郝曉地 | A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝
2017-09-05 13:29設計/微生物/化學
摘要
以國內普遍采用的A2/O工藝為背景，通過與UCT工藝模擬對比揭示，A2/O在脫氮上略遜UCT，但在除磷方面明顯落后于UCT。倒置A2/O雖能避免回流污泥中硝酸氮對厭氧釋磷的影響，但卻以犧牲生物除磷為代價。進言之，UCT較A2/O可聚集更多反硝化除磷細菌（DPB），這將最大化同步脫氮除磷作用，同時亦可節省曝氣量。但是，UCT在生物除磷上的優越性會導致出水SS中高含磷量（5%~6%），所以，較高的出水SS（10 mg/L）肯定會產生較高的出水總磷（TP）。降低出水SS（5 mg/L）并輔助外加碳源或側流磷沉淀，UCT不僅可以滿足國家一級A標準，甚至還能達到京標A之地方嚴格標準。厭氧單元上清液側流磷沉淀與外加碳源具有異曲同工之處，可以將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點發揮至極致，不僅避免了外加碳源，亦可實現磷回收。
9月16日-19日，在青島即將舉辦的“污水處理廠提標改造技術交流會”上，郝曉地教授將做題為“A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝”的報告，為大家進行詳細闡述，敬請關注！
郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環境工程專業教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術、污水處理數學模擬技術、可持續環境生物技術。現為國際水協期刊《Water Research》區域主編（Editor）。
1
工藝模型設計
實踐表明，TUD與ASM聯合模型亦適用于我國市政污水處理廠問題診斷、運行優化、工藝設計。因此，利用之前業已建立的TUD聯合模型，采用AQUASIM 2.0模擬軟件，分別對A2/O、UCT、倒置A2/O工藝建立工藝模型進行模擬。
1.1
工藝設計水質
結合北京某小型市政污水處理廠升級改造設計水量(20 000 m3/d)、水質（見表1），對模型所需COD參數按照污水水質特征化方法，將進水COD區分為如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五種組分。
表1 設計水質年平均值（mg/L）
|
項目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
|
指標 |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD參數組分劃分(mg/L)
|
項目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
|
指標 |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O設計參數與工藝模型
參考我國南北方地區部分既有A2/O工藝實際運行參數，確定工藝模擬設計參數為：1）生化反應總水力停留時間HRT=13 h，其中，厭氧段HRT=3 h，缺氧段HRT=3 h，好氧段HRT=7 h；2）不設初沉池，二沉池HRT=3.6h；3）內回流比（QA）按進水水量（Qin）200%計，污泥回流比（QR）為進水水量（Qin）100%；4）污泥停留時間SRT=15d，好氧池溶解氧DO=2 mg/L。模擬工藝流程如圖1所示。
圖1 A2/O模擬工藝流程
實際污水廠曝氣池內流態接近推流式，這就需要對AQUASIM 2.0中模擬單元以完全混合—推流式建立工藝模型（每個反應池分為串聯的5個子反應器）。工藝模型中，二沉池分為清水區（60%）和污泥區（40%）兩部分，包括水解、PAOs、異養菌、自養菌代謝活動的21個模型反應在污泥區亦全部開啟，即考慮了沉淀池中微生物發生的各種生化反應。
1.3
UCT設計參數與工藝模型
為與A2/O比較，圖2顯示的UCT模型工藝完全移植了上述A2/O模擬工藝設計參數，只不過增加一個內回流QB。
圖2 UCT模擬工藝流程
1.4
倒置A2/O設計參數與工藝模型
倒置A2/O實際上是對A2/O在空間上將厭氧與缺氧位置對換，如圖3所示。因此，模擬工藝設計參數也完全與A2/O一致。
圖3 倒置A2/O模擬工藝流程
2
模擬結果與分析
2.1
出水模擬結果及分析
北方污水處理廠冬季設計溫度通常為12 ℃，夏季為20 ℃。為詳細展示各工藝全年不同季節運行情況，再增加10 ℃和25 ℃兩個極端溫度進行模擬。模擬首先依據出水SS達到一級A標準（即10 mg/L）進行，模擬至穩定狀態后的各工藝出水水質數據對比見圖4。因各工藝出水SS統一設定為10mg/L，所以，根據模擬數據可以直接計算出水SS中COD、N、P之含量（見圖5）。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP（含SS）
圖4 出水模擬計算結果
圖4顯示，各溫度下三種工藝對COD去除幾近一致，出水中溶解性SCOD≤25 mg/L。NH4+-N硝化能力在20 ℃以下時UCT明顯高于A2/O，比倒置A2/O亦好許多。因各工藝反硝化能力受碳源（COD）限制，20 ℃以下時UCT硝化產生的較多的NO3--N不能及時反硝化，以至于比其它兩個工藝高1~3 mg/L。就TN而言，因各工藝SS中所含N成分不盡相同，20 ℃以下時倒置A2/O要比其它兩個工藝低1~2 mg /L。無論溶解性PO43-還是TP，倒置A2/O表現均很差，幾乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要勝于A2/O。
