A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺
编者按：当前，国内普遍采用A2/O作为污水脱氮除磷工艺，甚至还出现倒置A2/O工艺，以应对新的城镇污水处理排放标准。其实，在同步脱氮除磷方面，A2/O与UCT相比，后者因最大程度可富集反硝化除磷细菌（DPB），对我国低碳源污水最为适合。然而，因UCT工艺富含较多的磷细菌，会导致出水SS中含磷量偏高（5%~6%），至出水总磷（TP）可能偏高。这种情况需要降低出水中SS含量，例如，从SS=10 mg/L降低至5 mg/L。降低出水SS无需采用MBR膜分离技术，只需简单砂滤便可奏效。即使进水中有机物（COD）绝对值不足以藉DPB实现同步脱氮除磷，也无需外加碳源，采用厌氧池侧流磷沉淀/回收方式即可满足国家一级A标准，甚至严格的京标A地方标准。厌氧池上清液侧流磷沉淀与外加碳源具有异曲同工之处（化学去除并回收磷而达到提高C/P比的目的。如此这样，可以将“化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳”之除磷特点发挥至极致，不仅避免了外加碳源，亦可实现磷回收。该论文发表于《中国给水排水》（2017年11月），并荣获2017年度“苏伊士”优秀论文一等奖，且在2022年被北京市科委评为首都前沿学术成果。受北京市科协邀请，定于2022年12月20日上午9:40-10:00以线上会议形式举行（腾讯会议：131-774-067）。
前言
黑臭水体肆虐迫使国家和地方提高城镇污水处理排放标准，这使得我国大部分既有城镇污水厂和新建污水处理厂亟需通过提标改造和新工艺选择来满足营养物去除（BNR）的所需。除此之外，蓝色经济的发展也对污水处理提出了新的要求，如，最大程度降低工艺基建投资、运行能耗以及化学药耗（特别是外加碳源和磷沉淀药剂）使用量等。
在脱氮除磷方面，目前国内大都采用A2/O、甚至倒置A2/O，MBR只不过是在前两种工艺后取代二沉池添加的泥、水膜分离单元而已。其实，在脱氮除磷方面，UCT不仅有着与A2/O类似的原理，还在生物除磷方面更胜一筹。因此，污水处理厂升级应将既有A2/O工艺改造为UCT，最大程度利用磷细菌/反硝化除磷菌（PAOs/DPB）的作用，以实现较低出水磷（P）排放。
对此，本研究利用数学模拟技术，在相同进水水质、工艺设计参数下，以UCT对比A2/O、倒置A2/O，用模拟数据揭示UCT的优越性。并且针对MBR膜在截留悬浮固体（SS）方面的优势，也将模拟低SS（5 mg/L）出水下的UCT与A2/O工艺性能。同时，对我国市政污水碳源普遍不足的问题，分别以外加碳源和侧流磷沉淀方式模拟两种方法的异曲同工之处，以降低碳源投加并促进磷回收应用。
1. 工艺模型设计
本研究利用已建立的TUD联合模型，采用AQUASIM 2.0模拟软件，分别对A2/O、UCT、倒置A2/O工艺建立工艺模型进行模拟。
1.1 工艺设计水质
北京某污水处理厂升级改造设计水量为2×104 m3/d，进水水质见表1。对模型所需COD参数按污水水质特征化方法，将进水COD区分为S1、SA、SF、XI、XS，其含量分别为24、32、72、137、55 mg/L。
表1 设计进水流量与水质（年平均值）
1.2 工艺设计参数与工艺模型
参考我国南北方地区部分既有A2/O工艺实际运行参数，确定工艺模拟设计参数为：
1）生化反应总水力停留时间HRT=13 h，其中，厌氧段HRT=3 h，缺氧段HRT=3 h，好氧段HRT=7 h；
2）不设初沉池，二沉池HRT=3.6 h；
3）内回流比（QA）按进水水量（Qin）200%计，污泥回流比（QR）为进水水量（Qin）100%；
4）污泥停留时间SRT=15 d，好氧池溶解氧DO=2 mg/L。
