污水处理厂升级改造中的认识误区

                             污水处理厂升级改造中的认识误区

原创 2018-01-14 郝晓地，等 

导读

脱氮除磷是污水处理厂升级改造的核心内容。长期以来，我国在技术应用时普遍存在认识偏差、甚至是错误的，使得污水处理工艺路线选择常常走偏，导致脱氮除磷运行时难以达标排放。在日益严格的排放标准以及严肃的环保监管形势下，升级改造成为必然。在这个问题上，采用新技术、延长流程似乎已经成为升级改造的趋势，很少有人回过头来琢磨既有工艺的“天生”缺陷。其实，我们对欧洲***已研究、应用了20多年的反硝化除磷（DPB）作用仍停留在学术重复和改名阶段，深思熟虑的工程应用几乎不复存在，以至于A2/O成为脱氮除磷的主流工艺。事实上，A2/O工艺本身便可聚集DPB，只不过效果较UCT要差。因此，变型为UCT便可将反硝化除磷（与硝化细菌并不存在泥龄矛盾）发扬光大，无需向无助于生物除磷的多级A/O、MBR、MBBR等方向发展，也可以弃用生物脱氮+化学除磷的常规处理模式。

作者简介：郝晓地（1960-），男，山西柳林人，教授，从事市政与环境工程***教学与科研工作；主要研究方向为污水生物脱氮除磷技术、污水处理数学模拟技术、可持续环境生物技术。现为***水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。

我国对脱氮除磷技术应用的时间应该说几乎与欧洲同步，A/O、A2/O、甚至倒置A2/O等工艺应用从20世纪末就已经开始，以至于到目前形成了以A2/O及其变型为主的脱氮除磷工艺。然而，在实际应用中发现，A2/O在脱氮方面还较为满意，但生物除磷普遍不灵，出水很难达到TP<1.0 mg P/L，不得不靠后端化学除磷方式满足TP<0.5 mg P/L这样的严格排放标准。

 对此，国内工程界甚至学术界形成了各种各样的认识和论点，像“脱氮与除磷存在泥龄矛盾”、“生物脱氮简单、化学除磷容易”、“多级AO好于A2/O”、“MBR（A2/O+膜分离）可产生***出水”、“MBBR适合升级改造”等等，还有怀疑生物除磷理论不成熟的偏激观点。

 其实，上述论点都是基于对脱氮除磷（特别是反硝化除磷）理论的表观认识或片面理解，仍然将脱氮与除磷分离看待的结果。基于反硝化除磷理论，脱氮与除磷是一体的，是一种细菌（DPB，可以NO3-或O2分别作为电子受体）在缺氧环境下发生的同步脱氮除磷现象，可谓“一石两鸟。生物除磷通过排泥去除细胞内多聚磷酸盐（poly-P）固然需要较短的污泥龄（SRT），而硝化受细菌世代时间限制***采用长SRT。但在工程应用中，其实磷细菌与硝化细菌所需要的***SRT并无多大差别。MBR和MBBR在生物净化机理上根本无助于生物除磷。

 针对国内学术、工程界上述有关脱氮除磷的错误论点，本文将逐一通过既有理论、实验数据、数学模拟予以详细解释并予以澄清。

1 脱氮与除磷存在泥龄矛盾

传统观点认为，硝化菌（AOB/NOB）所需***小SRT要比磷细菌（PAOs/DPB）长；如果SRT满足硝化细菌生长条件，磷细菌则不能较多地排出系统，导致除磷效果变差。这其实就是所谓脱氮除磷存在泥龄矛盾的认识出发点。但是之前通过对BCFS反硝化除磷系统各温度下磷细菌与硝化菌***小SRT模拟实验时发现，虽然反硝化工艺磷细菌（PAOs/DPB）所需***小SRT比硝化菌要短，但两者差别不大，也就仅有1 d之差，如图1所示。换句话说，工程上可将磷细菌与硝化菌***小SRT 视为一致，即不存在什么泥龄矛盾，这与Brdjanovic等人实验发现十分相符。这就是说，同步脱氮除磷系统中，SRT并不能取的太短，否则，连磷细菌也生长不起来，低SRT排泥除磷也就失去意义。

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图1  反硝化除磷系统中硝化菌与磷细菌***小SRT比较

可见，脱氮与除磷存在泥龄矛盾其实是一种主观臆断，是仅从两种细菌各自世代时间比较而得出的错误判断。这也是为什么独立于反硝化除磷的硝化双污泥A2N系统在荷兰只实验演示而没有实际工程应用的主要原因。

