郝曉地 | A2/O不宜作為污水處理升級(jí)改造工藝
2017-09-05 13:29設(shè)計(jì)/微生物/化學(xué)
摘要
以國(guó)內(nèi)普遍采用的A2/O工藝為背景，通過與UCT工藝模擬對(duì)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(duì)厭氧釋磷的影響，但卻以犧牲生物除磷為代價(jià)。進(jìn)言之，UCT較A2/O可聚集更多反硝化除磷細(xì)菌（DPB），這將最大化同步脫氮除磷作用，同時(shí)亦可節(jié)省曝氣量。但是，UCT在生物除磷上的優(yōu)越性會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)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(cè)流磷沉淀，UCT不僅可以滿足國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，甚至還能達(dá)到京標(biāo)A之地方嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。厭氧單元上清液側(cè)流磷沉淀與外加碳源具有異曲同工之處，可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)發(fā)揮至極致，不僅避免了外加碳源，亦可實(shí)現(xiàn)磷回收。
9月16日-19日，在青島即將舉辦的“污水處理廠提標(biāo)改造技術(shù)交流會(huì)”上，郝曉地教授將做題為“A2/O不宜作為污水處理升級(jí)改造工藝”的報(bào)告，為大家進(jìn)行詳細(xì)闡述，敬請(qǐng)關(guān)注！
郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，F(xiàn)為國(guó)際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。
1
工藝模型設(shè)計(jì)
實(shí)踐表明，TUD與ASM聯(lián)合模型亦適用于我國(guó)市政污水處理廠問題診斷、運(yùn)行優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)。因此，利用之前業(yè)已建立的TUD聯(lián)合模型，采用AQUASIM 2.0模擬軟件，分別對(duì)A2/O、UCT、倒置A2/O工藝建立工藝模型進(jìn)行模擬。
1.1
工藝設(shè)計(jì)水質(zhì)
結(jié)合北京某小型市政污水處理廠升級(jí)改造設(shè)計(jì)水量(20 000 m3/d)、水質(zhì)（見表1），對(duì)模型所需COD參數(shù)按照污水水質(zhì)特征化方法，將進(jìn)水COD區(qū)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(shè)計(jì)水質(zhì)年平均值（mg/L）
|
項(xiàng)目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
|
指標(biāo) |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD參數(shù)組分劃分(mg/L)
|
項(xiàng)目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
|
指標(biāo) |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型
參考我國(guó)南北方地區(qū)部分既有A2/O工藝實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，確定工藝模擬設(shè)計(jì)參數(shù)為：1）生化反應(yīng)總水力停留時(shí)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(shè)初沉池，二沉池HRT=3.6h；3）內(nèi)回流比（QA）按進(jìn)水水量（Qin）200%計(jì)，污泥回流比（QR）為進(jìn)水水量（Qin）100%；4）污泥停留時(shí)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(shí)際污水廠曝氣池內(nèi)流態(tài)接近推流式，這就需要對(duì)AQUASIM 2.0中模擬單元以完全混合—推流式建立工藝模型（每個(gè)反應(yīng)池分為串聯(lián)的5個(gè)子反應(yīng)器）。工藝模型中，二沉池分為清水區(qū)（60%）和污泥區(qū)（40%）兩部分，包括水解、PAOs、異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌代謝活動(dòng)的21個(gè)模型反應(yīng)在污泥區(qū)亦全部開啟，即考慮了沉淀池中微生物發(fā)生的各種生化反應(yīng)。
1.3
UCT設(shè)計(jì)參數(shù)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(shè)計(jì)參數(shù)，只不過增加一個(gè)內(nèi)回流QB。
圖2 UCT模擬工藝流程
1.4
倒置A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型
倒置A2/O實(shí)際上是對(duì)A2/O在空間上將厭氧與缺氧位置對(duì)換，如圖3所示。因此，模擬工藝設(shè)計(jì)參數(shù)也完全與A2/O一致。
圖3 倒置A2/O模擬工藝流程
2
模擬結(jié)果與分析
2.1
出水模擬結(jié)果及分析
北方污水處理廠冬季設(shè)計(jì)溫度通常為12 ℃，夏季為20 ℃。為詳細(xì)展示各工藝全年不同季節(jié)運(yùn)行情況，再增加10 ℃和25 ℃兩個(gè)極端溫度進(jìn)行模擬。模擬首先依據(jù)出水SS達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（即10 mg/L）進(jìn)行，模擬至穩(wěn)定狀態(tài)后的各工藝出水水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖4。因各工藝出水SS統(tǒng)一設(shè)定為10mg/L，所以，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可以直接計(jì)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(jì)算結(jié)果
圖4顯示，各溫度下三種工藝對(duì)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(shí)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(shí)UCT硝化產(chǎn)生的較多的NO3--N不能及時(shí)反硝化，以至于比其它兩個(gè)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(shí)倒置A2/O要比其它兩個(gè)工藝低1~2 mg /L。無論溶解性PO43-還是TP，倒置A2/O表現(xiàn)均很差，幾乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要?jiǎng)儆贏2/O。
