張波¹，高廷耀²
（1 青島建筑工程學(xué)院環(huán)境工程系，山東青島266033；2同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

　　摘要：通過(guò)短時(shí)厭氧環(huán)境的生化特性、厭氧/缺氧環(huán)境倒置效應(yīng)和小型系統(tǒng)平行對(duì)比試驗(yàn)，較系統(tǒng)地研究了倒置A²/O工藝的原理和工藝特點(diǎn)。指出：聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其在后續(xù)曝氣條件下過(guò)度吸磷能力的充分必要條件。推進(jìn)聚磷菌過(guò)度吸磷的本質(zhì)動(dòng)力與厭氧區(qū)HRT和厭氧環(huán)境的厭氧程度有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，厭氧環(huán)境的HRT越長(zhǎng)，厭氧程度越充分，聚磷菌的吸磷動(dòng)力越強(qiáng)。把常規(guī)生物脫氮除磷系統(tǒng)的厭氧、缺氧環(huán)境倒置過(guò)來(lái)，可以得到更好的脫氮除磷效果。小型系統(tǒng)平行對(duì)比試驗(yàn)表明，倒置A²/O工藝的氮磷脫除功能明顯優(yōu)于常規(guī)A²/O工藝，其COD去除能力則與常規(guī)A²/O工藝相當(dāng)。
　　關(guān)鍵詞：污水處理；脫氮；除磷；倒置A²/O工藝
　　中圖分類號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)07-0011-05

Principle and Characteristics of Reversed A²/O Process
ZHANG Bo ¹,GAO Ting yao ²
(1Departof EnvironEng,Qingdao Construction Institute,Qingdao 266033，China;2 State Key Labof Pollution Control and Resource Reuse,Tongji Univ,Shanghai 200092, China)

　　Abstract：The biochemical characteristics of short time retention in anaerobic zone and sequence reversing of anaerobic and anoxic zones on phosphorus release and uptakewere studied in bench scale experiments The results showed that:(1) the effective phosphorus release, fully or not, is not the sufficient and necessary condition deciding the ability of excess Puptake To a certain extent,a relativelylonger HRT and a more sufficient anaerobic environment produce a stronger potential of excess Puptake in the following aerobic condition(2) a much better effect of N-P removal can be obtained in biological nutrient removal process by reversing the position of anaerobic and anoxic zones and turning into reversed A²/O process Its phosphorus and nitrogen removal rates are markedly higher thanthat of conventional A²/O process, whereas the COD removal rates are about equal
　　Keywords: wastewater treatment;nitrogen removal;phosphorus removal;reversed A²/O process

　　常規(guī)生物脫氮除磷工藝呈厭氧(A1)/缺氧(A2)/好氧(O)的布置形式。該布置在理論上基于這樣一種認(rèn)識(shí)，即：聚磷微生物有效釋磷水平的充分與否，對(duì)于提高系統(tǒng)的除磷能力具有極端重要的意義，厭氧區(qū)在前可以使聚磷微生物優(yōu)先獲得碳源并得以充分釋磷^［1］。但是，①由于存在內(nèi)循環(huán)，常規(guī)工藝系統(tǒng)所排放的剩余污泥中實(shí)際上只有一少部分經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷過(guò)程，其余則基本上未經(jīng)厭氧狀態(tài)而直接由缺氧區(qū)進(jìn)入好氧區(qū)，這對(duì)于除磷是不利的；②由于缺氧區(qū)位于系統(tǒng)中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影響了系統(tǒng)的脫氮效果；③由于厭氧區(qū)居前，回流污泥中的硝酸鹽對(duì)厭氧區(qū)產(chǎn)生不利影響，為了避免該影響而開(kāi)發(fā)的一些新工藝(如UCT等)趨于復(fù)雜化；④實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，按照缺氧—好氧兩段設(shè)計(jì)的脫氮工藝系統(tǒng)也常常表現(xiàn)出良好的除磷能力^［2、3］。因此，常規(guī)生物脫氮除磷工藝(A1/A2/O)布置的合理性值得進(jìn)一步探討。

