A2O生物接觸氧化法污水處理技術研究進展

陶美彤 王艷青 張蕾

摘要 介紹了A2O污水處理工藝的應用現(xiàn)狀，從脫氮除磷過程中存在的主要問題及矛盾出發(fā)，分析了改進型工藝類型及其特征，并闡述了現(xiàn)階段A2O工藝的研究進展及發(fā)展前景。

關鍵詞 A2O法;脫氮除磷;污水處理;影響因素;改良工藝

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095–3305（2021）01–0150–03

營養(yǎng)物質在地表水中逐漸累積，特別是氮和磷，會導致水質急劇惡化。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快及人口的迅速增長，污染物的成分和結構不斷發(fā)生變化，污水處理難度增加。在眾多脫氮除磷工藝中，生物營養(yǎng)物去除（BNR）由于其經濟優(yōu)勢而被廣泛使用[1]。其中，厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷工藝（簡稱A2O工藝）具備最常見且十分完善的BNR流程，因其同步脫氮除磷能力、工藝整體運行能耗低、對水質適應性強、管理操作方便等特點，在污水處理廠提標改造中占有相當大的比重[2]。主要分析了A2O技術及改進工藝類型和主要特征，并對其前景進行了展望。

1 A2O處理工藝介紹

20世紀60年代，Ettinger和Luclzack首次提出前置反硝化工藝，70年代，Barnard在其基礎上進行改進，研究出A2O工藝（圖1）。隨著不斷的完善和改進，生物脫氮除磷技術得到了快速發(fā)展[3]。

污水首先進入厭氧反應器，同時進入的還有二沉池回流的活性污泥。在厭氧區(qū)，聚磷菌（PAO）充分吸收揮發(fā)性脂肪酸（VFA），并以生物聚合物（PHA）的形式存在于細胞內，這一過程的能量來自細胞內聚磷酸鹽（Poly-P）的水解。Poly-P水解釋放磷酸鹽（PO43-），且大分子有機物被水解酸化為小分子有機物（圖2左圖）。

污水通過厭氧反應器處理后流經缺氧反應器，同時還有好氧反應器回流的混合液。缺氧反應器中的混合液含有大量硝酸鹽氮（NO3--N），在反硝化菌的作用下，生成N2，實現(xiàn)了污水中N的去除。主要反應過程如下：

缺氧反應器處理后進入好氧反應器（曝氣）。好氧反應器中PAO儲存的PHA在曝氣過程中被O2氧化成CO2，同時生成的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）被釋放轉化為ATP，ATP產生能量可用于PAO的生長。PAO細胞內以Poly-P形式吸收儲存磷，此時，吸收磷的量大大超過厭氧時的釋放量，實現(xiàn)磷的超量吸收[4-5]（圖2右圖）。處理后的混合液部分回流至缺氧反應器，其余部分進入二沉池，沉淀后的上清液達標排放。

2 A2O工藝的主要問題

研究表明，A2O工藝流程簡潔，不易發(fā)生污泥膨脹，出水水質好。然而，該脫氮除磷系統(tǒng)將不同類型的微生物置于同一體系，囊括了硝化菌、反硝化菌及PAO參與的硝化、反硝化和厭氧釋磷、好氧吸磷等各種繁雜過程。這些過程的條件、機理和目的均存在較大差異，在有機負荷、泥齡及碳源需求上均存在矛盾和競爭。系統(tǒng)本身多種因素自相矛盾、相互制衡的固有缺陷成為脫氮除磷效果不穩(wěn)定和難以進一步提升的主要根源。

2.1 NO3--N問題

常規(guī)A2O工藝的回流污泥會存在大量NO3--N。一方面，NO3--N會被厭氧型產酸菌作為電子受體氧化有機機質，影響VFA的產量;另一方面，在厭氧環(huán)境條件下，反硝化菌利用該NO3--N反硝化時消耗大量有機質，競爭性抑制PAO釋磷效果。這兩種情況均會導致系統(tǒng)除磷效果降低。

2.2 碳源競爭問題

一般來說，A2O工藝中反硝化菌脫氮與PAO釋磷過程受到污水中碳源含量（特別是易于微生物快速降解的碳源）的制約，采取外加碳源、分段進水或開發(fā)其它經濟有效的方式來處理好反硝化菌與PAO間存在的碳源競爭問題，使系統(tǒng)的脫氮除磷效果達到最佳是一個非常重要且艱巨的方向。

