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脫氮除磷功能的污水處理技術
傳統 A²/O 工藝是一項具有脫氮除磷功能的典型污水處理技術，這個工藝結構簡單、水力停留時間(HRT)短且易于控制，多數污水廠都是采用傳統 A²/O 工藝進行污水處理。
然而，生物脫氮除磷的過程中涉及硝化、反硝化、攝磷和釋磷等多個生化過程，而每個過程對微生物組成、基質類型及環境條件的要求存在許多差異。
在傳統A²/O工藝的單泥系統中地完成脫氮和除磷兩個過程，就會發生各種矛盾沖突，比如泥齡的矛盾、碳源競爭、硝酸鹽及溶解氧(DO)殘余干擾等。
傳統A²O工藝存在的矛盾
01 污泥齡矛盾
傳統A²/O工藝屬于單泥系統，聚磷菌(PAOs)、 反硝化菌和硝化菌等功能微生物混合生長于同一系統中，而各類微生物實現其功能大化所需的泥齡不同：
1)自養硝化菌與普通異養好氧菌和反硝化菌相比，硝化菌的世代周期較長，欲使其成為優勢菌群， 需控制系統在長泥齡狀態下運行。冬季系統具有良好硝化效果時的污泥齡(SRT)需控制在 30d 以上;即使夏季，若 SRT<5 d，系統的硝化效果將顯得極其微弱 。
2)PAOs 屬短世代周期微生物，甚至其大世代周期(Gmax)都小于硝化菌的小世代周期(Gmin)。
從生物除磷角度分析富磷污泥的排放是實現系統磷減量化的渠道。
若排泥不及時，一方面會因 PAOs 的內源呼吸使胞內糖原 (Glycogen)消耗殆盡，進而影響厭氧區乙酸鹽的吸收及聚 -β- 羥基烷酸(PHAs)的貯存，系統除磷率下降，嚴重時甚至造成富磷污泥磷的二次釋放;另一方面，SRT 也影響到系統內 PAOs 和聚糖菌(GAOs) 的優勢生長。
在 30 ℃的長泥齡(SRT≈ 10 d)厭氧環境中，GAOs 對乙酸鹽的吸收速率高于PAOs，使其在系統中占主導地位，影響 PAOs 釋磷行為的充分發揮。
02 碳源競爭及硝酸鹽和 DO 殘余干擾
在傳統A²/O脫氮除磷系統中，碳源主要消耗于釋磷、反硝化和異養菌的正常代謝等方面，其中釋磷和反硝化速率與進水碳源中易降解部分的含量有很大關系。一般而言，要同時完成脫氮和除磷兩個過程，進水的碳氮比(BOD5 /ρ(TN))>4～5，碳磷比(BOD5 /ρ(TP))>20～30。
當碳源含量低于此時，因前端厭氧區 PAOs 吸收進水中揮發性脂肪酸(VFAs)及醇類等易降解發酵產物完成其細胞內 PHAs 的合成，使得后續缺氧區沒有足夠的碳源而抑制反硝化潛力的充分發揮，降低了系統對 TN 的脫除效率。
反硝化菌以內碳源和甲醇或 VFAs 類為碳源時的反硝化速率分別為 17～48 、120～900 mg/(g·d)。因反硝化不*而殘余的硝酸鹽隨外回流污泥進入厭氧區，反硝化菌將優先于 PAOs 利用 環境中的有機物進行反硝化脫氮，干擾厭氧釋磷的正常進行，終影響系統對磷的去除。
一般， 當厭氧區的 NO3-N 的質量濃度>1.0 mg/L 時，會對 PAOs 釋磷產生抑制，當其達到 3～4 mg/L 時，PAOs 的釋磷行為幾乎*被抑制，釋磷(PO4 3--P)速率降 至 2.4 mg/(g·d)。
按照回流位置的不同，溶解氧(DO)殘余干擾主要包括：
1)從分子態氧(O2)和硝酸鹽(NO3-N) 作為電子受體的氧化產能數據分析，以 O2 作為電子受體的產能約為 NO3-N 的 1.5 倍，因此當系統中同時存在 O2 和 NO3-N 時，反硝化菌及普通異養菌將優先以 O2 為電子受體進行產能代謝。
2)氧的存在破壞了 PAOs 釋磷所需的“厭氧壓抑”環境，致使厭氧菌以 O2 為終電子受體而抑制其發酵產酸作用，妨礙磷的正常釋放，同時也將導致好氧異養菌與 PAOs 進行碳源競爭。
一般厭氧區的 DO 的質量濃度應嚴格控制在 0.2 mg/L 以下。從某種意義上來說硝酸鹽及 DO 殘余干擾釋磷或反硝化過程歸根還是功能菌對碳源的競爭問題。
傳統A²O工藝改進策略分析
01 基于 SRT 矛盾的復合式
A²/O工藝在傳統A²/O工藝的好氧區投加浮動載體填料， 使載體表面附著生長自養硝化菌，而 PAOs 和反硝化菌則處于懸浮生長狀態，這樣附著態的自養硝化菌的 SRT 相對獨立，其硝化速率受短 SRT 排泥的影響較小，甚至在一定程度上得到強化。