綜上所述，倒置A2/O只具有較強(qiáng)的脫氮能力，在生物除磷方面則無所作為。這是因?yàn)?/span>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(dǎo)致PAOs/DPB無COD可以利用，在系統(tǒng)中難以繁殖。顯然，在同步脫氮除磷方面，倒置A2/O應(yīng)禁止應(yīng)用。否則，P無法生物去除。
UCT因避免了回流污泥中NO3-對(duì)厭氧單元PAOs/DPB的影響（競(jìng)爭(zhēng)VFAs），所以，顯示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外，因UCT進(jìn)入缺氧單元實(shí)際存在兩個(gè)循環(huán)（QA+QR），使實(shí)際回流比為300%，導(dǎo)致NH4+-N硝化機(jī)會(huì)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(jī)會(huì)，但因碳源（COD）限制而不能將硝化而來的NO3-及時(shí)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(dá)5%~6%，且UCT要高于A2/O，這說明兩工藝中均存在著相當(dāng)?shù)腜AOs/DPB，這也是兩工藝具有生物高除磷能力的一個(gè)旁證。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷貢獻(xiàn)率
反硝化除磷菌（DPB）首先發(fā)現(xiàn)于UCT和A2/O工藝之中，這種細(xì)菌使用同一碳源即可實(shí)現(xiàn)缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O(shè)2作為唯一電子受體的吸磷現(xiàn)象，不僅節(jié)省了脫氮除磷的碳源，亦可節(jié)省曝氣量。表3列出了A2/O和UCT系統(tǒng)聚磷菌（PAOs）吸磷總量以及DPB在生物吸磷方面的貢獻(xiàn)率。
表3 反硝化除磷貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)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(shí)作用特別明顯（＞30%），應(yīng)主要?dú)w功于DPB的反硝化除磷現(xiàn)象，低溫時(shí)表現(xiàn)尤為突出，20 ℃以下時(shí)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(gè)意義上說，UCT在同步脫氮除磷方面的性能絕對(duì)優(yōu)于A2/O。
2.3
降低出水SS水質(zhì)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)仍然具有一定距離。因此，整體提高出水水質(zhì)（進(jìn)一步降低N、P濃度）的技術(shù)措施是降低出水中SS的濃度，這也是MBR工藝運(yùn)用而生的主要理由。其實(shí)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行良好的傳統(tǒng)二沉池完全可以達(dá)到與MBR膜分離幾近一致的分離SS（≤ 5 mg/L）的效果。即使傳統(tǒng)二沉池難以勝任將SS降至≤5 mg/L，后接簡(jiǎn)單砂濾即可奏效，況且目前還出現(xiàn)了高效沉淀設(shè)備。在上述模擬基礎(chǔ)上，只需設(shè)定出水SS=5 mg/L，其它任何參數(shù)保持不變。進(jìn)一步模擬結(jié)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(jié)果
圖6顯示，降低出水SS后水質(zhì)效果主要體現(xiàn)在出水TP上，效果非常明顯，特別針對(duì)UCT，使出水TP從＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)（A2/O仍難以達(dá)標(biāo)�。�。這是因?yàn)閁CT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相應(yīng)較高（5%~6%），因此降低出水SS對(duì)降低TP也就至關(guān)重要。其它出水指標(biāo)（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(yōu)化效果模擬
上述模擬結(jié)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(jìn)水水質(zhì)而言，即使UCT工藝也僅僅是滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，還不能達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)（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(duì)此，可從外加碳源（增加C/P比）或側(cè)流磷沉淀（相對(duì)提高C/P比）角度解決進(jìn)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(chǔ)上，保持進(jìn)水總COD不變，對(duì)表2所列COD可降解組分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F:72mg/L→82mg/L）適當(dāng)提高（40 mg/L），并相應(yīng)減少慢性降解組分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
側(cè)流磷沉淀
厭氧上清液側(cè)流磷沉淀方式可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)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(cè)流磷沉淀/分離單元（圖7），取側(cè)流比為進(jìn)水量（Qin）的15%；側(cè)流上清液以金屬磷酸鹽形式沉淀，磷去除率設(shè)定90%。
圖7 側(cè)流磷沉淀UCT模擬工藝流程
3.3
模擬結(jié)果分析
后兩種強(qiáng)化工藝在出水COD上無差別。外加碳源因常規(guī)異養(yǎng)菌（OHO）、磷細(xì)菌數(shù)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(qiáng)而致TN下降約 1mg /L。側(cè)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(shí)，外加碳源和側(cè)流磷沉淀的工藝性能強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)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(cè)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(jié)果
