圖1 污水生物脫氮系統中氮的生物轉化過程

　　硝化菌包括亞硝酸菌和硝化桿菌，是專性好氧菌，只有存在溶解氧的好氧條件下才能增殖，厭氧和缺氧條件下不能增殖，而其衰減死亡過程在厭氧、缺氧、好氧狀態下均會發生。
　　反硝化菌（兼性厭氧菌）能夠在缺氧和好氧條件下利用快速生物降解有機物進行增殖；厭氧條件下，可以進行顆粒性有機物的水解和溶解性有機物的酸化（發酵），但通常不能增殖；部分反硝化菌同時也是聚磷菌，在缺氧和好氧條件下會出現磷的吸收，厭氧條件下會出現磷的釋放。
　　非反硝化菌（好氧菌）能夠在好氧條件下利用快速生物降解有機物進行增殖；厭氧和缺氧條件下，可以進行顆粒性有機物的水解和溶解性有機物的酸化（發酵），但不能增殖。
　　由于硝化作用主要受硝化菌比增長速率、泥齡和溫度控制，活性污泥中的硝化反應控制可以分成不硝化、部分硝化和完全硝化三種情況，其中部分硝化屬于不可控制的高度不穩定過程，因此，活性污泥系統中硝化功能只能按完全硝化與不硝化這兩種方式來設計，不能按部分硝化的方式設計。
　　在低水溫的環境中，需要增加設計泥齡來保障冬季的硝化能力；在已經投產的污水處理廠中，可以在夏末秋初逐步提高反應池的活性污泥濃度，使冬季能夠維持較高的活性污泥及硝化菌濃度，抵御低溫條件對硝化的不利影響，春季后再逐步降低反應池的活性污泥濃度，以保障反應池的溶解氧控制水平。
　　當污水處理系統按硝化設計時，從生物除磷角度及降低能耗角度考慮，處理系統都必須具備反硝化能力，但反硝化程度應根據具體情況確定。出水總氮和總磷有要求時，根據總氮及除磷要求綜合考慮處理系統的反硝化程度。出水總氮無要求但出水總磷控制較嚴時，可根據除磷要求考慮反硝化程度，主要目的是消除回流污泥硝酸鹽對生物除磷的不利影響。

　　城市污水中磷酸鹽按物理特性可以劃分為溶解磷和顆粒態磷，按化學特性可以劃分為正磷酸鹽、聚合磷酸鹽和有機磷酸鹽。城市污水中磷酸鹽的主要來源為人類活動的排泄物、廢棄物和工業污水，特別是含磷洗滌劑的大量使用。城市污水處理過程中，磷酸鹽的主要去除途徑為：
　　（1）形成無機磷酸鹽沉淀物：利用污水中存在的和外部投加的金屬鹽（鐵鹽、鋁鹽和石灰）形成金屬磷酸鹽沉淀物，反應過程主要受pH值和金屬鹽/TP摩爾比的影響；
　　（2）結合到生物體及有機物中：通過生物氧化與合成作用，使磷酸鹽的存在方式發生變化；
　　（3）轉化為聚磷菌的胞內聚合磷酸鹽：通過聚磷菌的優勢生長，明顯提高活性污泥的含磷量；
　　（4）其他去除方式：例如，特定條件下絲狀菌對磷的吸收和積累，藻類生長對磷的吸收。