綜上所述，倒置A2/O只具有較強的脫氮能力，在生物除磷方面則無所作為。這是因為倒置A2/O完全違背了要將易降解COD（VFAs）首先在厭氧單元用于PAOs/DPB吸收的原則，以至于用反硝化方式幾乎耗盡了VFAs，導致PAOs/DPB無COD可以利用，在系統中難以繁殖。顯然，在同步脫氮除磷方面，倒置A2/O應禁止應用。否則，P無法生物去除。
UCT因避免了回流污泥中NO3-對厭氧單元PAOs/DPB的影響（競爭VFAs），所以，顯示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外，因UCT進入缺氧單元實際存在兩個循環（QA+QR），使實際回流比為300%，導致NH4+-N硝化機會較A2/O無形增加100%，所以，UCT的硝化能力好于A2/O。盡管UCT300%的缺氧回流比理論上亦有助于增加反硝化的機會，但因碳源（COD）限制而不能將硝化而來的NO3-及時反硝化。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
圖5 出水SS中COD、N、P含量
圖5顯示，三種工藝出水SS中的COD和N含量基本相同，差別在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明顯很低（約占SS總干重2%），直接反映出SS中并不含PAOs/DPB。相反，UCT和A2/O出水SS中P含量高達5%~6%，且UCT要高于A2/O，這說明兩工藝中均存在著相當的PAOs/DPB，這也是兩工藝具有生物高除磷能力的一個旁證。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷貢獻率
反硝化除磷菌（DPB）首先發現于UCT和A2/O工藝之中，這種細菌使用同一碳源即可實現缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O2作為唯一電子受體的吸磷現象，不僅節省了脫氮除磷的碳源，亦可節省曝氣量。表3列出了A2/O和UCT系統聚磷菌（PAOs）吸磷總量以及DPB在生物吸磷方面的貢獻率。
表3 反硝化除磷貢獻率統計表
表3顯示，A2/O工藝中PAOs在缺氧以及好氧單元吸磷總量較UCT低22%~35%；UCT中PAOs的吸磷作用在20 ℃以下時作用特別明顯（＞30%），應主要歸功于DPB的反硝化除磷現象，低溫時表現尤為突出，20 ℃以下時比A2/O高12%~14%。換句話說，UCT工藝生物除磷在很大程度上均以反硝化除磷為主。從這個意義上說，UCT在同步脫氮除磷方面的性能絕對優于A2/O。
2.3
降低出水SS水質效果模擬
盡管UCT與A2/O具有較好的同步脫氮除磷能力，但限于出水較高的SS濃度（10 mg /L），其出水TP濃度距離一級A標準仍然具有一定距離。因此，整體提高出水水質（進一步降低N、P濃度）的技術措施是降低出水中SS的濃度，這也是MBR工藝運用而生的主要理由。其實，設計和運行良好的傳統二沉池完全可以達到與MBR膜分離幾近一致的分離SS（≤ 5 mg/L）的效果。即使傳統二沉池難以勝任將SS降至≤5 mg/L，后接簡單砂濾即可奏效，況且目前還出現了高效沉淀設備。在上述模擬基礎上，只需設定出水SS=5 mg/L，其它任何參數保持不變。進一步模擬結果見圖6。
（a） 溶解性COD
（b）溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP（含SS）
圖6 不同出水SS下模擬結果
圖6顯示，降低出水SS后水質效果主要體現在出水TP上，效果非常明顯，特別針對UCT，使出水TP從＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已滿足一級A排放標準（A2/O仍難以達標！）。這是因為UCT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相應較高（5%~6%），因此降低出水SS對降低TP也就至關重要。其它出水指標（沒有變化或略有變化，主要受出水SS降低后回流污泥濃度有所提高影響（MLSS濃度升高約100 mg/L）。
3
UCT工藝優化效果模擬
上述模擬結果顯示，UCT較A2/O工藝在脫氮上好一些，并在除磷方面好很多。然而，就特定模擬進水水質而言，即使UCT工藝也僅僅是滿足國家一級A排放標準，還不能達到京標B標準（SS=10 mg /L，COD=30 mg/L，TN=15 mg/L，NH4+-N=1.5/2.5 mg/L，TP=0.3 mg/L）、甚至是京標A標準（SS=5 mg/L，COD=20 mg/L，TN=10 mg/L，NH4+-N=1/1.5 mg/L，TP=0.2 mg/L）。對此，可從外加碳源（增加C/P比）或側流磷沉淀（相對提高C/P比）角度解決進水可降解碳源不足的問題。
3.1
外加碳源
在上述模擬的基礎上，保持進水總COD不變，對表2所列COD可降解組分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F:72mg/L→82mg/L）適當提高（40 mg/L），并相應減少慢性降解組分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
側流磷沉淀
厭氧上清液側流磷沉淀方式可以將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點有機結合。為此，基于圖2所示UCT工藝，在厭氧池末端增加一上清液側流磷沉淀/分離單元（圖7），取側流比為進水量（Qin）的15%；側流上清液以金屬磷酸鹽形式沉淀，磷去除率設定90%。
圖7 側流磷沉淀UCT模擬工藝流程
3.3
模擬結果分析
