倒置A2/O工艺的原理与特点研究

张波¹，高廷耀²
（1 青岛建筑工程学院环境工程系，山东青岛266033；2同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海200092）

　　摘要：通过短时厌氧环境的生化特性、厌氧/缺氧环境倒置效应和小型系统平行对比试验，较系统地研究了倒置A²/O工艺的原理和工艺特点。指出：聚磷菌厌氧有效释磷水平的充分与否，并不是决定其在后续曝气条件下过度吸磷能力的充分必要条件。推进聚磷菌过度吸磷的本质动力与厌氧区HRT和厌氧环境的厌氧程度有关。在一定范围内，厌氧环境的HRT越长，厌氧程度越充分，聚磷菌的吸磷动力越强。把常规生物脱氮除磷系统的厌氧、缺氧环境倒置过来，可以得到更好的脱氮除磷效果。小型系统平行对比试验表明，倒置A²/O工艺的氮磷脱除功能明显优于常规A²/O工艺，其COD去除能力则与常规A²/O工艺相当。
　　关键词：污水处理；脱氮；除磷；倒置A²/O工艺
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：A
　　文章编号：1000-4602(2000)07-0011-05

Principle and Characteristics of Reversed A²/O Process
ZHANG Bo ¹,GAO Ting yao ²
(1Departof EnvironEng,Qingdao Construction Institute,Qingdao 266033，China;2 State Key Labof Pollution Control and Resource Reuse,Tongji Univ,Shanghai 200092, China)

　　Abstract：The biochemical characteristics of short time retention in anaerobic zone and sequence reversing of anaerobic and anoxic zones on phosphorus release and uptakewere studied in bench scale experiments The results showed that:(1) the effective phosphorus release, fully or not, is not the sufficient and necessary condition deciding the ability of excess Puptake To a certain extent,a relativelylonger HRT and a more sufficient anaerobic environment produce a stronger potential of excess Puptake in the following aerobic condition(2) a much better effect of N-P removal can be obtained in biological nutrient removal process by reversing the position of anaerobic and anoxic zones and turning into reversed A²/O process Its phosphorus and nitrogen removal rates are markedly higher thanthat of conventional A²/O process, whereas the COD removal rates are about equal
　　Keywords: wastewater treatment;nitrogen removal;phosphorus removal;reversed A²/O process

　　常规生物脱氮除磷工艺呈厌氧(A1)/缺氧(A2)/好氧(O)的布置形式。该布置在理论上基于这样一种认识，即：聚磷微生物有效释磷水平的充分与否，对于提高系统的除磷能力具有极端重要的意义，厌氧区在前可以使聚磷微生物优先获得碳源并得以充分释磷^［1］。但是，①由于存在内循环，常规工艺系统所排放的剩余污泥中实际上只有一少部分经历了完整的释磷、吸磷过程，其余则基本上未经厌氧状态而直接由缺氧区进入好氧区，这对于除磷是不利的；②由于缺氧区位于系统中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影响了系统的脱氮效果；③由于厌氧区居前，回流污泥中的硝酸盐对厌氧区产生不利影响，为了避免该影响而开发的一些新工艺(如UCT等)趋于复杂化；④实际运转经验表明，按照缺氧—好氧两段设计的脱氮工艺系统也常常表现出良好的除磷能力^［2、3］。因此，常规生物脱氮除磷工艺(A1/A2/O)布置的合理性值得进一步探讨。

1 材料与方法

　　活性污泥取自污水生物脱氮除磷小型试验系统，污水取自实际城市污水。污水和污泥的性质见表1。

2 试验结果与讨论

2 1短时厌氧环境及其对聚磷菌的影响
　　短时厌氧环境在生物脱氮除磷系统中具有关键性作用，本试验目的是考察短时厌氧环境的生化特性及其对聚磷菌释、吸磷行为的影响。?
　　①试验采用2只完全相同的有机玻璃柱，有效体积均为30 L(见图1)。柱1装有随中心轴一起转动的弹性立体填料，柱2不装填料，由搅拌桨搅拌。电机转速为15～20 r/min，柱上方均设有盖板。

