污水处理厂升级改造中的认识误区
前言：在日益严格排放标准以及严峻环保监管形势下，污水处理厂升级改造成为必然，而脱氮除磷则是升级改造的核心技术内容。
早在20世纪末的欧洲（特别是荷兰），脱氮除磷理论与实践已经十分成熟。以“反硝化除磷（DPB）”为基础的同步脱氮除磷工艺（BCFS）大规模工程应用和“厌氧氨氧化（ANAMMOX）”现象的发现与证实，预示着可持续污水处理技术时代的到来。
我国对脱氮除磷技术应用几乎与欧洲同步，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脱氮效果较好，但生物除磷普遍较差（出水TP>1.0 mg/L），不得不靠后端化学除磷方式满足严格的排放标准（TP＜0.5 mg/L）。
对此，国内工程界及学术界形成了各种各样的认识与论点，其中不乏存在认识误区。本文针对“脱氮与除磷存在污泥龄矛盾”、“生物脱氮简单、化学除磷容易”、“多级AO好于A2/O”、“MBR可产生优质出水”和“MBBR适合升级改造”等5个认识误区，逐一通过理论分析、实验数据、数学模拟予以详细解释并澄清。
误区一：脱氮与除磷存在污泥龄矛盾
传统观点认为，硝化细菌(AOB/NOB)所需最小固体停留时间（SRT）比聚磷细菌(PAOs/DPB)长。若SRT满足硝化菌生长条件，磷细菌则不能较多地排出系统，导致系统除磷效果变差。脱氮与除磷存在污泥龄矛盾正是基于此认识产生。
在进行BCFS反硝化除磷系统不同温度下两种细菌最小SRT模拟实验时发现（如图1所示），磷细菌所需最小SRT比硝化菌短，但差别不大（仅1 d之差），在工程上可视为无差别（即，不存在污泥龄矛盾）。在同步脱氮除磷系统中，SRT不能取得太短，否则磷细菌也无法正常生长繁殖，低SRT下排泥除磷也就没有意义。由图1可知，在低温（T＜10℃）条件下，磷细菌生长受温度影响较大，此时甚至出现了磷细菌最小SRT比硝化菌长的现象。
图1 反硝化除磷系统中硝化菌和磷细菌最小SRT比较
由此可见，脱氮与除磷存在污泥龄矛盾只是主观臆测，是仅仅比较了两种细菌各自的世代时间而得出的认识误区。
误区二：生物除磷+化学除磷乃低碳源污水之策
由图2可知，化学除磷具有宏量效果好、微量效果差的特点。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物质的量之比就越低，反之，则越高。
图2 化学除磷过程
注：
1. 图中箭头处数据为Fe/P或Al/P物质的量之比；
2. Fe盐为FeCl3·6H2O，Al盐为Al2(SO4)3·18H2O；
3. 宏量阶段的初始磷浓度为20 mg/L，微量阶段的初始磷浓度为2.85 mg/L。
如图2中所示，采用阶段性投加化学药剂的方式虽能节省药剂投加量，但所需的反应时间较长。若在反应一开始便投加大量药剂，可缩短反应时间。但若采用化学除磷方式使污水中的PO43--P（2~5 mg/L）降到Ⅳ类水体标准（TP≤0.3 mg/L，其中溶解性PO43--P的最低浓度为0.1 mg/L，另外0.2 mg/L考虑在初始SS中），过量投加药剂所增加的运行成本以及药剂在生产运输过程中所产生的间接碳排放都与污水处理节能降耗目标背道而驰。
反观生物除磷，其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/好氧动态循环生长环境）和所需环境条件（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）和好氧（PAOs/DPB）环境中几乎可以将水环境中溶解性PO43--P全部吸收到细胞内形成poly-P（多聚磷酸盐），经泥水分离后的上清液中溶解性PO43--P可降至“0”。
从生物脱氮除磷工艺角度来看，A2/O或UCT完全是按磷细菌所需动态生长环境所设计，有利于聚集大量磷细菌。但在工程实践中，由于我国部分地区的污水C/P、C/N较低，可能会限制磷细菌的正常生长。然而，从A2/O或UCT中所发现的反硝化除磷现象，通过DPB细菌将生物脱氮与除磷“合二为一”，在无形之中增加了一倍脱氮除磷所需碳源。因此，对于低碳源脱氮除磷工艺首先需要考虑的是如何创造DPB的最大富集条件。在这方面，已通过模拟实验证实UCT明显优于A2/O。
因此，将脱氮和除磷分别以生物和化学的方式分开处理并非是低碳源污水脱氮除磷的上策，最终是以较大化学药剂投加量和增加间接碳排放作为代价的。
误区三：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，之后又衍生出了多点进水的多级A/O工艺，如图3所示。
图3 典型多级A/O工艺流程
