污水處理技術之A2O工藝脫氮與除磷矛盾
A2O法又稱AAO法，是英文Anaerobic-Anoxic-Oxic第一個字母的簡稱(厭氧-缺氧-好氧法)，是一種常用的污水處理工藝，可用于二級污水處理或三級污水處理，以及中水回用，具有良好的脫氮除磷效果。在傳統(tǒng)A2O工藝的單泥系統(tǒng)中高效地完成脫氮和除磷兩個過程，就會發(fā)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。
一、傳統(tǒng)A2O工藝存在的矛盾
1、污泥齡矛盾
傳統(tǒng)A2/O工藝屬于單泥系統(tǒng)，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(tǒng)中，而各類微生物實現(xiàn)其功能最大化所需的泥齡不同：
1)自養(yǎng)硝化菌與普通異養(yǎng)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(yōu)勢菌群，需控制系統(tǒng)在長泥齡狀態(tài)下運行。冬季系統(tǒng)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(tǒng)的硝化效果將顯得極其微弱。
2)PAOs 屬短世代周期微生物，甚至其最大世代周期(Gmax)都小于硝化菌的最小世代周期(Gmin)。
從生物除磷角度分析富磷污泥的排放是實現(xiàn)系統(tǒng)磷減量化的唯一渠道。
若排泥不及時，一方面會因PAOs的內源呼吸使胞內糖原消耗殆盡，進而影響厭氧區(qū)乙酸鹽的吸收及聚-β-羥基烷酸(PHAs)的貯存，系統(tǒng)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(tǒng)內 PAOs 和聚糖菌(GAOs) 的優(yōu)勢生長。
在30℃的長泥齡(SRT≈ 10d)厭氧環(huán)境中，GAOs 對乙酸鹽的吸收速率高于PAOs，使其在系統(tǒng)中占主導地位，影響 PAOs釋磷行為的充分發(fā)揮。
2、碳源競爭及硝酸鹽和DO殘余干擾
在傳統(tǒng)A2/O脫氮除磷系統(tǒng)中，碳源主要消耗于釋磷、反硝化和異養(yǎng)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(qū) PAOs 吸收進水中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)及醇類等易降解發(fā)酵產(chǎn)物完成其細胞內 PHAs 的合成，使得后續(xù)缺氧區(qū)沒有足夠的優(yōu)質碳源而抑制反硝化潛力的充分發(fā)揮，降低了系統(tǒng)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)。
因反硝化不徹底而殘余的硝酸鹽隨外回流污泥進入?yún)捬鯀^(qū)，反硝化菌將優(yōu)先于 PAOs 利用 環(huán)境中的有機物進行反硝化脫氮，干擾厭氧釋磷的正常進行，最終影響系統(tǒng)對磷的高效去除。
一般，當厭氧區(qū)的 NO3-N 的質量濃度>1.0 mg/L 時，會對 PAOs 釋磷產(chǎn)生抑制，當其達到 3～4 mg/L 時，PAOs 的釋磷行為幾乎完全被抑制，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(tài)氧(O2)和硝酸鹽(NO3-N)作為電子受體的氧化產(chǎn)能數(shù)據(jù)分析，以O2作為電子受體的產(chǎn)能約為 NO3-N的 1.5倍，因此當系統(tǒng)中同時存在O2和NO3-N時，反硝化菌及普通異養(yǎng)菌將優(yōu)先以O2為電子受體進行產(chǎn)能代謝。
2)氧的存在破壞了PAOs釋磷所需的“厭氧壓抑”環(huán)境，致使厭氧菌以O2為終電子受體而抑制其發(fā)酵產(chǎn)酸作用，妨礙磷的正常釋放，同時也將導致好氧異養(yǎng)菌與PAOs進行碳源競爭。
一般厭氧區(qū)的DO的質量濃度應嚴格控制在0.2mg/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。
二、傳統(tǒng)A2O工藝改進策略
1、基于 SRT 矛盾的復合式
A2O工藝在傳統(tǒng)A2O工藝的好氧區(qū)投加浮動載體填料，使載體表面附著生長自養(yǎng)硝化菌，而 PAOs 和反硝化菌則處于懸浮生長狀態(tài)，這樣附著態(tài)的自養(yǎng)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(tài)污泥 含量降低對系統(tǒng)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(tǒng)排泥量，縮短懸浮污泥 SRT 以提高系統(tǒng)除磷效率;相反，SRT 的 縮短可能降低懸浮態(tài)污泥(MLSS)含量，從而影響系統(tǒng)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A2O工藝的硝化效果與傳統(tǒng)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完全獨立地發(fā)揮其硝化性能;若再降低懸浮污泥SRT則因系統(tǒng)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。
