干货 | 70%污水厂的脱氮除磷问题，可(kě)以看这3种解决方案

传统 A²/O 工艺是一项具有(yǒu)脱氮除磷功能(néng)的典型污水处理(lǐ)技术，这个工艺结构简单、水力停留时间（HRT）短且易于控制，多(duō)数污水厂都是采用(yòng)传统 A²/O 工艺进行污水处理(lǐ)。

然而，生物(wù)脱氮除磷的过程中涉及硝化、反硝化、摄磷和释磷等多(duō)个生化过程，而每个过程对微生物(wù)组成、基质类型及环境条件的要求存在许多(duō)差异。

在传统 A²/O 工艺的单泥系统中高1效地完成脱氮和除磷两个过程，就会发生各种矛盾冲突，比如泥龄的矛盾、碳源竞争、硝酸盐及溶解氧（DO）残余干扰等。

传统A²O工艺存在的矛盾

01 污泥龄矛盾

传统A²/O 工艺属于单泥系统，聚磷菌（PAOs）、 反硝化菌和硝化菌等功能(néng)微生物(wù)混合生長(cháng)于同一系统中，而各类微生物(wù)实现其功能(néng)大化所需的泥龄不同：

1）自养硝化菌与普通异养好氧菌和反硝化菌相比，硝化菌的世代周期较長(cháng)，欲使其成為(wèi)优势菌群， 需控制系统在長(cháng)泥龄状态下运行。冬季系统具有(yǒu)良好硝化效果时的污泥龄（SRT）需控制在 30d 以上；即使夏季，若 SRT＜5 d，系统的硝化效果将显得极其微弱 。

2）PAOs 属短世代周期微生物(wù)，甚至其大世代周期（Gmax）都小(xiǎo)于硝化菌的小(xiǎo)世代周期（Gmin）。

从生物(wù)除磷角度分(fēn)析富磷污泥的排放是实现系统磷减量化的唯1一渠道。

若排泥不及时，一方面会因 PAOs 的内源呼吸使胞内糖原 （Glycogen）消耗殆尽，进而影响厌氧區(qū)乙酸盐的吸收及聚 -β- 羟基烷酸（PHAs）的贮存，系统除磷率下降，严重时甚至造成富磷污泥磷的二次释放；另一方面，SRT 也影响到系统内 PAOs 和聚糖菌（GAOs） 的优势生長(cháng)。

在 30 ℃的長(cháng)泥龄（SRT≈ 10 d）厌氧环境中，GAOs 对乙酸盐的吸收速率高于PAOs，使其在系统中占主导地位，影响 PAOs 释磷行為(wèi)的充分(fēn)发挥。

02 碳源竞争及硝酸盐和 DO 残余干扰

在传统A²/O脱氮除磷系统中，碳源主要消耗于释磷、反硝化和异养菌的正常代謝(xiè)等方面，其中释磷和反硝化速率与进水碳源中易降解部分(fēn)的含量有(yǒu)很(hěn)大关系。一般而言，要同时完成脱氮和除磷两个过程，进水的碳氮比（BOD5 /ρ(TN)）＞4～5，碳磷比（BOD5 /ρ(TP)）＞20～30。

当碳源含量低于此时，因前端厌氧區(qū) PAOs 吸收进水中挥发性脂肪酸（VFAs）及醇类等易降解发酵产物(wù)完成其细胞内 PHAs 的合成，使得后续缺氧區(qū)没有(yǒu)足够的优1质碳源而抑制反硝化潜力的充分(fēn)发挥，降低了系统对 TN 的脱除效率。

反硝化菌以内碳源和甲醇或 VFAs 类為(wèi)碳源时的反硝化速率分(fēn)别為(wèi) 17～48 、120～900 mg/(g·d)。因反硝化不彻1底而残余的硝酸盐随外回流污泥进入厌氧區(qū)，反硝化菌将优先于 PAOs 利用(yòng) 环境中的有(yǒu)机物(wù)进行反硝化脱氮，干扰厌氧释磷的正常进行，终影响系统对磷的高1效去除。

一般， 当厌氧區(qū)的 NO3-N 的质量浓度＞1.0 mg/L 时，会对 PAOs 释磷产生抑制，当其达到 3～4 mg/L 时，PAOs 的释磷行為(wèi)几乎完全被抑制，释磷（PO4 3--P）速率降 至 2.4 mg/(g·d)。