　　柱1作挂膜运行，HRT＝20～30 h，温度为24～29℃。为了单独考察城市污水在短时厌氧环境污水中VFA的变化，试验未引入小试系统活性污泥。柱内微生物完全为厌氧环境下由污水自然接种生长起来的厌氧或兼性细菌，显然其厌氧程度较一般脱氮除磷系统的厌氧区更为充分。柱2作为对比，未作任何处理。正式试验时，将两柱瞬时放空，注入新鲜污水，然后启动电机，每隔2h取样，分析污水中VFA随时间的变化规律，结果见图2。

　　 图2表明，在本试验条件下，短时厌氧环境并不能增加污水中VFA的量，在厌氧区放置填料则会加剧该区VFA的消耗。
　　根据厌氧消化理论，污水中的大分子有机物转化为VFA需要经历水解和产酸(产氢)两个过程。尽管早期的研究曾认为在此过程中兼性细菌属于优势种群，但关于生活污水污泥消化的研究指出，事实正好相反，专性厌氧细菌较兼性细菌多100倍以上。从总体上说，最重要的水解反应和发酵反应都是通过专性厌氧细菌进行的，同时由于专性厌氧细菌的生化效率很低，上述过程需要较长的水力停留时间。Andrews和Pearson(1965)曾利用溶解性有机和无机合成污水对厌氧发酵过程的VFA产生动力学规律进行了研究，结果表明，当 HRT ＝2.5 d时反应器的VFA浓度最高。
　　本试验所采用的 HRT =2～3 h(这与生物除磷工艺厌氧区的HRT相近)，污水 COD 仅500mg/L左右。在这样的条件下，柱内实际上很难造就类似污泥消化那样的厌氧环境并培养出大量的专性厌氧菌，生物膜上的微生物主体仍为消耗VFA的兼性细菌，故而柱1的VFA数量不仅没有增加，反而消耗很快。柱2完全为污水，其微生物数量较少，所以其VFA在很长一段时间内基本上保持恒定。只是在一定时间以后，随着微生物的增殖，VFA才出现明显下降。本试验说明，就一般城市污水而言，短时厌氧区不会增加污水中VFA的量。
　　② 将柱1、柱2放空，从小试系统好氧区末端取3 L混合液，与3 L污水混合后一分为二地分别装入柱1、柱2，然后启动电机；两柱厌氧运行2～3 h后取出填料和搅拌桨，并同时转入曝气状态每隔30 h取样分析比较两柱释磷、吸磷特点，结果见图3。

　　图3(a～d)是在不同时间利用实际污水进行的四组重复性试验。由于实际污水水质的变化，图3污水中的VFA浓度是依次下降的。图3(a、c)的厌氧历时为3 h，图3(b、d)的厌氧历时为2 h。
　　该四组图表明：①在厌氧条件下进水VFA越高，柱1、柱2的释磷量越大，这与以往的认识是一致的。②柱1存在兼性生物膜，致使其厌氧环境较柱2更为充分。当VFA较多时，低ORP水平促使柱1聚磷菌以更快的速率吸收VFA合成PHB，同时释放出磷酸盐。由图可见，柱1初期释磷速率均明显大于柱2。图3(d)进水VFA最低，柱1释磷曲线一直在柱2的上方，直至厌氧段结束，柱2释磷曲线才与柱1交合。但是柱1兼性生物膜同时消耗VFA，当反应器中VFA不足时，兼性生物膜与聚磷菌对VFA的竞争就表面化了，并使柱1释磷速率迅速衰减。柱2基本上不存在这种竞争关系，故聚磷菌能长时间保持较高的释磷速率并最终在释磷总量上超过柱1。除图3(d)外，投加填料的柱1释磷总量均比柱2小，而且进水VFA越高其差别越明显，见图3(a、b)。 ③在后续好氧条件下，柱1聚磷菌过度吸磷能力明显高于柱2，当厌氧历时由3 h降为2 h时上述差别明显增大，见图3(b、d)。该现象是值得特别关注的，它表明聚磷菌厌氧有效释磷水平的充分与否，并不是决定其好氧过度吸磷能力的充分必要条件。这与目前流行的关于聚磷菌厌氧有效释磷越高，其过度吸磷能力越强的认识基本上是矛盾的。从上述现象分析推动聚磷菌好氧过度吸磷的更本质动力，可以得出的判断是，在一定范围内，聚磷菌在厌氧环境中的历时越长，环境的ORP越低，促进好氧吸磷的动力越大。而就系统的除磷效果而言，释磷可能属于一种不具备充分必要性的表面现象。好氧吸磷的能量既可以来自胞内贮存的碳源(如PHB)，也可以从其他方面获得。这种差别当厌氧历时由3 h减为2h时变得尤其明显，表明厌氧环境对于微生物过度吸磷的极端重要性。
　　2.2厌氧、缺氧环境倒置对聚磷菌的影响
　　采用2只几何尺寸完全相同的有机玻璃柱进行对比试验，柱的有效体积均为30 L，底部设有
取样口。其厌氧、缺氧状态采用如图1(柱2)所示的可拆卸搅拌桨搅拌，电机转速为15～20 r/mi
n。好氧状态由微孔曝气头曝气，开始试验时，从小试系统好氧区末端取3 L混合液，与3 L污水混合后，一分为二地分别装入两柱。柱1初始时刻另加入适量KNO₃溶液，然后启动电机分别进入缺氧、厌氧搅拌状态。搅拌2 h后，再向柱2加入KNO₃溶液。4 h后两柱同时结束搅拌，取出搅拌桨，并转入曝气状态。因此，柱1实际是按照A2/A1/O方式运行，柱2按照常规的A1/A2/O方式运行。每隔30 min取样，分析比较两柱的PO₄^3--P和NO₃^--N变化规律，结果见图4。由图4可以看到，柱1从零时刻加入硝酸盐起，在前2 h内实际上处于缺氧状态，反硝化、释磷同时进行。但和柱2相比，柱1前的释磷速率很低；至30 min时，释磷几乎完全停止；60 min后，随着硝酸盐基本耗尽，释磷速率迅速增大；至240 min，柱内浓度达到65 mg/L。图中A点硝酸盐上升是由于误操作引起的，有趣的是，柱1的释磷曲线也出现了点A′相应的变化。