顯然，UCT外加碳源或側(cè)流磷沉淀在增加C/P方面具有異曲同工之處，導(dǎo)致的最終脫氮除磷效果完全可以達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)流磷沉淀使N、P指標(biāo)已基本接近京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)。顯然，進(jìn)一步降低出水COD和N、P，完全達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)只需再降一下SS（圖9）即可，簡(jiǎn)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(jié) 語
污水處理升級(jí)改造是大勢(shì)所趨，技術(shù)選擇不僅受國(guó)標(biāo)、地標(biāo)（盡管很大程度上缺乏科學(xué)性）制約，更重要的還是工藝決策、設(shè)計(jì)者缺乏對(duì)常規(guī)工藝機(jī)理的深刻理解，以至于出現(xiàn)很多認(rèn)識(shí)誤區(qū)，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(zhǎng)流程的方式，以化學(xué)、物理、甚至再加生物的后端形式加以“強(qiáng)化”去除。流程延長(zhǎng)導(dǎo)致管理復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用攀升等弊端一方面讓運(yùn)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(xù)的原則。
相同進(jìn)水水質(zhì)、工藝設(shè)計(jì)參數(shù)下的數(shù)學(xué)模擬結(jié)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(yōu)勢(shì)明顯。針對(duì)回流污泥中NO3-可能影響厭氧釋磷的問題，國(guó)內(nèi)試圖以倒置A2/O形式加以解決。但缺氧先行只能以本來應(yīng)留給磷細(xì)菌的VFAs讓常規(guī)反硝化“捷足先登”，結(jié)果讓磷細(xì)菌無“食”可得，不能在系統(tǒng)內(nèi)生長(zhǎng)。通過數(shù)學(xué)模擬，這一論點(diǎn)得到印證，倒置A2/O系統(tǒng)中幾乎無磷細(xì)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(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵。因此，UCT工藝加高效沉淀池或簡(jiǎn)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(duì)進(jìn)水碳源不足現(xiàn)象，固然可以采取外加碳源方式強(qiáng)化生物脫氮除磷，但采用厭氧單元上清液側(cè)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(duì)增加C/P值，將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，最大程度發(fā)揮化學(xué)、生物除磷各自優(yōu)勢(shì)。模擬顯示，側(cè)流磷沉淀甚至可以使出水TP達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)，不僅節(jié)省了碳源，而且節(jié)省大量化學(xué)沉淀藥劑。
論文全文將發(fā)表在《中國(guó)給水排水》雜志上，題目：A2/O工藝用于污水處理廠升級(jí)改造的適宜性探討，作者：郝曉地，李天宇，吳遠(yuǎn)遠(yuǎn)，Mark van Loosdrecht
前沿 | A2/O不宜作為污水處理升級(jí)改造工藝
2017-09-05 18:02
郝曉地 | A2/O不宜作為污水處理升級(jí)改造工藝
原創(chuàng)2017-09-05郝曉地中國(guó)給水排水
摘要
以國(guó)內(nèi)普遍采用的A2/O工藝為背景，通過與UCT工藝模擬對(duì)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(duì)厭氧釋磷的影響，但卻以犧牲生物除磷為代價(jià)。進(jìn)言之，UCT較A2/O可聚集更多反硝化除磷細(xì)菌（DPB），這將最大化同步脫氮除磷作用，同時(shí)亦可節(jié)省曝氣量。但是，UCT在生物除磷上的優(yōu)越性會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)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(cè)流磷沉淀，UCT不僅可以滿足國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，甚至還能達(dá)到京標(biāo)A之地方嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。厭氧單元上清液側(cè)流磷沉淀與外加碳源具有異曲同工之處，可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)發(fā)揮至極致，不僅避免了外加碳源，亦可實(shí)現(xiàn)磷回收。
9月16日-19日，在青島即將舉辦的“污水處理廠提標(biāo)改造技術(shù)交流會(huì)”上，郝曉地教授將做題為“A2/O不宜作為污水處理升級(jí)改造工藝”的報(bào)告，為大家進(jìn)行詳細(xì)闡述，敬請(qǐng)關(guān)注！
郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，F(xiàn)為國(guó)際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。
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工藝模型設(shè)計(jì)
實(shí)踐表明，TUD與ASM聯(lián)合模型亦適用于我國(guó)市政污水處理廠問題診斷、運(yùn)行優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)。因此，利用之前業(yè)已建立的TUD聯(lián)合模型，采用AQUASIM 2.0模擬軟件，分別對(duì)A2/O、UCT、倒置A2/O工藝建立工藝模型進(jìn)行模擬。
1.1
工藝設(shè)計(jì)水質(zhì)
結(jié)合北京某小型市政污水處理廠升級(jí)改造設(shè)計(jì)水量(20 000 m3/d)、水質(zhì)（見表1），對(duì)模型所需COD參數(shù)按照污水水質(zhì)特征化方法，將進(jìn)水COD區(qū)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(shè)計(jì)水質(zhì)年平均值（mg/L）
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項(xiàng)目 |
COD |
BOD5 |
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NH4+-N |
TN |
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指標(biāo) |
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185 |
