序批式AOA同步脫氮除磷工藝研究綜述

李清哲，邊德軍,2,*，聶澤兵，谷靖穎，王 帆，艾勝書

(1.長春工程學(xué)院，吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130012；2.東北師范大學(xué)，吉林省城市污水處理與水質(zhì)保障科技創(chuàng)新中心，吉林長春 130117；3.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，吉林長春 130117)

目前，全球各地緩流水體均出現(xiàn)不同程度的水體富營養(yǎng)化，氮磷對水環(huán)境造成的危害越來越受到人們的重視[1]。一般城市污水中碳氮比(C/N)是能夠滿足正常脫氮除磷要求的，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，污水中污染物結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，表現(xiàn)為碳源不足、氮磷濃度偏高，嚴(yán)重影響了污水處理工藝的氮磷去除效率[2]。截至2016年9月，我國擁有3 976座污水處理廠，污水日處理量已達(dá)到1.7億m3[3]，為應(yīng)對日益嚴(yán)苛的氮磷排放標(biāo)準(zhǔn)，各廠大力推進(jìn)二級工藝提標(biāo)改造工程。研發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的同步脫氮除磷工藝已成為一大熱點(diǎn)，陸續(xù)出現(xiàn)的一系列污水處理新工藝，如雙污泥工藝(A2N連續(xù)流工藝)、雙泥脫氮除磷工藝(DEPHANOX工藝)、生物化學(xué)除磷工藝(BCFS工藝)以及倒置AAO工藝等均能較好地實(shí)現(xiàn)脫氮除磷。但這些工藝大多是雙泥系統(tǒng)，池體較多且需要硝化液回流，表現(xiàn)出構(gòu)筑物復(fù)雜、占地面積較大、運(yùn)行管理費(fèi)用偏高等一系列缺點(diǎn)[4-6]。

SBR工藝是集多種反應(yīng)階段于一體的單泥系統(tǒng)，具有運(yùn)行方式靈活、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)[7]。隨著PLC控制系統(tǒng)的日臻完善，SBR及其變形工藝CAST、UNITANK等污水處理二級工藝被廣泛應(yīng)用于城市污水處理廠。但在目前的實(shí)際應(yīng)用中，在處理低C/N污水時(shí)，SBR工藝系統(tǒng)中功能微生物要求的生化環(huán)境時(shí)間不同，在同一空間、時(shí)間進(jìn)行硝化反硝化作用會(huì)使系統(tǒng)呈現(xiàn)出較低的脫氮除磷效率，難以達(dá)到日益嚴(yán)苛的污水排放標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。

Tsuneda等[10]在研究高效脫氮除磷機(jī)制時(shí)，將反硝化聚磷菌(DPB)利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化除磷現(xiàn)象和SBR運(yùn)行靈活的優(yōu)勢結(jié)合起來，首次提出了AOA模式的SBR工藝。該工藝與傳統(tǒng)的AAO工藝類似，只是將缺氧段后置，屬于后置缺氧反硝化除磷系統(tǒng)。序批式AOA工藝在缺氧段可以利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化除磷，節(jié)省碳源，克服了SBR工藝降解不同底物微生物要求的生態(tài)環(huán)境時(shí)間差異、AAO工藝反硝化外碳源不足等缺點(diǎn)，簡化了復(fù)雜的構(gòu)筑物，同時(shí)大大減少了能耗[11]。

本文從同步脫氮除磷工藝角度出發(fā)，分析了序批式AOA工藝的反硝化脫氮除磷機(jī)理和優(yōu)勢，歸納了序批式AOA工藝的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，探討了后置反硝化除磷序批式AOA工藝系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用。

1 污水的生物同步脫氮除磷工藝

1.1 傳統(tǒng)同步脫氮除磷工藝

傳統(tǒng)的污水生物脫氮除磷機(jī)理中，好氧硝化、缺氧反硝化、厭氧釋磷和好氧吸磷作用一般存在著硝化菌與聚磷菌(PAOs)競爭氧氣、反硝化菌與PAOs競爭碳源、硝化反應(yīng)產(chǎn)物抑制厭氧釋磷和脫氮除磷污泥齡(SRT)的矛盾等諸多問題，故傳統(tǒng)二級工藝難以把脫氮除磷協(xié)同起來[12-15]。一般情況下，在難以兼顧同步脫氮除磷時(shí)，二級工藝更側(cè)重于氮的去除，在生物除磷基礎(chǔ)上輔以化學(xué)除磷，改善除磷效果[16]。