Bardenpho工艺出现于20世纪70年代，反硝化除磷在当时还未被发现。该工艺在设计原理上将脱氮和除磷分隔设置。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）在第一级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（特别是磷细菌所必须的VFAs），在这种情况下磷细菌难以生长繁殖，再谈生物除磷也就毫无意义。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争夺碳源，接下来O1池硝化产生的NO3--N会进入A2，以此类推。实际上，这个工艺与Bardenpho类似，主要以硝化和反硝化为主，磷细菌也很难获得优势生长。
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所示的两种工艺进行模拟，结果如图4所示。TN以Bardenpho的去除效果最佳（较其他两个工艺低1~2 mg N/L）。而在除磷效果上就显示出较大差异，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相差甚远。如果将与A2/O变型为UCT，除磷效果则会更好。
图4 A2/O，Bardenpho与多级A/O工艺出水模拟比较
误区四：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”。业内部分人士认为要使得出水达标并且缓解黑臭水体必须得靠MBR。实际上，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，曝气池生物量高就意味着排泥量低，而生物除磷是通过将产生的富磷污泥以剩余污泥的形式进行排放得以实现，这对生物除磷作用十分不利。况且，膜只能截留下不溶解的SS，若前端吸磷效果不佳，溶解性PO43-将无法对其进行截留。
对A2/O和UCT两种工艺的模拟结果显示，UCT在除磷效果方面远胜于A2/O，只要保持出水SS＜5 mg/L，出水TP甚至可以达到北京地方标准（≤0.3 mg P/L）。而将传统二沉池出水SS=10 mg/L降至SS≤5 mg/L，采用传统砂滤即可。
此外，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明智之举。
误区五：MBBR适合升级改造
轻质悬浮型填料的出现使得生物膜技术获得了空前发展，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应运而生。
对污水处理各种细菌所需要生长环境来说，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，需要在厌氧-缺氧/好氧动态循环的环境下才能生长。投入厌氧池的填料显然难以实现这种环境上的需要，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，不会对除磷效果产生明显的提升作用。
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，无需额外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，最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，使得运行管理复杂化。
结语
日益严格的污水处理排放标准和环境监管、执法力度不仅使得既有污水厂普遍面临升级改造的困境，也对新建污水处理厂工艺设计提出了选择问题。业内在追求新技术、新工艺过程中，形成了传统工艺难以满足严格排放标准的“共识”。对市政污水来说，脱氮除磷是重中之重，至于出水COD需要达到超低排放标准（＜30 mg/L）也只是标准制定不科学的问题（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。
反硝化除磷为低碳源污水脱氮除磷带来了福音，在DPB作用下，将原本认为彼此分离的脱氮（反硝化）和吸磷（好氧）在缺氧环境下(以NO3-作为电子受体)合二为一。此外，还可通过厌氧上清液测流磷沉淀/回收的方式，充分发挥其化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特点。只需投加少量的化学药剂便可解决低碳源和磷回收的问题，达到事半功倍的效果。
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。
原文信息：郝晓地,方晓敏,李天宇,吴远远.污水处理厂升级改造中的认识误区[J].中国给水排水,2018,34(04):10-15.DOI:10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2018.04.003.
