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脫氮除磷功能的污水處理技術(shù)
傳統(tǒng) A²/O 工藝是一項(xiàng)具有脫氮除磷功能的典型污水處理技術(shù)，這個(gè)工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水力停留時(shí)間(HRT)短且易于控制，多數(shù)污水廠都是采用傳統(tǒng) A²/O 工藝進(jìn)行污水處理。
然而，生物脫氮除磷的過(guò)程中涉及硝化、反硝化、攝磷和釋磷等多個(gè)生化過(guò)程，而每個(gè)過(guò)程對(duì)微生物組成、基質(zhì)類型及環(huán)境條件的要求存在許多差異。
在傳統(tǒng)A²/O工藝的單泥系統(tǒng)中地完成脫氮和除磷兩個(gè)過(guò)程，就會(huì)發(fā)生各種矛盾沖突，比如泥齡的矛盾、碳源競(jìng)爭(zhēng)、硝酸鹽及溶解氧(DO)殘余干擾等。
傳統(tǒng)A²O工藝存在的矛盾
01 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(zhǎng)于同一系統(tǒng)中，而各類微生物實(shí)現(xiàn)其功能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(zhǎng)，欲使其成為優(yōu)勢(shì)菌群， 需控制系統(tǒng)在長(zhǎng)泥齡狀態(tài)下運(yùn)行。冬季系統(tǒng)具有良好硝化效果時(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)磷減量化的渠道。
若排泥不及時(shí)，一方面會(huì)因 PAOs 的內(nèi)源呼吸使胞內(nèi)糖原 (Glycogen)消耗殆盡，進(jìn)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(yán)重時(shí)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(nèi) PAOs 和聚糖菌(GAOs) 的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)。
在 30 ℃的長(zhǎng)泥齡(SRT≈ 10 d)厭氧環(huán)境中，GAOs 對(duì)乙酸鹽的吸收速率高于PAOs，使其在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位，影響 PAOs 釋磷行為的充分發(fā)揮。
02 碳源競(jìng)爭(zhēng)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(jìn)水碳源中易降解部分的含量有很大關(guān)系。一般而言，要同時(shí)完成脫氮和除磷兩個(gè)過(guò)程，進(jìn)水的碳氮比(BOD5 /ρ(TN))>4～5，碳磷比(BOD5 /ρ(TP))>20～30。
當(dāng)碳源含量低于此時(shí)，因前端厭氧區(qū) PAOs 吸收進(jìn)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(xì)胞內(nèi) PHAs 的合成，使得后續(xù)缺氧區(qū)沒有足夠的碳源而抑制反硝化潛力的充分發(fā)揮，降低了系統(tǒng)對(duì) TN 的脫除效率。
反硝化菌以內(nèi)碳源和甲醇或 VFAs 類為碳源時(shí)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(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，反硝化菌將優(yōu)先于 PAOs 利用 環(huán)境中的有機(jī)物進(jìn)行反硝化脫氮，干擾厭氧釋磷的正常進(jìn)行，終影響系統(tǒng)對(duì)磷的去除。
一般， 當(dāng)厭氧區(qū)的 NO3-N 的質(zhì)量濃度>1.0 mg/L 時(shí)，會(huì)對(duì) PAOs 釋磷產(chǎn)生抑制，當(dāng)其達(dá)到 3～4 mg/L 時(shí)，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(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(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)存在 O2 和 NO3-N 時(shí)，反硝化菌及普通異養(yǎng)菌將優(yōu)先以 O2 為電子受體進(jìn)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(shí)也將導(dǎo)致好氧異養(yǎng)菌與 PAOs 進(jìn)行碳源競(jìng)爭(zhēng)。
一般厭氧區(qū)的 DO 的質(zhì)量濃度應(yīng)嚴(yán)格控制在 0.2 mg/L 以下。從某種意義上來(lái)說(shuō)硝酸鹽及 DO 殘余干擾釋磷或反硝化過(guò)程歸根還是功能菌對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)問題。
傳統(tǒng)A²O工藝改進(jìn)策略分析
01 基于 SRT 矛盾的復(fù)合式