AAO是目前最簡單且應(yīng)用最為廣泛的同步脫氮除磷工藝。在該工藝中，污水依次通過厭氧池、缺氧池和好氧池完成污染物的去除。在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)，系統(tǒng)完成有機(jī)物的吸收、厭氧釋磷和缺氧反硝化作用；在好氧區(qū)完成殘留的有機(jī)物降解、好氧吸磷和硝化作用，通過硝化液回流完成污水氮磷的去除。因具有水力停留時(shí)間較短、污泥沉降性能穩(wěn)定和運(yùn)行費(fèi)用偏低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但對于低C/N、C/P結(jié)構(gòu)的污水，硝化液回流抑制厭氧釋磷導(dǎo)致其脫氮除磷效果難以進(jìn)一步提高等問題也普遍存在[17]。

類似于AAO工藝，UCT工藝為改善硝酸鹽對磷釋放的影響，在AAO基礎(chǔ)上做出兩點(diǎn)改變。將污泥回流至厭氧區(qū)變?yōu)槿毖鯀^(qū)，內(nèi)循環(huán)改為缺氧區(qū)至厭氧區(qū)。這使得硝化液回流不再影響厭氧釋磷，并保證了厭氧區(qū)對有機(jī)物的利用，此工藝對氮磷的去除率可達(dá)70%以上[18]。VIP等工藝因其運(yùn)行復(fù)雜且需要額外的循環(huán)系統(tǒng)和運(yùn)行設(shè)備等鮮有應(yīng)用。

1.2 反硝化脫氮除磷工藝

1.3 序批式AOA工藝實(shí)現(xiàn)反硝化除磷

2006年，Tsuneda等[10]首次提出AOA運(yùn)行模式的SBR工藝，即在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，SBR系統(tǒng)分別采用厭氧、好氧和缺氧的方式連續(xù)運(yùn)行。圖1為序批式AOA裝置示意圖。在整個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，SBR系統(tǒng)全程采用機(jī)械攪拌使混合液均勻，保障厭氧、缺氧階段傳質(zhì)效率；好氧階段控制曝氣系統(tǒng)保障微生物對溶解氧(DO)的需求；缺氧階段，通過控制氣量和好氧殘余DO，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定低氧狀態(tài)。

圖1 序批式AOA工藝示意Fig.1 Diagram of Sequencing Batch AOA Process

2 序批式AOA工藝反硝化除磷效果影響因素

2.1 循環(huán)時(shí)間的影響

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行溫度的影響

溫度影響著活性污泥微生物的代謝穩(wěn)定性和生物酶的活性，過高和過低的溫度都會(huì)直接影響系統(tǒng)優(yōu)勢菌群的變化，這直接體現(xiàn)在污泥的性能及反硝化除磷的效果[31]。過高的溫度會(huì)影響蛋白質(zhì)的活性，進(jìn)而影響系統(tǒng)生化反應(yīng)的進(jìn)行，相對而言，低溫是目前研究的一大熱點(diǎn)。低溫(10 ℃)狀態(tài)下，大部分污水處理工藝的處理能力都會(huì)下降。針對這一問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者通過改良活性污泥工藝、改變冬季運(yùn)行參數(shù)以及增加保溫措施來應(yīng)對低溫情況。

溫度影響序批式AOA反硝化除磷工藝的穩(wěn)定性。研究表明，溫度影響著PAOs、DPB和GAOs等對基質(zhì)的競爭，對GAOs適宜的溫度會(huì)使其大量繁殖，進(jìn)而使生物除磷系統(tǒng)失去去除能力[32]。張?zhí)m河等[33]研究發(fā)現(xiàn)，溫度對序批式AOA系統(tǒng)厭氧段PAOs和GAOs競爭有較大的影響，在10～25 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，COD和PHA的轉(zhuǎn)化速率加快，轉(zhuǎn)化量增多，厭氧釋磷量也增大。低溫時(shí)，PAOs在競爭中占優(yōu)勢，溫度過高會(huì)抑制PAOs的增殖。在反硝化除磷系統(tǒng)中，PAOs和反硝化菌等屬于低溫細(xì)菌，但反硝化菌對溫度變化更加敏感。王棟[34]研究發(fā)現(xiàn)，10 ℃序批式AOA系統(tǒng)的磷去除率為78%，而反硝化率僅為66%，隨著溫度的升高，磷的變化穩(wěn)定，而反硝化速率逐漸升高，故溫度的調(diào)控影響著序批式AOA系統(tǒng)氮磷的去除性能。