1 材料與方法

　　活性污泥取自污水生物脫氮除磷小型試驗(yàn)系統(tǒng)，污水取自實(shí)際城市污水。污水和污泥的性質(zhì)見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2 1短時(shí)厭氧環(huán)境及其對(duì)聚磷菌的影響
　　短時(shí)厭氧環(huán)境在生物脫氮除磷系統(tǒng)中具有關(guān)鍵性作用，本試驗(yàn)?zāi)康氖强疾於虝r(shí)厭氧環(huán)境的生化特性及其對(duì)聚磷菌釋、吸磷行為的影響。?
　　①試驗(yàn)采用2只完全相同的有機(jī)玻璃柱，有效體積均為30 L(見(jiàn)圖1)。柱1裝有隨中心軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的彈性立體填料，柱2不裝填料，由攪拌槳攪拌。電機(jī)轉(zhuǎn)速為15～20 r/min，柱上方均設(shè)有蓋板。

　　柱1作掛膜運(yùn)行，HRT＝20～30 h，溫度為24～29℃。為了單獨(dú)考察城市污水在短時(shí)厭氧環(huán)境污水中VFA的變化，試驗(yàn)未引入小試系統(tǒng)活性污泥。柱內(nèi)微生物完全為厭氧環(huán)境下由污水自然接種生長(zhǎng)起來(lái)的厭氧或兼性細(xì)菌，顯然其厭氧程度較一般脫氮除磷系統(tǒng)的厭氧區(qū)更為充分。柱2作為對(duì)比，未作任何處理。正式試驗(yàn)時(shí)，將兩柱瞬時(shí)放空，注入新鮮污水，然后啟動(dòng)電機(jī)，每隔2h取樣，分析污水中VFA隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖2。

　　 圖2表明，在本試驗(yàn)條件下，短時(shí)厭氧環(huán)境并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區(qū)放置填料則會(huì)加劇該區(qū)VFA的消耗。
　　根據(jù)厭氧消化理論，污水中的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為VFA需要經(jīng)歷水解和產(chǎn)酸(產(chǎn)氫)兩個(gè)過(guò)程。盡管早期的研究曾認(rèn)為在此過(guò)程中兼性細(xì)菌屬于優(yōu)勢(shì)種群，但關(guān)于生活污水污泥消化的研究指出，事實(shí)正好相反，專性厭氧細(xì)菌較兼性細(xì)菌多100倍以上。從總體上說(shuō)，最重要的水解反應(yīng)和發(fā)酵反應(yīng)都是通過(guò)專性厭氧細(xì)菌進(jìn)行的，同時(shí)由于專性厭氧細(xì)菌的生化效率很低，上述過(guò)程需要較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間。Andrews和Pearson(1965)曾利用溶解性有機(jī)和無(wú)機(jī)合成污水對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程的VFA產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng) HRT ＝2.5 d時(shí)反應(yīng)器的VFA濃度最高。
　　本試驗(yàn)所采用的 HRT =2～3 h(這與生物除磷工藝厭氧區(qū)的HRT相近)，污水 COD 僅500mg/L左右。在這樣的條件下，柱內(nèi)實(shí)際上很難造就類似污泥消化那樣的厭氧環(huán)境并培養(yǎng)出大量的專性厭氧菌，生物膜上的微生物主體仍為消耗VFA的兼性細(xì)菌，故而柱1的VFA數(shù)量不僅沒(méi)有增加，反而消耗很快。柱2完全為污水，其微生物數(shù)量較少，所以其VFA在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)基本上保持恒定。只是在一定時(shí)間以后，隨著微生物的增殖，VFA才出現(xiàn)明顯下降。本試驗(yàn)說(shuō)明，就一般城市污水而言，短時(shí)厭氧區(qū)不會(huì)增加污水中VFA的量。
　　② 將柱1、柱2放空，從小試系統(tǒng)好氧區(qū)末端取3 L混合液，與3 L污水混合后一分為二地分別裝入柱1、柱2，然后啟動(dòng)電機(jī)；兩柱厭氧運(yùn)行2～3 h后取出填料和攪拌槳，并同時(shí)轉(zhuǎn)入曝氣狀態(tài)每隔30 h取樣分析比較兩柱釋磷、吸磷特點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