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7.5 |
表2 模型COD參數(shù)組分劃分(mg/L)
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項(xiàng)目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
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指標(biāo) |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型
參考我國(guó)南北方地區(qū)部分既有A2/O工藝實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，確定工藝模擬設(shè)計(jì)參數(shù)為：1）生化反應(yīng)總水力停留時(shí)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(shè)初沉池，二沉池HRT=3.6h；3）內(nèi)回流比（QA）按進(jìn)水水量（Qin）200%計(jì)，污泥回流比（QR）為進(jìn)水水量（Qin）100%；4）污泥停留時(shí)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(shí)際污水廠曝氣池內(nèi)流態(tài)接近推流式，這就需要對(duì)AQUASIM 2.0中模擬單元以完全混合—推流式建立工藝模型（每個(gè)反應(yīng)池分為串聯(lián)的5個(gè)子反應(yīng)器）。工藝模型中，二沉池分為清水區(qū)（60%）和污泥區(qū)（40%）兩部分，包括水解、PAOs、異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌代謝活動(dòng)的21個(gè)模型反應(yīng)在污泥區(qū)亦全部開啟，即考慮了沉淀池中微生物發(fā)生的各種生化反應(yīng)。
1.3
UCT設(shè)計(jì)參數(shù)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(shè)計(jì)參數(shù)，只不過增加一個(gè)內(nèi)回流QB。
圖2 UCT模擬工藝流程
1.4
倒置A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型
倒置A2/O實(shí)際上是對(duì)A2/O在空間上將厭氧與缺氧位置對(duì)換，如圖3所示。因此，模擬工藝設(shè)計(jì)參數(shù)也完全與A2/O一致。
圖3 倒置A2/O模擬工藝流程
2
模擬結(jié)果與分析
2.1
出水模擬結(jié)果及分析
北方污水處理廠冬季設(shè)計(jì)溫度通常為12 ℃，夏季為20 ℃。為詳細(xì)展示各工藝全年不同季節(jié)運(yùn)行情況，再增加10 ℃和25 ℃兩個(gè)極端溫度進(jìn)行模擬。模擬首先依據(jù)出水SS達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（即10 mg/L）進(jìn)行，模擬至穩(wěn)定狀態(tài)后的各工藝出水水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖4。因各工藝出水SS統(tǒng)一設(shè)定為10mg/L，所以，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可以直接計(jì)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(jì)算結(jié)果
圖4顯示，各溫度下三種工藝對(duì)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(shí)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(shí)UCT硝化產(chǎn)生的較多的NO3--N不能及時(shí)反硝化，以至于比其它兩個(gè)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(shí)倒置A2/O要比其它兩個(gè)工藝低1~2 mg /L。無論溶解性PO43-還是TP，倒置A2/O表現(xiàn)均很差，幾乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要?jiǎng)儆贏2/O。
綜上所述，倒置A2/O只具有較強(qiáng)的脫氮能力，在生物除磷方面則無所作為。這是因?yàn)?/span>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(dǎo)致PAOs/DPB無COD可以利用，在系統(tǒng)中難以繁殖。顯然，在同步脫氮除磷方面，倒置A2/O應(yīng)禁止應(yīng)用。否則，P無法生物去除。
UCT因避免了回流污泥中NO3-對(duì)厭氧單元PAOs/DPB的影響（競(jìng)爭(zhēng)VFAs），所以，顯示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外，因UCT進(jìn)入缺氧單元實(shí)際存在兩個(gè)循環(huán)（QA+QR），使實(shí)際回流比為300%，導(dǎo)致NH4+-N硝化機(jī)會(huì)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(jī)會(huì)，但因碳源（COD）限制而不能將硝化而來的NO3-及時(shí)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(dá)5%~6%，且UCT要高于A2/O，這說明兩工藝中均存在著相當(dāng)?shù)腜AOs/DPB，這也是兩工藝具有生物高除磷能力的一個(gè)旁證。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷貢獻(xiàn)率
反硝化除磷菌（DPB）首先發(fā)現(xiàn)于UCT和A2/O工藝之中，這種細(xì)菌使用同一碳源即可實(shí)現(xiàn)缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O(shè)2作為唯一電子受體的吸磷現(xiàn)象，不僅節(jié)省了脫氮除磷的碳源，亦可節(jié)省曝氣量。表3列出了A2/O和UCT系統(tǒng)聚磷菌（PAOs）吸磷總量以及DPB在生物吸磷方面的貢獻(xiàn)率。
表3 反硝化除磷貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)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(shí)作用特別明顯（＞30%），應(yīng)主要?dú)w功于DPB的反硝化除磷現(xiàn)象，低溫時(shí)表現(xiàn)尤為突出，20 ℃以下時(shí)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(gè)意義上說，UCT在同步脫氮除磷方面的性能絕對(duì)優(yōu)于A2/O。
2.3