2.3 pH對序批式AOA系統(tǒng)反硝化除磷的影響

王棟[34]的研究表明，在序批式AOA系統(tǒng)中，一定范圍內(nèi)提高pH能增強(qiáng)聚磷污泥釋磷能力，可有效提高磷的去除率。當(dāng)pH值=8.0時(shí)，厭氧釋磷能力最強(qiáng)；當(dāng)pH值>8.0時(shí)，釋磷能力下降。故合理控制系統(tǒng)pH有利于序批式AOA系統(tǒng)反硝化除磷。

2.4 碳源對序批式AOA工藝反硝化除磷的影響

2.5 C/P對序批式AOA系統(tǒng)反硝化除磷的影響

2.6 N/P對序批式AOA反硝化除磷的影響

3 序批式AOA工藝效能分析與應(yīng)用思考

根據(jù)脫氮除磷生化反應(yīng)化學(xué)方程式，以去除污水中4 mg/L TP和30 mg/L TN計(jì)，傳統(tǒng)脫氮除磷需消耗有機(jī)物220～330 mg，而反硝化除磷合適的碳源消耗量為120～180 mg[42]。反硝化除磷工藝充分利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化脫氮除磷，節(jié)省近50%碳源量和污泥產(chǎn)量，簡化了污水處理生化工藝，降低了曝氣量和污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)一定程度減少了溫室氣體CO2的排放量，是未來一種可持續(xù)發(fā)展的低C/N/P污水高效同步脫氮除磷新途徑[43]。

目前，我國城市污水表現(xiàn)出碳源不足、氮磷沖擊等現(xiàn)象，傳統(tǒng)污水處理工藝已越來越難以應(yīng)對這種變化。序批式AOA工藝作為一種新型的反硝化除磷工藝，解決了傳統(tǒng)脫氮除磷工藝的缺點(diǎn)，可適應(yīng)水質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化且結(jié)構(gòu)簡單，建設(shè)運(yùn)行成本均低于傳統(tǒng)活性污泥法工藝。序批式AOA工藝尚處于發(fā)展階段，未來可作為高效的污水脫氮除磷工藝。

4 問題與展望

目前，關(guān)于序批式AOA工藝的研究已取得一定成果，但仍處于控制參數(shù)優(yōu)化階段。在工程實(shí)際中，合理的工藝參數(shù)和控制條件才能保障脫氮除磷的穩(wěn)定性。序批式AOA工藝尚有以下制約因素與展望。

(1)如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的反硝化除磷性能。AOA循環(huán)模式有利于富集DPB，但實(shí)際城市污水往往具有較大的波動(dòng)性，污水結(jié)構(gòu)等參數(shù)的沖擊會(huì)影響反硝化除磷的穩(wěn)定性。

(2)COD沖擊負(fù)荷等會(huì)使序批式AOA系統(tǒng)缺氧段存在二次釋磷的可能性，從而導(dǎo)致出水TP偏高。針對以上問題，今后應(yīng)開展各參數(shù)沖擊試驗(yàn)，探究反硝化除磷系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，以期為序批式AOA工程應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

(3)相比于傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)，控制生化系統(tǒng)同步短程硝化反硝化脫氮可節(jié)省40%碳源、25%曝氣量[44]。若序批式AOA反硝化除磷工藝在實(shí)現(xiàn)節(jié)省大量碳源下控制好氧階段實(shí)現(xiàn)短程硝化作用，便能最大程度節(jié)省碳源和能耗。目前，有關(guān)同步短程硝化耦合序批式AOA后置反硝化除磷工藝的研究鮮有報(bào)道，故后續(xù)可通過研究系統(tǒng)參數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)序批式AOA系統(tǒng)短程反硝化除磷。