A²/O工藝在傳統(tǒng)A²/O工藝的好氧區(qū)投加浮動(dòng)載體填料， 使載體表面附著生長(zhǎng)自養(yǎng)硝化菌，而 PAOs 和反硝化菌則處于懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，這樣附著態(tài)的自養(yǎng)硝化菌的 SRT 相對(duì)獨(dú)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(qiáng)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(qiáng)程度，還要考慮懸浮態(tài)污泥 含量降低對(duì)系統(tǒng)反硝化和除磷的負(fù)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(dāng)懸浮污泥 SRT 控制為 5 d 時(shí)，復(fù)合式A²/O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(wú)明顯差異，復(fù)合式A²/O工藝的載 體填料不能*獨(dú)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。
02 基于“碳源競(jìng)爭(zhēng)”角度的工藝
解決傳統(tǒng)A²/O工藝碳源競(jìng)爭(zhēng)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(duì)碳源競(jìng)爭(zhēng)采取的解決策略，如補(bǔ)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(duì) DO 殘余干擾釋磷、反硝化的問題， 可在好氧區(qū)末端增設(shè)適當(dāng)容積的“非曝氣區(qū)”。
1、補(bǔ)充外碳源
補(bǔ)充外碳源是在不改變?cè)泄に嚦伢w結(jié)構(gòu)及各功能區(qū)順序的情況下，針對(duì)短期內(nèi)因水質(zhì)波動(dòng)引起碳源不足而提出的應(yīng)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(jī)化合物;
2)可替代有機(jī)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(duì)糖類、纖維素等高碳物質(zhì)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(jìn)行合成代謝時(shí)所需能量較大，使其更傾向于利用此類碳源進(jìn)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(yīng)期，方可達(dá)到預(yù)期的效果。
針對(duì)要解決的矛盾主體選擇合適的碳源投加點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能降耗至關(guān)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(qiáng)系統(tǒng)的反硝化潛能;但是若反硝化碳源嚴(yán)重不足致使系統(tǒng) TN 脫除欠佳時(shí)， 應(yīng)優(yōu)先考慮向缺氧區(qū)投加。
2、倒置A²/O工藝及其改良工藝
傳統(tǒng)A²/O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(duì)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A²/O工藝還具有 2 個(gè)優(yōu)勢(shì)：
“饑餓效應(yīng)”。PAOs厭氧釋磷后直接進(jìn)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(qū) 動(dòng)力可以得到充分地利用。
“群體效應(yīng)”。允許所有 參與回流的污泥經(jīng)歷完整的釋磷、攝磷過(guò)程。 然而有研究者認(rèn)為，倒置 A2 /O 工藝的布置形式。
3、JHB、UCT 及改良 UCT 工藝
與分點(diǎn)進(jìn)水倒置 A2 /O 工藝相比，JHB(亦稱 A+ A2 /O 工藝) 和 UCT 工藝的設(shè)計(jì)初衷是通過(guò)改變外回流位點(diǎn)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(dāng)， 污泥反硝化區(qū)的設(shè)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。
與倒置 A2 /O 工藝相同，對(duì)于低 C/N 進(jìn)水而言， JHB 工藝污泥反硝化區(qū)的設(shè)置可能會(huì)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(diǎn)進(jìn)水方式。
與倒置 A2 /O 工藝不同，UCT 工藝是在不改變傳統(tǒng) A2 /O 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(guò)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(duì)厭氧釋磷的干擾。
在進(jìn)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(dāng)進(jìn)水 C/N 較低時(shí)， UCT 工藝中的缺氧區(qū)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)氮的*脫除， 仍有部分硝酸鹽進(jìn)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) A2 /O 工藝中 的缺氧區(qū)分隔為 2 個(gè)獨(dú)立區(qū)域，前缺氧區(qū)接受來(lái)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(nèi)回流硝化液的反硝 化*分離，進(jìn)一步減少了硝酸鹽對(duì)厭氧釋磷的影響。