按照回流位置的不同，溶解氧（DO）残余干扰主要包括：

1）从分(fēn)子态氧（O2）和硝酸盐（NO3-N） 作為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)的氧化产能(néng)数据分(fēn)析，以 O2 作為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)的产能(néng)约為(wèi) NO3-N 的 1.5 倍，因此当系统中同时存在 O2 和 NO3-N 时，反硝化菌及普通异养菌将优先以 O2 為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)进行产能(néng)代謝(xiè)。

2）氧的存在破坏了 PAOs 释磷所需的“厌氧压抑”环境，致使厌1氧菌以 O2 為(wèi)终電(diàn)子受體(tǐ)而抑制其发酵产酸作用(yòng)，妨碍磷的正常释放，同时也将导致好氧异养菌与 PAOs 进行碳源竞争。

一般厌氧區(qū)的 DO 的质量浓度应严格控制在 0.2 mg/L 以下。从某种意义上来说硝酸盐及 DO 残余干扰释磷或反硝化过程归根还是功能(néng)菌对碳源的竞争问题。

传统A²O工艺改进策略分(fēn)析

01 基于 SRT 矛盾的复合式

A²/O工艺在传统 A²/O工艺的好氧區(qū)投加浮动载體(tǐ)填料， 使载體(tǐ)表面附着生長(cháng)自养硝化菌，而 PAOs 和反硝化菌则处于悬浮生長(cháng)状态，这样附着态的自养硝化菌的 SRT 相对独立，其硝化速率受短 SRT 排泥的影响较小(xiǎo)，甚至在一1定程度上得到强化。

悬浮污泥 SRT、填料投配比及投配位置的选择不仅要考虑硝化的增强程度，还要考虑悬浮态污泥 含量降低对系统反硝化和除磷的负面影响。

载體(tǐ)填料的投配并不意味可(kě)大幅度增加系统排泥量，缩短悬浮污泥 SRT 以提高系统除磷效率；相反，SRT 的 缩短可(kě)能(néng)降低悬浮态污泥（MLSS）含量，从而影响 系统的反硝化效果，甚至造成除磷效果恶化。

研究表明，当悬浮污泥 SRT 控制為(wèi) 5 d 时，复合式 A²/O 工艺的硝化效果与传统  A²/O工艺相比， 两者的硝化效果无明显差异，复合式  A²/O工艺的载 體(tǐ)填料不能(néng)完全独立地发挥其硝化性能(néng)；若再降低悬浮污泥 SRT 则因系统悬浮污泥含量的降低致使 硝酸盐积累，影响厌氧磷的正常释放。

02 基于“碳源竞争”角度的工艺

解决传统  A²/O工艺碳源竞争及其硝酸盐和 DO 残余干扰释磷或反硝化的问题，主要集中在 3 方面：

针对碳源竞争采取的解决策略，如补充外碳源、反硝化和释磷 重新(xīn)分(fēn)配碳源（如倒置 A²/O工艺）等；

解决硝酸盐干扰释磷提出的工艺改革，如 JHB、UCT、MUCT 等工艺；

针对 DO 残余干扰释磷、反硝化的问题， 可(kě)在好氧區(qū)末端增设适当容积的“非曝气區(qū)”。

1、补充外碳源

补充外碳源是在不改变原有(yǒu)工艺池體(tǐ)结构及各功能(néng)區(qū)顺序的情况下，针对短期内因水质波动引起碳源不足而提出的应急措施。一般供选择的碳源可(kě)分(fēn)為(wèi) 2 类：

1）甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸钠等有(yǒu)机化合物(wù)；

2）可(kě)替代有(yǒu)机碳源，如厌氧消化污泥上清液、 木(mù)屑、牲畜或家禽粪便及含高碳源的工业废水等。相对糖类、纤维素等高碳物(wù)质而言，因微生物(wù)以低分(fēn)子碳水化合物(wù)（如，甲醇、乙酸钠等）為(wèi)碳源进行合成代謝(xiè)时所需能(néng)量较大，使其更倾向于利用(yòng)此类碳源进行分(fēn)解代謝(xiè)，如反硝化等。

任何外碳源的投加都要使系统经历一1定的适应期，方可(kě)达到预期的效果。

针对要解决的矛盾主體(tǐ)选择合适的碳源投加点对系统的稳定运行和节能(néng)降耗至关重要。一般在厌氧區(qū)投加外碳源不仅能(néng)改善系统除磷效果，而且可(kě)增强系统的反硝化潜能(néng)；但是若反硝化碳源严重不足致使系统 TN 脱除欠佳时， 应优先考虑向缺氧區(qū)投加。

