摘要：以國內(nèi)普遍采用的A2/O工藝為背景，通過與UCT工藝模擬對比揭示，A2/O在脫氮上略遜UCT，但在除磷方面明顯落后于UCT。倒置A2/O雖能避免回流污泥中硝酸氮對厭氧釋磷的影響，但卻以犧牲生物除磷為代價(jià)。進(jìn)言之，UCT較A2/O可聚集更多反硝化除磷細(xì)菌（DPB），這將最大化同步脫氮除磷作用，同時(shí)亦可節(jié)省曝氣量。但是，UCT在生物除磷上的優(yōu)越性會導(dǎo)致出水SS中高含磷量（5%~6%），所以，較高的出水SS（10mg/L）肯定會產(chǎn)生較高的出水總磷（TP）。降低出水SS（5mg/L）并輔助外加碳源或側(cè)流磷沉淀，UCT不僅可以滿足國家一級A標(biāo)準(zhǔn)，甚至還能達(dá)到京標(biāo)A之地方嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。厭氧單元上清液側(cè)流磷沉淀與外加碳源具有異曲同工之處，可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)發(fā)揮至極致，不僅避免了外加碳源，亦可實(shí)現(xiàn)磷回收。

郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)?，F(xiàn)為國際水協(xié)期刊《WaterResearch》區(qū)域主編（Editor）。

1工藝模型設(shè)計(jì)

實(shí)踐表明，TUD與ASM聯(lián)合模型亦適用于我國市政污水處理廠問題診斷、運(yùn)行優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)。因此，利用之前業(yè)已建立的TUD聯(lián)合模型，采用AQUASIM2.0模擬軟件，分別對A2/O、UCT、倒置A2/O工藝建立工藝模型進(jìn)行模擬。

1.1工藝設(shè)計(jì)水質(zhì)

結(jié)合北京某小型市政污水處理廠升級改造設(shè)計(jì)水量(20000m3/d)、水質(zhì)（見表1），對模型所需COD參數(shù)按照污水水質(zhì)特征化方法，將進(jìn)水COD區(qū)分為如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五種組分。

1.2A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型

參考我國南北方地區(qū)部分既有A2/O工藝實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，確定工藝模擬設(shè)計(jì)參數(shù)為：1）生化反應(yīng)總水力停留時(shí)間HRT=13h，其中，厭氧段HRT=3h，缺氧段HRT=3h，好氧段HRT=7h；2）不設(shè)初沉池，二沉池HRT=3.6h；3）內(nèi)回流比（QA）按進(jìn)水水量（Qin）200%計(jì)，污泥回流比（QR）為進(jìn)水水量（Qin）100%；4）污泥停留時(shí)間SRT=15d，好氧池溶解氧DO=2mg/L。模擬工藝流程如圖1所示。

實(shí)際污水廠曝氣池內(nèi)流態(tài)接近推流式，這就需要對AQUASIM2.0中模擬單元以完全混合—推流式建立工藝模型（每個(gè)反應(yīng)池分為串聯(lián)的5個(gè)子反應(yīng)器）。工藝模型中，二沉池分為清水區(qū)（60%）和污泥區(qū)（40%）兩部分，包括水解、PAOs、異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌代謝活動的21個(gè)模型反應(yīng)在污泥區(qū)亦全部開啟，即考慮了沉淀池中微生物發(fā)生的各種生化反應(yīng)。

1.3UCT設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型

為與A2/O比較，圖2顯示的UCT模型工藝完全移植了上述A2/O模擬工藝設(shè)計(jì)參數(shù)，只不過增加一個(gè)內(nèi)回流QB。

1.4倒置A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型

倒置A2/O實(shí)際上是對A2/O在空間上將厭氧與缺氧位置對換，如圖3所示。因此，模擬工藝設(shè)計(jì)參數(shù)也完全與A2/O一致。

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2模擬結(jié)果與分析

2.1出水模擬結(jié)果及分析

北方污水處理廠冬季設(shè)計(jì)溫度通常為12℃，夏季為20℃。為詳細(xì)展示各工藝全年不同季節(jié)運(yùn)行情況，再增加10℃和25℃兩個(gè)極端溫度進(jìn)行模擬。模擬首先依據(jù)出水SS達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)（即10mg/L）進(jìn)行，模擬至穩(wěn)定狀態(tài)后的各工藝出水水質(zhì)數(shù)據(jù)對比見圖4。因各工藝出水SS統(tǒng)一設(shè)定為10mg/L，所以，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可以直接計(jì)算出水SS中COD、N、P之含量（見圖5）。

圖4顯示，各溫度下三種工藝對COD去除幾近一致，出水中溶解性SCOD≤25mg/L。NH4+-N硝化能力在20℃以下時(shí)UCT明顯高于A2/O，比倒置A2/O亦好許多。因各工藝反硝化能力受碳源（COD）限制，20℃以下時(shí)UCT硝化產(chǎn)生的較多的NO3--N不能及時(shí)反硝化，以至于比其它兩個(gè)工藝高1~3mg/L。就TN而言，因各工藝SS中所含N成分不盡相同，20℃以下時(shí)倒置A2/O要比其它兩個(gè)工藝低1~2mg/L。無論溶解性PO43-還是TP，倒置A2/O表現(xiàn)均很差，幾乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要?jiǎng)儆贏2/O。