后兩種強化工藝在出水COD上無差別。外加碳源因常規異養菌（OHO）、磷細菌數量增多使硝化受到一些抑制，但因反硝化/反硝化除磷作用增強而致TN下降約 1mg /L。側流磷沉淀在脫氮上作用雖不及外加碳源，但較原始UCT有明顯效果（TN下降約0.5 mg /L）。其實，外加碳源和側流磷沉淀的工藝性能強化作用主要表現在除磷上，兩者均能使出水PO43-大幅下降（＞50%），最終致出水TP下降至0.21~0.33 mg P/L，特別是側流磷沉淀均＜0.3 mg P/L。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN濃度（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP濃度（含SS）
圖8 不同條件UCT工藝出水模擬結果
顯然，UCT外加碳源或側流磷沉淀在增加C/P方面具有異曲同工之處，導致的最終脫氮除磷效果完全可以達到京標B標準。側流磷沉淀使N、P指標已基本接近京標A標準。顯然，進一步降低出水COD和N、P，完全達到京標A標準只需再降一下SS（圖9）即可，簡單砂濾似乎即可奏效。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
圖9 原始UCT以及變型工藝出水SS中COD、N、P含量
4
結 語
污水處理升級改造是大勢所趨，技術選擇不僅受國標、地標（盡管很大程度上缺乏科學性）制約，更重要的還是工藝決策、設計者缺乏對常規工藝機理的深刻理解，以至于出現很多認識誤區，使本來生物處理便能一并解決的脫氮除磷問題往往通過延長流程的方式，以化學、物理、甚至再加生物的后端形式加以“強化”去除。流程延長導致管理復雜、運行費用攀升等弊端一方面讓運行單位怨聲載道，另一方面，高物耗、能耗、藥耗工藝也背離可持續的原則。
相同進水水質、工藝設計參數下的數學模擬結果顯示，UCT在脫氮上較A2/O工藝要稍好一些，但在除磷方面優勢明顯。針對回流污泥中NO3-可能影響厭氧釋磷的問題，國內試圖以倒置A2/O形式加以解決。但缺氧先行只能以本來應留給磷細菌的VFAs讓常規反硝化“捷足先登”，結果讓磷細菌無“食”可得，不能在系統內生長。通過數學模擬，這一論點得到印證，倒置A2/O系統中幾乎無磷細菌存在，因此，也就難具生物除磷效果。
生物除磷效果越好，出水中溶解性PO43-就越低，而出水SS中因聚磷菌緣故使P含量高（5%~6%）才是制約出水TP達標排放的關鍵。因此，UCT工藝加高效沉淀池或簡單砂濾即可將出水SS降至5 mg/L以下，可能并不需要MBR的助力。
針對進水碳源不足現象，固然可以采取外加碳源方式強化生物脫氮除磷，但采用厭氧單元上清液側流磷沉淀方式具有異曲同工之處，不僅可以回收磷，亦可相對增加C/P值，將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點有機結合，最大程度發揮化學、生物除磷各自優勢。模擬顯示，側流磷沉淀甚至可以使出水TP達到京標A標準，不僅節省了碳源，而且節省大量化學沉淀藥劑。
論文全文將發表在《中國給水排水》雜志上，題目：A2/O工藝用于污水處理廠升級改造的適宜性探討，作者：郝曉地，李天宇，吳遠遠，Mark van Loosdrecht
前沿 | A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝
2017-09-05 18:02
郝曉地 | A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝
原創2017-09-05郝曉地中國給水排水
摘要
以國內普遍采用的A2/O工藝為背景，通過與UCT工藝模擬對比揭示，A2/O在脫氮上略遜UCT，但在除磷方面明顯落后于UCT。倒置A2/O雖能避免回流污泥中硝酸氮對厭氧釋磷的影響，但卻以犧牲生物除磷為代價。進言之，UCT較A2/O可聚集更多反硝化除磷細菌（DPB），這將最大化同步脫氮除磷作用，同時亦可節省曝氣量。但是，UCT在生物除磷上的優越性會導致出水SS中高含磷量（5%~6%），所以，較高的出水SS（10 mg/L）肯定會產生較高的出水總磷（TP）。降低出水SS（5 mg/L）并輔助外加碳源或側流磷沉淀，UCT不僅可以滿足國家一級A標準，甚至還能達到京標A之地方嚴格標準。厭氧單元上清液側流磷沉淀與外加碳源具有異曲同工之處，可以將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點發揮至極致，不僅避免了外加碳源，亦可實現磷回收。
9月16日-19日，在青島即將舉辦的“污水處理廠提標改造技術交流會”上，郝曉地教授將做題為“A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝”的報告，為大家進行詳細闡述，敬請關注！
郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環境工程專業教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術、污水處理數學模擬技術、可持續環境生物技術。現為國際水協期刊《Water Research》區域主編（Editor）。
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工藝模型設計
實踐表明，TUD與ASM聯合模型亦適用于我國市政污水處理廠問題診斷、運行優化、工藝設計。因此，利用之前業已建立的TUD聯合模型，采用AQUASIM 2.0模擬軟件，分別對A2/O、UCT、倒置A2/O工藝建立工藝模型進行模擬。
1.1
工藝設計水質
結合北京某小型市政污水處理廠升級改造設計水量(20 000 m3/d)、水質（見表1），對模型所需COD參數按照污水水質特征化方法，將進水COD區分為如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五種組分。
表1 設計水質年平均值（mg/L）