2.3 硝化與反硝化問題

水力停留時間（HRT）、工藝布置形式、運行參數、攪拌強度以及曝氣量對系統(tǒng)反硝化與硝化能力產生影響，設計、調試各影響參數，發(fā)揮硝化與反硝化的最大潛能，是脫氮除磷工藝的一個關鍵問題。

2.4 SRT問題

硝化菌的突出特點是繁殖慢，世代時間較長，泥齡較長，而反硝化菌和PAO均為短SRT菌種，且生物除磷只能通過排除剩余污泥實現(xiàn)，高效除磷效果必須維持污泥高量排放（短SRT）。顯然，硝化菌和PAO在SRT問題上存在著矛盾，因此應將整個設計體系的SRT設計在較窄的范圍，盡可能使三類菌種發(fā)揮最佳效果。

3 改良工藝

3.1 NO3--N問題改良工藝

3.1.1 UCT（University of Cape Town）

UCT是南非開普敦大學提出的一種改進A2O工藝[6]。與常規(guī)A2O工藝相比，污泥回流至缺氧池，不僅好氧池出水的NO3--N減少，且缺氧池到厭氧池的混合液回流增加，該混合液BOD濃度高，NO3--N較少，更有利于厭氧發(fā)酵。但存在缺氧區(qū)易短流和厭氧區(qū)易受到氧化還原電位（Eh）影響的缺陷，比較適用于BOD5/TKN或BOD5/TP較低的情況。

3.1.2 JHB（Johannesburg） JHB首次

由南非約翰內斯堡大學創(chuàng)立，是傳統(tǒng)工藝的一種變型[7]。在常規(guī)A2O工藝前設置調節(jié)池，回流污泥和10%進水注入該池，微生物利用進水中的VFA反硝化，去除污泥中的NO3--N，消除了NO3--N對厭氧釋磷的不利影響，且相對UCT節(jié)省一個回流，處理效果較好，簡單易行，在工程設計和建設中應用較多。

3.1.3 MUCT（Meliorate Uniersity of Cape Town） MUCT是一種簡化的UCT工藝，將常規(guī)A2O工藝中缺氧區(qū)1改2，形成2個內回流體系，污泥和混合液分別回流至1、2缺氧池前端，回流污泥攜帶的NO3--N得到完全或接近完全還原[8]。只要控制好混合液回流量，就可以保證最優(yōu)的厭氧環(huán)境，避免了NO3--N對釋磷的不利影響，一定程度上彌補了UCT工藝的缺陷。然而，該工藝存在缺氧區(qū)碳源不足的困擾，水質對其影響較大。相關研究人員對其進行進一步改進，將厭氧區(qū)1改2，缺氧區(qū)1改多，必要時根據進水C/N值將缺氧單元轉換為好氧單元，采用多點進水，調節(jié)厭氧池和缺氧單元的進水比例，為除磷脫氮提供最優(yōu)碳源。改進前后的MUCT處理效果較好，但運行管理條件復雜。

3.1.4 VIP（Virginia Initiative Plant） VIP由美國教授Randall首次提出，工藝流程與UCT工藝類似[9]。一般情況下，該工藝將常規(guī)A2O工藝中厭氧、缺氧和好氧區(qū)分別1改3，形成有機物濃度梯度，反硝化在缺氧區(qū)的前幾個單元基本完全，設置部分混合液從缺氧區(qū)末端回流至厭氧區(qū)前端，保證了厭氧環(huán)境，污泥回流至缺氧區(qū)前端，該工藝設備體積小，SRT比UCT短，負荷強度高，除磷效率好。

3.1.5 BCFS（Biologisch Chemische Fosfaat Stikst of Verwijdering） BCFS是由荷蘭DELFT科技大學的Mark教授在帕斯韋爾氧化溝（Pasveersloot）與UCT工藝及原理的基礎上開發(fā)的生物除磷脫氮新工藝[10]。BCFS工藝在主流線上，相對UCT工藝增加兩個反應池，第1個為介于厭氧區(qū)和缺氧區(qū)中間的接觸池（不曝氣），回流污泥和來自厭氧池的混合液充分接觸，除磷效果增強;第2個為缺氧區(qū)和好氧區(qū)的混合池（可調節(jié)為缺氧或好氧），保證低氧環(huán)境下硝化和反硝化反應同時進行，還能控制污泥再生程度，有效去除NO3--N。