懸浮污泥 SRT、填料投配比及投配位置的選擇不僅要考慮硝化的增強程度，還要考慮懸浮態污泥 含量降低對系統反硝化和除磷的負面影響。
載體填料的投配并不意味可大幅度增加系統排泥量，縮短懸浮污泥 SRT 以提高系統除磷效率;相反，SRT 的 縮短可能降低懸浮態污泥(MLSS)含量，從而影響 系統的反硝化效果，甚至造成除磷效果惡化。
研究表明，當懸浮污泥 SRT 控制為 5 d 時，復合式A²/O工藝的硝化效果與傳統A²/O工藝相比， 兩者的硝化效果無明顯差異，復合式A²/O工藝的載 體填料不能*獨立地發揮其硝化性能;若再降低懸浮污泥 SRT 則因系統懸浮污泥含量的降低致使 硝酸鹽積累，影響厭氧磷的正常釋放。
02 基于“碳源競爭”角度的工藝
解決傳統A²/O工藝碳源競爭及其硝酸鹽和 DO 殘余干擾釋磷或反硝化的問題，主要集中在 3 方面：
針對碳源競爭采取的解決策略，如補充外碳源、反硝化和釋磷 重新分配碳源(如倒置A²/O工藝)等;
解決硝酸鹽干擾釋磷提出的工藝改革，如 JHB、UCT、MUCT 等工藝;
針對 DO 殘余干擾釋磷、反硝化的問題， 可在好氧區末端增設適當容積的“非曝氣區”。
1、補充外碳源
補充外碳源是在不改變原有工藝池體結構及各功能區順序的情況下，針對短期內因水質波動引起碳源不足而提出的應急措施。一般供選擇的碳源可分為 2 類：
1)甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等有機化合物;
2)可替代有機碳源，如厭氧消化污泥上清液、 木屑、牲畜或家禽糞便及含高碳源的工業廢水等。相對糖類、纖維素等高碳物質而言，因微生物以低分子碳水化合物(如，甲醇、乙酸鈉等)為碳源進行合成代謝時所需能量較大，使其更傾向于利用此類碳源進行分解代謝，如反硝化等。
任何外碳源的投加都要使系統經歷一定的適應期，方可達到預期的效果。
針對要解決的矛盾主體選擇合適的碳源投加點對系統的穩定運行和節能降耗至關重要。 一般在厭氧區投加外碳源不僅能改善系統除磷效果，而且可增強系統的反硝化潛能;但是若反硝化碳源嚴重不足致使系統 TN 脫除欠佳時， 應優先考慮向缺氧區投加。
2、倒置A²/O工藝及其改良工藝
傳統A²/O工藝以犧牲系統的反硝化速率為前提，優先考慮釋磷對碳源的需求，而將厭氧區置于工藝前端，缺氧區后置，忽視了釋磷本身并非除磷工藝的目的所在。
從除磷角度分析可知，倒置A²/O工藝還具有 2 個優勢：
“饑餓效應”。PAOs厭氧釋磷后直接進入生化 效率較高的好氧環境，其在厭氧條件下形成的攝磷驅 動力可以得到充分地利用。
“群體效應”。允許所有 參與回流的污泥經歷完整的釋磷、攝磷過程。 然而有研究者認為，倒置 A2 /O 工藝的布置形式。
3、JHB、UCT 及改良 UCT 工藝
與分點進水倒置 A2 /O 工藝相比，JHB(亦稱 A+ A2 /O 工藝) 和 UCT 工藝的設計初衷是通過改變外回流位點以解決硝酸鹽、DO殘余干擾釋磷。
JHB 工藝中的氮素的脫除主要發生在污泥反硝化區和缺氧區，且兩者的脫除量相當， 污泥反硝化區的設置改變了氮素在各功能區的分配比例，使厭氧區能夠更好地專注于釋磷。
與倒置 A2 /O 工藝相同，對于低 C/N 進水而言， JHB 工藝污泥反硝化區的設置可能會引起后續各功能區的碳源不足，為此也有必要采用分點進水方式。
與倒置 A2 /O 工藝不同，UCT 工藝是在不改變傳統 A2 /O 工藝各功能區空間位置的情況下，污泥先回流至缺氧區，使其經歷反硝化脫氮后，再通過缺氧區的混合液回流至厭氧區，避免了回流污泥中硝酸鹽、DO 對厭氧釋磷的干擾。
在進水 C/N 適中的情況 下，缺氧區的反硝化作用可使回流至厭氧區的混合液中硝酸鹽的含量接近于 0;而當進水 C/N 較低時， UCT 工藝中的缺氧區可能無法實現氮的*脫除， 仍有部分硝酸鹽進入厭氧區，因此又產生了改良 UCT 工藝(MUCT)。
與 UCT 工藝相比，MUCT 將傳統 A2 /O 工藝中 的缺氧區分隔為 2 個獨立區域，前缺氧區接受來自 二沉池的回流污泥，后缺氧區接受好氧區的硝化液， 從而使外回流污泥的反硝化與內回流硝化液的反硝 化*分離，進一步減少了硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。