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項目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
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指標 |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD參數組分劃分(mg/L)
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項目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
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指標 |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O設計參數與工藝模型
參考我國南北方地區部分既有A2/O工藝實際運行參數，確定工藝模擬設計參數為：1）生化反應總水力停留時間HRT=13 h，其中，厭氧段HRT=3 h，缺氧段HRT=3 h，好氧段HRT=7 h；2）不設初沉池，二沉池HRT=3.6h；3）內回流比（QA）按進水水量（Qin）200%計，污泥回流比（QR）為進水水量（Qin）100%；4）污泥停留時間SRT=15d，好氧池溶解氧DO=2 mg/L。模擬工藝流程如圖1所示。
圖1 A2/O模擬工藝流程
實際污水廠曝氣池內流態接近推流式，這就需要對AQUASIM 2.0中模擬單元以完全混合—推流式建立工藝模型（每個反應池分為串聯的5個子反應器）。工藝模型中，二沉池分為清水區（60%）和污泥區（40%）兩部分，包括水解、PAOs、異養菌、自養菌代謝活動的21個模型反應在污泥區亦全部開啟，即考慮了沉淀池中微生物發生的各種生化反應。
1.3
UCT設計參數與工藝模型
為與A2/O比較，圖2顯示的UCT模型工藝完全移植了上述A2/O模擬工藝設計參數，只不過增加一個內回流QB。
圖2 UCT模擬工藝流程
1.4
倒置A2/O設計參數與工藝模型
倒置A2/O實際上是對A2/O在空間上將厭氧與缺氧位置對換，如圖3所示。因此，模擬工藝設計參數也完全與A2/O一致。
圖3 倒置A2/O模擬工藝流程
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模擬結果與分析
2.1
出水模擬結果及分析
北方污水處理廠冬季設計溫度通常為12 ℃，夏季為20 ℃。為詳細展示各工藝全年不同季節運行情況，再增加10 ℃和25 ℃兩個極端溫度進行模擬。模擬首先依據出水SS達到一級A標準（即10 mg/L）進行，模擬至穩定狀態后的各工藝出水水質數據對比見圖4。因各工藝出水SS統一設定為10mg/L，所以，根據模擬數據可以直接計算出水SS中COD、N、P之含量（見圖5）。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP（含SS）
圖4 出水模擬計算結果
圖4顯示，各溫度下三種工藝對COD去除幾近一致，出水中溶解性SCOD≤25 mg/L。NH4+-N硝化能力在20 ℃以下時UCT明顯高于A2/O，比倒置A2/O亦好許多。因各工藝反硝化能力受碳源（COD）限制，20 ℃以下時UCT硝化產生的較多的NO3--N不能及時反硝化，以至于比其它兩個工藝高1~3 mg/L。就TN而言，因各工藝SS中所含N成分不盡相同，20 ℃以下時倒置A2/O要比其它兩個工藝低1~2 mg /L。無論溶解性PO43-還是TP，倒置A2/O表現均很差，幾乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要勝于A2/O。
綜上所述，倒置A2/O只具有較強的脫氮能力，在生物除磷方面則無所作為。這是因為倒置A2/O完全違背了要將易降解COD（VFAs）首先在厭氧單元用于PAOs/DPB吸收的原則，以至于用反硝化方式幾乎耗盡了VFAs，導致PAOs/DPB無COD可以利用，在系統中難以繁殖。顯然，在同步脫氮除磷方面，倒置A2/O應禁止應用。否則，P無法生物去除。
UCT因避免了回流污泥中NO3-對厭氧單元PAOs/DPB的影響（競爭VFAs），所以，顯示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外，因UCT進入缺氧單元實際存在兩個循環（QA+QR），使實際回流比為300%，導致NH4+-N硝化機會較A2/O無形增加100%，所以，UCT的硝化能力好于A2/O。盡管UCT300%的缺氧回流比理論上亦有助于增加反硝化的機會，但因碳源（COD）限制而不能將硝化而來的NO3-及時反硝化。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
圖5 出水SS中COD、N、P含量
圖5顯示，三種工藝出水SS中的COD和N含量基本相同，差別在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明顯很低（約占SS總干重2%），直接反映出SS中并不含PAOs/DPB。相反，UCT和A2/O出水SS中P含量高達5%~6%，且UCT要高于A2/O，這說明兩工藝中均存在著相當的PAOs/DPB，這也是兩工藝具有生物高除磷能力的一個旁證。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷貢獻率
反硝化除磷菌（DPB）首先發現于UCT和A2/O工藝之中，這種細菌使用同一碳源即可實現缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O2作為唯一電子受體的吸磷現象，不僅節省了脫氮除磷的碳源，亦可節省曝氣量。表3列出了A2/O和UCT系統聚磷菌（PAOs）吸磷總量以及DPB在生物吸磷方面的貢獻率。