　　在污水生物除磷工藝中，厭氧狀態和好氧狀態在時間或空間上的交替運行，使聚磷菌群體能在快速生物降解基質的競爭中取得優勢，通過排除高含磷量的剩余污泥，獲得低含磷量的凈化處理出水。
　　在厭氧反應池中，兼性厭氧細菌通過發酵作用將溶解性有機物轉化成揮發性脂肪酸（VFAs），聚磷菌吸收來自原污水中的或厭氧反應池中產生的VFAs，同化成胞內的碳能源存儲物（PHB/PHV），所需的能量來源于聚磷的水解以及細胞內糖的酵解。胞內磷酸鹽含量升高后，一定會擴散到外部環境，液相中的磷酸鹽濃度相應升高。厭氧段實際上起到聚磷菌“生物選擇器”的作用，使聚磷菌群體在處理系統中得到選擇性的優勢增殖，同時抑制了絲狀菌的增殖，使曝氣池混合液的SVI值保持在較低水平。
　　在好氧反應池中，聚磷菌通過PHB/PHV的氧化代謝產生能量，一方面進行磷的吸收和聚磷的合成，以聚磷的形式在細胞內存儲磷酸鹽，以聚磷酸高能鍵的形式捕積存儲能量，將磷酸鹽從液相中去除，另一方面合成新的聚磷菌細胞和存儲細胞內糖，產生富磷污泥。
　　因此，磷酸鹽的厭氧釋放分為兩部分，即有效釋放和無效釋放。磷酸鹽的有效釋放是聚磷菌吸收和儲存VFAs等低分子有機物這一耗能過程的偶聯過程。而無效釋放則不伴隨低分子有機物的吸收和儲存，是內源損耗、pH變化和毒物作用等方面因素引起的磷酸鹽的釋放。在厭氧反應池中，隨著可吸收和存儲的VFAs的消耗，有效釋放量不斷減少，停留時間越長，無效釋放比例越高，造成后續好氧反應池中磷酸鹽的吸收能力降低，吸收不完全。因此，厭氧池的水力停留時間不是越長越好，一般情況下宜控制在1.0~1.5h。此外，還要盡量避免低pH沖擊負荷，以免造成聚磷的酸性水解和生物除磷能力喪失。
　　在污水生物除磷脫氮系統中，影響處理出水溶解磷濃度的主要因素為進入厭氧池的進水快速生物降解COD/TP比值和硝酸鹽含量。單位快速生物降解COD的生物除磷能力大致為0.10 mgP/mgCOD，而厭氧池進流中的單位硝酸鹽可導致的快速生物降解COD損失量大致為6 mgCOD/mgNO₃-N。因此，進水水質特性的全面分析是工藝設計計算的重要環節之一，硝酸鹽濃度的控制是工藝設計和運行管理的關鍵。
　　污水除磷包括生物除磷和化學除磷，生物除磷的出水濃度可以達到1.0 mg/L，化學除磷出水濃度可以達到0.5 mg/L。對于二級排放標準，采用生物除磷即可；對于一級B排放標準，可以采用生物除磷與化學除磷相結合的方式，以降低化學藥劑的消耗量。對于一級A排放標準，還需要增加過濾處理設施。

　　Osborn和Nicholls（1977）在硝酸鹽異化還原過程（沒有溶解氧存在）中觀測到磷的快速吸收現象，這表明某些反硝化菌也能超量吸收磷。Lotter和Murphy（1985）觀測了生物除磷系統中假單胞菌屬和氣單胞菌屬的增長情況，發現這類細菌和不動細菌屬的某些細菌能在生物脫氮系統的缺氧區完成反硝化反應。Hascoet（1985）報導，如果有較高濃度的基質存在，不動細菌在缺氧區可釋放磷。
　　1987年，中國市政工程華北設計研究院除磷脫氮科研組在A/A/O工藝的中試研究中觀測到，缺氧區磷的吸收速率為4.38～7.05 mgP/（gVSS·h），好氧區磷的吸收速率為2.1～3.45 mgP/（gVSS·h）。缺氧區磷的吸收速率大于好氧區是因為聚磷菌經厭氧釋磷并吸收有機物合成PHB后，先進入缺氧區，最后才進入好氧區；在缺氧區中，一部分聚磷菌利用硝酸鹽作為最終電子受體分解細胞內的PHB，產生大量的能量用于磷的吸收和聚磷的合成；與此同時聚磷菌得到增殖，經過缺氧區的碳能源消耗后，聚磷菌體內的PHB量已經大幅度下降，因此進入好氧區后，可用于產生能量的碳能源（有機物）供應水平明顯低于缺氧區，相應地磷的吸收速率也就降低了。
根據基質與除磷微生物混合后出現的響應方式Gerber等人把能誘導磷釋放的基質劃分成三類。A類：乙酸、甲酸和丙酸等低分子有機酸；B類：乙醇、檸檬酸、甲醇和葡萄糖等；C類：丁酸、琥珀酸等。實際上，這三類基質都屬于快速生物降解COD（Sbs）。
　　1990年筆者根據Gerber等人的研究成果，作了進一步的試驗研究，其中硝酸鹽對磷釋放的影響試驗結果簡述如下：從生物除磷脫氮裝置的好氧區取得泥樣，經離心洗滌后分別與含硝酸鹽的SA溶液、SB溶液和污水混合，考查缺氧／厭氧狀態下磷的釋放，試驗結果表明硝酸鹽的存在對SA誘導磷降放的能力有很大的不利影響，初始硝態氮濃度越高，則線性段越短，釋放總量也越小，但不管硝態氮濃度是多大，釋放曲線的線性段的斜率均一樣，未發生變化，這說明硝酸鹽的存在不影響SA誘導的磷釋放速率，僅影響釋放總量。從試驗結果還可看出當基質耗完后還存在硝酸鹽時可出現磷的吸收，硝酸鹽耗完后混合液進入完全厭氧狀態，釋磷速率明顯增大。從研究結果可看出硝酸鹽也明顯抑制SB對磷釋放的誘導。硝酸鹽存在時，污水污泥混合液中出現明顯的磷的凈吸收，硝酸鹽耗完后又轉變為磷的厭氧凈釋放。
　　綜合分析試驗結果和其它方面的觀測結果，給出如下作用機理來解釋硝酸鹽對磷的釋放的影響：
　　（1）在各類基質中反硝化細菌優先利用S_A，在與聚磷菌競爭S_A時反硝化菌占優勢地位，對S_B來說也是如此。
　　（2）一部分聚磷菌能利用硝酸鹽作為最終電子受體，并將其異化還原成氮氣。也就是說一部分細菌兼具除磷和反硝化能力，這部分聚磷菌能通過與好氧狀態下類似的途徑分解有機物產生大量的能量用于吸收磷酸鹽和合成聚磷。那些不具備反硝化能力的聚磷菌則可釋放磷。

