技术解析 | 同步脱氮除磷的矛盾及对策
同步反硝化除磷工艺是以同时脱氮和除磷为目的的工艺，如常用的AAO工艺、氧化沟工艺等，但在实际运行过程中，同步反硝化除磷技术还存在一些问题。
1.泥龄问题
硝化细菌作为硝化过程中的主体生物，通常为自养的专性好氧细菌。该类微生物的突出特点是繁殖缓慢，世代时间长。在冬季，硝化细菌繁殖所需的世代时间可长达30天以上；即使在夏季，在泥龄不足5天的活性污泥中，硝化作用也很弱。聚磷菌大多为短世代微生物。为探讨泥龄对生物除磷技术的影响，等(1985)总结了前人的研究结果如表1所示，并指出降低泥龄将提高系统的除磷效率。
从表1可以看出，聚磷微生物所需的泥龄很短，当泥龄为3.0 d左右时，系统仍能保持良好的除磷效果。另外，生物除磷的唯一途径是去除剩余污泥，为保证系统除磷效果，必须维持较高的污泥排放量，系统泥龄不得不相应降低。显然，硝化细菌和聚磷细菌在泥龄上存在着矛盾，泥龄过高，不利于磷的去除；泥龄过低，硝化细菌无法生存，而过量的污泥也会影响后续的污泥处理。针对这一矛盾，在污水处理工艺系统设计和运行中，一般采取的措施是将系统的泥龄控制在一个较窄的范围内，兼顾脱氮和除磷的需要。 这种和解方式已被实践证明是可行的。
为了充分发挥反硝化和减磷微生物各自的优势，可以采取的其他对策大致有两类。
第一种类型是设置一个中段沉淀池，建设两套污泥回流系统，使不同污泥龄的微生物分布在前、后两段（见图1）。第一段污泥龄很短，主要作用是除磷；第二段污泥龄较长，主要作用是脱氮。这种系统的优点是成功地将两类不同污泥龄的微生物分开。但是，该类工艺也有局限性。首先，两套污泥回流系统，加上中段沉淀池和内循环，使得该类工艺流程较长，相对复杂。其次，该类工艺将原来常规A²/O（见图25）工艺中同时进行的吸磷与硝化过程分开，各自所需的反应时间无法缩短，导致工艺总停留时间较长。第三，该工艺第二段容易出现碳源不足的情况，大大影响脱氮效率。 此外，由于磷的吸收和硝化作用都需要有氧条件，因此该过程所需的曝气量也可能会增加。
第二种方法是在A²/O工艺好氧区适当位置放置填料，由于硝化细菌可以生活在填料表面，不参与污泥回流，可以解决脱氮除磷工艺中的污泥龄矛盾。此方法的优点是既能达到分离不同污泥龄微生物的目的，又能保持常规A²/O工艺的简单性。
但该工艺还必须解决好以下问题：①填料投加后必须优先保证悬浮活性污泥有充分的增殖机会，防止出现生物膜越来越多、MLSS越来越少的情况；②必须保证足够的搅拌强度，防止因填料的截留作用而使污泥团聚在填料表面；③填料投加量必须适中，过少不起作用，过多必然导致污泥截留。另外，填料的类型和布置方式也应慎重考虑。
2.碳源问题
碳是微生物生长所需的最大营养元素。在反硝化除磷系统中，碳源一般被消耗在释磷、反硝化和异养菌的正常代谢上。释磷和反硝化反应的速率与进水碳源中易降解部分，特别是挥发性有机脂肪酸（VFA）的量密切相关。一般来说，城市污水中含有的易降解COD的量十分有限，以VFA为例，通常只有几十mg/L。因此，城市污水生物反硝化除磷系统因碳源不足，存在释磷与反硝化的竞争矛盾。
解决这一问题一般要从两个方面考虑，一是从工艺外部采取措施，增加进水中易降解的COD，如取消初沉池、回流污泥消化液、将初沉池改为酸化池等，均有一定的效果。也可考虑添加外部碳源的方法。二是从工艺内部考虑，权衡利弊，更合理地分配反硝化释磷的碳源。常规反硝化除磷工艺总是优先考虑释磷的需要，将厌氧区置于工艺前端，缺氧区置于后端，这种做法当然是以牺牲系统的反硝化速率为代价的，但释磷本身并不是反硝化除磷工艺的最终目的，就工艺的最终目标而言。 将厌氧区放在前面是否真的有益，其利弊何在，值得进一步研究。基于厌氧有效释磷可能不是好氧过量吸磷的必要充分条件的新认识，倒置A²/O工艺（见图3）将缺氧区置于工艺最前，厌氧区置于后方。如此改变之后，反硝化细菌可以优先获得碳源，反硝化速率大大提高，同时，此前困扰反硝化除磷工艺的硝酸盐问题不复存在，所有污泥都会经历完整的释磷与吸收过程，除磷能力不但不受影响，反而增强。这种新的碳源配置方式对反硝化除磷工艺的实践与机理研究具有重要意义。
3. 硝酸盐问题