表3 反硝化除磷貢獻率統計表
表3顯示，A2/O工藝中PAOs在缺氧以及好氧單元吸磷總量較UCT低22%~35%；UCT中PAOs的吸磷作用在20 ℃以下時作用特別明顯（＞30%），應主要歸功于DPB的反硝化除磷現象，低溫時表現尤為突出，20 ℃以下時比A2/O高12%~14%。換句話說，UCT工藝生物除磷在很大程度上均以反硝化除磷為主。從這個意義上說，UCT在同步脫氮除磷方面的性能絕對優于A2/O。
2.3
降低出水SS水質效果模擬
盡管UCT與A2/O具有較好的同步脫氮除磷能力，但限于出水較高的SS濃度（10 mg /L），其出水TP濃度距離一級A標準仍然具有一定距離。因此，整體提高出水水質（進一步降低N、P濃度）的技術措施是降低出水中SS的濃度，這也是MBR工藝運用而生的主要理由。其實，設計和運行良好的傳統二沉池完全可以達到與MBR膜分離幾近一致的分離SS（≤ 5 mg/L）的效果。即使傳統二沉池難以勝任將SS降至≤5 mg/L，后接簡單砂濾即可奏效，況且目前還出現了高效沉淀設備。在上述模擬基礎上，只需設定出水SS=5 mg/L，其它任何參數保持不變。進一步模擬結果見圖6。
（a） 溶解性COD
（b）溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP（含SS）
圖6 不同出水SS下模擬結果
圖6顯示，降低出水SS后水質效果主要體現在出水TP上，效果非常明顯，特別針對UCT，使出水TP從＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已滿足一級A排放標準（A2/O仍難以達標！）。這是因為UCT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相應較高（5%~6%），因此降低出水SS對降低TP也就至關重要。其它出水指標（沒有變化或略有變化，主要受出水SS降低后回流污泥濃度有所提高影響（MLSS濃度升高約100 mg/L）。
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UCT工藝優化效果模擬
上述模擬結果顯示，UCT較A2/O工藝在脫氮上好一些，并在除磷方面好很多。然而，就特定模擬進水水質而言，即使UCT工藝也僅僅是滿足國家一級A排放標準，還不能達到京標B標準（SS=10 mg /L，COD=30 mg/L，TN=15 mg/L，NH4+-N=1.5/2.5 mg/L，TP=0.3 mg/L）、甚至是京標A標準（SS=5 mg/L，COD=20 mg/L，TN=10 mg/L，NH4+-N=1/1.5 mg/L，TP=0.2 mg/L）。對此，可從外加碳源（增加C/P比）或側流磷沉淀（相對提高C/P比）角度解決進水可降解碳源不足的問題。
3.1
外加碳源
在上述模擬的基礎上，保持進水總COD不變，對表2所列COD可降解組分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F: 72mg/L→82mg/L）適當提高（40 mg/L），并相應減少慢性降解組分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
側流磷沉淀
厭氧上清液側流磷沉淀方式可以將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點有機結合。為此，基于圖2所示UCT工藝，在厭氧池末端增加一上清液側流磷沉淀/分離單元（圖7），取側流比為進水量（Qin）的15%；側流上清液以金屬磷酸鹽形式沉淀，磷去除率設定90%。
圖7 側流磷沉淀UCT模擬工藝流程
3.3
模擬結果分析
后兩種強化工藝在出水COD上無差別。外加碳源因常規異養菌（OHO）、磷細菌數量增多使硝化受到一些抑制，但因反硝化/反硝化除磷作用增強而致TN下降約 1mg /L。側流磷沉淀在脫氮上作用雖不及外加碳源，但較原始UCT有明顯效果（TN下降約0.5 mg /L）。其實，外加碳源和側流磷沉淀的工藝性能強化作用主要表現在除磷上，兩者均能使出水PO43-大幅下降（＞50%），最終致出水TP下降至0.21~0.33 mg P/L，特別是側流磷沉淀均＜0.3 mg P/L。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN濃度（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP濃度（含SS）
圖8 不同條件UCT工藝出水模擬結果
顯然，UCT外加碳源或側流磷沉淀在增加C/P方面具有異曲同工之處，導致的最終脫氮除磷效果完全可以達到京標B標準。側流磷沉淀使N、P指標已基本接近京標A標準。顯然，進一步降低出水COD和N、P，完全達到京標A標準只需再降一下SS（圖9）即可，簡單砂濾似乎即可奏效。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
圖9 原始UCT以及變型工藝出水SS中COD、N、P含量
4
結 語
污水處理升級改造是大勢所趨，技術選擇不僅受國標、地標（盡管很大程度上缺乏科學性）制約，更重要的還是工藝決策、設計者缺乏對常規工藝機理的深刻理解，以至于出現很多認識誤區，使本來生物處理便能一并解決的脫氮除磷問題往往通過延長流程的方式，以化學、物理、甚至再加生物的后端形式加以“強化”去除。流程延長導致管理復雜、運行費用攀升等弊端一方面讓運行單位怨聲載道，另一方面，高物耗、能耗、藥耗工藝也背離可持續的原則。