3.2 碳源競爭問題改良工藝

3.2.1 倒置A2O 該工藝缺氧區(qū)在前，厭氧區(qū)在后，優(yōu)先為反硝化提供碳源，強化了脫氮能力，回流污泥歷經完整的厭氧“釋磷”到好氧“吸磷”的過程，排放的污泥含磷量大，具有“群體”效應和“饑餓”效應的雙重優(yōu)勢。然而，外回流增加了二沉池的固體負荷，對出水和二沉池底流濃度有一定影響。一般在工程中應用時，為兼顧脫氮除磷所需的碳源，會采用多點進水方式，但對于C/N過低、碳源嚴重不足的污水，仍需要添加輔助碳源來緩解壓力。

3.2.2 多模式倒置A2O 在分點進水倒置A2O工藝中增加缺氧混合液回流，根據進水情況不同，對進水、污泥回流、混合液回流進行多點、分點設置，實現(xiàn)一區(qū)多工藝特點，切換不同運行模式，以便達到較好出水的目的[11]。

3.2.3 雙泥反硝化除磷脫氮（DEPHANOX）

DEPHANOX是最早于20世紀90年代被提出的一種借助反硝化除磷雙污泥回流系統(tǒng)[12]。該工藝是在厭氧池與缺氧池間增加一個沉淀池和生物膜反應器，以滿足同步反硝化除磷菌（DPB）所需環(huán)境和物質基礎。厭氧池排出的有機底物被污泥生物降解，流經中間沉淀池時，污泥和富含氨氮的混合液靜置分離，形成上清液后進入生物膜反應器硝化，而含有NO3--N的污泥越過生物膜反應器進入缺氧池進行反硝化脫氮除磷。該工藝可以有效解決PAO和反硝化菌對碳源的競爭，即使進水有機物較低，也具有較高的除磷能力。

3.3 硝化與反硝化問題改良工藝

A2N（Anaerobic Anoxic Nitrification）

是根據PAO在缺氧條件下吸磷的理論開發(fā)的新工藝[13]。該工藝是在傳統(tǒng)A2O工藝的厭氧池以及曝氣池中間加一組沉淀池和好氧生物膜反應器，且撤消內回流。A2N工藝中的硝化菌和DPB完全隔離，非常適合C/N較低的情況。但也存在進水C/N低、脫氮除磷效率不高、能耗大等問題。

針對A2N存在的問題，A2N-SBR工藝是在厭氧區(qū)后加入中間沉淀池及SBR反應器（無混合液回流），即將A2N中增加反應器替換為SBR，用硝化反應，從第1個沉淀池超越進入缺氧池的污泥和混合液在后置反硝化區(qū)，利用DPB用來同步脫氮除磷是該工藝的核心，解決了硝化和反硝化細菌混合培養(yǎng)的矛盾[14]。該工藝很適合低C/N污水處理，但為保證本工藝流程高效穩(wěn)定運行，必須控制好COD/TP、NO3--N、MLSS和SRT等參數。

A2N和A2N-SBR工藝核心相同，具有連續(xù)流工藝、工藝流程簡化、泥齡（STR）短的優(yōu)勢。該工藝同時也能解決碳源競爭的問題，在工程中的應用較為廣泛。

3.4 SRT問題改良工藝

PASF（Remove Phosphorus and Nitrogen Combined Actived Sludge and Biofilm Technology）是將活性污泥（用于除磷及反硝化）和生物濾池（用于硝化）結合的雙泥系統(tǒng)[15]。相對常規(guī)A2O工藝而言，PASF減少了原好氧池體積，采用生物膜實現(xiàn)不同菌群的空間分隔，縮短SRT，提高污泥負荷，保證了除磷的效率;進入二級好氧池的污水有機物含量低，硝化反應加快。

4 總結與展望

不論是常規(guī)A2O工藝，還是改良A2O

工藝，在試驗和工程中大體分為三大類：（1）采取流程及管理優(yōu)化以解決以上矛盾;（2）探究污水處理，特別是微生物培養(yǎng)，避免不同微生物間相互干擾，解決脫氮除磷的矛盾;（3）開發(fā)雙泥處理系統(tǒng)，節(jié)能運行更佳。

