污水處理廠升級改造中的認識誤區
導讀
脫氮除磷是污水處理廠升級改造的核心內容。長期以來，我國在技術應用時普遍存在認識偏差、甚至是錯誤的，使得污水處理工藝路線選擇常常走偏，導致脫氮除磷運行時難以達標排放。在日益嚴格的排放標準以及嚴肅的環保監管形勢下，升級改造成為必然。在這個問題上，采用新技術、延長流程似乎已經成為升級改造的趨勢，很少有人回過頭來琢磨既有工藝的“天生”缺陷。其實，我們對歐洲國家已研究、應用了20多年的反硝化除磷（DPB）作用仍停留在學術重復和改名階段，深思熟慮的工程應用幾乎不復存在，以至于A2/O成為脫氮除磷的主流工藝。事實上，A2/O工藝本身便可聚集DPB，只不過效果較UCT要差。因此，變型為UCT便可將反硝化除磷（與硝化細菌并不存在泥齡矛盾）發揚光大，無需向無助于生物除磷的多級A/O、MBR、MBBR等方向發展，也可以棄用生物脫氮+化學除磷的常規處理模式。
作者簡介：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）。
我國對脫氮除磷技術應用的時間應該說幾乎與歐洲同步，A/O、A2/O、甚至倒置A2/O等工藝應用從20世紀末就已經開始，以至于到目前形成了以A2/O及其變型為主的脫氮除磷工藝。然而，在實際應用中發現，A2/O在脫氮方面還較為滿意，但生物除磷普遍不靈，出水很難達到TP<1.0 mg P/L，不得不靠后端化學除磷方式滿足TP<0.5 mg P/L這樣的嚴格排放標準。
對此，國內工程界甚至學術界形成了各種各樣的認識和論點，像“脫氮與除磷存在泥齡矛盾”、“生物脫氮簡單、化學除磷容易”、“多級AO好于A2/O”、“MBR（A2/O+膜分離）可產生優質出水”、“MBBR適合升級改造”等等，還有懷疑生物除磷理論不成熟的偏激觀點。
其實，上述論點都是基于對脫氮除磷（特別是反硝化除磷）理論的表觀認識或片面理解，仍然將脫氮與除磷分離看待的結果。基于反硝化除磷理論，脫氮與除磷是一體的，是一種細菌（DPB，可以NO3-或O2分別作為電子受體）在缺氧環境下發生的同步脫氮除磷現象，可謂“一石兩鳥。生物除磷通過排泥去除細胞內多聚磷酸鹽（poly-P）固然需要較短的污泥齡（SRT），而硝化受細菌世代時間限制必須采用長SRT。但在工程應用中，其實磷細菌與硝化細菌所需要的最低SRT并無多大差別。MBR和MBBR在生物凈化機理上根本無助于生物除磷。
針對國內學術、工程界上述有關脫氮除磷的錯誤論點，本文將逐一通過既有理論、實驗數據、數學模擬予以詳細解釋并予以澄清。
1 脫氮與除磷存在泥齡矛盾
傳統觀點認為，硝化菌（AOB/NOB）所需最小SRT要比磷細菌（PAOs/DPB）長；如果SRT滿足硝化細菌生長條件，磷細菌則不能較多地排出系統，導致除磷效果變差。這其實就是所謂脫氮除磷存在泥齡矛盾的認識出發點。但是之前通過對BCFS反硝化除磷系統各溫度下磷細菌與硝化菌最小SRT模擬實驗時發現，雖然反硝化工藝磷細菌（PAOs/DPB）所需最小SRT比硝化菌要短，但兩者差別不大，也就僅有1 d之差，如圖1所示。換句話說，工程上可將磷細菌與硝化菌最小SRT 視為一致，即不存在什么泥齡矛盾，這與Brdjanovic等人實驗發現十分相符。這就是說，同步脫氮除磷系統中，SRT并不能取的太短，否則，連磷細菌也生長不起來，低SRT排泥除磷也就失去意義。
圖1 反硝化除磷系統中硝化菌與磷細菌最小SRT比較
可見，脫氮與除磷存在泥齡矛盾其實是一種主觀臆斷，是僅從兩種細菌各自世代時間比較而得出的錯誤判斷。這也是為什么獨立于反硝化除磷的硝化雙污泥A2N系統在荷蘭只實驗演示而沒有實際工程應用的主要原因。
2 生物脫氮+化學除磷乃低碳源污水之策
化學除磷具有宏量效果好，微量效果差之特點，具體見圖2，圖中箭頭處數值為Fe/P (Al /P)物質的量之比。
圖2 化學除磷過程
根據化學反應動力學，初始PO43-濃度越高，化學反應所需的金屬離子與P摩爾比就越低，反之，則越高。上述階段性投加化學藥劑固然可以節省藥劑投加量，但所需反應時間較長。當然，可以采用反應伊始時便投加大藥劑，以縮短反應時間。換句話說，如果采用化學除磷方式將污水中通常2~5 mg P/L的PO43-降低至四類水體標準，過量投加化學藥劑所帶來的運行成本以及制造、運輸藥劑間接產生的CO2排放量顯然與污水處理節能降耗之目標背道而馳。