相同進水水質、工藝設計參數下的數學模擬結果顯示，UCT在脫氮上較A2/O工藝要稍好一些，但在除磷方面優勢明顯。針對回流污泥中NO3-可能影響厭氧釋磷的問題，國內試圖以倒置A2/O形式加以解決。但缺氧先行只能以本來應留給磷細菌的VFAs讓常規反硝化“捷足先登”，結果讓磷細菌無“食”可得，不能在系統內生長。通過數學模擬，這一論點得到印證，倒置A2/O系統中幾乎無磷細菌存在，因此，也就難具生物除磷效果。
生物除磷效果越好，出水中溶解性PO43-就越低，而出水SS中因聚磷菌緣故使P含量高（5%~6%）才是制約出水TP達標排放的關鍵。因此，UCT工藝加高效沉淀池或簡單砂濾即可將出水SS降至5 mg/L以下，可能并不需要MBR的助力。
針對進水碳源不足現象，固然可以采取外加碳源方式強化生物脫氮除磷，但采用厭氧單元上清液側流磷沉淀方式具有異曲同工之處，不僅可以回收磷，亦可相對增加C/P值，將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點有機結合，最大程度發揮化學、生物除磷各自優勢。模擬顯示，側流磷沉淀甚至可以使出水TP達到京標A標準，不僅節省了碳源，而且節省大量化學沉淀藥劑。
論文全文將發表在《中國給水排水》雜志上，題目：A2/O工藝用于污水處理廠升級改造的適宜性探討，作者：郝曉地，李天宇，吳遠遠，Mark van Loosdrecht
論文集目次（465頁內文，47位專家報告）：中國給水排水 2017年中國污水處理廠提標改造高級研討會 論文集目次
2017-09-05中國給水排水
住房和城鄉建設部
主辦單位：
北京工業大學
哈爾濱工業大學
1
2
本屆大會以會議研討交流為主（約47個專家報告）和現場參觀典型工程為輔助的形式。
3
17.題目：先進的膜法污水升級改造技術-MABR, MBR和MACmbr
報告人：中國市政工程華北設計研究總院有限公司 城市水環境研究院孫永利 副院長
報告人: 東南大學 能源與環境學院呂錫武 教授、博士生導師
報告人：浙江工業大學 環境學院李軍教授
13：25—13：55
報告人：中國市政工程華北設計研究總院有限公司 第一設計院 李征高工
報告人 ：常州市排水管理處 許光明處長，陳俊 總工程師
16：45—17：10
抽獎
4
2、行業協會：中國城鎮供水排水協會、中國土木工程學會水工業分會、中國低碳產業聯合會、中國勘察設計協會、各地學會、協會等。
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6
會務費：
住宿：
電話：022-27835639 27835592
13752275003
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同時對改造和新建工程進行了能耗追蹤，一期和二期噸水電耗從改造前的；降至；三期新建工程噸水電耗為，出水標準提高而能耗降低，主要源于采用微動力混合池型，取消推流器，降低推流器電耗；同時，懸浮填料填充率增加，大幅提高氧利用率，降低曝氣能耗。
郝曉地 | A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝
摘要
以國內普遍采用的A2/O工藝為背景，通過與UCT工藝模擬對比揭示，A2/O在脫氮上略遜UCT，但在除磷方面明顯落后于UCT。倒置A2/O雖能避免回流污泥中硝酸氮對厭氧釋磷的影響，但卻以犧牲生物除磷為代價。進言之，UCT較A2/O可聚集更多反硝化除磷細菌（DPB），這將最大化同步脫氮除磷作用，同時亦可節省曝氣量。但是，UCT在生物除磷上的優越性會導致出水SS中高含磷量（5%~6%），所以，較高的出水SS（10 mg/L）肯定會產生較高的出水總磷（TP）。降低出水SS（5 mg/L）并輔助外加碳源或側流磷沉淀，UCT不僅可以滿足國家一級A標準，甚至還能達到京標A之地方嚴格標準。厭氧單元上清液側流磷沉淀與外加碳源具有異曲同工之處，可以將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點發揮至極致，不僅避免了外加碳源，亦可實現磷回收。
9月16日-19日，在青島即將舉辦的“污水處理廠提標改造技術交流會”上，郝曉地教授將做題為“A2/O不宜作為污水處理升級改造工藝”的報告，為大家進行詳細闡述，敬請關注！
郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環境工程專業教學與科研工作，主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術、污水處理數學模擬技術、可持續環境生物技術。現為國際水協期刊《Water Research》區域主編（Editor）。
1
工藝模型設計
實踐表明，TUD與ASM聯合模型亦適用于我國市政污水處理廠問題診斷、運行優化、工藝設計。因此，利用之前業已建立的TUD聯合模型，采用AQUASIM 2.0模擬軟件，分別對A2/O、UCT、倒置A2/O工藝建立工藝模型進行模擬。
1.1
工藝設計水質
結合北京某小型市政污水處理廠升級改造設計水量(20 000 m3/d)、水質（見表1），對模型所需COD參數按照污水水質特征化方法，將進水COD區分為如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五種組分。
表1 設計水質年平均值（mg/L）
|
項目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
|
指標 |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD參數組分劃分(mg/L)
|
項目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
|
指標 |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O設計參數與工藝模型