模拟工艺流程如图1、2所示。由于倒置A2/O实际上是对A2/O在空间上将厌氧与缺氧位置对换。因此，模拟工艺设计参数也完全与A2/O一致。
图1 A2/O模拟工艺流程
图2 UCT模拟工艺流程
2. 模拟结果与分析
北方污水处理厂冬季设计温度通常为12℃，夏季为20℃。为详细展示各工艺全年不同季节运行情况，再增加10℃和25℃两个极端温度进行模拟。模拟首先依据出水SS达到一级A标准（即，10 mg/L）进行，模拟出水数据绘制为图3，出水SS中COD、N、P之含量如图4所示。
图3 出水模拟结果
结果显示，三种工艺的除碳能力几乎一致，均可使出水中溶解性有机物（SCOD）≤25 mg/L。对于硝化作用而言，在20℃以下时UCT明显高于A2/O，并明显优于倒置A2/O（图3b）。因各工艺反硝化能力受碳源（COD）限制，20℃以下时UCT无法及时反硝化产生的NO3-，比其它两个工艺略高1~3 mg N/L（图3c）。就TN而言，因各工艺SS中所含N成分不尽相同，20℃以下时倒置A2/O要比其它两个工艺低1~2 mg N/L（图3d）。无论溶解性PO43-还是TP，倒置A2/O表现均很差，几乎不具有生物除磷能力；而UCT在生物除磷方面要胜于A2/O（图3e与3f）。
由此看来，倒置A2/O只具有较强的脱氮能力，在生物除磷方面则无所作为。这是因为倒置A2/O以反硝化形式先于PAOs/DPB将易降解COD（VFAs）消耗殆尽，使厌氧池中的PAOs/DPB无VFAs可用而难以繁殖。显然，在同步脱氮除磷方面，倒置A2/O不应采用。否则，P无法生物去除。
UCT因避免了回流污泥中NO3-对厌氧单元PAOs/DPB的影响（竞争VFAs），所以，显示出比A2/O具有较好的生物除磷能力。此外，UCT具有300%的实际回流比使得UCT的硝化能力优于A2/O。但因碳源（COD）限制而不能将硝化而来的NO3-及时反硝化，导致出水溶解性NO3-较另两者高。
图4 出水SS中COD、N、P含量
图4显示，三种工艺出水SS中组分区别主要在于P含量（图4b）。倒置A2/O出水SS中低P含量（约为2%）直接反映出SS中并不含PAOs/DPB。相反，UCT和A2/O出水SS中P含量高达5%~6%，且UCT要高于A2/O，这说明两工艺中均存在着相当的PAOs/DPB，这也是两工艺具有生物除磷能力高的一个旁证。
2.3 反硝化除磷菌（DPB）除磷贡献率
对两工艺中反硝化除磷贡献率统计显示，A2/O工艺中PAOs在缺氧以及好氧单元吸磷总量较UCT低22%~35%；UCT中PAOs的吸磷作用主要归功于DPB的反硝化除磷现象，并且在低温时表现尤为突出，20℃以下时比A2/O高12%~14%。换句话说，UCT工艺生物除磷在很大程度上均以反硝化除磷为主。从这个意义上说，UCT在同步脱氮除磷方面的性能绝对优于A2/O。
表2 反硝化除磷贡献率统计表
3. 降低出水SS水质效果模拟
上述结论表明，UCT工艺在脱氮除磷方面具有显著优越性，但限于出水较高的SS浓度（10 mg /L），其出水TP浓度距离一级A标准（TP≤ 0.5 mg P/L）仍然具有一定距离。因此，若能够进一步降低出水中SS浓度便可以整体提高出水水质（进一步降低N、P浓度），这也是MBR工艺运用而生的主要理由。其实，设计和运行良好的传统二沉池完全可以达到与MBR膜分离几近一致的分离SS（≤ 5 mg/L）的效果。即使传统二沉池难以将SS降低至≤ 5 mg/L，后接简单砂滤即可奏效，况且目前还出现了一些所谓的高效沉淀设备。但无论采用何种泥水分离技术，均需要进一步模拟出水SS=5 mg/L下的出水水质，以考察出水中N、P情况。
在上述模拟基础上，仅改变出水SS为5 mg/L进行模拟，结果如图5所示。
图5 不同SS出水下模拟结果