近些年來，除了以上工藝，還相繼出現(xiàn)了基于提高脫氮除磷效率的新型理論，如同步反硝化除磷、短程生物脫氮、厭氧氨氧化（ANAMMOX）、同步硝化與反硝化等，不僅已經在改良A2O工藝中得以體現(xiàn)，且對應相關理論已經衍生出了新的處理工藝，如BICT（Bi-Cyclic Two-Phase Biological Process）、SHARON（Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite）、OLAND（Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification）、ANAMMOX、CANNON（Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite）

以及SND（Simultaneous Nitrification and

Denitrification）等工藝[16]。這些工藝圍繞高效節(jié)能、穩(wěn)定降耗的原則，符合當前我國污水處理廠可持續(xù)發(fā)展的要求。

因此，為了更好地貫徹可持續(xù)污水生物處理的理念，未來在污水處理工藝的提標改造和節(jié)能運行的研究過程中，要充分利用好傳統(tǒng)工藝設備，繼續(xù)完善微生物脫氮除磷機理的研究，通過合理選擇技術，確定微生物最優(yōu)生存條件和最佳工況參數，且對處理效率和工藝參數進行量化模擬，科學設計、管理系統(tǒng)和反應器的關系，以提高污水處理效率，達到節(jié)能運行的目的。

參考文獻

[1] 孫輝，袁皖華.改良型A2O工藝在污水處理廠中的應用[J].科技風，2020（8）：154.

[2] 陳陽.污水處理廠改良A2O工藝分析與工程設計[J].四川建材，2020，46（2）：180-181.

[3] 王瓊，龐雪玲，史彥偉，等.改良A2O工藝處理生活污水的脫氮除磷效果[J].中國給水排水，2018（23）：100-104.

[4] 包少可，羅丹，李正陽.A2O脫氮除磷工藝及其變型工藝比較分析[J].環(huán)境保護與循環(huán)經濟，2011（6）：62-65.

[5] 邵友元，姚創(chuàng)，汪義勇，等.生物廢水處理中除磷機理及工藝分析[J].化學與生物工程，2007（10）：5-8.

[6] 呂炳南，陳志強.污水生物處理新技術[M].哈爾濱：工業(yè)大學出版社，2005.

[7] LI HB，ZHOU BH，TIAN ZY， etal. Efficient biological nitrogen removal by Johannesburg-Sulfur autotrophic denitrification from low COD/TN ratio municipal wastewater at low temperature[J].Environmental Earth Sciences，2015（9）：5027-5035.

[8] 王德欣.改良型UCT工藝在合成廢水中脫氮除磷的效能研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學，2013.

[9] 李雷.城市污水A2/O工藝脫氮除磷試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[10] 常飛.BCFS工藝處理城市污水中試試驗研究[D].南京：河海大學，2005.

[11] 侯亞輝.A2O、倒置A2O和前置缺氧A2O工藝處理城市污水比較研究[D].鄭州：鄭州大學，2010.

[12] ZAFIRIADIS L，NTOUGIAS S，MIELIS P，etal.Molecular characterization of denitrifying bacteria isolated from the anoxic reactor of a modified DEPHANOX plant performing enhanced biological phosphosphorus removal[J].Water Environment Research，2012（6）：475-484.

[13] 劉瑩，彭永臻，王淑瑩.A2N工藝的固有弊端分析及其對策研究[J].工業(yè)用水與廢水，2010（6）：1-5.

[14] 王亞宜，彭永臻，殷芳芳，等.雙污泥SBR工藝反硝化除磷脫氮特性及影響因素[J].環(huán)境科學，2008（6）：1526-1532.

[15] 鄒偉國，張善發(fā)，張辰，等.新型雙污泥脫氮除磷工藝處理生活污水[J].中國給水排水，2004（6）：16-18.

[16] 張渝.A2O及其變型工藝脫氮除磷試驗研究[D].西安：長安大學，2014.

責任編輯：黃艷飛

Research Progress of A2O

Biological Contact Oxida-

tion Wastewater Treatm-ent Technology

TAO Mei-tong et al （Liaoning North Environmental Protection Company， Shenyang， Liaoning 110031）

Abstract This paper introduces the application status of A2O wastewater treatment process. From the perspective of the main problems and contradictions in the process of nitrogen and phosphorus removal， the types and characteristics of the improved process are analyzed， and the research progress and development prospects of the current A2O process are described. .

Key words A2O method; Nitrogen And Phosphorus Removal; Sewage Treatment; Influencing Factors; Improved Technology