反觀生物除磷，具有微量效果極佳的顯著特點。在完全滿足磷細菌生長條件（厭氧--缺氧/好動態循環生長環境）以及所需環境條件（保證存在還原轉化所需乙酸碳源）的前提下，磷細菌在缺氧（DPB）或好氧（PAOs/DPB）環境中幾乎可以將水環境中的溶解性PO43-全部吸收到細胞內形成poly-P。通過二沉池泥水分離，上清液中溶解性PO43-可降至“0”這樣的低水平。從生物脫氮除磷工藝角度來來看，A2/O或UCT完全按磷細菌所需動態生長環境所設計，可以聚集大量磷細菌。只是在工程實踐中，我國很多地區污水中低C/P、C/N比可能限制磷細菌正常生長。然而，從A2/O或UCT中所發現的反硝化除磷現象通過DPB細菌生將物脫氮與除磷“合二為一”，無形中相當于增加了一倍脫氮除磷所需碳源。因此，低碳源污水脫氮除磷工藝首要考慮的就是創造DPB的最大富集條件。在此方面，UCT明顯好于A2/O，這已被模擬試驗所證實。
因此，將脫氮與除磷分別以生物和化學方式隔離并非低碳源污水脫氮除磷的上策，其結果將以較大化學藥劑投加量以及相應的碳排放作為代價。
3 多級A/O比A2/O脫氮除磷效果好
多級A/O工藝以Bardenpho工藝為代表，隨后又衍生出多點進水的多級A/O，如圖3所示。
圖3 典型多級A/O工藝流程
Bardenpho（圖3a）出現于20世紀70年代，當時還沒有發現反硝化除磷現象。這種工藝在設計原理上將脫氮與除磷分隔設置，通過前置反硝化方式將污水中大部分氨氮在第一個好氧池（O1）硝化回流至第一個缺氧池（A1）而脫氮。第二級A/O原理上是除磷，即通過第二個厭氧池（A2）釋磷、第二個好氧池（O2）吸磷。然而，這種工藝將進水碳源（特別是VFAs）在第一級A/O中已大部分消耗（A1反硝化、O1碳氧化），留給第二級A/O的碳源已所剩無幾（特別是磷細菌所必須的VFAs），因此，磷細菌在這種情況下難以生長、繁殖，除磷也就無從談起。顯然，Bardenpho工藝要想具備同步脫氮除磷功能需要進水中的碳源異常充足，在滿足反硝化（A1）和直接碳氧化（O1）的需要后仍有碳源（VFAs）剩余，這樣才能保證A2中磷細菌對乙酸的攝取，進而使O2產生吸磷作用。
多點進水多級A/O（圖3b）在工藝設計上碳源分段進入三個厭氧（實為缺氧）池，但在“厭”氧池內發生的主要還是常規反硝化作用。首先，污泥回流中的NO3-首先在A1中反硝化而與磷細菌搶奪碳源，接下來O1池硝化產生的NO3-會進入A2，以此類推。結果，這個工藝其實與Bardenpho類似，主要以硝化和反硝化為主，磷細菌也很難得勢生長。
基于之前模擬A2/O時的相同水質、水量以及反應池體積，分別對圖3所示的Bardenpho和三段多點進水工藝進行模擬，結果如圖4所示。顯然，Bardenpho幾乎沒有除磷作用，多點進水工藝稍微存在一些除磷效果，但與A2/O效果簡直不能同日而語。如果將與A2/O變型為UCT，除磷效果則會更好。
圖4 A2/O，Bardenpho與多級A/O工藝出水模擬比較
4 MBR為低氮、磷出水之選
A2/O+膜過濾（MBR）目前似乎已成我國污水處理升級改造的“標配”。很多決策者將出水達標和緩解黒臭水體的寶全部“押”在了MBR上。事實上，MBR對生物凈化功能（特別是脫氮除磷）的強化作用幾乎沒有，只是可以聚積較高的生物量而已。相反，曝氣池高的生物量意味著低的排泥量，這對以排除剩余污泥而產生的生物除磷作用十分不利。況且，膜只能截留不溶解的SS，如果前端吸磷效果不佳，溶解性PO43-將無法對其進行截留。對A2/O和UCT模擬結果顯示，UCT在除磷效果方面遠好于A2/O，只要保持出水SS在5 mg/L以下，出水TP甚至可以達到北京地方標準中的A標準（0.3 mg P/L）。而從傳統二沉池出水SS=10 mg/L降低至SS在5 mg/L以下只需傳統砂濾即可奏效。
