1、Keywords: Nitrogen and phosphorus removal Modified A2/O process Inverted A2/O process1 绪论1.1 氮、磷污染及危害随着人类活动的不断增加，环境资源的不断改变，含氮污水排放急剧增加，废水中氮、磷等营养物质对环境所造成的影响逐渐引起人们的注意1。氮、磷是引起水体富营养化和环境污染的重要污染物质。水体富营养化即在自然条件下，随着河流夹带冲击物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积，湖泊会从平营养湖过渡为富营养湖，进而演变为沼泽和陆地，这是一种极为缓慢的过程。但由于人类的活动，将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植
2、物营养物质排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后，水生生物特别是藻类将大量繁殖，使生物量的种群种类数量发生改变，破坏了水体的生态平衡。大量死亡的水生生物沉积到湖底，被微生物分解，消耗大量的溶解氧，使水体溶解氧含量急剧降低，水质恶化，以致影响到鱼类的生存，大大加速了水体的富营养化过程。水体出现富营养化现象时，由于浮游生物大量繁殖，往往使水体呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等，这种现象在江河湖泊中叫水华，在海中叫赤潮。这些藻类有恶臭、有毒，鱼不能食用。藻类遮蔽阳光，使水底生植物因光合作用受到阻碍而死去，腐败后放出氮、磷等植物的营养物质，再供藻类利用。这样年深月久，造成恶性循环，藻类大量繁殖，水质恶化而
3、有腥臭，造成鱼类死亡。氮、磷来源较多，排放量较大，除生活污水和动物排泄物外，大量的工业污水，如石化、制药、食品等工业污水以及垃圾填埋渗漏水等，都含有大量的氮磷，因此，研究污水脱氮除磷技术，保护水体不受富营养化的影响，已成为一个亟待解决的问题2-5。随着水体富营养化问题日益严重，国家对氮磷排放要求日益严格，绝大多数不具备脱氮除磷功能的城市污水处理厂都面临着艰巨改造任务6。城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）对所有排放污水中的氮、磷量都做出了明确的规定：2006年1月1日起建设的污水处理厂，其中磷（以P计）的排放要严格控制在0.5mg/l（一级A标准）以下，其中氨氮的排放要求严
4、格控制在5mg/l（一级A标准）以下。为了满足出水排放标准，绝大多数城镇污水处理厂都必须采用二级生化处理和深度脱氮除磷处理工艺技术。1.2 生物除磷脱氮工艺概述生物同步脱氮除磷工艺既在一个处理系统中能同时实现对氮、磷进行去除，其中我国经常使用的工艺有：传统A2/O工艺、倒置A2/O工艺、改良型A2/O工艺、CAST工艺、MSBR工艺、UNITANK工艺等7。现重点介绍目前常用的几种处理工艺。1.2.1 传统A2/O工艺传统A2/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic）工艺是厌氧-缺氧-好氧生物除磷脱氮工艺的简称，它是70年代由美国专家在厌氧-好氧除磷工艺（A/O）的基础上开发出来的8。
5、该工艺是传统活性污泥工艺、生物脱氮工艺和生物除磷工艺的综合，能同时具有去除有机物、除磷脱氮的功能，该系统可以称为最简单的同步除磷脱氮的工艺。从工艺上来说，它是在传统活性污泥法的基础上增加一个缺氧段和一个厌氧段9。其处理流程如下图所示，污水依次经过厌氧区，缺氧区和好氧区，好氧区出水一部分回流至缺氧区前端，以达到硝化脱氮的目的。其工艺特点主要是：工艺流程比较简单；厌氧、缺氧、好氧交替运行，不利于丝状菌繁殖，减小无污泥膨胀；无需投药，运行费用低37-39。图1-1 传统A2/O工艺流程图1.2.2 改良型A2/O工艺改良型A2/O 工艺（即MUCT，Modified University of Ca