在常规A²/O工艺中，由于厌氧区在最前端，回流污泥不可避免的会将部分硝酸盐带入该区。硝酸盐的存在严重影响聚磷菌的释磷效率，尤其在进水中VFA较少、污泥含磷量不高的情况下，硝酸盐的存在甚至会导致聚磷菌直接吸磷。因此在常规A²/O工艺的框架下，如何防止硝酸盐进入厌氧区干扰磷的释放成为研究热点，并围绕这一问题产生了UCT工艺、JHB工艺、EASC工艺等，其中最为著名的应为UCT工艺（如图4所示）。
解决硝酸盐问题的关键是如何在回流污泥进入厌氧区之前消耗掉其携带的硝酸盐。一种方法是在回流污泥进入厌氧区之前放置一个附着缺氧池，在附着缺氧池中利用污泥自身的碳源对回流污泥携带的硝酸盐进行反硝化。由于没有外加碳源，这种反硝化实际上多为内源代谢，因此反硝化率不高。作为对第一种方法的改进，另一种方法是通过添加外加碳源或引入一部分污水来提高附着缺氧池的反应速率。
UCT工艺另辟蹊径，将传统A²/O工艺的缺氧区划分为前、后两部分（如图4所示）。内循环1将硝化液从好氧区（O）回流至缺氧区（A2），内循环2将A2区前方的混合液循环至A1区。回流污泥并不直接进入A1区，而是先进入A2区前方。这种做法实际上划出了一小块缺氧区来消耗回流污泥中的硝酸盐，从而避免了回流污泥中的硝酸盐对厌氧区的冲击，改善了聚磷菌的释磷环境。但进入A2区前方的回流污泥中只有少部分真正被内循环2输送到A1区，其余大部分直接进入后续工艺，不释放磷。 也就是说，去除的剩余污泥中只有一小部分经历了完整的磷释放和吸收过程，其实际除磷效果可能受到很大影响，常规A2/O工艺实际上也存在类似的缺陷。
4. 系统的硝化和反硝化能力问题
硝化与反硝化是生物除磷脱氮系统中两个不可分割的过程。如果硝化不足，必然导致出水中氨氮增多，反硝化能力得不到充分利用；如果反硝化不足，则出水中硝酸盐增多。如何配置合适的硝化反硝化能力，充分发挥其潜力，是脱氮除磷工艺设计和运行中的重要问题。系统的硝化反硝化能力首先由各相应区域的水力停留时间（或有效容积）决定。对于城市污水，夏季反硝化和硝化一般分别需要1~2h和3~4h。考虑到冬季低温的影响，反硝化时间通常确定为2~3h，硝化时间通常确定为5~6h。决定硝化反硝化能力的第二个因素是工艺布置。 例如与常规A²/O工艺相比，缺氧区在前的倒置A²/O工艺可以明显提高系统的反硝化能力；而在好氧区适当放置填料也会提高系统的硝化能力。
系统的硝化反硝化能力也可以通过改变运行参数来调节，延长泥龄、加强曝气搅拌有利于提高好氧区的硝化能力；适当缩短泥龄、降低溶解氧水平有利于提高系统的反硝化能力。
对于前置反硝化，内循环倍率是一个非常重要的运行参数，对硝化、反硝化、释磷和吸收都有重要的影响。从表面上看，内循环是将硝化液从硝化区返回到反硝化区，在一定范围内，内循环倍率越大，出水中的硝酸盐越少。但内循环给系统带来的一个不可忽视的问题就是硝化液中的溶解氧对缺氧环境有破坏作用。在溶解氧存在的情况下，反硝化细菌总是以游离氧作为电子受体来氧化有机物，反硝化过程受到阻碍。而且随着内循环的增加，系统中的短路现象会越来越明显。因此，即使不考虑耗电量，内循环倍率也不宜过大。 此外，对于常规A²/O工艺，如果内循环比例过大，参与释磷和吸收过程的污泥比例会严重减少，影响除磷效率。因此，对于一定的工艺系统，内循环比例应有一个合适的范围，并随着水质、水量、温度的变化进行适当调整。
5. 磷的释放和吸收能力问题
释磷与吸磷是两个相互联系的过程，一般认为，只有在充分的厌氧环境和释磷作用下，聚磷菌才能更好地吸收磷，而且只有吸磷能力好的聚磷菌才会在厌氧或缺氧条件下释放大量的磷。释磷和吸磷的机理还有很多方面没有研究清楚。对于运行良好的城市污水生物脱氮除磷系统，夏季一般释磷需115~215h，吸磷需2~3h，冬季在低温条件下，两者所需时间应适当延长。
在A²/O工艺中，磷的吸收与硝化是同时进行的，且硝化时间相对较长，因此磷的吸收能力通常不是问题。从系统的角度看，微生物的厌氧释磷过程似乎更为关键。以往对厌氧释磷过程时间的确定，多是基于释磷曲线本身。但释磷并不是处理系统的最终目的，当把释磷与磷的吸收过程以及最终的除磷效果联系起来考察时，会发现单纯按照上述方法确定厌氧区的HRT是远远不够的。根据厌氧时间对除磷效率影响的研究：在一定范围内，适当延长厌氧反应时间、降低厌氧区的氧化还原电位，均能明显提高系统的除磷效率。 因此反硝化除磷工艺厌氧区的HRT应进一步延长，如夏季2~3h，冬季3~4h。
结束