參考我國南北方地區部分既有A2/O工藝實際運行參數，確定工藝模擬設計參數為：1）生化反應總水力停留時間HRT=13 h，其中，厭氧段HRT=3 h，缺氧段HRT=3 h，好氧段HRT=7 h；2）不設初沉池，二沉池HRT=3.6h；3）內回流比（QA）按進水水量（Qin）200%計，污泥回流比（QR）為進水水量（Qin）100%；4）污泥停留時間SRT=15d，好氧池溶解氧DO=2 mg/L。模擬工藝流程如圖1所示。
圖1 A2/O模擬工藝流程
實際污水廠曝氣池內流態接近推流式，這就需要對AQUASIM 2.0中模擬單元以完全混合—推流式建立工藝模型（每個反應池分為串聯的5個子反應器）。工藝模型中，二沉池分為清水區（60%）和污泥區（40%）兩部分，包括水解、PAOs、異養菌、自養菌代謝活動的21個模型反應在污泥區亦全部開啟，即考慮了沉淀池中微生物發生的各種生化反應。
1.3
UCT設計參數與工藝模型
為與A2/O比較，圖2顯示的UCT模型工藝完全移植了上述A2/O模擬工藝設計參數，只不過增加一個內回流QB。
圖2 UCT模擬工藝流程
1.4
倒置A2/O設計參數與工藝模型
倒置A2/O實際上是對A2/O在空間上將厭氧與缺氧位置對換，如圖3所示。因此，模擬工藝設計參數也完全與A2/O一致。
圖3 倒置A2/O模擬工藝流程
2
模擬結果與分析
2.1
出水模擬結果及分析
北方污水處理廠冬季設計溫度通常為12 ℃，夏季為20 ℃。為詳細展示各工藝全年不同季節運行情況，再增加10 ℃和25 ℃兩個極端溫度進行模擬。模擬首先依據出水SS達到一級A標準（即10 mg/L）進行，模擬至穩定狀態后的各工藝出水水質數據對比見圖4。因各工藝出水SS統一設定為10mg/L，所以，根據模擬數據可以直接計算出水SS中COD、N、P之含量（見圖5）。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP（含SS）
圖4 出水模擬計算結果
圖4顯示，各溫度下三種工藝對COD去除幾近一致，出水中溶解性SCOD≤25 mg/L。NH4+-N硝化能力在20 ℃以下時UCT明顯高于A2/O，比倒置A2/O亦好許多。因各工藝反硝化能力受碳源（COD）限制，20 ℃以下時UCT硝化產生的較多的NO3--N不能及時反硝化，以至于比其它兩個工藝高1~3 mg/L。就TN而言，因各工藝SS中所含N成分不盡相同，20 ℃以下時倒置A2/O要比其它兩個工藝低1~2 mg /L。無論溶解性PO43-還是TP，倒置A2/O表現均很差，幾乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要勝于A2/O。
綜上所述，倒置A2/O只具有較強的脫氮能力，在生物除磷方面則無所作為。這是因為倒置A2/O完全違背了要將易降解COD（VFAs）首先在厭氧單元用于PAOs/DPB吸收的原則，以至于用反硝化方式幾乎耗盡了VFAs，導致PAOs/DPB無COD可以利用，在系統中難以繁殖。顯然，在同步脫氮除磷方面，倒置A2/O應禁止應用。否則，P無法生物去除。
UCT因避免了回流污泥中NO3-對厭氧單元PAOs/DPB的影響（競爭VFAs），所以，顯示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外，因UCT進入缺氧單元實際存在兩個循環（QA+QR），使實際回流比為300%，導致NH4+-N硝化機會較A2/O無形增加100%，所以，UCT的硝化能力好于A2/O。盡管UCT300%的缺氧回流比理論上亦有助于增加反硝化的機會，但因碳源（COD）限制而不能將硝化而來的NO3-及時反硝化。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
圖5 出水SS中COD、N、P含量
圖5顯示，三種工藝出水SS中的COD和N含量基本相同，差別在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明顯很低（約占SS總干重2%），直接反映出SS中并不含PAOs/DPB。相反，UCT和A2/O出水SS中P含量高達5%~6%，且UCT要高于A2/O，這說明兩工藝中均存在著相當的PAOs/DPB，這也是兩工藝具有生物高除磷能力的一個旁證。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷貢獻率
反硝化除磷菌（DPB）首先發現于UCT和A2/O工藝之中，這種細菌使用同一碳源即可實現缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O2作為唯一電子受體的吸磷現象，不僅節省了脫氮除磷的碳源，亦可節省曝氣量。表3列出了A2/O和UCT系統聚磷菌（PAOs）吸磷總量以及DPB在生物吸磷方面的貢獻率。
表3 反硝化除磷貢獻率統計表
表3顯示，A2/O工藝中PAOs在缺氧以及好氧單元吸磷總量較UCT低22%~35%；UCT中PAOs的吸磷作用在20 ℃以下時作用特別明顯（＞30%），應主要歸功于DPB的反硝化除磷現象，低溫時表現尤為突出，20 ℃以下時比A2/O高12%~14%。換句話說，UCT工藝生物除磷在很大程度上均以反硝化除磷為主。從這個意義上說，UCT在同步脫氮除磷方面的性能絕對優于A2/O。
2.3
降低出水SS水質效果模擬
盡管UCT與A2/O具有較好的同步脫氮除磷能力，但限于出水較高的SS濃度（10 mg /L），其出水TP濃度距離一級A標準仍然具有一定距離。因此，整體提高出水水質（進一步降低N、P濃度）的技術措施是降低出水中SS的濃度，這也是MBR工藝運用而生的主要理由。其實，設計和運行良好的傳統二沉池完全可以達到與MBR膜分離幾近一致的分離SS（≤ 5 mg/L）的效果。即使傳統二沉池難以勝任將SS降至≤5 mg/L，后接簡單砂濾即可奏效，況且目前還出現了高效沉淀設備。在上述模擬基礎上，只需設定出水SS=5 mg/L，其它任何參數保持不變。進一步模擬結果見圖6。