2、倒置  A²/O 工艺及其改良工艺

传统  A²/O工艺以牺牲系统的反硝化速率為(wèi)前提，优先考虑释磷对碳源的需求，而将厌氧區(qū)置于工艺前端，缺氧區(qū)后置，忽视了释磷本身并非除磷工艺的目的所在。

从除磷角度分(fēn)析可(kě)知，倒置 A²/O 工艺还具有(yǒu) 2 个优势：

“饥饿效应”。PAOs厌氧释磷后直接进入生化 效率较高的好氧环境，其在厌氧条件下形成的摄磷驱 动力可(kě)以得到充分(fēn)地利用(yòng)。

“群體(tǐ)效应”。允许所有(yǒu) 参与回流的污泥经历完整的释磷、摄磷过程。然而有(yǒu)研究者认為(wèi)，倒置 A2 /O 工艺的布置形式。

3、JHB、UCT 及改良 UCT 工艺

与分(fēn)点进水倒置 A2 /O 工艺相比，JHB（亦称 A+ A2 /O 工艺） 和 UCT 工艺的设计初衷是通过改变外回流位点以解决硝酸盐、DO残余干扰释磷。

JHB 工艺中的氮素的脱除主要发生在污泥反硝化區(qū)和缺氧區(qū)，且两者的脱除量相当， 污泥反硝化區(qū)的设置改变了氮素在各功能(néng)區(qū)的分(fēn)配比例，使厌氧區(qū)能(néng)够更好地专注于释磷。

JHB 工艺流程

与倒置 A2 /O 工艺相同，对于低 C/N 进水而言， JHB 工艺污泥反硝化區(qū)的设置可(kě)能(néng)会引起后续各功能(néng)區(qū)的碳源不足，為(wèi)此也有(yǒu)必要采用(yòng)分(fēn)点进水方式。

与倒置 A2 /O 工艺不同，UCT 工艺是在不改变传统 A2 /O 工艺各功能(néng)區(qū)空间位置的情况下，污泥先回流至缺氧區(qū)，使其经历反硝化脱氮后，再通过缺氧區(qū)的混合液回流至厌氧區(qū)，避免了回流污泥中硝酸盐、DO 对厌氧释磷的干扰。

UCT 工艺流程

在进水 C/N 适中的情况 下，缺氧區(qū)的反硝化作用(yòng)可(kě)使回流至厌氧區(qū)的混合液中硝酸盐的含量接近于 0；而当进水 C/N 较低时， UCT 工艺中的缺氧區(qū)可(kě)能(néng)无法实现氮的完全脱除， 仍有(yǒu)部分(fēn)硝酸盐进入厌氧區(qū)，因此又(yòu)产生了改良 UCT 工艺（MUCT）。

与 UCT 工艺相比，MUCT 将传统 A2 /O 工艺中 的缺氧區(qū)分(fēn)隔為(wèi) 2 个独立區(qū)域，前缺氧區(qū)接受来自 二沉池的回流污泥，后缺氧區(qū)接受好氧區(qū)的硝化液， 从而使外回流污泥的反硝化与内回流硝化液的反硝 化完全分(fēn)离，进一步减少了硝酸盐对厌氧释磷的影响。

以MUCT工艺為(wèi)主體(tǐ)工艺的流程图

无论 UCT 还是 MUCT，回流系统的改变强化了 厌氧、缺氧的交替环境，使其与 JHB 一样，缺氧區(qū)容易富集反硝化 PAOs，实现同步脱氮除磷。

03 兼顾 SRT 矛盾及“碳源竞争”工艺

1、新(xīn)型双污泥脱氮除磷工艺

新(xīn)型双污泥脱氮除磷工艺（PASF）工艺也可(kě)谓是传统 A2/O 与曝气生物(wù)滤池（BAF）的组合工艺， 是以分(fēn)相培养為(wèi)基础的双泥系统，能(néng)更好地满足各功能(néng)微生物(wù)对环境、营养物(wù)质及生存空间的佳需 求。

在工艺设计及运行过程中，通过缩短前端 A2 /O 工艺好氧區(qū)的 HRT，将硝化过程从中分(fēn)离而顺序“嫁接”于二沉池后端的 BAF。

对于 PAOs 的厌氧释磷而言，因前端的污泥单元不承担硝化功能(néng)，在理(lǐ)想条件下外回流污泥中不含有(yǒu)硝酸盐，為(wèi) PAOs 释磷创造了良好的“压抑”环境，使其优先利用(yòng)原水中的 VFAs 类物(wù)质合成 PHAs 并释放磷；