降低出水SS水質(zhì)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)仍然具有一定距離。因此，整體提高出水水質(zhì)（進(jìn)一步降低N、P濃度）的技術(shù)措施是降低出水中SS的濃度，這也是MBR工藝運(yùn)用而生的主要理由。其實(shí)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行良好的傳統(tǒng)二沉池完全可以達(dá)到與MBR膜分離幾近一致的分離SS（≤ 5 mg/L）的效果。即使傳統(tǒng)二沉池難以勝任將SS降至≤5 mg/L，后接簡(jiǎn)單砂濾即可奏效，況且目前還出現(xiàn)了高效沉淀設(shè)備。在上述模擬基礎(chǔ)上，只需設(shè)定出水SS=5 mg/L，其它任何參數(shù)保持不變。進(jìn)一步模擬結(jié)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(jié)果
圖6顯示，降低出水SS后水質(zhì)效果主要體現(xiàn)在出水TP上，效果非常明顯，特別針對(duì)UCT，使出水TP從＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)（A2/O仍難以達(dá)標(biāo)�。�。這是因?yàn)閁CT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相應(yīng)較高（5%~6%），因此降低出水SS對(duì)降低TP也就至關(guān)重要。其它出水指標(biāo)（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(yōu)化效果模擬
上述模擬結(jié)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(jìn)水水質(zhì)而言，即使UCT工藝也僅僅是滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，還不能達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)（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(duì)此，可從外加碳源（增加C/P比）或側(cè)流磷沉淀（相對(duì)提高C/P比）角度解決進(jìn)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(chǔ)上，保持進(jìn)水總COD不變，對(duì)表2所列COD可降解組分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F: 72mg/L→82mg/L）適當(dāng)提高（40 mg/L），并相應(yīng)減少慢性降解組分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
側(cè)流磷沉淀
厭氧上清液側(cè)流磷沉淀方式可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)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(cè)流磷沉淀/分離單元（圖7），取側(cè)流比為進(jìn)水量（Qin）的15%；側(cè)流上清液以金屬磷酸鹽形式沉淀，磷去除率設(shè)定90%。
圖7 側(cè)流磷沉淀UCT模擬工藝流程
3.3
模擬結(jié)果分析
后兩種強(qiáng)化工藝在出水COD上無差別。外加碳源因常規(guī)異養(yǎng)菌（OHO）、磷細(xì)菌數(shù)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(qiáng)而致TN下降約 1mg /L。側(cè)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(shí)，外加碳源和側(cè)流磷沉淀的工藝性能強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)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(cè)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(jié)果
顯然，UCT外加碳源或側(cè)流磷沉淀在增加C/P方面具有異曲同工之處，導(dǎo)致的最終脫氮除磷效果完全可以達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)流磷沉淀使N、P指標(biāo)已基本接近京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)。顯然，進(jìn)一步降低出水COD和N、P，完全達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)只需再降一下SS（圖9）即可，簡(jiǎn)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(jié) 語
污水處理升級(jí)改造是大勢(shì)所趨，技術(shù)選擇不僅受國(guó)標(biāo)、地標(biāo)（盡管很大程度上缺乏科學(xué)性）制約，更重要的還是工藝決策、設(shè)計(jì)者缺乏對(duì)常規(guī)工藝機(jī)理的深刻理解，以至于出現(xiàn)很多認(rèn)識(shí)誤區(qū)，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(zhǎng)流程的方式，以化學(xué)、物理、甚至再加生物的后端形式加以“強(qiáng)化”去除。流程延長(zhǎng)導(dǎo)致管理復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用攀升等弊端一方面讓運(yùn)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(xù)的原則。
相同進(jìn)水水質(zhì)、工藝設(shè)計(jì)參數(shù)下的數(shù)學(xué)模擬結(jié)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(yōu)勢(shì)明顯。針對(duì)回流污泥中NO3-可能影響厭氧釋磷的問題，國(guó)內(nèi)試圖以倒置A2/O形式加以解決。但缺氧先行只能以本來應(yīng)留給磷細(xì)菌的VFAs讓常規(guī)反硝化“捷足先登”，結(jié)果讓磷細(xì)菌無“食”可得，不能在系統(tǒng)內(nèi)生長(zhǎng)。通過數(shù)學(xué)模擬，這一論點(diǎn)得到印證，倒置A2/O系統(tǒng)中幾乎無磷細(xì)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(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵。因此，UCT工藝加高效沉淀池或簡(jiǎn)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(duì)進(jìn)水碳源不足現(xiàn)象，固然可以采取外加碳源方式強(qiáng)化生物脫氮除磷，但采用厭氧單元上清液側(cè)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(duì)增加C/P值，將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，最大程度發(fā)揮化學(xué)、生物除磷各自優(yōu)勢(shì)。模擬顯示，側(cè)流磷沉淀甚至可以使出水TP達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)，不僅節(jié)省了碳源，而且節(jié)省大量化學(xué)沉淀藥劑。
