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1、王洪臣，等：5 f A 2 o 工艺脱氮除磷工艺的创新与实践5 f - A 2 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，北京1 0 0 0 6 1 )1A 2 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【”J ，高效、同步生物除磷脱氮技术的研究州、开发嘲和工程应用【6 成为国内外污水处理界关注的热点问题。其中A 2 O 工艺( A n a e r o b i c A n o x i c O x i c ，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
2、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设施等系统中均有广泛应用川，对机理的理解也在不断深入i s 。1 1 生物脱氮除磷的机理研究传统的生物脱氮理论认为，污水中含氯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。根据传统脱氮理论，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口】。对于同步硝化反硝化现象，可以用微环境理论加以解释I l 。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
3、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。生物除磷机理可概述如下 1 1 “1 3 】：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1 A ) 以胞内碳能源存贮物( 主要为P H I ，聚B 羟基丁酸) 的形式贮存。在好氧条件下，聚磷菌以0 2 为电子受体，氧化胞内贮存的P H B ，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
4、年研究发现，一种反硝化聚磷菌( D P B ，d e n i t r i f y h l gp h o s p h o r u sr e m o v i n gb a c t e r i a )能在缺氧条件下过量吸磷【1 4 J 。D P B 的生物吸放磷作用被荷兰D e l R 工业大学和日本东京大学研究人员合作研究确认，并冠名“反硝化除磷”( d e n i t r i f y i n gd e p h o s p h a t a t i o n ) 。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5 0 和3 0 的C O D 与氧的消耗量，相应减少剩余污泥量5 0 。因此
5、，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 ”。1 2A 2 o 工艺的发展1 9 3 2 年开发的W u h r m a n n 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。1 9 6 2 年，L u d z a c k 和E t t i n g e r I l 6 】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，解决碳源不足的问题。1 9 7 3 年，南非的B a m a r d I l 7 1 提出改良型L u d z a c k - E t t i n g e r 脱氮工艺，即广泛应用的A O 工艺。为了克服A O 工艺
6、的不足，1 9 7 3 年B a r n a r d 把A O 工艺与W u h m a a n n 工艺结台起来，提出了B a r d e n p h o 工艺【l ”。图3 所示的B a r d e n p h o 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。3 5 全国排水委员会2 0 0 6 年年会论文集j 昆合液回流I进水堆壑垂 _ 耍垄窭+ 遥旦墅毋_ - 电显墅四埋卜出水璺鎏望望型金重遇图3B a r d e n p h o 工艺1 9 7 6 年，B a r n a r d 通过对B a r d e n p h o 工艺进行中试研究后
7、提出：在B a r d e n p h o 工艺的初级缺氧反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P h o r e d o x 工艺，在美国称之为改良型B a r d e n p h o 工艺。混合液回流进木图4P h o r e d o x 工艺或改良型B a r d e n p h o 工艺1 9 8 0 年，R a b i n o w i t z 和M a r a i s 2 0 1 在对P h o r e d o x 工艺的研究中，提出3 阶段的P h o r e d o x 工艺。即传统的A 2 O 工艺( 见图5 ) 。此工艺具有较好的除磷效果，
8、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。琨合藏回流进水图5 传统A 2 O 工艺与常规A 2 O 工艺相比，倒置A 2 o 工艺省去了混合液内回流，适当加大了污泥回流比 2 H ，其工艺流程如图6 所示。倒置A 2 O 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A 2 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 2 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
9、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，使其在厌氧条件下形成的吸磷动力得到了更有效的利用。躲一n 一来自沉涉池一L 一I 下缺氧厌氧好氧跨越管污泥回流永棠污坭图6 倒置A 2 ，o 工艺A 2 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( U n i v e r s i t yo f C a p eT o w n ) 在1 9 8 3 年提出U C T 工艺( 见图7 ) 。U C T 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
10、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。3 6 啾瞰置芒产哇噬干裟堂王洪臣，等；5 f A 2 ，o 工艺一脱氮除磷工艺的创新与实践混合液回流混合痕回流图7U C T 工艺与A 2 O 工艺相比，U C T 工艺在适当的C O D T K N 比例下，缺氧区的反硝化可使厌氧区回流混合液中硝酸盐含量接近于零。当进水T K N C O D 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U C T 工艺- - M U C T 工艺( 见图8 ) 。M U C T 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
11、液的脱氯完全分开，进一步减少硝酸盐进入厌氧区的可能。深圳市南山污水处理厂采用了以M U C T 生化单元为主体的除磷脱氮工艺，该工艺对污水水质( 碳氯比) 的变化适应能力强，运行管理灵活，既可按M U C T方式运行，也可以A 2 O 工艺和改良A 2 o 工艺运行。进水图8M U C T 工艺当U C T 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V I P ( V - t r g i n i aI n i t i a t i v eP r o c e s s 。1 9 8 7 ) 工艺口”。V I P 工艺与U C T 工艺非常类似，差别在于：v 工艺反应池由多个完全
12、混合型反应格组成，采用分区方式，每区由2 4 格组成，泥龄4 1 2d ，工艺过程的典型水力停留时间为6 7 h ；而U C T 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1 3 2 5 d ，通常 1 2 0 d ，工艺过程的典型水力停留时间为2 4 h 。1 9 9 1 年，P i m u m 等人田J 提出J o h a n n e s b u r g ( J H B ) 工艺，该工艺是在A 2 ，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3 3 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
13、氧环境的不利影响。进水33 67 混合液回流-卜匦L 匿墅乎嵋蘧亘卜匿翅乎匝霹翌一出水里堕望堡I 型坌重旦图9J H B 工艺台湾中央大学的研究人员将传统A 2 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问，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T N C Ui 艺1 2 4 J生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 2 o系统中，发现混合液中磷的浓度经缺氧区之后降低了5 0 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N O s -
14、为最终电子受体，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：D e p h a n o x 工艺和B C F S 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A 2 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，同时结一3 7 篓警全国排水委员会2 0 0 6 年年会论文集合现场调查，我们发现A 2 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。A 2 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
15、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A 2 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A 2 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m 3 d ，大到几十万m 3 d 甚至上百万m 3 d 。可见，A 2 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。2 3 泥龄长短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0 2 2 5d ，中负荷时为5 1 5d ，低负荷时为2 0 3 0 d 。而在A 2 O
16、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要矛盾。在A 2 o 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8 2 5d范围内。2 4 内外回流比变化范围大在A 2 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；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2 0 0 4 0 0 ，外回流比为6 0 1 5 0 。2 5 厌氧、缺氧、好氧三段体积比不一A 2 O 及其变
