淺談高原和平原地區(qū)下A2/O工藝適宜工況的比較*

尤俊豪 宗永臣 郝凱越 唐世龍

（西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000）

城市污水處理系統(tǒng)主要為A2/O、SBBR、氧化溝及CASS 等工藝[1]。其中A2/O 是在結(jié)構(gòu)上最簡單的同步脫氮除磷工藝，具有管理方便、較好的氮、磷及COD去除效果等優(yōu)點(diǎn)，且在我國污水處理工藝中普遍使用，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)在我國30 個省市最大規(guī)模污水處理廠中有超過50%的采用A2/O 工藝[2]，也是高原地區(qū)主要的污水處理工藝之一[3]。A2/O 工藝的控制參數(shù)不同，對脫氮除磷的效果有不同影響。而高原與平原地區(qū)在DO、溫度、紫外線等方面的不同，對A2/O 工藝脫氮除磷的效果也有所不同。故本文通過大量學(xué)者的研究文獻(xiàn)，分析了不同運(yùn)行工況在高原和平原地區(qū)適宜的參數(shù)，以望為后續(xù)的研究提供參考和借鑒。

1 A2/O工藝脫氮除磷效果影響因素

A2/O 工藝可以通過不同的反應(yīng)條件和工況實(shí)現(xiàn)污水中COD和氮磷的同步去除[4]。脫氮除磷涉及硝化反硝化、吸磷釋磷等多個生化反應(yīng)，每個反應(yīng)對環(huán)境條件、運(yùn)行工況的要求各不相同。影響A2/O工藝脫氮除磷的因素有碳源、溶解氧(DO)、溫度、水力停留時(shí)間(HRT)、污泥停留時(shí)間(SRT)及酸堿度(PH)等[5]。

生物脫氮主要是氨化反應(yīng)、硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，硝化和反硝化會受到DO、溫度等影響，此外HRT也影響脫氮效果[6]。在生物除磷方面，溶解氧決定聚磷菌的釋磷、吸磷，溫度影響聚磷菌的生長[7]。另外，脫氮除磷的效果也與微生物群落結(jié)構(gòu)、多樣性及豐密度有關(guān)[8]。本文針對碳源、DO、溫度、HRT 共4 個工況開展高原與平原地區(qū)下A2/O 工藝脫氮除磷效果的比較分析研究。

1.1 碳源對脫氮除磷的影響

碳作為微生物生長需求最大量的營養(yǎng)元素，在脫氮除磷系統(tǒng)中，碳源主要消耗在反硝化、釋磷和異養(yǎng)菌正常代謝等方面[9]。在A2/O 工藝中，碳源會影響脫氮除磷的效果，例如反硝化菌與聚磷菌爭奪碳源，反硝化菌利用碳源作為電子供體，達(dá)到脫氮效果，聚磷菌利用碳源滿足自身生長需求與好氧條件下吸磷。

目前，我國西北、華北、東北地區(qū)碳氮比適宜[10]，可滿足脫氮除磷的要求，但部分南方城鎮(zhèn)污水處理廠卻存在進(jìn)水碳源不足的問題，針對此問題大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，可添加甲醇、乙醇、乙酸鈉、葡萄糖等碳源來提高脫氮除磷的效率[11]。安麗娜等[12]以乙酸鈉作為外加碳源處理低碳氮比生活污水，結(jié)果表明TN、NH3-N的去除率最高分別達(dá)到71.27%、89.31%.李文龍等[13]分別探究乙酸鈉、乙醇作為碳源時(shí)，反硝化脫氮的效果，結(jié)果表明，添加兩種碳源類型對污水中TN、NO3-N的去除率均能達(dá)到90%以上。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)這些傳統(tǒng)碳源各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體分析為：甲醇成本低、易于分解，缺點(diǎn)自身有毒、安全性差；乙酸、乙醇無毒、易分解，缺點(diǎn)運(yùn)輸不便、投加量難以控制；乙酸鈉反硝化速率高、污泥馴化期短、運(yùn)輸方便，缺點(diǎn)成本高、投加量大；糖類成本低，運(yùn)輸方便、易分解，缺點(diǎn)反硝化速率低。

