郝晓地 | A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺
2017-09-05 13:29设计/微生物/化学
摘要
以国内普遍采用的A2/O工艺为背景，通过与UCT工艺模拟对比揭示，A2/O在脱氮上略逊UCT，但在除磷方面明显落后于UCT。倒置A2/O虽能避免回流污泥中硝酸氮对厌氧释磷的影响，但却以牺牲生物除磷为代价。进言之，UCT较A2/O可聚集更多反硝化除磷细菌（DPB），这将最大化同步脱氮除磷作用，同时亦可节省曝气量。但是，UCT在生物除磷上的优越性会导致出水SS中高含磷量（5%~6%），所以，较高的出水SS（10 mg/L）肯定会产生较高的出水总磷（TP）。降低出水SS（5 mg/L）并辅助外加碳源或侧流磷沉淀，UCT不仅可以满足国家一级A标准，甚至还能达到京标A之地方严格标准。厌氧单元上清液侧流磷沉淀与外加碳源具有异曲同工之处，可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特点发挥至极致，不仅避免了外加碳源，亦可实现磷回收。
9月16日-19日，在青岛即将举办的“污水处理厂提标改造技术交流会”上，郝晓地教授将做题为“A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺”的报告，为大家进行详细阐述，敬请关注！
郝晓地（1960-），男，山西柳林人，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，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。现为国际水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。
1
工艺模型设计
实践表明，TUD与ASM联合模型亦适用于我国市政污水处理厂问题诊断、运行优化、工艺设计。因此，利用之前业已建立的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
结合北京某小型市政污水处理厂升级改造设计水量(20 000 m3/d)、水质（见表1），对模型所需COD参数按照污水水质特征化方法，将进水COD区分为如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五种组分。
表1 设计水质年平均值（mg/L）
|
项目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
|
指标 |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD参数组分划分(mg/L)
|
项目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
|
指标 |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O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=3.6h；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=15d，好氧池溶解氧DO=2 mg/L。模拟工艺流程如图1所示。
图1 A2/O模拟工艺流程
实际污水厂曝气池内流态接近推流式，这就需要对AQUASIM 2.0中模拟单元以完全混合—推流式建立工艺模型（每个反应池分为串联的5个子反应器）。工艺模型中，二沉池分为清水区（60%）和污泥区（40%）两部分，包括水解、PAOs、异养菌、自养菌代谢活动的21个模型反应在污泥区亦全部开启，即考虑了沉淀池中微生物发生的各种生化反应。
1.3
UCT设计参数与工艺模型
为与A2/O比较，图2显示的UCT模型工艺完全移植了上述A2/O模拟工艺设计参数，只不过增加一个内回流QB。
图2 UCT模拟工艺流程
1.4
倒置A2/O设计参数与工艺模型
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，如图3所示。因此，模拟工艺设计参数也完全与A2/O一致。
图3 倒置A2/O模拟工艺流程
2
模拟结果与分析
2.1
出水模拟结果及分析
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，模拟至稳定状态后的各工艺出水水质数据对比见图4。因各工艺出水SS统一设定为10mg/L，所以，根据模拟数据可以直接计算出水SS中COD、N、P之含量（见图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）
图4 出水模拟计算结果
图4显示，各温度下三种工艺对COD去除几近一致，出水中溶解性SCOD≤25 mg/L。NH4+-N硝化能力在20 ℃以下时UCT明显高于A2/O，比倒置A2/O亦好许多。因各工艺反硝化能力受碳源（COD）限制，20 ℃以下时UCT硝化产生的较多的NO3--N不能及时反硝化，以至于比其它两个工艺高1~3 mg/L。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 /L。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。
综上所述，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完全违背了要将易降解COD（VFAs）首先在厌氧单元用于PAOs/DPB吸收的原则，以至于用反硝化方式几乎耗尽了VFAs，导致PAOs/DPB无COD可以利用，在系统中难以繁殖。显然，在同步脱氮除磷方面，倒置A2/O应禁止应用。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更好的生物除磷能力。此外，因UCT进入缺氧单元实际存在两个循环（QA+QR），使实际回流比为300%，导致NH4+-N硝化机会较A2/O无形增加100%，所以，UCT的硝化能力好于A2/O。尽管UCT300%的缺氧回流比理论上亦有助于增加反硝化的机会，但因碳源（COD）限制而不能将硝化而来的NO3-及时反硝化。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