論文全文將發(fā)表在《中國(guó)給水排水》雜志上，題目：A2/O工藝用于污水處理廠升級(jí)改造的適宜性探討，作者：郝曉地，李天宇，吳遠(yuǎn)遠(yuǎn)，Mark van Loosdrecht
論文集目次（465頁內(nèi)文，47位專家報(bào)告）：中國(guó)給水排水 2017年中國(guó)污水處理廠提標(biāo)改造高級(jí)研討會(huì) 論文集目次
2017-09-05中國(guó)給水排水
住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部
主辦單位：
北京工業(yè)大學(xué)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)
1
2
本屆大會(huì)以會(huì)議研討交流為主（約47個(gè)專家報(bào)告）和現(xiàn)場(chǎng)參觀典型工程為輔助的形式。
3
17.題目：先進(jìn)的膜法污水升級(jí)改造技術(shù)-MABR, MBR和MACmbr
報(bào)告人：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 城市水環(huán)境研究院孫永利 副院長(zhǎng)
報(bào)告人: 東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院呂錫武 教授、博士生導(dǎo)師
報(bào)告人：浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院李軍教授
13：25—13：55
報(bào)告人：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第一設(shè)計(jì)院 李征高工
報(bào)告人 ：常州市排水管理處 許光明處長(zhǎng)，陳俊 總工程師
16：45—17：10
抽獎(jiǎng)
4
2、行業(yè)協(xié)會(huì)：中國(guó)城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會(huì)、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)、中國(guó)低碳產(chǎn)業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)勘察設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)、各地學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)等。
5
6
會(huì)務(wù)費(fèi)：
住宿：
電話：022-27835639 27835592
13752275003
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6km |
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同時(shí)對(duì)改造和新建工程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)提高而能耗降低，主要源于采用微動(dòng)力混合池型，取消推流器，降低推流器電耗；同時(shí)，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(jí)改造工藝
摘要
以國(guó)內(nèi)普遍采用的A2/O工藝為背景，通過與UCT工藝模擬對(duì)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(duì)厭氧釋磷的影響，但卻以犧牲生物除磷為代價(jià)。進(jìn)言之，UCT較A2/O可聚集更多反硝化除磷細(xì)菌（DPB），這將最大化同步脫氮除磷作用，同時(shí)亦可節(jié)省曝氣量。但是，UCT在生物除磷上的優(yōu)越性會(huì)導(dǎo)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(huì)產(chǎn)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(cè)流磷沉淀，UCT不僅可以滿足國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，甚至還能達(dá)到京標(biāo)A之地方嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。厭氧單元上清液側(cè)流磷沉淀與外加碳源具有異曲同工之處，可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)發(fā)揮至極致，不僅避免了外加碳源，亦可實(shí)現(xiàn)磷回收。
9月16日-19日，在青島即將舉辦的“污水處理廠提標(biāo)改造技術(shù)交流會(huì)”上，郝曉地教授將做題為“A2/O不宜作為污水處理升級(jí)改造工藝”的報(bào)告，為大家進(jìn)行詳細(xì)闡述，敬請(qǐng)關(guān)注！
郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作，主要研究方向?yàn)槲鬯锩摰准夹g(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)�，F(xiàn)為國(guó)際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。
1
工藝模型設(shè)計(jì)
實(shí)踐表明，TUD與ASM聯(lián)合模型亦適用于我國(guó)市政污水處理廠問題診斷、運(yùn)行優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)。因此，利用之前業(yè)已建立的TUD聯(lián)合模型，采用AQUASIM 2.0模擬軟件，分別對(duì)A2/O、UCT、倒置A2/O工藝建立工藝模型進(jìn)行模擬。
1.1
工藝設(shè)計(jì)水質(zhì)
結(jié)合北京某小型市政污水處理廠升級(jí)改造設(shè)計(jì)水量(20 000 m3/d)、水質(zhì)（見表1），對(duì)模型所需COD參數(shù)按照污水水質(zhì)特征化方法，將進(jìn)水COD區(qū)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(shè)計(jì)水質(zhì)年平均值（mg/L）
|
項(xiàng)目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
|
指標(biāo) |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD參數(shù)組分劃分(mg/L)
|
項(xiàng)目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