綜上所述，倒置A2/O只具有較強(qiáng)的脫氮能力，在生物除磷方面則無所作為。這是因?yàn)榈怪肁2/O完全違背了要將易降解COD（VFAs）首先在厭氧單元用于PAOs/DPB吸收的原則，以至于用反硝化方式幾乎耗盡了VFAs，導(dǎo)致PAOs/DPB無COD可以利用，在系統(tǒng)中難以繁殖。顯然，在同步脫氮除磷方面，倒置A2/O應(yīng)禁止應(yīng)用。否則，P無法生物去除。

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UCT因避免了回流污泥中NO3-對厭氧單元PAOs/DPB的影響（競爭VFAs），所以，顯示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外，因UCT進(jìn)入缺氧單元實(shí)際存在兩個(gè)循環(huán)（QA+QR），使實(shí)際回流比為300%，導(dǎo)致NH4+-N硝化機(jī)會較A2/O無形增加100%，所以，UCT的硝化能力好于A2/O。盡管UCT300%的缺氧回流比理論上亦有助于增加反硝化的機(jī)會，但因碳源（COD）限制而不能將硝化而來的NO3-及時(shí)反硝化。

圖5顯示，三種工藝出水SS中的COD和N含量基本相同，差別在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明顯很低（約占SS總干重2%），直接反映出SS中并不含PAOs/DPB。相反，UCT和A2/O出水SS中P含量高達(dá)5%~6%，且UCT要高于A2/O，這說明兩工藝中均存在著相當(dāng)?shù)腜AOs/DPB，這也是兩工藝具有生物高除磷能力的一個(gè)旁證。

2.2反硝化除磷菌（DPB）除磷貢獻(xiàn)率

反硝化除磷菌（DPB）首先發(fā)現(xiàn)于UCT和A2/O工藝之中，這種細(xì)菌使用同一碳源即可實(shí)現(xiàn)缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O(shè)2作為唯一電子受體的吸磷現(xiàn)象，不僅節(jié)省了脫氮除磷的碳源，亦可節(jié)省曝氣量。表3列出了A2/O和UCT系統(tǒng)聚磷菌（PAOs）吸磷總量以及DPB在生物吸磷方面的貢獻(xiàn)率。

表3顯示，A2/O工藝中PAOs在缺氧以及好氧單元吸磷總量較UCT低22%~35%；UCT中PAOs的吸磷作用在20℃以下時(shí)作用特別明顯（＞30%），應(yīng)主要?dú)w功于DPB的反硝化除磷現(xiàn)象，低溫時(shí)表現(xiàn)尤為突出，20℃以下時(shí)比A2/O高12%~14%。換句話說，UCT工藝生物除磷在很大程度上均以反硝化除磷為主。從這個(gè)意義上說，UCT在同步脫氮除磷方面的性能絕對優(yōu)于A2/O。

2.3降低出水SS水質(zhì)效果模擬

盡管UCT與A2/O具有較好的同步脫氮除磷能力，但限于出水較高的SS濃度（10mg/L），其出水TP濃度距離一級A標(biāo)準(zhǔn)仍然具有一定距離。因此，整體提高出水水質(zhì)（進(jìn)一步降低N、P濃度）的技術(shù)措施是降低出水中SS的濃度，這也是MBR工藝運(yùn)用而生的主要理由。其實(shí)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行良好的傳統(tǒng)二沉池完全可以達(dá)到與MBR膜分離幾近一致的分離SS（≤5mg/L）的效果。即使傳統(tǒng)二沉池難以勝任將SS降至≤5mg/L，后接簡單砂濾即可奏效，況且目前還出現(xiàn)了高效沉淀設(shè)備。在上述模擬基礎(chǔ)上，只需設(shè)定出水SS=5mg/L，其它任何參數(shù)保持不變。進(jìn)一步模擬結(jié)果見圖6。

圖6顯示，降低出水SS后水質(zhì)效果主要體現(xiàn)在出水TP上，效果非常明顯，特別針對UCT，使出水TP從＞0.5mg/L降至＜0.5mg/L，已滿足一級A排放標(biāo)準(zhǔn)（A2/O仍難以達(dá)標(biāo)?。?。這是因?yàn)閁CT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相應(yīng)較高（5%~6%），因此降低出水SS對降低TP也就至關(guān)重要。其它出水指標(biāo)（沒有變化或略有變化，主要受出水SS降低后回流污泥濃度有所提高影響（MLSS濃度升高約100mg/L）。