　　圖3(a～d)是在不同時(shí)間利用實(shí)際污水進(jìn)行的四組重復(fù)性試驗(yàn)。由于實(shí)際污水水質(zhì)的變化，圖3污水中的VFA濃度是依次下降的。圖3(a、c)的厭氧歷時(shí)為3 h，圖3(b、d)的厭氧歷時(shí)為2 h。
　　該四組圖表明：①在厭氧條件下進(jìn)水VFA越高，柱1、柱2的釋磷量越大，這與以往的認(rèn)識(shí)是一致的。②柱1存在兼性生物膜，致使其厭氧環(huán)境較柱2更為充分。當(dāng)VFA較多時(shí)，低ORP水平促使柱1聚磷菌以更快的速率吸收VFA合成PHB，同時(shí)釋放出磷酸鹽。由圖可見(jiàn)，柱1初期釋磷速率均明顯大于柱2。圖3(d)進(jìn)水VFA最低，柱1釋磷曲線一直在柱2的上方，直至厭氧段結(jié)束，柱2釋磷曲線才與柱1交合。但是柱1兼性生物膜同時(shí)消耗VFA，當(dāng)反應(yīng)器中VFA不足時(shí)，兼性生物膜與聚磷菌對(duì)VFA的競(jìng)爭(zhēng)就表面化了，并使柱1釋磷速率迅速衰減。柱2基本上不存在這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，故聚磷菌能長(zhǎng)時(shí)間保持較高的釋磷速率并最終在釋磷總量上超過(guò)柱1。除圖3(d)外，投加填料的柱1釋磷總量均比柱2小，而且進(jìn)水VFA越高其差別越明顯，見(jiàn)圖3(a、b)。 ③在后續(xù)好氧條件下，柱1聚磷菌過(guò)度吸磷能力明顯高于柱2，當(dāng)厭氧歷時(shí)由3 h降為2 h時(shí)上述差別明顯增大，見(jiàn)圖3(b、d)。該現(xiàn)象是值得特別關(guān)注的，它表明聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其好氧過(guò)度吸磷能力的充分必要條件。這與目前流行的關(guān)于聚磷菌厭氧有效釋磷越高，其過(guò)度吸磷能力越強(qiáng)的認(rèn)識(shí)基本上是矛盾的。從上述現(xiàn)象分析推動(dòng)聚磷菌好氧過(guò)度吸磷的更本質(zhì)動(dòng)力，可以得出的判斷是，在一定范圍內(nèi)，聚磷菌在厭氧環(huán)境中的歷時(shí)越長(zhǎng)，環(huán)境的ORP越低，促進(jìn)好氧吸磷的動(dòng)力越大。而就系統(tǒng)的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現(xiàn)象。好氧吸磷的能量既可以來(lái)自胞內(nèi)貯存的碳源(如PHB)，也可以從其他方面獲得。這種差別當(dāng)厭氧歷時(shí)由3 h減為2h時(shí)變得尤其明顯，表明厭氧環(huán)境對(duì)于微生物過(guò)度吸磷的極端重要性。
　　2.2厭氧、缺氧環(huán)境倒置對(duì)聚磷菌的影響
　　采用2只幾何尺寸完全相同的有機(jī)玻璃柱進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，柱的有效體積均為30 L，底部設(shè)有
取樣口。其厭氧、缺氧狀態(tài)采用如圖1(柱2)所示的可拆卸攪拌槳攪拌，電機(jī)轉(zhuǎn)速為15～20 r/mi
n。好氧狀態(tài)由微孔曝氣頭曝氣，開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，從小試系統(tǒng)好氧區(qū)末端取3 L混合液，與3 L污水混合后，一分為二地分別裝入兩柱。柱1初始時(shí)刻另加入適量KNO₃溶液，然后啟動(dòng)電機(jī)分別進(jìn)入缺氧、厭氧攪拌狀態(tài)。攪拌2 h后，再向柱2加入KNO₃溶液。4 h后兩柱同時(shí)結(jié)束攪拌，取出攪拌槳，并轉(zhuǎn)入曝氣狀態(tài)。因此，柱1實(shí)際是按照A2/A1/O方式運(yùn)行，柱2按照常規(guī)的A1/A2/O方式運(yùn)行。每隔30 min取樣，分析比較兩柱的PO₄^3--P和NO₃^--N變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以看到，柱1從零時(shí)刻加入硝酸鹽起，在前2 h內(nèi)實(shí)際上處于缺氧狀態(tài)，反硝化、釋磷同時(shí)進(jìn)行。但和柱2相比，柱1前的釋磷速率很低；至30 min時(shí)，釋磷幾乎完全停止；60 min后，隨著硝酸鹽基本耗盡，釋磷速率迅速增大；至240 min，柱內(nèi)濃度達(dá)到65 mg/L。圖中A點(diǎn)硝酸鹽上升是由于誤操作引起的，有趣的是，柱1的釋磷曲線也出現(xiàn)了點(diǎn)A′相應(yīng)的變化。