|
指標(biāo) |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型
參考我國(guó)南北方地區(qū)部分既有A2/O工藝實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，確定工藝模擬設(shè)計(jì)參數(shù)為：1）生化反應(yīng)總水力停留時(shí)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(shè)初沉池，二沉池HRT=3.6h；3）內(nèi)回流比（QA）按進(jìn)水水量（Qin）200%計(jì)，污泥回流比（QR）為進(jìn)水水量（Qin）100%；4）污泥停留時(shí)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(shí)際污水廠曝氣池內(nèi)流態(tài)接近推流式，這就需要對(duì)AQUASIM 2.0中模擬單元以完全混合—推流式建立工藝模型（每個(gè)反應(yīng)池分為串聯(lián)的5個(gè)子反應(yīng)器）。工藝模型中，二沉池分為清水區(qū)（60%）和污泥區(qū)（40%）兩部分，包括水解、PAOs、異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌代謝活動(dòng)的21個(gè)模型反應(yīng)在污泥區(qū)亦全部開啟，即考慮了沉淀池中微生物發(fā)生的各種生化反應(yīng)。
1.3
UCT設(shè)計(jì)參數(shù)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(shè)計(jì)參數(shù)，只不過增加一個(gè)內(nèi)回流QB。
圖2 UCT模擬工藝流程
1.4
倒置A2/O設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝模型
倒置A2/O實(shí)際上是對(duì)A2/O在空間上將厭氧與缺氧位置對(duì)換，如圖3所示。因此，模擬工藝設(shè)計(jì)參數(shù)也完全與A2/O一致。
圖3 倒置A2/O模擬工藝流程
2
模擬結(jié)果與分析
2.1
出水模擬結(jié)果及分析
北方污水處理廠冬季設(shè)計(jì)溫度通常為12 ℃，夏季為20 ℃。為詳細(xì)展示各工藝全年不同季節(jié)運(yùn)行情況，再增加10 ℃和25 ℃兩個(gè)極端溫度進(jìn)行模擬。模擬首先依據(jù)出水SS達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（即10 mg/L）進(jìn)行，模擬至穩(wěn)定狀態(tài)后的各工藝出水水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖4。因各工藝出水SS統(tǒng)一設(shè)定為10mg/L，所以，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可以直接計(jì)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(jì)算結(jié)果
圖4顯示，各溫度下三種工藝對(duì)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(shí)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(shí)UCT硝化產(chǎn)生的較多的NO3--N不能及時(shí)反硝化，以至于比其它兩個(gè)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(shí)倒置A2/O要比其它兩個(gè)工藝低1~2 mg /L。無論溶解性PO43-還是TP，倒置A2/O表現(xiàn)均很差，幾乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要?jiǎng)儆贏2/O。
綜上所述，倒置A2/O只具有較強(qiáng)的脫氮能力，在生物除磷方面則無所作為。這是因?yàn)?/span>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(dǎo)致PAOs/DPB無COD可以利用，在系統(tǒng)中難以繁殖。顯然，在同步脫氮除磷方面，倒置A2/O應(yīng)禁止應(yīng)用。否則，P無法生物去除。
UCT因避免了回流污泥中NO3-對(duì)厭氧單元PAOs/DPB的影響（競(jìng)爭(zhēng)VFAs），所以，顯示出比A2/O更好的生物除磷能力。此外，因UCT進(jìn)入缺氧單元實(shí)際存在兩個(gè)循環(huán)（QA+QR），使實(shí)際回流比為300%，導(dǎo)致NH4+-N硝化機(jī)會(huì)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(jī)會(huì)，但因碳源（COD）限制而不能將硝化而來的NO3-及時(shí)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(dá)5%~6%，且UCT要高于A2/O，這說明兩工藝中均存在著相當(dāng)?shù)腜AOs/DPB，這也是兩工藝具有生物高除磷能力的一個(gè)旁證。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷貢獻(xiàn)率
反硝化除磷菌（DPB）首先發(fā)現(xiàn)于UCT和A2/O工藝之中，這種細(xì)菌使用同一碳源即可實(shí)現(xiàn)缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O(shè)2作為唯一電子受體的吸磷現(xiàn)象，不僅節(jié)省了脫氮除磷的碳源，亦可節(jié)省曝氣量。表3列出了A2/O和UCT系統(tǒng)聚磷菌（PAOs）吸磷總量以及DPB在生物吸磷方面的貢獻(xiàn)率。
表3 反硝化除磷貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)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(shí)作用特別明顯（＞30%），應(yīng)主要?dú)w功于DPB的反硝化除磷現(xiàn)象，低溫時(shí)表現(xiàn)尤為突出，20 ℃以下時(shí)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(gè)意義上說，UCT在同步脫氮除磷方面的性能絕對(duì)優(yōu)于A2/O。
2.3
降低出水SS水質(zhì)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(jí)A標(biāo)準(zhǔn)仍然具有一定距離。因此，整體提高出水水質(zhì)（進(jìn)一步降低N、P濃度）的技術(shù)措施是降低出水中SS的濃度，這也是MBR工藝運(yùn)用而生的主要理由。其實(shí)，設(shè)計(jì)和運(yùn)行良好的傳統(tǒng)二沉池完全可以達(dá)到與MBR膜分離幾近一致的分離SS（≤ 5 mg/L）的效果。即使傳統(tǒng)二沉池難以勝任將SS降至≤5 mg/L，后接簡(jiǎn)單砂濾即可奏效，況且目前還出現(xiàn)了高效沉淀設(shè)備。在上述模擬基礎(chǔ)上，只需設(shè)定出水SS=5 mg/L，其它任何參數(shù)保持不變。進(jìn)一步模擬結(jié)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(jié)果