结果显示，降低出水SS后水质效果主要体现在出水TP（图5f）上。并且UCT也能够满足一级A排放标准（而A2/O仍难以达标！）。这是因为UCT中PAOs/DPB含量多，SS中的P含量也就相应较高（5%~6%）。因此，降低出水SS对降低TP也就至关重要。其它出水指标（图5a~e）没有变化或略有变化，主要受出水SS降低后回流污泥浓度有所提高影响（MLSS浓度升高约100 mg/L）。
4. UCT工艺优化效果模拟
上述系列模拟结果显示，UCT较A2/O工艺在脱氮性能上稍好一些，但在除磷性能方面则好很多。然而，就特定模拟进水水质而言，即使UCT工艺也仅仅能满足国家一级A排放标准，还不能达到京标B标准（SS=10 mg /L，COD=30 mg /L，TN=15 mg N/L，NH4+=1.5/2.5 mg N/L，TP=0.3 mg P/L）、甚至是京标A标准（SS=5 mg /L，COD=20 mg /L，TN=10 mg N/L，NH4+=1/1.5 mg N/L，TP=0.2 mg P/L）。如前分析，除出水SS外，设计案例进水COD中可降解成分低是反硝化或反硝化除磷的关键性限制因子，导致出水中溶解性N和P的浓度仍然偏高。对此，可从外加碳源（增加C/P比）或侧流磷沉淀（相对提高C/P比）角度解决进水可降解碳源不足的问题。
4.1 外加碳源
在上述模拟的基础上，将1.1节中COD可降解组分（SA与SF）适当提高（40 mg/L），并相应减少（40 mg/L）慢性降解组分（XS）比例（保持进水总COD不变），保持其他模型参数不变，在出水SS=5 mg/L的基础上进行进一步模拟，结果如图6所示。
4.2 侧流磷沉淀
相较于化学除磷方式，采用厌氧池上清液侧流磷沉淀/回收方式不仅能够以最少量的药剂投加获得最大沉淀效果的磷沉淀/回收），并且能够相对提高生物除磷C/P比。
为此，基于图2所示UCT工艺，在厌氧池末端增加一上清液侧流磷沉淀/分离单元，取侧流比为进水量（Qin）的15%；侧流上清液以金属磷酸盐形式沉淀，磷去除率设定90%。其它参数不变，出水SS为5 mg/L，模拟结果如图6、图7所示。
图6 不同条件UCT工艺出水模拟结果
结果表明，在脱氮方面，外加碳源及侧流磷沉淀均对反硝化具有一定的提升效果能力（图6c）。特别是在除磷方面（图6e、f），两者均能使出水溶解性PO43-大幅下降（＞50%），最终致出水TP下降至0.21~0.33 mg P/L，特别是侧流磷沉淀均＜0.3 mg P/L。
图7 原始UCT以及变型工艺出水SS中COD、N、P含量
总而言之，UCT外加碳源或侧流磷沉淀在增加C/P比方面具有异曲同工之处，导致的最终脱氮除磷效果完全可以达到京标B标准。侧流磷沉淀使N、P指标已基本接近京标A标准。显然，进一步降低出水COD和N、P，完全达到京标A标准只需再降一下SS（图7）即可，简单砂滤似乎即可奏效。
5. 结论
既有A2/O工艺处理厂在升级改造时向UCT变型能够最大程度发掘反硝化除磷潜力，提升脱氮除磷能力的同时可进一步实现节能降耗；
模拟显示，UCT在脱氮性能上较A2/O工艺要稍好一些，但在除磷性能方面优势明显。此外，倒置A2/O系统几乎无法实现生物除磷，难以应对脱氮除磷需求；
出水SS中因聚磷菌缘故使P含量高（5%~6%）是制约出水TP达标排放的关键。因此，UCT工艺加高效沉淀池或简单砂滤即可将出水SS降至5 mg/L以下，并不需要MBR助力；
厌氧单元上清液侧流磷沉淀方式足以解决进水碳源不足的问题。它不仅可以回收磷，亦可相对增加C/P比，将“化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳”之特点有机结合，最大程度发挥化学、生物除磷各自优势。模拟显示，侧流磷沉淀甚至可以使出水TP达到京标A标准，不仅节省了碳源，而且节省大量化学沉淀药剂。