有關MBR在能耗、占地、費用、清洗等方面的綜合評價表明，MBR并不是一種稱得上具有可持續性的工藝。有鑒于此，荷蘭僅有的幾座MBR工藝在經歷了幾年高能耗以及清洗（膜污染）導致的高昂運行費后已被拆除，繼而回歸傳統活性污泥+砂濾方式工藝。這對比中國更加缺地的荷蘭來說實屬一種明智的選擇。
5 MBBR適合升級改造
輕質懸浮型填料出現使得生物膜技術獲得了空前的發展，人們寄希望于向曝氣池中定向投加懸浮填料，以期在懸浮增長的生物量（活性污泥）基礎上再獲得1倍以上的增值生物量（生物膜），這也就促進了MBBR（Moving Bed Biofilm Reactor）工藝的出現和應用。理論上講，單位體積內的生物量增加，要么可以減少反應器的體積，要么可以增加反應器對污染負荷的處理能力。所以，MBBR應用而生。
對污水處理各種細菌所需要的生長環境來說，填料投入A2/O好氧、缺氧池倍增生物量后可強化碳氧化、硝化、反硝化作用。但將填料投入厭氧池，只可能有助于顆粒有機物的水解、酸化作用，并不會促進磷細菌的倍增，因為磷細菌是一種“動態”細菌，需要順序存在厭氧--缺氧/好氧的環境下才能生長。投入厭氧池的填料顯然難以實現這種環境上的需要（僅固守于厭氧池），所以，磷細菌不會像常規異養菌（OHO）、硝化菌那樣增量繁殖。只有采用向SBR反應器中投加填料的方式才有可能同時獲得PAOs/DPB、OHO和AOB/NOB倍增的機會。因此，填料在A2/O等連續流工藝生物除磷方面強化作用僅局限于水解、酸化，不會對磷去除產生明顯改進。
筆者進行的SBR加填料（德國Mutag BioChip™；園片型，直徑=22 mm，厚度=1 mm，比表面積>3 000 m2/m3）試驗表明，加填料SBR反應器近1年后生物膜生物量確實持續增長，最終使該反應器內的總生物量（生物膜+活性污泥）增加到未加填料SBR反應器（僅有活性污泥，MLVSS=1 400~1 800 mg/L）的2.9倍。但兩個反應器對COD、N和P的去除率幾乎處于相同的處理水平，均能使模擬生活污水（COD=200~400 mg/L，TN=40~80 mgN/L，TP=8~16 mgP/L）達到國家一級A標準，并沒有觀察到兩個反應器在凈化效果上的明顯差別。即使在非穩態工況下運行，兩個反應器對COD、N和P的去除率也沒有出現明顯預期差別。
總之，MBBR添加表觀比表面積填料會有助于生物膜生長、老化脫落、避免有機物沉積，產生的生物增加量也有助于生物凈化作用。然而，對市政污水而言，傳統活性污泥法只要保持3 000~4 000 mg/L的MLSS，對COD、N、P去除完全可以奏效，用不著額外再去加填料而增加太多的生物量，除非進水中各種污染物濃度超高。然而，所添加的填料無助于生物除磷（像A2/O這樣的連續流工藝），反而會導致懸浮污泥的破碎、細化，造成二沉困難，最后只得求助于后端膜分離（MBR）來解決出水SS分離問題。這會使工藝流程延長而耗能，導致運行管理上出現麻煩。
6 結語
在污水處理升級改造或新廠建設方面，業主、設計者往往追求所謂新技術、新工藝，以至于形成了傳統工藝難以滿足嚴格排放標準的“共識”。對市政污水處理來說，脫氮除磷是關鍵，至于COD需達超低排放標準（30 mg/L）只是排放標準不科學制定的問題（荷蘭出水COD允許120 mg/L，但BOD5卻要求在1 mg/L；惰性COD進入水體不會耗氧，也不會對健康構成什么危害）。在脫氮除磷方面，普遍低碳源是我國污水的特征，但這不等于說傳統工藝就不能應對低碳源下的脫氮除磷問題。回歸傳統工藝，比如說，A2/O特別是UCT，反硝化除磷及側流磷回收等都可以輕易實現，完全可棄用前端投加碳源（脫氮），后端投加化學藥劑（除磷）的常規脫氮除磷方式，也不需要無限延長流程（多級AO、后端深V濾池等），更不需要MBR或MBBR這些無助于生物除磷的所謂新工藝助力。
更詳細內容參見《中國給水排水》第4期：污水處理廠升級改造中的認識誤區，作者：北京建筑大學城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室中-荷未來污水處理技術研發中心 郝曉地，方曉敏，李天宇，吳遠遠