　　柱2在120min时加入硝酸盐，因此其前2 h内为厌氧，后2 h基本为缺氧。柱2前2 h的释磷速率很快，至120 min时PO₄^3--P高达7.3 mg/L。120 min后由于硝酸盐的加入，聚磷菌开始吸磷，但由于缺氧状态下微生物ATP产率较低，故该阶段的吸磷速率并不高。至180 min硝酸盐消耗殆尽，吸磷也基本上停止。进入曝气状态后，柱2虽重新开始吸磷，但因前面缺氧段的存在，致使其吸磷速率大大低于柱1。曝气开始时，柱1的PO₄^3--P浓度高达6.5 mg/L，柱2仅为5.3 mg/L。但至480 min，柱1的PO₄^3--P浓度为0.1 mg/L，而柱2的PO₄^3--P却为1.05 mg/L，两者相差10倍。从脱氮角度看，两者均把柱内硝酸盐全部反硝化，但柱1的比反硝化速率为4.12 mgN/(h·gVSS)，柱2为280 mgN/(h·gVSS)，柱1明显快于柱2。
　　从上面的讨论可以看出，将常规生物脱氮除磷工艺系统的厌氧、缺氧环境倒置，可明显改善系统的氮磷脱除效果。在倒置的A2/A1/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A1/A2/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，因此其厌氧环境更加充分，微生物厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，其在厌氧条件下形成的吸磷动力得到了更有效的利用。
　　对常规脱氮除磷工艺来说，污泥回流比常在0.5～1.0左右，内循环比则在2.0～3.0之间。在所有参与内外循环的污泥中，通常只有占总数不到一半的回流污泥经历了完整的释磷、吸磷过程，而大部分污泥实际上没有经过厌氧阶段而直接进入缺氧和好氧环境。相应地，其所排放的剩余污泥中富磷污泥的含量实际上也只占一少部分，因而影响了系统的除磷效果。与此不同，A2/A1/O方式允许参与回流的所有污泥全部经历完整的释磷、吸磷过程，故其排放的剩余污泥含磷更高，系统的除磷效果也更好，具有一种“群体效应”优势。
　　在A2/A1/O方式中，缺氧段优先得到碳源，故其脱氮能力明显增强。在本试验条件下，其比反硝化速率和A1/A2/O方式相比提高50%。
　　从工程角度讲，A2/A1/O方式不仅具有较好的氮磷脱除能力，而且可能较传统脱氮除磷工艺更加简捷。工程上采取一定措施，使其污泥回流和内循环合并为一个回流系统是完全可能的，这对于开发简捷、高效的生物脱氮除磷工艺来说是十分有利的。
　　2 3 倒置A²/O工艺的特点
　　采用两个平行系统进行对比试验，系统1以倒置A²/O方式运行，系统2以常规A²/O方式运行。两系统的有效容积均为77.2 L，各区比例为A2(A1):A1(A2):O＝1:1:2，二沉池水力停留时间为21h，非曝气区采用搅拌桨搅拌。
　　试验初期,从污水厂生产性曝气池取活性污泥引入小试系统,经过一个月的试运行，MLVSS达2～3 g/L，出水COD降至50 mg/L以下，遂开始正式试验。试验采用的工艺参数和运行结果见表2。由于倒置A²/O工艺取消了内循环，因此其回流系统只有一个，总回流比也比常规A²/O工艺减少了20%。试验中的小流量控制比较困难，因此系统1的实际进水量稍大于系统2，这导致其实际水力停留时间略短于表2中的8 h，MLVSS也相应地较系统2偏高。作为对比性试验，这种差异对于系统1略为不利。
　　由表2可以看出，两个系统的COD去除能力相当，并均高达90%以上，出水最高COD均在50 mg/L以下，表中系统1的出水COD略高于系统2是其实际进水量偏大所致。可以说，倒置A²/O工艺在COD去除能力方面与常规A²/O工艺相当，是令人满意的。
　　但值得注意的是，两系统的氮磷脱除功能有明显差异。系统1(倒置A²/O工艺)的出水TN是8.9mg/L，去除率为84.7%；系统2(常规A²/O工艺)的出水TN是14.9 mg/L，去除率为74.4%。系统1的TN去除率比系统2整整高出10%。同样还观察到，系统1的出水TP仅为0.67 mg/L，其TP去除率比系统2高出近9%。两系统出水水质的这种显著差异说明倒置A²/O工艺的氮磷脱除功能的确优于常规A²/O工艺。