图5 出水SS中COD、N、P含量
图5显示，三种工艺出水SS中的COD和N含量基本相同，差别在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明显很低（约占SS总干重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高除磷能力的一个旁证。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷贡献率
反硝化除磷菌（DPB）首先发现于UCT和A2/O工艺之中，这种细菌使用同一碳源即可实现缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O2作为唯一电子受体的吸磷现象，不仅节省了脱氮除磷的碳源，亦可节省曝气量。表3列出了A2/O和UCT系统聚磷菌（PAOs）吸磷总量以及DPB在生物吸磷方面的贡献率。
表3 反硝化除磷贡献率统计表
表3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的吸磷作用在20 ℃以下时作用特别明显（＞30%），应主要归功于DPB的反硝化除磷现象，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。
2.3
降低出水SS水质效果模拟
尽管UCT与A2/O具有较好的同步脱氮除磷能力，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标准仍然具有一定距离。因此，整体提高出水水质（进一步降低N、P浓度）的技术措施是降低出水中SS的浓度，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胜任将SS降至≤5 mg/L，后接简单砂滤即可奏效，况且目前还出现了高效沉淀设备。在上述模拟基础上，只需设定出水SS=5 mg/L，其它任何参数保持不变。进一步模拟结果见图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）
图6 不同出水SS下模拟结果
图6显示，降低出水SS后水质效果主要体现在出水TP上，效果非常明显，特别针对UCT，使出水TP从＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已满足一级A排放标准（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（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）。
3
UCT工艺优化效果模拟
上述模拟结果显示，UCT较A2/O工艺在脱氮上好一些，并在除磷方面好很多。然而，就特定模拟进水水质而言，即使UCT工艺也仅仅是满足国家一级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/L，NH4+-N=1.5/2.5 mg/L，TP=0.3 mg/L）、甚至是京标A标准（SS=5 mg/L，COD=20 mg/L，TN=10 mg/L，NH4+-N=1/1.5 mg/L，TP=0.2 mg/L）。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。
3.1
外加碳源
在上述模拟的基础上，保持进水总COD不变，对表2所列COD可降解组分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F:72mg/L→82mg/L）适当提高（40 mg/L），并相应减少慢性降解组分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
侧流磷沉淀
厌氧上清液侧流磷沉淀方式可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特点有机结合。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（图7），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%。
图7 侧流磷沉淀UCT模拟工艺流程
3.3
模拟结果分析
后两种强化工艺在出水COD上无差别。外加碳源因常规异养菌（OHO）、磷细菌数量增多使硝化受到一些抑制，但因反硝化/反硝化除磷作用增强而致TN下降约 1mg /L。侧流磷沉淀在脱氮上作用虽不及外加碳源，但较原始UCT有明显效果（TN下降约0.5 mg /L）。其实，外加碳源和侧流磷沉淀的工艺性能强化作用主要表现在除磷上，两者均能使出水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。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN浓度（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP浓度（含SS）
图8 不同条件UCT工艺出水模拟结果
显然，UCT外加碳源或侧流磷沉淀在增加C/P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9）即可，简单砂滤似乎即可奏效。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
图9 原始UCT以及变型工艺出水SS中COD、N、P含量
4
结 语