　　因此，缺氧狀態下的效應（凈釋放或凈吸收）取決于污泥中這兩類聚磷菌所占的比例和活性、基質的性質和濃度以及反硝化細菌的濃度等多方面的因素。存在S_A時，反硝化細菌對S_A的競爭可導致釋磷總量的下降，由于S_A可直接誘發磷的釋放，且釋放速率與S_A濃度無關，因此硝酸鹽的存在對釋磷速率沒有影響。
　　對S_B來說情況有所不同，由于S_B必須轉化成S_A后才能誘導磷的釋放，因此在缺氧條件下由于反硝化菌對S_B和S_A的競爭，造成所產生的可用于誘導磷釋放的S_A濃度很低，這樣一來磷的釋放總量明顯下降，釋放速率也明顯降低。與此同時，由于部分聚磷菌能通過反硝化反應產生能量進行磷的吸收活動，因而往往出現磷的凈吸收。
　　硝態氮對生物除磷的干擾有兩種方式。進入厭氧區內的硝態氮妨礙發酵作用的進行，因為微生物利用硝態氮作為最終電子受體進行厭氧呼吸能獲得更多的能量，也就不會有低分子脂肪酸的產生。即使進水中存在這樣的低分子脂肪酸，硝態氮作為異養微生物的最終電子受體，也會導致乙酸鹽等低分子有機物的消耗。結果聚磷菌幾乎得不到所需的醋酸鹽。如果污水中聚磷菌所需的低分子脂肪酸量足夠大的話或聚磷菌本身就是反硝化菌的話，即使有硝態氮存在，除磷效果也可能不會受到明顯影響。

　　為了避免改良UCT工藝增加一套回流系統和厭氧池污泥濃度偏低的弱點，以及避免A/A/O工藝抵御回流硝酸鹽影響能力不夠強的弱點，通過綜合A/A/O工藝和改良UCT的優點，中國市政工程華北設計研究院于1988年開發了如圖2所示的回流污泥反硝化生物除磷脫氮工藝（簡稱改良A/A/O工藝），在A/A/O工藝的厭氧池之前增設厭氧/缺氧調節池，來自二沉池的回流污泥和進水流量的10%左右進入該池（實際運行中可在較大的范圍內調整），水力停留時間為20~30min，微生物利用少量進水中的有機物和內源反硝化去除所有的回流硝態氮，消除硝態氮對后續厭氧池的不利影響，從而保證厭氧池的穩定性。與改良UCT工藝相比，該工藝節省了一個回流系統，反應效率更高，除磷效果更加穩定。一般情況下，厭氧/缺氧調節池多數時間處于缺氧狀態。
　　1988年12月～1989年2月，中國市政工程華北設計研究院在泰安市進行了改良A/A/O工藝的現場水質試驗研究。采用的水力停留時間為厭氧/缺氧調節段0.3 h、厭氧段1.0 h、缺氧段2.0 h、好氧段4.5h，污泥回流比70%，混合液回流比300%。不同運行參數條件下的試驗結果表明，該工藝流程可以獲得良好的除磷脫氮效果（見表1和表2）；第4階段試驗，水溫降低到9℃，硝化率下降，脫氮效果較差。

