部分COD来合成PHB，这些PHB被DPB在全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集II-86江苏无锡2010年7月缺氧池用于反硝化和吸磷，通过“一碳两用”实现了系统的脱氮和除磷；⑵A2N工艺的聚磷菌和硝化菌分别在不同的反应器中，解决了聚磷菌和硝化菌泥龄不同的矛盾，和传统的脱氮除磷工艺相比，KubaT等人[8]指出，