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無(wú)論 UCT 還是 MUCT，回流系統(tǒng)的改變強(qiáng)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(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。
03 兼顧 SRT 矛盾及“碳源競(jìng)爭(zhēng)”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(tǒng) A2/O 與曝氣生物濾池(BAF)的組合工藝， 是以分相培養(yǎng)為基礎(chǔ)的雙泥系統(tǒng)，能更好地滿足各功能微生物對(duì)環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及生存空間的需 求。
在工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)縮短前端 A2 /O 工藝好氧區(qū)的 HRT，將硝化過(guò)程從中分離而順序“嫁接”于二沉池后端的 BAF。
對(duì)于 PAOs 的厭氧釋磷而言，因前端的污泥單元不承擔(dān)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(chuàng)造了良好的“壓抑”環(huán)境，使其優(yōu)先利用原水中的 VFAs 類物質(zhì)合成 PHAs 并釋放磷;
再者，也因長(zhǎng) SRT 硝化菌以生物膜形式固著生長(zhǎng)在填料表面而短SRT 的 PAOs 和反硝化菌呈懸浮態(tài)生長(zhǎng)在前端的污泥單元，實(shí)現(xiàn)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(qū)反硝化效果的因素主要有2個(gè)：進(jìn)入缺氧區(qū)的碳源(VFAs 和 PHAs)含量及來(lái)自 BAF 的內(nèi)回流硝化液中的硝酸鹽含量。
當(dāng)進(jìn)水 C/N 較高時(shí)，硝酸鹽成為反硝化的限制因子，隨著內(nèi)回流比的增大缺氧區(qū)異養(yǎng)反硝化效果也相應(yīng)提高，但升高幅度卻呈遞減趨勢(shì);
而當(dāng)進(jìn)水 C/N 較低時(shí)，因碳源成為反硝化的限制因子，根據(jù)異養(yǎng)反硝化菌和反 硝化 PAOs 對(duì)電子受體的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，適當(dāng)提高內(nèi)回 流硝酸鹽負(fù)荷的方式刺激反硝化聚磷菌(DPAOs) 的優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)，使其以硝酸鹽為電子受體，并以 PHAs 為電子供體進(jìn)行同步反硝化脫氮除磷，實(shí)現(xiàn)“一碳 兩用”，同時(shí)可節(jié)省系統(tǒng)的能耗，減少污泥產(chǎn)量。
2、雙循環(huán)兩相生物處理工藝
雙循環(huán)兩相生物處理工藝(BICT)是在序批式活性污泥法的基礎(chǔ)上，增設(shè)獨(dú)立的生物膜硝化反應(yīng)器，使自養(yǎng)硝化菌與反硝化菌、PAOs 等異養(yǎng)菌分相培養(yǎng)，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(fā)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(yīng)器、生物膜硝化反應(yīng)器組成。
該工藝正常運(yùn)行時(shí)主要完成 4 個(gè)操作過(guò)程：
1) 進(jìn)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(nèi)混合接觸，借助高負(fù)荷梯 度產(chǎn)生的“選擇壓力”篩選出具有良好絮凝性的細(xì) 菌，并使 PAOs 厭氧釋磷。此時(shí)，主反應(yīng)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(yīng)器接受來(lái)自生物膜反應(yīng)器的硝化液，在機(jī)械攪拌作用下，完成反硝化脫氮，同時(shí)被擠出的混合液進(jìn)入沉淀池，經(jīng)沉淀分離后上清液進(jìn)入生物膜硝化反應(yīng)器;
3)再曝氣(可選做)
吹脫污泥中包裹的氮?dú)庖岳谀嗨蛛x，也 可強(qiáng)化 PAOs 的好氧攝磷;
4)靜止沉淀、潷水
靜止沉淀的同時(shí)排出富磷污泥。 此工藝獨(dú)立硝化反應(yīng)單元的設(shè)置消除了 SRT 與 硝化的高度關(guān)聯(lián)性，SRT 不再是影響系統(tǒng)脫氮效率 的限制因子。
3、BCFS 工藝
BCFS 工藝(Biologische Chemische Fosfaat Stikstof verwijdering) 可實(shí)現(xiàn)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(shè)2個(gè)反應(yīng)區(qū)——接觸區(qū)和混合區(qū)。
介于厭氧區(qū)與缺 氧區(qū)之間的接觸區(qū)相當(dāng)于第 2 選擇池，可以有效控 制絲狀菌的異常生長(zhǎng)，防止污泥膨脹的發(fā)生;另外， 也因回流污泥先回流于此進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng)，給 PAOs 厭氧釋磷營(yíng)造了良好的“壓抑”環(huán)境。
介于缺氧區(qū)與好氧區(qū)之間的混合區(qū)相當(dāng)于一個(gè)“機(jī)動(dòng)單元”， 可通過(guò)曝氣系統(tǒng)的啟閉靈活地控制其前端好氧區(qū)和后端缺氧區(qū)的氧化還原電位，也可在低 C/N 條件下誘導(dǎo)反硝化 PAOs 成為優(yōu)勢(shì)菌群而發(fā)揮同步脫氮除磷，實(shí)現(xiàn)“一碳兩用”。