6、pe Town）。图1-2 改良型A2/O工艺流程图改良型A2/O活性污泥法工艺是通过厌氧、缺氧和好氧交替变化的环境完成除磷脱氮反应的。改良型A2/O活性污泥法工艺的特点是把除磷、脱氮和降解有机物三个变化过程巧妙结合起来，在厌氧段和缺氧段为除磷和脱氮提供各自不同的反应条件，在最后的好氧段提供共同的反应条件，通过简单的组合，很好地解决了除磷脱氮的矛盾。该工艺相对成熟可靠，处理效果稳定，对于管理水平较高、规模较大地城市污水处理厂比较适用。在反应池的布置型式上，可以考虑多点进水，根据实际的进水水质，来确定曝气池的运行方式，可按A2/O运行、A/O运行、普通活性污泥法运行等等，运行灵活，可以节约运行成
7、本。此外，污泥回流泵的选择、污泥回流管的配置等方面设计中也可考虑倒置A2/O运行的可能性。该工艺在传统A2/O工艺的基础上，在厌氧池之前增设厌氧/缺氧池。来自于二沉池的回流污泥和10%左右的进水进入厌氧/氧调节池。其主要特点是：回流污泥和一部分污水进入该池进行反硝化，去除了回流污泥中的硝酸盐，消除（或大大降低）了回流污泥中硝态氮对后续厌氧池的不利影响，有利于厌氧池的聚磷菌释磷，同时抑制了丝状菌的繁殖，改善了泥水分离性能，从而使运行稳定、处理效果更好10。1.2.3 倒置A2/O工艺倒置A2/O工艺（reversed A2/O）。其工艺流程图如图1-3。倒置A2/O工艺采用缺氧、厌氧及好氧的布置
8、顺序，取消了内循环。缺氧区位于厌氧区之前，硝酸盐在这里消耗殆尽，厌氧区ORP较低，有利于微生物形成更强的吸磷动力；微生物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吸磷动力可以得到更充分利用；缺氧段位于工艺的首端，允许反硝化优先获得碳源，进一步加强了系统的脱氮能力；工艺流程更为简捷14- 18。图1-3 倒置A2/O工艺流程图1.2.4 CAST工艺CAST（Cyclic Activated Sludge Technology，循环活性污泥系统）。 为生物选择器；为预反应区；为主反应区；RAS为回流活性污泥图1-4 典型CAST池平面示意图CAST工艺是SBR（序批式活性污泥法
9、）和ICEAS工艺的更新变型，它在主反应区（SBR池）的前面设置了生物选择器并将污泥回流到这里。生物选择器是容积较小的泥水接触区，它可在厌氧或缺氧条件下运行，在接触区形成了明显的基质浓度梯度，活性污泥能快速吸附和水解水中的有机物，污泥中的硝酸盐氮经反硝化去除，而磷得到释放。生物选择器能有效地抑制丝状菌的繁殖。预反应区为水力反冲区，大小与高峰流量有关，若在非曝气阶段，不进水可将其省去。主反应区在可变容积完全混合反应条件下运行，完成含碳有机物和包括氮、磷的污染物的去除。运行时通过控制溶解氧的浓度来保证硝化、反硝化以及磷吸收的同步进行19。1.2.5 UNITANK工艺UNITANK（组合交替式活性
10、污泥法）35-36工艺集中了传统活性污泥法和SBR33-34的优点，处理单元一体化，经济、运转灵活。其基本单元由三个区（或格）组成，相互之间通过公共墙开洞或池底渠连通。两个边区设有固定出水堰及污泥排出设施，可交替进行缺氧、厌氧、好氧和沉淀工况；中区进行好氧或缺氧、好氧交替工况。污水可分时序进入三区中的任一区，区中“三氧”工况的历时长短则根据水质等因素确定，根据监测指标（ORP或DO）值调整曝气设备供氧情况及搅拌器的开闭，动态地（空间和时间）实现厌氧、缺氧和好氧条件而达到除磷脱氮的目的20。图1-5 UNITANK工艺流程图1.3 生物除磷脱氮原理1.3.1 生物除磷原理（1）聚磷菌除磷机理城市
11、污水中存在的含磷物质基本上都是不同形式的磷酸盐（简称磷或总磷，用P或TP表示）。按化学特性（酸性水解和消化）则可进一步分成正磷酸盐、聚合磷酸盐和有机磷酸盐，分别简称正磷、聚磷和有机磷。污水生物除磷就是利用聚磷菌的超量吸磷现象，即聚磷菌吸收的磷量超过微生物正常生长所需要的磷量，在传统生物处理系统中采用排除过量吸磷的剩余污泥来实现污水处理系统磷的去除。据报道，在生物除磷系统中污泥含磷量的典型值在6%左右，有些能达到8%-12%，而普通活性污泥含磷量只有2%。图1-6 聚磷菌除磷机理通常在厌氧/好氧交替变化的活性污泥系统中产生聚磷菌。在厌氧/缺氧条件下聚磷菌的生长会受到抑制，为了生存它释放出其细胞中