圖2 回流污泥反硝化生物除磷脫氮（改良A/A/O）工藝

表1 改良A/A/O工藝處理泰安城市污水試驗運行參數（小試）

試驗

污泥負荷 （kg/（kg·d））

DO （mg/L）

MLSS （mg/L）

MLVSS （mg/L）

T （℃）

1

0.13

1.5

4.12

2.88

13.5

2

0.19

1.5

5.03

3.45

13.5

3

0.19

1.5

4.00

2.76

13.0

4

0.22

1.5

4.03

2.76

9.0

表2 改良A/A/O工藝處理泰安城市污水試驗測試結果（小試）

試驗

取樣點

COD

（mg/L）

BOD₅

（mg/L）

SS

（mg/L）

TP

（mg/L）

TN

（mg/L）

NH₃-N

（mg/L）

NO₃-N

（mg/L）

Org-N

（mg/L）

BOD₅/TN

1

進水

395

178

223

5.0

30

18

2

10

5.9

出水

62

5

10

0.9

3

0

3

0

2

進水

699

315

434

5.4

34

15

1

18

9.3

出水

66

5

11

0.22

3

0

2

1

3

進水

579

261

230

8.0

59

47

2

10

4.4

出水

68

5

10

0.3

11

8

2

1

4

進水

665

299

206

7.7

70

48

3

19

4.2

出水

70

10

20

0.5

23

18

2

3

　　改良A/A/O工藝流程于1989年3月首先應用于泰安污水處理廠的工程設計和建設，隨后青島、溫州、深圳、廣州、菏澤、張家口、宣化、天津等地的一大批污水處理廠工程也采用了該工藝流程，使其成為國內城市污水處理的主流除磷脫氮工藝流程之一。其中，部分污水處理廠的缺氧段和好氧段采用了氧化溝實施形式，有助于抵御進水水量和TKN濃度的波動，使處理系統的運行效果更加穩定。

　　總得來說，該工藝流程具有以下幾個方面的技術特點：

　　（1）工藝流程中反應池的設計和布置綜合了已有除磷脫氮工藝的優點，具有相對獨立的厭氧、缺氧、好氧區域以及回流污泥反硝化區域，功能分區明確、協調；

　　（2）在厭氧池之前設缺氧/厭氧調節池（停留時間為20~30min），來自二沉池的回流污泥和10%左右的進水進入該池，活性污泥利用約10%進水中的有機物和活性污泥本身的有機物（內源反硝化）徹底去除回流污泥中的所有硝態氮，從而保證厭氧池的穩定性和生物除磷效果；

　　（3）采用多點進水設計，取消反硝化混合液回流，具有工藝流程簡單、運行靈活性強等特點，可以根據進水水量水質特性和環境條件的變化，靈活調整工藝運行方式，降低工程投資和運行費用；

　　（4）由于回流污泥反硝化反應池內的污泥濃度接近于回流污泥濃度，單位池容的反硝化速率明顯提高，能夠穩定、高效、可靠地去除回流污泥中的硝酸鹽，除磷效果及穩定性得到明顯改進；

　　（5）污水生物處理反應池的池型設計采用推流式池型構造、反應池分格，明顯提高運行方式的調節和控制靈活簡便、穩定可靠；該工藝還可以與氧化溝工藝靈活組合。

　　（6）附加協同沉淀法化學除磷，滿足出水TP小于0.5mg/L的處理要求，處理效果穩定、可靠，藥劑消耗量低，構筑物與設備少，運行簡便。

　　1997年頒布實施的《污水綜合排放標準》（GB 8979-1996）對TP的去除要求很高，對NH₃-N的去除也有要求，但總氮的去除并沒有要求。當時為了適應GB 8979-1996的新要求，加上盡可能降低工程投資和運行費用的考慮，中國市政工程華北設計研究院結合實際工程設計，通過吸收改良A/A/O工藝的優點，降低處理工藝的總體反硝化水平，開發應用了多點進水倒置A/A/O工藝（見圖3），即取消改良A/A/O工藝的主缺氧反硝化池，并適當降低處理系統的泥齡，達到生物除磷、硝化和部分反硝化的目的。

回流污泥反硝化生物除磷工藝

　　多點進水倒置A/A/O工藝方案于1998年首先在天津北倉污水處理廠工程初步設計中應用，在其他省市的一些污水處理廠設計建設中也有一些應用，最早投入運行的是北京清河污水處理廠一期工程。
　　通過采用較短的設計泥齡和取消專門的反硝化池，該工藝方案使工程費用得到降低、除磷效果得到提高，但其整體運行穩定性和可靠性有所下降，TN去除率僅50%～60%，冬季氨氮硝化效果容易出現波動，對工藝運行參數調整和管理控制有較高的要求。
　　 對于穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的一級標準，該工藝存在一定的風險和控制難度，尤其是總氮的去除，今后選用時需要根據進水水質特性和出水水質要求，慎重考慮。

參考文獻（略）