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3UCT工藝優(yōu)化效果模擬

上述模擬結(jié)果顯示，UCT較A2/O工藝在脫氮上好一些，并在除磷方面好很多。然而，就特定模擬進(jìn)水水質(zhì)而言，即使UCT工藝也僅僅是滿足國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，還不能達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)（SS=10mg/L，COD=30mg/L，TN=15mg/L，NH4+-N=1.5/2.5mg/L，TP=0.3mg/L）、甚至是京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)（SS=5mg/L，COD=20mg/L，TN=10mg/L，NH4+-N=1/1.5mg/L，TP=0.2mg/L）。對此，可從外加碳源（增加C/P比）或側(cè)流磷沉淀（相對提高C/P比）角度解決進(jìn)水可降解碳源不足的問題。

3.1外加碳源

在上述模擬的基礎(chǔ)上，保持進(jìn)水總COD不變，對表2所列COD可降解組分（S_A:32mg/L→62mg/L，S_F:72mg/L→82mg/L）適當(dāng)提高（40mg/L），并相應(yīng)減少慢性降解組分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。

3.2側(cè)流磷沉淀

厭氧上清液側(cè)流磷沉淀方式可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合。為此，基于圖2所示UCT工藝，在厭氧池末端增加一上清液側(cè)流磷沉淀/分離單元（圖7），取側(cè)流比為進(jìn)水量（Qin）的15%；側(cè)流上清液以金屬磷酸鹽形式沉淀，磷去除率設(shè)定90%。

3.3模擬結(jié)果分析

后兩種強(qiáng)化工藝在出水COD上無差別。外加碳源因常規(guī)異養(yǎng)菌（OHO）、磷細(xì)菌數(shù)量增多使硝化受到一些抑制，但因反硝化/反硝化除磷作用增強(qiáng)而致TN下降約1mg/L。側(cè)流磷沉淀在脫氮上作用雖不及外加碳源，但較原始UCT有明顯效果（TN下降約0.5mg/L）。其實(shí)，外加碳源和側(cè)流磷沉淀的工藝性能強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)在除磷上，兩者均能使出水PO43-大幅下降（＞50%），最終致出水TP下降至0.21~0.33mgP/L，特別是側(cè)流磷沉淀均＜0.3mgP/L。

顯然，UCT外加碳源或側(cè)流磷沉淀在增加C/P方面具有異曲同工之處，導(dǎo)致的最終脫氮除磷效果完全可以達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)流磷沉淀使N、P指標(biāo)已基本接近京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)。顯然，進(jìn)一步降低出水COD和N、P，完全達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)只需再降一下SS（圖9）即可，簡單砂濾似乎即可奏效。

4結(jié)語

污水處理升級改造是大勢所趨，技術(shù)選擇不僅受國標(biāo)、地標(biāo)（盡管很大程度上缺乏科學(xué)性）制約，更重要的還是工藝決策、設(shè)計(jì)者缺乏對常規(guī)工藝機(jī)理的深刻理解，以至于出現(xiàn)很多認(rèn)識誤區(qū)，使本來生物處理便能一并解決的脫氮除磷問題往往通過延長流程的方式，以化學(xué)、物理、甚至再加生物的后端形式加以“強(qiáng)化”去除。流程延長導(dǎo)致管理復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用攀升等弊端一方面讓運(yùn)行單位怨聲載道，另一方面，高物耗、能耗、藥耗工藝也背離可持續(xù)的原則。

相同進(jìn)水水質(zhì)、工藝設(shè)計(jì)參數(shù)下的數(shù)學(xué)模擬結(jié)果顯示，UCT在脫氮上較A2/O工藝要稍好一些，但在除磷方面優(yōu)勢明顯。針對回流污泥中NO3-可能影響厭氧釋磷的問題，國內(nèi)試圖以倒置A2/O形式加以解決。但缺氧先行只能以本來應(yīng)留給磷細(xì)菌的VFAs讓常規(guī)反硝化“捷足先登”，結(jié)果讓磷細(xì)菌無“食”可得，不能在系統(tǒng)內(nèi)生長。通過數(shù)學(xué)模擬，這一論點(diǎn)得到印證，倒置A2/O系統(tǒng)中幾乎無磷細(xì)菌存在，因此，也就難具生物除磷效果。

生物除磷效果越好，出水中溶解性PO43-就越低，而出水SS中因聚磷菌緣故使P含量高（5%~6%）才是制約出水TP達(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵。因此，UCT工藝加高效沉淀池或簡單砂濾即可將出水SS降至5mg/L以下，可能并不需要MBR的助力。

針對進(jìn)水碳源不足現(xiàn)象，固然可以采取外加碳源方式強(qiáng)化生物脫氮除磷，但采用厭氧單元上清液側(cè)流磷沉淀方式具有異曲同工之處，不僅可以回收磷，亦可相對增加C/P值，將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，最大程度發(fā)揮化學(xué)、生物除磷各自優(yōu)勢。模擬顯示，側(cè)流磷沉淀甚至可以使出水TP達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)，不僅節(jié)省了碳源，而且節(jié)省大量化學(xué)沉淀藥劑。

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原標(biāo)題:郝曉地 | A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