污水处理升级改造是大势所趋，技术选择不仅受国标、地标（尽管很大程度上缺乏科学性）制约，更重要的还是工艺决策、设计者缺乏对常规工艺机理的深刻理解，以至于出现很多认识误区，使本来生物处理便能一并解决的脱氮除磷问题往往通过延长流程的方式，以化学、物理、甚至再加生物的后端形式加以“强化”去除。流程延长导致管理复杂、运行费用攀升等弊端一方面让运行单位怨声载道，另一方面，高物耗、能耗、药耗工艺也背离可持续的原则。
相同进水水质、工艺设计参数下的数学模拟结果显示，UCT在脱氮上较A2/O工艺要稍好一些，但在除磷方面优势明显。针对回流污泥中NO3-可能影响厌氧释磷的问题，国内试图以倒置A2/O形式加以解决。但缺氧先行只能以本来应留给磷细菌的VFAs让常规反硝化“捷足先登”，结果让磷细菌无“食”可得，不能在系统内生长。通过数学模拟，这一论点得到印证，倒置A2/O系统中几乎无磷细菌存在，因此，也就难具生物除磷效果。
生物除磷效果越好，出水中溶解性PO43-就越低，而出水SS中因聚磷菌缘故使P含量高（5%~6%）才是制约出水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，可能并不需要MBR的助力。
针对进水碳源不足现象，固然可以采取外加碳源方式强化生物脱氮除磷，但采用厌氧单元上清液侧流磷沉淀方式具有异曲同工之处，不仅可以回收磷，亦可相对增加C/P值，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。
论文全文将发表在《中国给水排水》杂志上，题目：A2/O工艺用于污水处理厂升级改造的适宜性探讨，作者：郝晓地，李天宇，吴远远，Mark van Loosdrecht
前沿 | A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺
2017-09-05 18:02
郝晓地 | A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺
原创2017-09-05郝晓地中国给水排水
摘要
以国内普遍采用的A2/O工艺为背景，通过与UCT工艺模拟对比揭示，A2/O在脱氮上略逊UCT，但在除磷方面明显落后于UCT。倒置A2/O虽能避免回流污泥中硝酸氮对厌氧释磷的影响，但却以牺牲生物除磷为代价。进言之，UCT较A2/O可聚集更多反硝化除磷细菌（DPB），这将最大化同步脱氮除磷作用，同时亦可节省曝气量。但是，UCT在生物除磷上的优越性会导致出水SS中高含磷量（5%~6%），所以，较高的出水SS（10 mg/L）肯定会产生较高的出水总磷（TP）。降低出水SS（5 mg/L）并辅助外加碳源或侧流磷沉淀，UCT不仅可以满足国家一级A标准，甚至还能达到京标A之地方严格标准。厌氧单元上清液侧流磷沉淀与外加碳源具有异曲同工之处，可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特点发挥至极致，不仅避免了外加碳源，亦可实现磷回收。
9月16日-19日，在青岛即将举办的“污水处理厂提标改造技术交流会”上，郝晓地教授将做题为“A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺”的报告，为大家进行详细阐述，敬请关注！
郝晓地（1960-），男，山西柳林人，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，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。现为国际水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。
1
工艺模型设计
实践表明，TUD与ASM联合模型亦适用于我国市政污水处理厂问题诊断、运行优化、工艺设计。因此，利用之前业已建立的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
结合北京某小型市政污水处理厂升级改造设计水量(20 000 m3/d)、水质（见表1），对模型所需COD参数按照污水水质特征化方法，将进水COD区分为如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五种组分。
表1 设计水质年平均值（mg/L）
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项目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
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指标 |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD参数组分划分(mg/L)
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项目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
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指标 |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O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=3.6h；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=15d，好氧池溶解氧DO=2 mg/L。模拟工艺流程如图1所示。
图1 A2/O模拟工艺流程
实际污水厂曝气池内流态接近推流式，这就需要对AQUASIM 2.0中模拟单元以完全混合—推流式建立工艺模型（每个反应池分为串联的5个子反应器）。工艺模型中，二沉池分为清水区（60%）和污泥区（40%）两部分，包括水解、PAOs、异养菌、自养菌代谢活动的21个模型反应在污泥区亦全部开启，即考虑了沉淀池中微生物发生的各种生化反应。
1.3
UCT设计参数与工艺模型