2、基于“碳源競爭”角度的工藝
解決傳統(tǒng) A2O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 A2O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(qū)末端增設適當容積的“非曝氣區(qū)”。
(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(qū)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：
a、甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等有機化合物;
b、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(yè)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(tǒng)經(jīng)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(tǒng)的穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗至關重要。一般在厭氧區(qū)投加外碳源不僅能改善系統(tǒng)除磷效果，而且可增強系統(tǒng)的反硝化潛能;但是若反硝化碳源嚴重不足致使系統(tǒng)TN脫除欠佳時， 應優(yōu)先考慮向缺氧區(qū)投加。
(2)倒置A2O工藝及其改良工藝
傳統(tǒng)A2O工藝以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提，優(yōu)先考慮釋磷對碳源的需求，而將厭氧區(qū)置于工藝前端，缺氧區(qū)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A2O工藝還具有 2 個優(yōu)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(huán)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(jīng)歷完整的釋磷、攝磷過程。然而有研究者認為，倒置A2O工藝的布置形式。
(3)JHB、UCT及改良UCT工藝
與分點進水倒置 A2O工藝相比，JHB(亦稱A+A2O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(fā)生在污泥反硝化區(qū)和缺氧區(qū)，且兩者的脫除量相當，污泥反硝化區(qū)的設置改變了氮素在各功能區(qū)的分配比例，使厭氧區(qū)能夠更好地專注于釋磷。
JHB工藝流程
與倒置 A2O工藝相同，對于低 C/N 進水而言， JHB工藝污泥反硝化區(qū)的設置可能會引起后續(xù)各功能區(qū)的碳源不足，為此也有必要采用分點進水方式。
與倒置 A2O工藝不同，UCT 工藝是在不改變傳統(tǒng)A2O工藝各功能區(qū)空間位置的情況下，污泥先回流至缺氧區(qū)，使其經(jīng)歷反硝化脫氮后，再通過缺氧區(qū)的混合液回流至厭氧區(qū)，避免了回流污泥中硝酸鹽、DO對厭氧釋磷的干擾。
UCT工藝流程
在進水C/N適中的情況下，缺氧區(qū)的反硝化作用可使回流至厭氧區(qū)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(qū)可能無法實現(xiàn)氮的完全脫除， 仍有部分硝酸鹽進入?yún)捬鯀^(qū)，因此又產(chǎn)生了改良 UCT 工藝(MUCT)。
與 UCT工藝相比，MUCT將傳統(tǒng)A2O工藝中的缺氧區(qū)分隔為 2 個獨立區(qū)域，前缺氧區(qū)接受來自二沉池的回流污泥，后缺氧區(qū)接受好氧區(qū)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完全分離，進一步減少了硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。
以MUCT工藝為主體工藝的流程圖
無論UCT還是MUCT，回流系統(tǒng)的改變強化了厭氧、缺氧的交替環(huán)境，使其與 JHB一樣，缺氧區(qū)容易富集反硝化PAOs，實現(xiàn)同步脫氮除磷。
3、兼顧SRT矛盾及“碳源競爭”工藝
AAO+BAF
與傳統(tǒng)活性污泥法相比,該工藝利用生物膜的形式將硝化細菌從活性污泥中獨立出來,在BAF池中完成硝化,在A2O中完成反硝化與除磷.較之傳統(tǒng)單污泥系統(tǒng),雙污泥反硝化除磷系統(tǒng)能降低30%的曝氣量、50%的剩余污泥產(chǎn)量及碳源需求,是很有實用潛力的一種新型工藝。
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