2 生物脱氮+化学除磷乃低碳源污水之策

化学除磷具有宏量效果好，微量效果差之特点，具体见图2，图中箭头处数值为Fe/P (Al /P)物质的量之比。

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图2  化学除磷过程

根据化学反应动力学，初始PO43-浓度越高，化学反应所需的金属离子与P摩尔比就越低，反之，则越高。上述阶段性投加化学药剂固然可以节省药剂投加量，但所需反应时间较长。当然，可以采用反应伊始时便投加大药剂，以缩短反应时间。换句话说，如果采用化学除磷方式将污水中通常2~5 mg P/L的PO43-降低至四类水体标准，过量投加化学药剂所带来的运行成本以及制造、运输药剂间接产生的CO2排放量显然与污水处理节能降耗之目标背道而驰。

反观生物除磷，具有微量效果佳的显著特点。在完全满足磷细菌生长条件（厌氧--缺氧/好动态循环生长环境）以及所需环境条件（保证存在还原转化所需乙酸碳源）的前提下，磷细菌在缺氧（DPB）或好氧（PAOs/DPB）环境中几乎可以将水环境中的溶解性PO43-全部吸收到细胞内形成poly-P。通过二沉池泥水分离，上清液中溶解性PO43-可降至“0”这样的低水平。从生物脱氮除磷工艺角度来来看，A2/O或UCT完全按磷细菌所需动态生长环境所设计，可以聚集大量磷细菌。只是在工程实践中，我国很多地区污水中低C/P、C/N比可能限制磷细菌正常生长。然而，从A2/O或UCT中所发现的反硝化除磷现象通过DPB细菌生将物脱氮与除磷“合二为一”，无形中相当于增加了一倍脱氮除磷所需碳源。因此，低碳源污水脱氮除磷工艺首要考虑的就是创造DPB的***富集条件。在此方面，UCT明显好于A2/O，这已被模拟试验所证实。

 因此，将脱氮与除磷分别以生物和化学方式隔离并非低碳源污水脱氮除磷的上策，其结果将以较大化学药剂投加量以及相应的碳排放作为代价。

3 多级A/O比A2/O脱氮除磷效果好

多级A/O工艺以Bardenpho工艺为代表，随后又衍生出多点进水的多级A/O，如图3所示。

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图3  典型多级A/O工艺流程

Bardenpho（图3a）出现于20世纪70年代，当时还没有发现反硝化除磷现象。这种工艺在设计原理上将脱氮与除磷分隔设置，通过前置反硝化方式将污水中大部分氨氮在第一个好氧池（O1）硝化回流至第一个缺氧池（A1）而脱氮。第二级A/O原理上是除磷，即通过第二个厌氧池（A2）释磷、第二个好氧池（O2）吸磷。然而，这种工艺将进水碳源（特别是VFAs）在***级A/O中已大部分消耗（A1反硝化、O1碳氧化），留给第二级A/O的碳源已所剩无几（特别是磷细菌所***的VFAs），因此，磷细菌在这种情况下难以生长、繁殖，除磷也就无从谈起。显然，Bardenpho工艺要想具备同步脱氮除磷功能需要进水中的碳源异常充足，在满足反硝化（A1）和直接碳氧化（O1）的需要后仍有碳源（VFAs）剩余，这样才能保证A2中磷细菌对乙酸的摄取，进而使O2产生吸磷作用。

多点进水多级A/O（图3b）在工艺设计上碳源分段进入三个厌氧（实为缺氧）池，但在“厌”氧池内发生的主要还是常规反硝化作用。首先，污泥回流中的NO3-首先在A1中反硝化而与磷细菌抢夺碳源，接下来O1池硝化产生的NO3-会进入A2，以此类推。结果，这个工艺其实与Bardenpho类似，主要以硝化和反硝化为主，磷细菌也很难得势生长。

 基于之前模拟A2/O时的相同水质、水量以及反应池体积，分别对图3所示的Bardenpho和三段多点进水工艺进行模拟，结果如图4所示。显然，Bardenpho几乎没有除磷作用，多点进水工艺稍微存在一些除磷效果，但与A2/O效果简直不能同日而语。如果将与A2/O变型为UCT，除磷效果则会更好。

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图4  A2/O，Bardenpho与多级A/O工艺出水模拟比较

4  MBR为低氮、磷出水之选

A2/O+膜过滤（MBR）目前似乎已成我国污水处理升级改造的“标配”。很多决策者将出水达标和缓解黒臭水体的宝全部“押”在了MBR上。事实上，MBR对生物净化功能（特别是脱氮除磷）的强化作用几乎没有，只是可以聚积较高的生物量而已。相反，曝气池高的生物量意味着低的排泥量，这对以排除剩余污泥而产生的生物除磷作用十分不利。况且，膜只能截留不溶解的SS，如果前端吸磷效果不佳，溶解性PO43-将无法对其进行截留。对A2/O和UCT模拟结果显示，UCT在除磷效果方面远好于A2/O，只要保持出水SS在5 mg/L以下，出水TP甚至可以达到北京地方标准中的A标准（0.3 mg P/L）。而从传统二沉池出水SS=10 mg/L降低至SS在5 mg/L以下只需传统砂滤即可奏效。