为与A2/O比较，图2显示的UCT模型工艺完全移植了上述A2/O模拟工艺设计参数，只不过增加一个内回流QB。
图2 UCT模拟工艺流程
1.4
倒置A2/O设计参数与工艺模型
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，如图3所示。因此，模拟工艺设计参数也完全与A2/O一致。
图3 倒置A2/O模拟工艺流程
2
模拟结果与分析
2.1
出水模拟结果及分析
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，模拟至稳定状态后的各工艺出水水质数据对比见图4。因各工艺出水SS统一设定为10mg/L，所以，根据模拟数据可以直接计算出水SS中COD、N、P之含量（见图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）
图4 出水模拟计算结果
图4显示，各温度下三种工艺对COD去除几近一致，出水中溶解性SCOD≤25 mg/L。NH4+-N硝化能力在20 ℃以下时UCT明显高于A2/O，比倒置A2/O亦好许多。因各工艺反硝化能力受碳源（COD）限制，20 ℃以下时UCT硝化产生的较多的NO3--N不能及时反硝化，以至于比其它两个工艺高1~3 mg/L。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 /L。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。
综上所述，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完全违背了要将易降解COD（VFAs）首先在厌氧单元用于PAOs/DPB吸收的原则，以至于用反硝化方式几乎耗尽了VFAs，导致PAOs/DPB无COD可以利用，在系统中难以繁殖。显然，在同步脱氮除磷方面，倒置A2/O应禁止应用。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更好的生物除磷能力。此外，因UCT进入缺氧单元实际存在两个循环（QA+QR），使实际回流比为300%，导致NH4+-N硝化机会较A2/O无形增加100%，所以，UCT的硝化能力好于A2/O。尽管UCT300%的缺氧回流比理论上亦有助于增加反硝化的机会，但因碳源（COD）限制而不能将硝化而来的NO3-及时反硝化。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
图5 出水SS中COD、N、P含量
图5显示，三种工艺出水SS中的COD和N含量基本相同，差别在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明显很低（约占SS总干重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高除磷能力的一个旁证。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷贡献率
反硝化除磷菌（DPB）首先发现于UCT和A2/O工艺之中，这种细菌使用同一碳源即可实现缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O2作为唯一电子受体的吸磷现象，不仅节省了脱氮除磷的碳源，亦可节省曝气量。表3列出了A2/O和UCT系统聚磷菌（PAOs）吸磷总量以及DPB在生物吸磷方面的贡献率。
表3 反硝化除磷贡献率统计表
表3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的吸磷作用在20 ℃以下时作用特别明显（＞30%），应主要归功于DPB的反硝化除磷现象，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。
2.3
降低出水SS水质效果模拟
尽管UCT与A2/O具有较好的同步脱氮除磷能力，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标准仍然具有一定距离。因此，整体提高出水水质（进一步降低N、P浓度）的技术措施是降低出水中SS的浓度，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胜任将SS降至≤5 mg/L，后接简单砂滤即可奏效，况且目前还出现了高效沉淀设备。在上述模拟基础上，只需设定出水SS=5 mg/L，其它任何参数保持不变。进一步模拟结果见图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）
图6 不同出水SS下模拟结果
图6显示，降低出水SS后水质效果主要体现在出水TP上，效果非常明显，特别针对UCT，使出水TP从＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已满足一级A排放标准（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（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）。
3
UCT工艺优化效果模拟
上述模拟结果显示，UCT较A2/O工艺在脱氮上好一些，并在除磷方面好很多。然而，就特定模拟进水水质而言，即使UCT工艺也仅仅是满足国家一级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/L，NH4+-N=1.5/2.5 mg/L，TP=0.3 mg/L）、甚至是京标A标准（SS=5 mg/L，COD=20 mg/L，TN=10 mg/L，NH4+-N=1/1.5 mg/L，TP=0.2 mg/L）。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。
3.1
外加碳源