除上述傳統(tǒng)型外加碳源外，還包括新型外加碳源。新型外加碳源包括纖維素類、垃圾滲濾液、可生物降解的和經(jīng)過特殊處理的有機(jī)物、剩余污泥等碳源。梅翔等[14]以紅薯浸泡液為外加碳源，研究結(jié)果表明：污水中的TN、NH3-N 去除率分別達(dá)到88.6%、54.8%.袁敏等[15]以垃圾滲濾液作為外加碳源，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)耐都恿靠梢蕴岣卟⒈３址€(wěn)定的除磷效率。經(jīng)過上述學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，新型碳源具有廢物資源利用率高、良好的可生化性、反硝化率高、降低脫氮成本等優(yōu)點(diǎn)，但濃度和溫度會對脫氮除磷造成影響。因此，新型外加碳源是目前研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

同樣，在我國西藏高原地區(qū)也出現(xiàn)因碳源不足而影響脫氮除磷效率的問題。針對此問題部分學(xué)者使用耗牛糞、青稞面粉等作為外加碳源在一定程度上解決了脫氮除磷效率低的問題。因?yàn)楹呐＜S不僅含有一般生物炭中纖維素的成分，而且還含有機(jī)酸、蛋白質(zhì)等物質(zhì)[16]，同時(shí)面粉的主要成分是淀粉，它們均可以給細(xì)菌和菌膠團(tuán)的合成、代謝等反應(yīng)提供所需的物質(zhì)和能量[17]，最終提高脫氮除磷的效率。

郭泓利等[18]在分析全國典型城市污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)我國大多數(shù)污水處理廠反硝化碳源不足，需要外加碳源。但目前大多數(shù)污水處理廠都依然使用傳統(tǒng)外加碳源，就平原地區(qū)而言，對于短期低碳氮比污水可以選擇乙酸鈉，對于長期低碳氮比污水可以選擇復(fù)合型碳源，綜合經(jīng)濟(jì)角度考慮，適合使用糖類作為外加碳源。相比簡單的傳統(tǒng)外加碳源，新型碳源可以根據(jù)微生物需求提供碳源，又能作為微生物的附著載體，進(jìn)而提高微生物的密度及活性。雖然新型碳源目前尚處在研究與推廣階段，但將是未來外加碳源的發(fā)展趨勢。對于高原地區(qū)而言，耗牛糞在高原分布廣、易獲取，幾乎零成本，雖然耗牛糞存在大量纖維素，使用起來有一定的難度，但通過發(fā)酵后可使粗纖維含量減少，且含有較多的營養(yǎng)物質(zhì)[19]；而青稞面粉需要大量稀釋溶解才能利用，且反硝化時(shí)間長，相對于耗牛糞價(jià)格貴，但青稞生長在海拔4200m～4500m，不利于高原其他地區(qū)獲?。凰跃C合考慮，高原地區(qū)目前適宜使用耗牛糞作為外加碳源。

1.2 DO對脫氮除磷的影響

DO 作為脫氮除磷的主要影響因素之一，過高過低都會影響硝化和反硝化。YOO 等[20]研究表明，溶解氧濃度的提高會增加硝化反應(yīng)，反之溶解氧的下降會增加反硝化反應(yīng)。LI等[21]對A2/O 工藝進(jìn)行研究表明，過低的DO 會使TN、TP 去除率的下降。因此適宜的DO是脫氮除磷的必要條件。

為了更好把控DO，劉義忠等[22]對A2/O 工藝研究表明隨DO 的增加，TN 的去除率先增后減，在考慮有機(jī)物去除和節(jié)能的因素下，好氧池DO 的最優(yōu)值為3mg/L，此時(shí)TN、NH3-N 去除率分別是73.6%、97.5%.楊岸明等[23]通過在某城市污水處理廠采用DO 精確控制技術(shù)調(diào)控好氧池曝氣量，結(jié)果表明好氧池DO 穩(wěn)定控制在(2±0.2)mg/L，有利于系統(tǒng)出水水質(zhì)能夠達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)。蘭鑫[24]在以華北地區(qū)某城鎮(zhèn)污水處理廠為研究對象，表明A2/O工藝運(yùn)行優(yōu)化研究結(jié)果顯示厭氧區(qū)控制在0.2mg/L 以下、缺氧池在0.55mg/L 左右、好氧區(qū)DO 在2.5mg/L 左右，TN、NH3-N、TP 的去除率為82.07%、87.39%、90.41%.A.Jobbagy 等[25]研究認(rèn)為在碳源缺少時(shí)，反硝化速率受缺氧區(qū)DO 的存在而變低。史彥偉等[26]以北京市某污水處理廠做的中試研究結(jié)果表明缺氧段DO 應(yīng)控制在0.5mg/L 以下,此時(shí)TN、NH3-N的去除率為64.9%、98.4%.