12、的聚磷酸盐（以溶解性的磷酸盐形式释放到溶液中），并利用此过程中产生的能量（以ATP形式）摄取污水中的挥发性脂肪酸（VFA）以合成聚-羟基丁酸盐（PHB）颗粒贮存在其体内。此阶段水中溶解性磷酸盐的浓度有所增加22。当聚磷菌进入好氧环境后，它们的活力将得到充分的恢复。而此时水中有机物由于经过了厌氧环境下的降解其浓度非常低，为了生存它们将氧化分解PHB获得能量（以ATP形式）。它们从污水中大量摄取溶解态正磷酸盐用于合成ATP，并在其细胞内以多聚磷酸盐的形式贮存能量。这种对磷的积累作用大大超过微生物正常生产所需的磷量。在此阶段水中溶解性磷酸盐的浓度大大减少。温度对除磷效果的影响不如对脱氮过程的影响明显
13、。因为在高温、中温、低温条件下，不同菌群都具有生物除磷的能力，在530的范围内，都可以得到很好的除磷效果，而温度对除磷的影响主要是影响厌氧发酵作用进而影响厌氧条件下低分子有机物的形成和吸收，从这种意义上来说低温运行时厌氧区的停留时间应该长些。一般聚磷菌的适宜温度是530之间44，45图1-7 生物除磷过程中的生物代谢图 （2）兼性厌氧反硝化除磷细菌机理研究者发现了一种“兼性厌氧反硝化除磷细菌”（DPB），它可以在缺氧条件下利用NO3-作为电子受体氧化细胞内贮存的PHA，并从环境中摄磷，实现同时反硝化和过度摄磷。兼性反硝化菌生物摄/放磷作用的确认，不仅拓宽了除磷的途径，而且更重要的是这种细菌的摄
14、/放磷作用将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一。该工艺具有处理过程中COD和O2消耗量较少、剩余污泥量小等特点，并且利用DPB实现生物除磷，能使碳源得到有效利用，使该工艺在COD/（N+P）值相对较低的情况下仍能保持良好的运行状态，并使除磷的化学药剂量大大减少，同时除磷器内可获得富含磷的污泥，使磷的循环利用成为可能40，41。1.3.2 生物脱氮原理生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和NH3-N转化为N2和NxO气体的过程7。废水中存在着有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮等形式的氮，而其中以氨氮和有机氮为主要形式。在生物处理过程中，有机氮被异养微生物氧化分解，即通过氨化作用转化为成NH3-N
15、，而后经硝化过程转化变为NOx-N，最后通过反硝化作用使NOx-N转化成N2，而逸入大气。由此可见，进行生物脱氮可分为氨化硝化反硝化三个步骤。由于氨化反应速度很快，在一般废水处理设施中均能完成，故生物脱氮的关键在于硝化和反硝化23。1）氨化作用氨化作用是指将有机氮化合物转化为NH3-N的过程，也称为矿化作用。参与氨化作用的细菌称为氨化细菌。在自然界中，它们的种类很多，主要有好氧性的荧光假单胞菌和灵杆菌、兼性的变形杆菌和厌氧的腐败梭菌等。在好氧条件下，主要有两种降解方式，一是氧化酶催化下的氧化脱氨。例如氨基酸生成酮酸和氨： 丙氨酸 亚氨基丙酸 丙酮酸 另一是某些好氧菌，在水解酶的催化作用下能水解
16、脱氮反应。例如尿素能被许多细菌水解产生氨，分解尿素的细菌有尿八联球菌和尿素芽孢杆菌等，它们是好氧菌，其反应式如下：在厌氧或缺氧的条件下，厌氧微生物和兼性厌氧微生物对有机氮化合物进行还原脱氨、水解脱氨和脱水脱氨三种途径的氨化反应。2）硝化作用硝化作用是指将NH3-N氧化为NOx-N的生物化学反应，这个过程由亚硝酸菌和硝酸菌共同完成，包括亚硝化反应和硝化反应两个步骤。该反应历程为：亚硝化反应 硝化反应 总反应式 亚硝酸菌有亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺杆菌属和亚硝酸球菌属。硝酸菌有硝酸杆菌属、硝酸球菌属。亚硝酸菌和硝酸菌统称为硝化菌23。发生硝化反应时细菌分别从氧化NH3-N和NO2-N的过程中获得能量
17、，碳源来自无机碳化合物，如CO32、HCO、CO2等。假定细胞的组成为C5H7NO2，则硝化菌合成的化学计量关系可表示为：在综合考虑了氧化合成后，实际应用中的硝化反应总方程式为：由上式可以看出硝化过程的三个重要特征：（1）NH3的生物氧化需要大量的氧，大约每去除1g的NH3-N需要4.2gO2；（2）硝化过程细胞产率非常低，难以维持较高物质浓度，特别是在低温的冬季；（3）硝化过程中产生大量的质子（H+），为了使反应能顺利进行，需要大量的碱中和，理论上大约为每氧化1g的NH3-N需要碱度5.57g（以NaCO3计）。在硝化反应过程中氮元素的转化经历了以下过程：NH4+ NH2OH NOH NO2