 有关MBR在能耗、占地、费用、清洗等方面的综合评价表明，MBR并不是一种称得上具有可持续性的工艺。有鉴于此，荷兰仅有的几座MBR工艺在经历了几年高能耗以及清洗（膜污染）导致的高昂运行费后已被拆除，继而回归传统活性污泥+砂滤方式工艺。这对比中国更加缺地的荷兰来说实属一种明智的选择。

5 MBBR适合升级改造

轻质悬浮型填料出现使得生物膜技术获得了发展，人们寄希望于向曝气池中定向投加悬浮填料，以期在悬浮增长的生物量（活性污泥）基础上再获得1倍以上的增值生物量（生物膜），这也就促进了MBBR（Moving Bed Biofilm Reactor）工艺的出现和应用。理论上讲，单位体积内的生物量增加，要么可以减少反应器的体积，要么可以增加反应器对污染负荷的处理能力。所以，MBBR应用而生。

 对污水处理各种细菌所需要的生长环境来说，填料投入A2/O好氧、缺氧池倍增生物量后可强化碳氧化、硝化、反硝化作用。但将填料投入厌氧池，只可能有助于颗粒有机物的水解、酸化作用，并不会促进磷细菌的倍增，因为磷细菌是一种“动态”细菌，需要顺序存在厌氧--缺氧/好氧的环境下才能生长。投入厌氧池的填料显然难以实现这种环境上的需要（仅固守于厌氧池），所以，磷细菌不会像常规异养菌（OHO）、硝化菌那样增量繁殖。只有采用向SBR反应器中投加填料的方式才有可能同时获得PAOs/DPB、OHO和AOB/NOB倍增的机会。因此，填料在A2/O等连续流工艺生物除磷方面强化作用仅局限于水解、酸化，不会对磷去除产生明显改进。

 笔者进行的SBR加填料（德国Mutag BioChip™；园片型，直径=22 mm，厚度=1 mm，比表面积>3 000 m2/m3）试验表明，加填料SBR反应器近1年后生物膜生物量确实持续增长，***终使该反应器内的总生物量（生物膜+活性污泥）增加到未加填料SBR反应器（仅有活性污泥，MLVSS=1 400~1 800 mg/L）的2.9倍。但两个反应器对COD、N和P的去除率几乎处于相同的处理水平，均能使模拟生活污水（COD=200~400 mg/L，TN=40~80 mgN/L，TP=8~16 mgP/L）达到***一级A标准，并没有观察到两个反应器在净化效果上的明显差别。即使在非稳态工况下运行，两个反应器对COD、N和P的去除率也没有出现明显预期差别。

总之，MBBR添加表观比表面积填料会有助于生物膜生长、老化脱落、避免有机物沉积，产生的生物增加量也有助于生物净化作用。然而，对市政污水而言，传统活性污泥法只要保持3 000~4 000 mg/L的MLSS，对COD、N、P去除完全可以奏效，用不着额外再去加填料而增加太多的生物量，除非进水中各种污染物浓度超高。然而，所添加的填料无助于生物除磷（像A2/O这样的连续流工艺），反而会导致悬浮污泥的破碎、细化，造成二沉困难，***后只得求助于后端膜分离（MBR）来解决出水SS分离问题。这会使工艺流程延长而耗能，导致运行管理上出现麻烦。

6  结语

在污水处理升级改造或新厂建设方面，业主、设计者往往追求所谓新技术、新工艺，以至于形成了传统工艺难以满足严格排放标准的“共识”。对市政污水处理来说，脱氮除磷是关键，至于COD需达超低排放标准（30 mg/L）只是排放标准不科学制定的问题（荷兰出水COD允许120 mg/L，但BOD5却要求在1 mg/L；惰性COD进入水体不会耗氧，也不会对健康构成什么危害）。在脱氮除磷方面，普遍低碳源是我国污水的特征，但这不等于说传统工艺就不能应对低碳源下的脱氮除磷问题。回归传统工艺，比如说，A2/O特别是UCT，反硝化除磷及侧流磷回收等都可以轻易实现，完全可弃用前端投加碳源（脱氮），后端投加化学药剂（除磷）的常规脱氮除磷方式，也不需要无限延长流程（多级AO、后端深V滤池等），更不需要MBR或MBBR这些无助于生物除磷的所谓新工艺助力。

作者：北京建筑大学城市雨水系统与水环境教育部***实验室中-荷未来污水处理技术研发中心  郝晓地，方晓敏，李天宇，吴远远

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