（a） 溶解性COD
（b）溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP（含SS）
圖6 不同出水SS下模擬結果
圖6顯示，降低出水SS后水質效果主要體現在出水TP上，效果非常明顯，特別針對UCT，使出水TP從＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已滿足一級A排放標準（A2/O仍難以達標！）。這是因為UCT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相應較高（5%~6%），因此降低出水SS對降低TP也就至關重要。其它出水指標（沒有變化或略有變化，主要受出水SS降低后回流污泥濃度有所提高影響（MLSS濃度升高約100 mg/L）。
3
UCT工藝優化效果模擬
上述模擬結果顯示，UCT較A2/O工藝在脫氮上好一些，并在除磷方面好很多。然而，就特定模擬進水水質而言，即使UCT工藝也僅僅是滿足國家一級A排放標準，還不能達到京標B標準（SS=10 mg /L，COD=30 mg/L，TN=15 mg/L，NH4+-N=1.5/2.5 mg/L，TP=0.3 mg/L）、甚至是京標A標準（SS=5 mg/L，COD=20 mg/L，TN=10 mg/L，NH4+-N=1/1.5 mg/L，TP=0.2 mg/L）。對此，可從外加碳源（增加C/P比）或側流磷沉淀（相對提高C/P比）角度解決進水可降解碳源不足的問題。
3.1
外加碳源
在上述模擬的基礎上，保持進水總COD不變，對表2所列COD可降解組分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F:72mg/L→82mg/L）適當提高（40 mg/L），并相應減少慢性降解組分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
側流磷沉淀
厭氧上清液側流磷沉淀方式可以將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點有機結合。為此，基于圖2所示UCT工藝，在厭氧池末端增加一上清液側流磷沉淀/分離單元（圖7），取側流比為進水量（Qin）的15%；側流上清液以金屬磷酸鹽形式沉淀，磷去除率設定90%。
圖7 側流磷沉淀UCT模擬工藝流程
3.3
模擬結果分析
后兩種強化工藝在出水COD上無差別。外加碳源因常規異養菌（OHO）、磷細菌數量增多使硝化受到一些抑制，但因反硝化/反硝化除磷作用增強而致TN下降約 1mg /L。側流磷沉淀在脫氮上作用雖不及外加碳源，但較原始UCT有明顯效果（TN下降約0.5 mg /L）。其實，外加碳源和側流磷沉淀的工藝性能強化作用主要表現在除磷上，兩者均能使出水PO43-大幅下降（＞50%），最終致出水TP下降至0.21~0.33 mg P/L，特別是側流磷沉淀均＜0.3 mg P/L。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN濃度（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP濃度（含SS）
圖8 不同條件UCT工藝出水模擬結果
顯然，UCT外加碳源或側流磷沉淀在增加C/P方面具有異曲同工之處，導致的最終脫氮除磷效果完全可以達到京標B標準。側流磷沉淀使N、P指標已基本接近京標A標準。顯然，進一步降低出水COD和N、P，完全達到京標A標準只需再降一下SS（圖9）即可，簡單砂濾似乎即可奏效。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
圖9 原始UCT以及變型工藝出水SS中COD、N、P含量
4
結 語
污水處理升級改造是大勢所趨，技術選擇不僅受國標、地標（盡管很大程度上缺乏科學性）制約，更重要的還是工藝決策、設計者缺乏對常規工藝機理的深刻理解，以至于出現很多認識誤區，使本來生物處理便能一并解決的脫氮除磷問題往往通過延長流程的方式，以化學、物理、甚至再加生物的后端形式加以“強化”去除。流程延長導致管理復雜、運行費用攀升等弊端一方面讓運行單位怨聲載道，另一方面，高物耗、能耗、藥耗工藝也背離可持續的原則。
相同進水水質、工藝設計參數下的數學模擬結果顯示，UCT在脫氮上較A2/O工藝要稍好一些，但在除磷方面優勢明顯。針對回流污泥中NO3-可能影響厭氧釋磷的問題，國內試圖以倒置A2/O形式加以解決。但缺氧先行只能以本來應留給磷細菌的VFAs讓常規反硝化“捷足先登”，結果讓磷細菌無“食”可得，不能在系統內生長。通過數學模擬，這一論點得到印證，倒置A2/O系統中幾乎無磷細菌存在，因此，也就難具生物除磷效果。
生物除磷效果越好，出水中溶解性PO43-就越低，而出水SS中因聚磷菌緣故使P含量高（5%~6%）才是制約出水TP達標排放的關鍵。因此，UCT工藝加高效沉淀池或簡單砂濾即可將出水SS降至5 mg/L以下，可能并不需要MBR的助力。
針對進水碳源不足現象，固然可以采取外加碳源方式強化生物脫氮除磷，但采用厭氧單元上清液側流磷沉淀方式具有異曲同工之處，不僅可以回收磷，亦可相對增加C/P值，將化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點有機結合，最大程度發揮化學、生物除磷各自優勢。模擬顯示，側流磷沉淀甚至可以使出水TP達到京標A標準，不僅節省了碳源，而且節省大量化學沉淀藥劑。
論文全文將發表在《中國給水排水》雜志上，題目：A2/O工藝用于污水處理廠升級改造的適宜性探討，作者：郝曉地，李天宇，吳遠遠，Mark van Loosdrecht