再者，也因長(cháng) SRT 硝化菌以生物(wù)膜形式固着生長(cháng)在填料表面而短SRT 的 PAOs 和反硝化菌呈悬浮态生長(cháng)在前端的污泥单元，实现了硝化菌与反硝化菌、PAOs 等功 能(néng)微生物(wù)的 SRT 分(fēn)离，缓解了 SRT 矛盾。

决定缺氧區(qū)反硝化效果的因素主要有(yǒu)2个：进入缺氧區(qū)的优1质碳源（VFAs 和 PHAs）含量及来自 BAF 的内回流硝化液中的硝酸盐含量。

当进水 C/N 较高时，硝酸盐成為(wèi)反硝化的限制因子，随着内回流比的增大缺氧區(qū)异养反硝化效果也相应提高，但升高幅度却呈递减趋势；

而当进水 C/N 较低时，因碳源成為(wèi)反硝化的限制因子，根据异养反硝化菌和反 硝化 PAOs 对電(diàn)子受體(tǐ)的竞争机制，适当提高内回 流硝酸盐负荷的方式刺激反硝化聚磷菌（DPAOs） 的优势生長(cháng)，使其以硝酸盐為(wèi)電(diàn)子受體(tǐ)，并以 PHAs 為(wèi)電(diàn)子供體(tǐ)进行同步反硝化脱氮除磷，实现“一碳 两用(yòng)”，同时可(kě)节省系统的能(néng)耗，减少污泥产量。

2、双循环两相生物(wù)处理(lǐ)工艺

双循环两相生物(wù)处理(lǐ)工艺（BICT）是在序批式活性污泥法的基础上，增设独立的生物(wù)膜硝化反应器，使自养硝化菌与反硝化菌、PAOs 等异养菌分(fēn)相培养，以克服脱氮与除磷间的 SRT 矛盾及硝酸盐、 DO 干扰释磷而开发的污水处理(lǐ)新(xīn)工艺，其主體(tǐ)单元由厌氧生物(wù)选择器、序批式悬浮污泥主反应器、生物(wù)膜硝化反应器组成。

BICT工艺流程图

该工艺正常运行时主要完成 4 个操作过程：

1） 进水、曝气搅拌 + 污泥回流

原水与沉淀池的回流污泥在厌氧生物(wù)选择器内混合接触，借助高负荷梯 度产生的“选择压力”筛选出具有(yǒu)良好絮凝性的细 菌，并使 PAOs 厌氧释磷。此时，主反应器在曝气搅 拌的作用(yòng)下，完成 COD 的去除及 PAOs 的超量摄磷；

2）缺氧搅拌 + 硝化液回流

主反应器接受来自生物(wù)膜反应器的硝化液，在机械搅拌作用(yòng)下，完成反硝化脱氮，同时被挤出的混合液进入沉淀池，经沉淀分(fēn)离后上清液进入生物(wù)膜硝化反应器；

3）再曝气（可(kě)选做）

吹脱污泥中包裹的氮气以利于泥水分(fēn)离，也 可(kě)强化 PAOs 的好氧摄磷；

4）静止沉淀、滗水

静止沉淀的同时排出富磷污泥。此工艺独立硝化反应单元的设置消除了 SRT 与 硝化的高度关联性，SRT 不再是影响系统脱氮效率 的限制因子。

3、BCFS 工艺

BCFS 工艺（Biologische Chemische Fosfaat Stikstof verwijdering） 可(kě)实现磷的完全去除和氮的佳脱除。

BCFS工艺流程图

与 UCT 工艺相比，BCFS 工艺在主流線(xiàn)上增设2个反应區(qū)——接触區(qū)和混合區(qū)。

介于厌氧區(qū)与缺 氧區(qū)之间的接触區(qū)相当于第 2 选择池，可(kě)以有(yǒu)效控 制丝状菌的异常生長(cháng)，防止污泥膨胀的发生；另外， 也因回流污泥先回流于此进行反硝化脱氮反应，给 PAOs 厌氧释磷营造了良好的“压抑”环境。

介于缺氧區(qū)与好氧區(qū)之间的混合區(qū)相当于一个“机动单元”， 可(kě)通过曝气系统的启闭灵活地控制其前端好氧區(qū)和后端缺氧區(qū)的氧化还原電(diàn)位，也可(kě)在低 C/N 条件下诱导反硝化 PAOs 成為(wèi)优势菌群而发挥同步脱氮除磷，实现“一碳两用(yòng)”。