　　柱2在120min時(shí)加入硝酸鹽，因此其前2 h內(nèi)為厭氧，后2 h基本為缺氧。柱2前2 h的釋磷速率很快，至120 min時(shí)PO₄^3--P高達(dá)7.3 mg/L。120 min后由于硝酸鹽的加入，聚磷菌開(kāi)始吸磷，但由于缺氧狀態(tài)下微生物ATP產(chǎn)率較低，故該階段的吸磷速率并不高。至180 min硝酸鹽消耗殆盡，吸磷也基本上停止。進(jìn)入曝氣狀態(tài)后，柱2雖重新開(kāi)始吸磷，但因前面缺氧段的存在，致使其吸磷速率大大低于柱1。曝氣開(kāi)始時(shí)，柱1的PO₄^3--P濃度高達(dá)6.5 mg/L，柱2僅為5.3 mg/L。但至480 min，柱1的PO₄^3--P濃度為0.1 mg/L，而柱2的PO₄^3--P卻為1.05 mg/L，兩者相差10倍。從脫氮角度看，兩者均把柱內(nèi)硝酸鹽全部反硝化，但柱1的比反硝化速率為4.12 mgN/(h·gVSS)，柱2為280 mgN/(h·gVSS)，柱1明顯快于柱2。
　　從上面的討論可以看出，將常規(guī)生物脫氮除磷工藝系統(tǒng)的厭氧、缺氧環(huán)境倒置，可明顯改善系統(tǒng)的氮磷脫除效果。在倒置的A2/A1/O方式下，碳源問(wèn)題仍然存在，并造成聚磷菌的釋磷水平明顯低于常規(guī)的A1/A2/O方式。但在該方式中，由于硝酸鹽在前面的缺氧區(qū)已經(jīng)消耗殆盡，因此其厭氧環(huán)境更加充分，微生物厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成的吸磷動(dòng)力得到了更有效的利用。
　　對(duì)常規(guī)脫氮除磷工藝來(lái)說(shuō)，污泥回流比常在0.5～1.0左右，內(nèi)循環(huán)比則在2.0～3.0之間。在所有參與內(nèi)外循環(huán)的污泥中，通常只有占總數(shù)不到一半的回流污泥經(jīng)歷了完整的釋磷、吸磷過(guò)程，而大部分污泥實(shí)際上沒(méi)有經(jīng)過(guò)厭氧階段而直接進(jìn)入缺氧和好氧環(huán)境。相應(yīng)地，其所排放的剩余污泥中富磷污泥的含量實(shí)際上也只占一少部分，因而影響了系統(tǒng)的除磷效果。與此不同，A2/A1/O方式允許參與回流的所有污泥全部經(jīng)歷完整的釋磷、吸磷過(guò)程，故其排放的剩余污泥含磷更高，系統(tǒng)的除磷效果也更好，具有一種“群體效應(yīng)”優(yōu)勢(shì)。
　　在A2/A1/O方式中，缺氧段優(yōu)先得到碳源，故其脫氮能力明顯增強(qiáng)。在本試驗(yàn)條件下，其比反硝化速率和A1/A2/O方式相比提高50%。
　　從工程角度講，A2/A1/O方式不僅具有較好的氮磷脫除能力，而且可能較傳統(tǒng)脫氮除磷工藝更加簡(jiǎn)捷。工程上采取一定措施，使其污泥回流和內(nèi)循環(huán)合并為一個(gè)回流系統(tǒng)是完全可能的，這對(duì)于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)捷、高效的生物脫氮除磷工藝來(lái)說(shuō)是十分有利的。
　　2 3 倒置A²/O工藝的特點(diǎn)
　　采用兩個(gè)平行系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，系統(tǒng)1以倒置A²/O方式運(yùn)行，系統(tǒng)2以常規(guī)A²/O方式運(yùn)行。兩系統(tǒng)的有效容積均為77.2 L，各區(qū)比例為A2(A1):A1(A2):O＝1:1:2，二沉池水力停留時(shí)間為21h，非曝氣區(qū)采用攪拌槳攪拌。
　　試驗(yàn)初期,從污水廠生產(chǎn)性曝氣池取活性污泥引入小試系統(tǒng),經(jīng)過(guò)一個(gè)月的試運(yùn)行，MLVSS達(dá)2～3 g/L，出水COD降至50 mg/L以下，遂開(kāi)始正式試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的工藝參數(shù)和運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2。由于倒置A²/O工藝取消了內(nèi)循環(huán)，因此其回流系統(tǒng)只有一個(gè)，總回流比也比常規(guī)A²/O工藝減少了20%。試驗(yàn)中的小流量控制比較困難，因此系統(tǒng)1的實(shí)際進(jìn)水量稍大于系統(tǒng)2，這導(dǎo)致其實(shí)際水力停留時(shí)間略短于表2中的8 h，MLVSS也相應(yīng)地較系統(tǒng)2偏高。作為對(duì)比性試驗(yàn)，這種差異對(duì)于系統(tǒng)1略為不利。
　　由表2可以看出，兩個(gè)系統(tǒng)的COD去除能力相當(dāng)，并均高達(dá)90%以上，出水最高COD均在50 mg/L以下，表中系統(tǒng)1的出水COD略高于系統(tǒng)2是其實(shí)際進(jìn)水量偏大所致。可以說(shuō)，倒置A²/O工藝在COD去除能力方面與常規(guī)A²/O工藝相當(dāng)，是令人滿意的。
　　但值得注意的是，兩系統(tǒng)的氮磷脫除功能有明顯差異。系統(tǒng)1(倒置A²/O工藝)的出水TN是8.9mg/L，去除率為84.7%；系統(tǒng)2(常規(guī)A²/O工藝)的出水TN是14.9 mg/L，去除率為74.4%。系統(tǒng)1的TN去除率比系統(tǒng)2整整高出10%。同樣還觀察到，系統(tǒng)1的出水TP僅為0.67 mg/L，其TP去除率比系統(tǒng)2高出近9%。兩系統(tǒng)出水水質(zhì)的這種顯著差異說(shuō)明倒置A²/O工藝的氮磷脫除功能的確優(yōu)于常規(guī)A²/O工藝。