郝凱越等[5]在高原環(huán)境下對不同工況下A2/O工藝處理效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明好氧池DO 最佳工況為4.5 mg/L，此時(shí)COD 和TN 達(dá)到一級A 標(biāo)準(zhǔn)，TP 達(dá)到三級標(biāo)準(zhǔn)。陳希林等[27]同在高原環(huán)境下研究表明缺氧池DO 在0.2mg/L 以下，好氧區(qū)末端DO 應(yīng)控制在2.8mg/L左右，此時(shí)COD、NH3-N、TN、TP去除率分別為92.4%、83.8%、72.7%、87.1%.謝占川等[28]研究表明在高原缺氧的條件下厭氧、缺氧、好氧三個區(qū)的DO應(yīng)分別控制為小于0.2mg/L、小于0.5mg/L、2mg/L左右。

合理的DO 不僅利于提高處理效果，也利于合理的使用曝氣量，從而減少運(yùn)行費(fèi)用。在A2/O 工藝中，厭氧池主要是釋磷作用，聚磷菌在缺氧時(shí)，處于“壓抑狀態(tài)”，將體內(nèi)存儲的聚磷酸鹽分解，此時(shí)需要較低的溶解，在0.2mg/L 以下。缺氧區(qū)主要是反硝化脫氮。由上述可知，無論是平原地區(qū)缺氧池的DO 在0.5mg/L左右，還是高原地區(qū)的0.2mg/L 以下，TN 的去除率都在60%以上，表明缺氧池的DO 已不是理論上的在0.5mg/L 以下，而是在保證脫氮效率的前提下來控制DO。好氧區(qū)則是通過生物硝化作用將NH3-N 轉(zhuǎn)化成硝酸鹽。分析上述研究可知，在高原與平原地區(qū)，好氧池的最佳DO 分別為3mg/L、(2±0.2)mg/L、2.5mg/L左右、4.5mg/L、2.8 mg/L 等，其各有差別，這是因?yàn)楹醚醭谼O 的控制是在保證NH3-N 去除效果的前提下，降低DO，以保證TN 的去除效果。綜上表明A2/O 工藝中DO的調(diào)控是根據(jù)每個反應(yīng)池的去除指標(biāo)不同來調(diào)控，即缺氧區(qū)以TN 的去除為原則調(diào)控，好氧區(qū)的DO多數(shù)是在保證NH3-N 的前提下，盡量降低DO,以保證TN的去除。

1.3 溫度對脫氮除磷的影響

溫度作為影響微生物生長繁殖的重要因素，直接影響脫氮除磷的效果。張雷[29]研究表明：溫度影響硝化菌的生長繁殖，當(dāng)溫度低于10℃，硝化反應(yīng)將被抑制。傅金祥等[30]研究結(jié)果表明：溫度的變化對A2/O 工藝的脫氮除磷效率有很大影響，隨試驗(yàn)溫度的增加，反硝化的速率增加，TN 的去除率也隨之增加。因此合理的溫度范圍將有助于提高脫氮除磷的效果。

趙豐等[31]研究表明最佳脫氮溫度在25℃～30℃之間，此時(shí)TN、COD 去除率分別約為70%、70%～85%.金羽等[32]研究結(jié)果表明水溫在18℃～23℃之間，NH3-N和TN 的出水水質(zhì)可以滿足GB18918—2012 的1 級A排放標(biāo)準(zhǔn)。王榮昌等[33]研究表明：溫度對反硝化污泥系統(tǒng)中的TN、TP的去除率有明顯影響，當(dāng)系統(tǒng)溫度在20℃～30℃之間，TN、TP 的去除率有顯著提高,且TN、TP 的去除率都在90%左右，當(dāng)溫度低于15℃時(shí)脫氮除磷去除率降低。

郝凱越[5]等在基于高原環(huán)境下對A2/O工藝研究表明，最佳溫度為10℃，出水COD、NH3-N 和TP 分別符合一級A 標(biāo)準(zhǔn)、一級B 標(biāo)準(zhǔn)和二級標(biāo)準(zhǔn)。陳希林[27]研究結(jié)果表明高原環(huán)境下A2/O 工藝在10℃～14℃之間可獲得良好的污水處理效果。