3 结论
　　① 就一般城市污水而言，短时厌氧区( HRT ＝2～3 h)并不能增加污水中VFA的量，在厌氧区设置填料将明显加剧该区VFA的消耗。
　　②聚磷菌厌氧有效释磷水平的充分与否，并不是决定其在后续曝气条件下过度吸磷能力的充分必要条件。而就系统的除磷效果而言，释磷可能属于一种不具备充分必要性的表面现象。好氧吸磷的能量既可以来自胞内贮存的碳源(如PHB)，也可能从氧化胞外的其他基质获得。
　　③推进聚磷菌过度吸磷的本质动力与厌氧区HRT和厌氧环境的厌氧程度有关。在一定范围内，厌氧环境的HRT越长，厌氧程度越充分，聚磷菌的吸磷动力越强。
　　④把常规脱氮除磷系统的厌氧、缺氧环境倒置过来，可得到更好的脱氮除磷效果。其特点在于：a缺氧区位于厌氧区之前，硝酸盐在这里消耗殆尽，厌氧区ORP较低，有利于微生物形成更强的吸磷动力；b微生物厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，其在厌氧条件下形成吸磷动力可以得到更充分利用；c缺氧段位于工艺的首端，允许反硝化优先获得碳源，进一步加强了系统的脱氮能力。
　　⑤倒置A²/O工艺与常规A²/O工艺的小型系统平行对比试验表明，倒置A²/O工艺的氮磷脱除功能明显优于常规A²/O工艺，其COD去除能力与常规A²/O工艺相当。
　　⑥由于取消了内循环，倒置A²/O工艺在流程上更为简捷。同时，参与回流的全部污泥均经历了完整的厌氧—好氧过程，在除磷方面具有一种“群体效应”，是十分有利的。

参考文献：
［1］徐亚同污水的生物除磷［J］环境科学研究，1994，7(5)：1-6
［2］刘至嘉提高曝气池MLSS浓度的生产性研究［J］给水排水，1993，19(8)
［3］Maekawa T,Chun-Min L，Xing-Dong FNitrogen and phosphorus removal for swine wastewater using intermittent aeration batch reactor followed by ammonium crystalliztion process［J］Water Research,1995，29(12)：2643

作者简介：张波(1962-)，男，山东青岛人，青岛建筑工程学院副教授，博士，研究方向：水污染控制。
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收稿日期：2000-02-25