在上述模拟的基础上，保持进水总COD不变，对表2所列COD可降解组分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F: 72mg/L→82mg/L）适当提高（40 mg/L），并相应减少慢性降解组分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
侧流磷沉淀
厌氧上清液侧流磷沉淀方式可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特点有机结合。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（图7），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%。
图7 侧流磷沉淀UCT模拟工艺流程
3.3
模拟结果分析
后两种强化工艺在出水COD上无差别。外加碳源因常规异养菌（OHO）、磷细菌数量增多使硝化受到一些抑制，但因反硝化/反硝化除磷作用增强而致TN下降约 1mg /L。侧流磷沉淀在脱氮上作用虽不及外加碳源，但较原始UCT有明显效果（TN下降约0.5 mg /L）。其实，外加碳源和侧流磷沉淀的工艺性能强化作用主要表现在除磷上，两者均能使出水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。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN浓度（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP浓度（含SS）
图8 不同条件UCT工艺出水模拟结果
显然，UCT外加碳源或侧流磷沉淀在增加C/P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9）即可，简单砂滤似乎即可奏效。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
图9 原始UCT以及变型工艺出水SS中COD、N、P含量
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结 语
污水处理升级改造是大势所趋，技术选择不仅受国标、地标（尽管很大程度上缺乏科学性）制约，更重要的还是工艺决策、设计者缺乏对常规工艺机理的深刻理解，以至于出现很多认识误区，使本来生物处理便能一并解决的脱氮除磷问题往往通过延长流程的方式，以化学、物理、甚至再加生物的后端形式加以“强化”去除。流程延长导致管理复杂、运行费用攀升等弊端一方面让运行单位怨声载道，另一方面，高物耗、能耗、药耗工艺也背离可持续的原则。
相同进水水质、工艺设计参数下的数学模拟结果显示，UCT在脱氮上较A2/O工艺要稍好一些，但在除磷方面优势明显。针对回流污泥中NO3-可能影响厌氧释磷的问题，国内试图以倒置A2/O形式加以解决。但缺氧先行只能以本来应留给磷细菌的VFAs让常规反硝化“捷足先登”，结果让磷细菌无“食”可得，不能在系统内生长。通过数学模拟，这一论点得到印证，倒置A2/O系统中几乎无磷细菌存在，因此，也就难具生物除磷效果。
生物除磷效果越好，出水中溶解性PO43-就越低，而出水SS中因聚磷菌缘故使P含量高（5%~6%）才是制约出水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，可能并不需要MBR的助力。
针对进水碳源不足现象，固然可以采取外加碳源方式强化生物脱氮除磷，但采用厌氧单元上清液侧流磷沉淀方式具有异曲同工之处，不仅可以回收磷，亦可相对增加C/P值，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。
论文全文将发表在《中国给水排水》杂志上，题目：A2/O工艺用于污水处理厂升级改造的适宜性探讨，作者：郝晓地，李天宇，吴远远，Mark van Loosdrecht
论文集目次（465页内文，47位专家报告）：中国给水排水 2017年中国污水处理厂提标改造高级研讨会 论文集目次
2017-09-05中国给水排水
住房和城乡建设部
主办单位：
北京工业大学
哈尔滨工业大学
1
2
本届大会以会议研讨交流为主（约47个专家报告）和现场参观典型工程为辅助的形式。
3
17.题目：先进的膜法污水升级改造技术-MABR, MBR和MACmbr
报告人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司 城市水环境研究院孙永利 副院长
报告人: 东南大学 能源与环境学院吕锡武 教授、博士生导师
报告人：浙江工业大学 环境学院李军教授
13：25—13：55
报告人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第一设计院 李征高工
报告人 ：常州市排水管理处 许光明处长，陈俊 总工程师
16：45—17：10
抽奖
4
2、行业协会：中国城镇供水排水协会、中国土木工程学会水工业分会、中国低碳产业联合会、中国勘察设计协会、各地学会、协会等。
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会务费：
住宿：
电话：022-27835639 27835592
13752275003
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同时对改造和新建工程进行了能耗追踪，一期和二期吨水电耗从改造前的；降至；三期新建工程吨水电耗为，出水标准提高而能耗降低，主要源于采用微动力混合池型，取消推流器，降低推流器电耗；同时，悬浮填料填充率增加，大幅提高氧利用率，降低曝气能耗。
郝晓地 | A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺
摘要