綜上分析，平原地區(qū)適宜溫度多數(shù)在20℃～30℃，而高原地區(qū)在10℃～14℃也能達(dá)到良好的出水效果。分析高原地區(qū)在10℃～14℃出水效果好的原因可能是在低溫條件下產(chǎn)生了新的耐冷菌，一定程度彌補(bǔ)了活性污泥代謝不足，也可能因?yàn)榫哿拙鞘壤浼?xì)菌，低溫有利于生物除磷[34]。也可通過進(jìn)一步研究高原地區(qū)在低溫下為何能達(dá)到良好出水效果的原因，并在平原地區(qū)嘗試是否可以借鑒。在實(shí)際污水處理工程中，一般不對溫度進(jìn)行控制，而且人為控制溫度，將會造成長久的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。針對溫度低導(dǎo)致污水處理效果不佳問題，可通過添加具有低溫脫氮的菌屬、采用地下式污水處理廠等方法。上述適宜的溫度分析可對控制參數(shù)為溫度等相關(guān)的研究提供參考范圍和借鑒。

1.4 HRT對脫氮除磷的影響

HRT 作為A2/O 工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行中重要的工況參數(shù)，直接影響脫氮除磷的效果，并且易于調(diào)控。

潘欣語等[35]研究表明HRT 對COD 去除率的影響較小，但對NH3-N、TN、TP 的去除率影響較大。NH3-N和TN去除率隨HRT增加而提高，TP 的去除 率隨HRT增加而呈現(xiàn)先增后減的趨勢，最佳HRT為5h～8h，此時(shí)TP 的去除率在84%～92%.袁鷹等[36]研究得出最佳HRT 為8h,此時(shí)COD、TP、TN、NH3-N 去除率分別為89.0%、93.0%、63.1%、84.5%.王辰辰[37]通過分析表明，16 h 為HRT 最佳運(yùn)行條件，此時(shí)系統(tǒng)對COD、NH3-N、TN 及TP 的平均去除率分別為76.71%、87.92%、82.03%和41.02%.

而在高原地區(qū)有研究表明當(dāng)HRT 為26.5h，出水COD 處理效果達(dá)最佳，并符合一級A 標(biāo)準(zhǔn)[5]。同時(shí)謝東[38]在西藏林芝八一鎮(zhèn)污水處理廠的設(shè)計(jì)與楊開明[39]在西藏日喀則樟木鎮(zhèn)污水處理廠的設(shè)計(jì)和馬宗凱[40]在評論A2/O 工藝在高原地區(qū)的應(yīng)用分別得出高原地區(qū)下A2/O工藝適宜HRT分別為14h、14h、17.6h。

鑒于上述文獻(xiàn)中記載的進(jìn)水水質(zhì)差異性不大，忽略其對工藝的影響?？梢缘贸觯浩皆貐^(qū)A2/O工藝中適宜的HRT 為8h～16h；而高原地區(qū)適宜的HRT 在14小時(shí)以上；造成高原與平原地區(qū)HRT相差的因素在于溶解氧、溫度、容池積等；也可能由于活性污泥的濃度在高原地區(qū)下小于平原地區(qū)的污泥濃度所造成[41]；同時(shí)也得出HRT 對COD 的去除率影響較小，在研究范圍內(nèi)，TN、TP的去除率與HRT呈正相關(guān)。

2 微生物對脫氮除磷的影響

隨著高通量測序技術(shù)和生物信息技術(shù)的發(fā)展，研究者借用現(xiàn)有技術(shù)研究了不同環(huán)境因素和各種工藝工況條件下的微生物的結(jié)構(gòu)、特性以及豐度的動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)了微生物群落結(jié)構(gòu)與污水處理效果具有相關(guān)性[42]。

在微生物群落中不同菌屬有不同的功能并不同程度上影響脫氮除磷的效果。有些菌屬屬于脫氮類型，例如在A2/O工藝的好氧顆粒污泥中硝化單胞菌屬和亞硝化螺菌屬都是優(yōu)勢菌屬，亞硝化螺菌屬是屬于硝化菌并具有脫氮功能，在好氧區(qū)數(shù)量相對多，在缺氧區(qū)數(shù)量少[43]。變形菌門(Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)也是好氧生物系統(tǒng)中普遍存在的兩種異養(yǎng)菌，同時(shí)也是多數(shù)污水處理廠活性污泥中的優(yōu)勢菌種，其中變形菌門(Proteobacteria)的主要功能是通過呼吸、發(fā)酵等新陳代謝有機(jī)物降解和同時(shí)通過硝化反硝化作用進(jìn)行氮去除[44]。同時(shí)假單胞菌屬(Pseudomonas)和厭氧氨氧化菌也都具有高效脫氮功能，其中有研究表明厭氧氨氧化菌對系統(tǒng)脫氮的貢獻(xiàn)率為2.07%～6.59%[45].有些菌種則屬于除磷類型。例如錢曉迪[46]通過菌落分析得出不動桿菌屬(Acinetobbacter)和脫氯單胞菌屬(Dechloromonas)是最主要的除磷功能菌屬。劉航[47]從生物脫磷系統(tǒng)中分離出具有除磷與去除COD功能的希瓦氏菌屬(Shewanella)。