3 結(jié)論
　　① 就一般城市污水而言，短時(shí)厭氧區(qū)( HRT ＝2～3 h)并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區(qū)設(shè)置填料將明顯加劇該區(qū)VFA的消耗。
　　②聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其在后續(xù)曝氣條件下過(guò)度吸磷能力的充分必要條件。而就系統(tǒng)的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現(xiàn)象。好氧吸磷的能量既可以來(lái)自胞內(nèi)貯存的碳源(如PHB)，也可能從氧化胞外的其他基質(zhì)獲得。
　　③推進(jìn)聚磷菌過(guò)度吸磷的本質(zhì)動(dòng)力與厭氧區(qū)HRT和厭氧環(huán)境的厭氧程度有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，厭氧環(huán)境的HRT越長(zhǎng)，厭氧程度越充分，聚磷菌的吸磷動(dòng)力越強(qiáng)。
　　④把常規(guī)脫氮除磷系統(tǒng)的厭氧、缺氧環(huán)境倒置過(guò)來(lái)，可得到更好的脫氮除磷效果。其特點(diǎn)在于：a缺氧區(qū)位于厭氧區(qū)之前，硝酸鹽在這里消耗殆盡，厭氧區(qū)ORP較低，有利于微生物形成更強(qiáng)的吸磷動(dòng)力；b微生物厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化效率較高的好氧環(huán)境，其在厭氧條件下形成吸磷動(dòng)力可以得到更充分利用；c缺氧段位于工藝的首端，允許反硝化優(yōu)先獲得碳源，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的脫氮能力。
　　⑤倒置A²/O工藝與常規(guī)A²/O工藝的小型系統(tǒng)平行對(duì)比試驗(yàn)表明，倒置A²/O工藝的氮磷脫除功能明顯優(yōu)于常規(guī)A²/O工藝，其COD去除能力與常規(guī)A²/O工藝相當(dāng)。
　　⑥由于取消了內(nèi)循環(huán)，倒置A²/O工藝在流程上更為簡(jiǎn)捷。同時(shí)，參與回流的全部污泥均經(jīng)歷了完整的厭氧—好氧過(guò)程，在除磷方面具有一種“群體效應(yīng)”，是十分有利的。

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作者簡(jiǎn)介：張波(1962-)，男，山東青島人，青島建筑工程學(xué)院副教授，博士，研究方向：水污染控制。
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收稿日期：2000-02-25