以国内普遍采用的A2/O工艺为背景，通过与UCT工艺模拟对比揭示，A2/O在脱氮上略逊UCT，但在除磷方面明显落后于UCT。倒置A2/O虽能避免回流污泥中硝酸氮对厌氧释磷的影响，但却以牺牲生物除磷为代价。进言之，UCT较A2/O可聚集更多反硝化除磷细菌（DPB），这将最大化同步脱氮除磷作用，同时亦可节省曝气量。但是，UCT在生物除磷上的优越性会导致出水SS中高含磷量（5%~6%），所以，较高的出水SS（10 mg/L）肯定会产生较高的出水总磷（TP）。降低出水SS（5 mg/L）并辅助外加碳源或侧流磷沉淀，UCT不仅可以满足国家一级A标准，甚至还能达到京标A之地方严格标准。厌氧单元上清液侧流磷沉淀与外加碳源具有异曲同工之处，可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳之特点发挥至极致，不仅避免了外加碳源，亦可实现磷回收。
9月16日-19日，在青岛即将举办的“污水处理厂提标改造技术交流会”上，郝晓地教授将做题为“A2/O不宜作为污水处理升级改造工艺”的报告，为大家进行详细阐述，敬请关注！
郝晓地（1960-），男，山西柳林人，教授，从事市政与环境工程专业教学与科研工作，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。现为国际水协期刊《Water Research》区域主编（Editor）。
1
工艺模型设计
实践表明，TUD与ASM联合模型亦适用于我国市政污水处理厂问题诊断、运行优化、工艺设计。因此，利用之前业已建立的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
结合北京某小型市政污水处理厂升级改造设计水量(20 000 m3/d)、水质（见表1），对模型所需COD参数按照污水水质特征化方法，将进水COD区分为如表2所示的S_I、S_A、S_F、X_I、X_S五种组分。
表1 设计水质年平均值（mg/L）
|
项目 |
COD |
BOD5 |
SS |
NH4+-N |
TN |
TP |
|
指标 |
320 |
160 |
185 |
48 |
60 |
7.5 |
表2 模型COD参数组分划分(mg/L)
|
项目 |
S_I |
S_A |
S_F |
X_S |
X_I |
|
指标 |
24 |
32 |
72 |
137 |
55 |
1.2
A2/O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=3.6h；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=15d，好氧池溶解氧DO=2 mg/L。模拟工艺流程如图1所示。
图1 A2/O模拟工艺流程
实际污水厂曝气池内流态接近推流式，这就需要对AQUASIM 2.0中模拟单元以完全混合—推流式建立工艺模型（每个反应池分为串联的5个子反应器）。工艺模型中，二沉池分为清水区（60%）和污泥区（40%）两部分，包括水解、PAOs、异养菌、自养菌代谢活动的21个模型反应在污泥区亦全部开启，即考虑了沉淀池中微生物发生的各种生化反应。
1.3
UCT设计参数与工艺模型
为与A2/O比较，图2显示的UCT模型工艺完全移植了上述A2/O模拟工艺设计参数，只不过增加一个内回流QB。
图2 UCT模拟工艺流程
1.4
倒置A2/O设计参数与工艺模型
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，如图3所示。因此，模拟工艺设计参数也完全与A2/O一致。
图3 倒置A2/O模拟工艺流程
2
模拟结果与分析
2.1
出水模拟结果及分析
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，模拟至稳定状态后的各工艺出水水质数据对比见图4。因各工艺出水SS统一设定为10mg/L，所以，根据模拟数据可以直接计算出水SS中COD、N、P之含量（见图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）
图4 出水模拟计算结果
图4显示，各温度下三种工艺对COD去除几近一致，出水中溶解性SCOD≤25 mg/L。NH4+-N硝化能力在20 ℃以下时UCT明显高于A2/O，比倒置A2/O亦好许多。因各工艺反硝化能力受碳源（COD）限制，20 ℃以下时UCT硝化产生的较多的NO3--N不能及时反硝化，以至于比其它两个工艺高1~3 mg/L。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 /L。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。
综上所述，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完全违背了要将易降解COD（VFAs）首先在厌氧单元用于PAOs/DPB吸收的原则，以至于用反硝化方式几乎耗尽了VFAs，导致PAOs/DPB无COD可以利用，在系统中难以繁殖。显然，在同步脱氮除磷方面，倒置A2/O应禁止应用。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更好的生物除磷能力。此外，因UCT进入缺氧单元实际存在两个循环（QA+QR），使实际回流比为300%，导致NH4+-N硝化机会较A2/O无形增加100%，所以，UCT的硝化能力好于A2/O。尽管UCT300%的缺氧回流比理论上亦有助于增加反硝化的机会，但因碳源（COD）限制而不能将硝化而来的NO3-及时反硝化。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
图5 出水SS中COD、N、P含量
图5显示，三种工艺出水SS中的COD和N含量基本相同，差别在于P含量。倒置A2/O出水SS中P含量明显很低（约占SS总干重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高除磷能力的一个旁证。
2.2
反硝化除磷菌（DPB）除磷贡献率
反硝化除磷菌（DPB）首先发现于UCT和A2/O工艺之中，这种细菌使用同一碳源即可实现缺氧反硝化吸磷，可以在很大程度上避免以O2作为唯一电子受体的吸磷现象，不仅节省了脱氮除磷的碳源，亦可节省曝气量。表3列出了A2/O和UCT系统聚磷菌（PAOs）吸磷总量以及DPB在生物吸磷方面的贡献率。