有研究表明微生物群落結(jié)構(gòu)與豐度受海拔的影響[48]。例如劉璐等[45]發(fā)現(xiàn)在青藏高原也存在具有脫氮功能的厭氧氨氧化菌。方德新等[49]在對比高原與非高原的菌屬發(fā)現(xiàn)突柄桿菌屬(Prosthecobacter)是高原組中豐度最高的菌屬，其在高原地區(qū)的污水處理廠分布最廣，并能適應(yīng)高原低溫環(huán)境。還有作為聚磷菌參與反硝化的假單胞菌(Pseudomonas)，依然適應(yīng)高原環(huán)境，并優(yōu)勢菌屬[50]。也有高原特有的優(yōu)勢菌屬，高原污水處理廠樣品中優(yōu)勢細(xì)菌屬包括粘細(xì)(Haliangium)、薔薇屬(Roseiflexus)、史密斯氏菌屬(Smithella)及毛螺菌科(Lachnospiraceae)[51]。

由上述可知，假單胞菌和厭氧氨氧化菌是高原地區(qū)與平原地區(qū)共有的，這反應(yīng)了污水處理系統(tǒng)的微生態(tài)一致性。高原地區(qū)與平原地區(qū)在脫氮除磷功能的優(yōu)勢菌屬不同，高原優(yōu)勢菌屬如薔薇屬、Prosthecobacte等，平原優(yōu)勢菌屬如Proteobacteria、Bacteroidetes等。因?yàn)楦咴貐^(qū)與平原地區(qū)在海拔、溫度、紫外線、溶解氧等方面不同，對其優(yōu)勢菌屬造成了影響。但在高原地區(qū)與平原地區(qū)某些脫氮除磷的微生物細(xì)菌屬的豐度較低，結(jié)構(gòu)不滿足要求。針對此問題平原地區(qū)可以在污水處理系統(tǒng)中添加脫氮除磷菌屬生長劑，增加其豐度。在高原地區(qū)可以通過培養(yǎng)馴化具有脫氮除磷功能的耐冷菌和減輕紫外線照射強(qiáng)度等方式。

3 結(jié)論與展望

在外加碳源方面，高原地區(qū)適宜以耗牛糞作為外加碳源。平原地區(qū)針對短期低碳氮比進(jìn)水可選擇乙酸鈉，長期可選擇復(fù)合型碳源，綜合經(jīng)濟(jì)考慮，適宜選擇糖類作為外加碳源，并且新型外加碳源將是未來外加碳源的使用趨勢。在DO方面，高原與平原地區(qū)在厭氧池中，應(yīng)保持DO 小于0.2mg/L，缺氧池DO 以脫氮為原則控制，好氧池DO是在保證NH3-N處理前提下，盡量降低DO，進(jìn)而達(dá)到TN的去除為原則控制。溫度方面，高原地區(qū)在10℃～14℃之間仍能達(dá)到良好的出水水質(zhì)，平原地區(qū)多數(shù)適宜在20℃～30℃。HRT方面，高原地區(qū)適宜在14h 以上，平原地區(qū)適宜為8h～16h。在微生物方面：高原地區(qū)適宜的菌屬為：薔薇屬、Prosthecobacte 等，平原地區(qū)適宜的菌屬為：Proteobacteria、Bacteroidetes 等。高原地區(qū)可以通過培養(yǎng)具有脫氮除磷的耐冷菌、減輕紫外線照射等方式改變微生物的結(jié)構(gòu)，近而提高脫氮除磷。平原地區(qū)通過添加脫氮除磷菌屬生長劑，增加其豐度，從而提高脫氮除磷的效果。

將影響因素控制在適宜的范圍內(nèi)，可以提高A2/O工藝脫氮除磷的效果。但是目前高原地區(qū)下A2/O 工藝在同步脫氮除磷的效率有待提高和改進(jìn)。應(yīng)采取以下幾點(diǎn)改進(jìn)：（1）例如改良A2/O 工藝，如倒置A2/O、A2/O+氧化溝等工藝。（2）在低溫低氧下篩選和培養(yǎng)具有脫氮除磷功能的耐冷菌，并使其成為優(yōu)勢菌。（3）通過研究A2/O工藝最適宜的污泥齡、混合液和污泥的回流比及PH等影響脫氮除磷的主要因素。