圖6顯示，降低出水SS后水質(zhì)效果主要體現(xiàn)在出水TP上，效果非常明顯，特別針對(duì)UCT，使出水TP從＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)（A2/O仍難以達(dá)標(biāo)�。�。這是因?yàn)閁CT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相應(yīng)較高（5%~6%），因此降低出水SS對(duì)降低TP也就至關(guān)重要。其它出水指標(biāo)（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(yōu)化效果模擬
上述模擬結(jié)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(jìn)水水質(zhì)而言，即使UCT工藝也僅僅是滿足國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，還不能達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)（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(duì)此，可從外加碳源（增加C/P比）或側(cè)流磷沉淀（相對(duì)提高C/P比）角度解決進(jìn)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(chǔ)上，保持進(jìn)水總COD不變，對(duì)表2所列COD可降解組分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F:72mg/L→82mg/L）適當(dāng)提高（40 mg/L），并相應(yīng)減少慢性降解組分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
側(cè)流磷沉淀
厭氧上清液側(cè)流磷沉淀方式可以將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)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(cè)流磷沉淀/分離單元（圖7），取側(cè)流比為進(jìn)水量（Qin）的15%；側(cè)流上清液以金屬磷酸鹽形式沉淀，磷去除率設(shè)定90%。
圖7 側(cè)流磷沉淀UCT模擬工藝流程
3.3
模擬結(jié)果分析
后兩種強(qiáng)化工藝在出水COD上無差別。外加碳源因常規(guī)異養(yǎng)菌（OHO）、磷細(xì)菌數(shù)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(qiáng)而致TN下降約 1mg /L。側(cè)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(shí)，外加碳源和側(cè)流磷沉淀的工藝性能強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)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(cè)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(jié)果
顯然，UCT外加碳源或側(cè)流磷沉淀在增加C/P方面具有異曲同工之處，導(dǎo)致的最終脫氮除磷效果完全可以達(dá)到京標(biāo)B標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)流磷沉淀使N、P指標(biāo)已基本接近京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)。顯然，進(jìn)一步降低出水COD和N、P，完全達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)只需再降一下SS（圖9）即可，簡(jiǎn)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(jié) 語
污水處理升級(jí)改造是大勢(shì)所趨，技術(shù)選擇不僅受國(guó)標(biāo)、地標(biāo)（盡管很大程度上缺乏科學(xué)性）制約，更重要的還是工藝決策、設(shè)計(jì)者缺乏對(duì)常規(guī)工藝機(jī)理的深刻理解，以至于出現(xiàn)很多認(rèn)識(shí)誤區(qū)，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(zhǎng)流程的方式，以化學(xué)、物理、甚至再加生物的后端形式加以“強(qiáng)化”去除。流程延長(zhǎng)導(dǎo)致管理復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用攀升等弊端一方面讓運(yùn)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(xù)的原則。
相同進(jìn)水水質(zhì)、工藝設(shè)計(jì)參數(shù)下的數(shù)學(xué)模擬結(jié)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(yōu)勢(shì)明顯。針對(duì)回流污泥中NO3-可能影響厭氧釋磷的問題，國(guó)內(nèi)試圖以倒置A2/O形式加以解決。但缺氧先行只能以本來應(yīng)留給磷細(xì)菌的VFAs讓常規(guī)反硝化“捷足先登”，結(jié)果讓磷細(xì)菌無“食”可得，不能在系統(tǒng)內(nèi)生長(zhǎng)。通過數(shù)學(xué)模擬，這一論點(diǎn)得到印證，倒置A2/O系統(tǒng)中幾乎無磷細(xì)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(dá)標(biāo)排放的關(guān)鍵。因此，UCT工藝加高效沉淀池或簡(jiǎn)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(duì)進(jìn)水碳源不足現(xiàn)象，固然可以采取外加碳源方式強(qiáng)化生物脫氮除磷，但采用厭氧單元上清液側(cè)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(duì)增加C/P值，將化學(xué)除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合，最大程度發(fā)揮化學(xué)、生物除磷各自優(yōu)勢(shì)。模擬顯示，側(cè)流磷沉淀甚至可以使出水TP達(dá)到京標(biāo)A標(biāo)準(zhǔn)，不僅節(jié)省了碳源，而且節(jié)省大量化學(xué)沉淀藥劑。
論文全文將發(fā)表在《中國(guó)給水排水》雜志上，題目：A2/O工藝用于污水處理廠升級(jí)改造的適宜性探討，作者：郝曉地，李天宇，吳遠(yuǎn)遠(yuǎn)，Mark van Loosdrecht