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無論 UCT 還是 MUCT，回流系統的改變強化了 厭氧、缺氧的交替環境，使其與 JHB 一樣，缺氧區容易富集反硝化 PAOs，實現同步脫氮除磷。
03 兼顧 SRT 矛盾及“碳源競爭”工藝
1、雙污泥脫氮除磷工藝
雙污泥脫氮除磷工藝(PASF)工藝也可謂是傳統 A2/O 與曝氣生物濾池(BAF)的組合工藝， 是以分相培養為基礎的雙泥系統，能更好地滿足各功能微生物對環境、營養物質及生存空間的需 求。
在工藝設計及運行過程中，通過縮短前端 A2 /O 工藝好氧區的 HRT，將硝化過程從中分離而順序“嫁接”于二沉池后端的 BAF。
對于 PAOs 的厭氧釋磷而言，因前端的污泥單元不承擔硝化功能，在理想條件下外回流污泥中不含有硝酸鹽，為 PAOs 釋磷創造了良好的“壓抑”環境，使其優先利用原水中的 VFAs 類物質合成 PHAs 并釋放磷;
再者，也因長 SRT 硝化菌以生物膜形式固著生長在填料表面而短SRT 的 PAOs 和反硝化菌呈懸浮態生長在前端的污泥單元，實現了硝化菌與反硝化菌、PAOs 等功 能微生物的 SRT 分離，緩解了 SRT 矛盾。
決定缺氧區反硝化效果的因素主要有2個：進入缺氧區的碳源(VFAs 和 PHAs)含量及來自 BAF 的內回流硝化液中的硝酸鹽含量。
當進水 C/N 較高時，硝酸鹽成為反硝化的限制因子，隨著內回流比的增大缺氧區異養反硝化效果也相應提高，但升高幅度卻呈遞減趨勢;
而當進水 C/N 較低時，因碳源成為反硝化的限制因子，根據異養反硝化菌和反 硝化 PAOs 對電子受體的競爭機制，適當提高內回 流硝酸鹽負荷的方式刺激反硝化聚磷菌(DPAOs) 的優勢生長，使其以硝酸鹽為電子受體，并以 PHAs 為電子供體進行同步反硝化脫氮除磷，實現“一碳 兩用”，同時可節省系統的能耗，減少污泥產量。
2、雙循環兩相生物處理工藝
雙循環兩相生物處理工藝(BICT)是在序批式活性污泥法的基礎上，增設獨立的生物膜硝化反應器，使自養硝化菌與反硝化菌、PAOs 等異養菌分相培養，以克服脫氮與除磷間的 SRT 矛盾及硝酸鹽、 DO 干擾釋磷而開發的污水處理新工藝，其主體單元由厭氧生物選擇器、序批式懸浮污泥主反應器、生物膜硝化反應器組成。
該工藝正常運行時主要完成 4 個操作過程：
1) 進水、曝氣攪拌 + 污泥回流
原水與沉淀池的回流污泥在厭氧生物選擇器內混合接觸，借助高負荷梯 度產生的“選擇壓力”篩選出具有良好絮凝性的細 菌，并使 PAOs 厭氧釋磷。此時，主反應器在曝氣攪 拌的作用下，完成 COD 的去除及 PAOs 的超量攝磷;
2)缺氧攪拌 + 硝化液回流
主反應器接受來自生物膜反應器的硝化液，在機械攪拌作用下，完成反硝化脫氮，同時被擠出的混合液進入沉淀池，經沉淀分離后上清液進入生物膜硝化反應器;
3)再曝氣(可選做)
吹脫污泥中包裹的氮氣以利于泥水分離，也 可強化 PAOs 的好氧攝磷;
4)靜止沉淀、潷水
靜止沉淀的同時排出富磷污泥。 此工藝獨立硝化反應單元的設置消除了 SRT 與 硝化的高度關聯性，SRT 不再是影響系統脫氮效率 的限制因子。
3、BCFS 工藝
BCFS 工藝(Biologische Chemische Fosfaat Stikstof verwijdering) 可實現磷的*去除和氮的脫除。
與 UCT 工藝相比，BCFS 工藝在主流線上增設2個反應區——接觸區和混合區。
介于厭氧區與缺 氧區之間的接觸區相當于第 2 選擇池，可以有效控 制絲狀菌的異常生長，防止污泥膨脹的發生;另外， 也因回流污泥先回流于此進行反硝化脫氮反應，給 PAOs 厭氧釋磷營造了良好的“壓抑”環境。
介于缺氧區與好氧區之間的混合區相當于一個“機動單元”， 可通過曝氣系統的啟閉靈活地控制其前端好氧區和后端缺氧區的氧化還原電位，也可在低 C/N 條件下誘導反硝化 PAOs 成為優勢菌群而發揮同步脫氮除磷，實現“一碳兩用”。