18、- NO3-3）反硝化作用反硝化作用是指在厌氧或缺氧（DO0.3-0.5mg/L）条件下，NOx-N及其它氮氧化物被用作电子受体被还原为氮气或氮的其它气态氧化物的生物学反应，这个过程由反硝化菌完成。反应历程为：H可以是任何能提供电子，且能还原NOx-N为氮气的物质，包括有机物、硫化物、H+等。进行这类反应的细菌主要有变形杆菌属、微球菌属、假单胞菌属、芽胞杆菌属、产碱杆菌属、黄杆菌属等兼性细菌，它们在自然界中广泛存在。有分子氧存在时，利用O2作为最终电子受体，氧化有机物，进行呼吸；无分子氧存在时，利用NOx-N进行呼吸。研究表明，这种利用分子氧和NOx-N之间的转换很容易进行，即使频繁交换也不会
19、抑制反硝化的进行。大多数反硝化菌能进行反硝化的同时将NOx-N同化为NH3-N而供给细胞合成之用，这也就是所谓同化反硝化。只有当NOx-N作为反硝化菌唯一可利用的氨源时NOx-N同化代谢才可能发生。如果废水中同时存在NH3-N，反硝化菌有限地利用NH3-N进行合成。4）同化作用在生物脱氮过程中，废水中的一部分氮（NH3-N或有机氮）被同化为异养生物细胞的组成部分。微生物细胞采用C60H87O23N12P来表示，按细胞的干重量计算，微生物细胞中氮含量约为12.5%。虽然微生物的内源呼吸和溶胞作用会使一部分细胞的氮又以有机氮和NH3-N形式回到废水中，但仍存在于微生物的细胞及内源呼吸残留物中的氮可
20、以在二沉池中得以从废水中去除。5）脱氮新机理近年一些研究者在研究中陆续观察到一些超出传统生物脱氮理论的新现象21。比如将好氧硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，然后在缺氧条件下直接反硝化的亚硝酸型生物脱氮；在一定的条件下，硝化和反硝化可以在同一个反应器内同时完成；异养硝化以及厌氧氨氧化等。这些现象可以从微环境理论和生物学角度进行解释。微环境理论主要从物理学角度研究活性污泥和生物膜的微环境中各种物质（如DO、有机物、NO3-N和NO2-N等）传递的变化、各类微生物的代谢活动及其相互作用，从而导致的微环境中物理、化学和生物条件或状态的改变。在宏观环境中微好氧状态时，由于氧扩散的限制，微生物絮体内产生了溶解
21、氧梯度，也就形成了不同的微环境。生物学角度的解释不同于传统理论，微生物学家发现了异养硝化菌和好氧反硝化菌，它们甚至可在完全厌氧的条件下发生硝化作用。有些好氧反硝化菌同时也是异养型硝化菌，它们能够在好氧条件下直接将氨转化为最终的气态产物。以上这些现象的发现为研究者研究新的生物脱氮理论和开发新的生物脱氮工艺指引了方向，使他们不断开发出了许多新型脱氮工艺。如：SND（同时硝化反硝化工艺）、SHARON（Single reactor high activity ammonia removal over nitrite，亚硝化反应器）工艺、OLAND（Oxygen-limited autotrophic
22、 nitrification-denitrification，氧限制自氧硝化反硝化）工艺、厌氧氨氧化工艺以及短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺等。1.4 研究目的及内容1.4.1 研究目的随着常州市经济的迅速发展，人口也不断增长，尤其是当武进区纳入市区统一管理后，排放的污水越来越多，水质也越来越复杂，原来的污水设施基本上均满负荷运转，增加的污水必须新增污水处理设施，才能确保市区水环境不再恶化。因此，必须及早完善城市污水系统，加大污水处理力度，使城市实现供水和排水的良性循环，完善和保持城市风貌，使城市赖以生存和发展的生态环境得到有效的改善和提高。根据前面的论述不难看出，城市污水的处理，归根结底是如何有效的脱氮除磷。随着研究工作的进行，对脱氮除磷的生物学原理的认识不断深入，诞生了多种生物脱氮除磷工艺，推动了污水生物脱氮除磷技术的发展，促进了污水生物处理技术的进步24。其中应用较多的工艺有：传统A2/O工艺、倒置A2/O工艺、改良型A2/O工艺等。本研究的目的就是在通过对常州市四个采用上述工艺的污水厂生物池的除磷脱氮效果的分析，找出更适合常州市情况的处理工艺，为后续污水厂的建设提供借鉴。1.4.2 研究内容（1）在常州市江边、儒林、邹区、戚墅堰污水厂运行期间，记录各厂的进出水水质中COD、BOD5、TP、NH4+-N、SS的历时变化，分