表3 反硝化除磷贡献率统计表
表3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的吸磷作用在20 ℃以下时作用特别明显（＞30%），应主要归功于DPB的反硝化除磷现象，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。
2.3
降低出水SS水质效果模拟
尽管UCT与A2/O具有较好的同步脱氮除磷能力，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标准仍然具有一定距离。因此，整体提高出水水质（进一步降低N、P浓度）的技术措施是降低出水中SS的浓度，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胜任将SS降至≤5 mg/L，后接简单砂滤即可奏效，况且目前还出现了高效沉淀设备。在上述模拟基础上，只需设定出水SS=5 mg/L，其它任何参数保持不变。进一步模拟结果见图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）
图6 不同出水SS下模拟结果
图6显示，降低出水SS后水质效果主要体现在出水TP上，效果非常明显，特别针对UCT，使出水TP从＞0.5 mg /L降至＜0.5 mg /L，已满足一级A排放标准（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（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）。
3
UCT工艺优化效果模拟
上述模拟结果显示，UCT较A2/O工艺在脱氮上好一些，并在除磷方面好很多。然而，就特定模拟进水水质而言，即使UCT工艺也仅仅是满足国家一级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/L，NH4+-N=1.5/2.5 mg/L，TP=0.3 mg/L）、甚至是京标A标准（SS=5 mg/L，COD=20 mg/L，TN=10 mg/L，NH4+-N=1/1.5 mg/L，TP=0.2 mg/L）。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。
3.1
外加碳源
在上述模拟的基础上，保持进水总COD不变，对表2所列COD可降解组分（S_A: 32mg/L→62mg/L，S_F:72mg/L→82mg/L）适当提高（40 mg/L），并相应减少慢性降解组分（X_S）比例（137mg/L→97mg/L）。
3.2
侧流磷沉淀
厌氧上清液侧流磷沉淀方式可以将化学除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特点有机结合。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（图7），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%。
图7 侧流磷沉淀UCT模拟工艺流程
3.3
模拟结果分析
后两种强化工艺在出水COD上无差别。外加碳源因常规异养菌（OHO）、磷细菌数量增多使硝化受到一些抑制，但因反硝化/反硝化除磷作用增强而致TN下降约 1mg /L。侧流磷沉淀在脱氮上作用虽不及外加碳源，但较原始UCT有明显效果（TN下降约0.5 mg /L）。其实，外加碳源和侧流磷沉淀的工艺性能强化作用主要表现在除磷上，两者均能使出水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。
（a） 溶解性COD
（b） 溶解性NH4+
（c） 溶解性NO3-
（d） TN浓度（含SS）
（e） 溶解性PO43-
（f） TP浓度（含SS）
图8 不同条件UCT工艺出水模拟结果
显然，UCT外加碳源或侧流磷沉淀在增加C/P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9）即可，简单砂滤似乎即可奏效。
（a） 出水SS中COD、N含量
（b） 出水SS中P含量
图9 原始UCT以及变型工艺出水SS中COD、N、P含量
4
结 语
污水处理升级改造是大势所趋，技术选择不仅受国标、地标（尽管很大程度上缺乏科学性）制约，更重要的还是工艺决策、设计者缺乏对常规工艺机理的深刻理解，以至于出现很多认识误区，使本来生物处理便能一并解决的脱氮除磷问题往往通过延长流程的方式，以化学、物理、甚至再加生物的后端形式加以“强化”去除。流程延长导致管理复杂、运行费用攀升等弊端一方面让运行单位怨声载道，另一方面，高物耗、能耗、药耗工艺也背离可持续的原则。
相同进水水质、工艺设计参数下的数学模拟结果显示，UCT在脱氮上较A2/O工艺要稍好一些，但在除磷方面优势明显。针对回流污泥中NO3-可能影响厌氧释磷的问题，国内试图以倒置A2/O形式加以解决。但缺氧先行只能以本来应留给磷细菌的VFAs让常规反硝化“捷足先登”，结果让磷细菌无“食”可得，不能在系统内生长。通过数学模拟，这一论点得到印证，倒置A2/O系统中几乎无磷细菌存在，因此，也就难具生物除磷效果。
生物除磷效果越好，出水中溶解性PO43-就越低，而出水SS中因聚磷菌缘故使P含量高（5%~6%）才是制约出水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，可能并不需要MBR的助力。
针对进水碳源不足现象，固然可以采取外加碳源方式强化生物脱氮除磷，但采用厌氧单元上清液侧流磷沉淀方式具有异曲同工之处，不仅可以回收磷，亦可相对增加C/P值，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。
论文全文将发表在《中国给水排水》杂志上，题目：A2/O工艺用于污水处理厂升级改造的适宜性探讨，作者：郝晓地，李天宇，吴远远，Mark van Loosdrecht
