作者簡介：郝曉地（1960-），男，山西柳林人，教授，從事市政與環(huán)境工程專業(yè)教學(xué)與科研工作；主要研究方向為污水生物脫氮除磷技術(shù)、污水處理數(shù)學(xué)模擬技術(shù)、可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)。現(xiàn)為國際水協(xié)期刊《Water Research》區(qū)域主編（Editor）。 我國對脫氮除磷技術(shù)應(yīng)用的時間應(yīng)該說幾乎與歐洲同步，A/O、A2/O、甚至倒置A2/O等工藝應(yīng)用從20世紀末就已經(jīng)開始，以至于到目前形成了以A2/O及其變型為主的脫氮除磷工藝。然而，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，A2/O在脫氮方面還較為滿意，但生物除磷普遍不靈，出水很難達到TP1.0 mg P/L，不得不靠后端化學(xué)除磷方式滿足TP0.5 mg P/L這樣的嚴格排放標準。
對此，國內(nèi)工程界甚至學(xué)術(shù)界形成了各種各樣的認識和論點，像“脫氮與除磷存在泥齡矛盾”、“生物脫氮簡單、化學(xué)除磷容易”、“多級AO好于A2/O”、“MBR（A2/O+膜分離）可產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)出水”、“MBBR適合升級改造”等等，還有懷疑生物除磷理論不成熟的偏激觀點。
其實，上述論點都是基于對脫氮除磷（特別是反硝化除磷）理論的表觀認識或片面理解，仍然將脫氮與除磷分離看待的結(jié)果。基于反硝化除磷理論，脫氮與除磷是一體的，是一種細菌（DPB，可以NO3-或O2分別作為電子受體）在缺氧環(huán)境下發(fā)生的同步脫氮除磷現(xiàn)象，可謂“一石兩鳥。生物除磷通過排泥去除細胞內(nèi)多聚磷酸鹽（poly-P）固然需要較短的污泥齡（SRT），而硝化受細菌世代時間限制必須采用長SRT。但在工程應(yīng)用中，其實磷細菌與硝化細菌所需要的最低SRT并無多大差別。MBR和MBBR在生物凈化機理上根本無助于生物除磷。 針對國內(nèi)學(xué)術(shù)、工程界上述有關(guān)脫氮除磷的錯誤論點，本文將逐一通過既有理論、實驗數(shù)據(jù)、數(shù)學(xué)模擬予以詳細解釋并予以澄清。 1 脫氮與除磷存在泥齡矛盾 傳統(tǒng)觀點認為，硝化菌（AOB/NOB）所需最小SRT要比磷細菌（PAOs/DPB）長；如果SRT滿足硝化細菌生長條件，磷細菌則不能較多地排出系統(tǒng)，導(dǎo)致除磷效果變差。這其實就是所謂脫氮除磷存在泥齡矛盾的認識出發(fā)點。但是之前通過對BCFS反硝化除磷系統(tǒng)各溫度下磷細菌與硝化菌最小SRT模擬實驗時發(fā)現(xiàn)，雖然反硝化工藝磷細菌（PAOs/DPB）所需最小SRT比硝化菌要短，但兩者差別不大，也就僅有1 d之差，如圖1所示。換句話說，工程上可將磷細菌與硝化菌最小SRT 視為一致，即不存在什么泥齡矛盾，這與Brdjanovic等人實驗發(fā)現(xiàn)十分相符。這就是說，同步脫氮除磷系統(tǒng)中，SRT并不能取的太短，否則，連磷細菌也生長不起來，低SRT排泥除磷也就失去意義。 圖1 反硝化除磷系統(tǒng)中硝化菌與磷細菌最小SRT比較 可見，脫氮與除磷存在泥齡矛盾其實是一種主觀臆斷，是僅從兩種細菌各自世代時間比較而得出的錯誤判斷。這也是為什么獨立于反硝化除磷的硝化雙污泥A2N系統(tǒng)在荷蘭只實驗演示而沒有實際工程應(yīng)用的主要原因。 2 生物脫氮+化學(xué)除磷乃低碳源污水之策 化學(xué)除磷具有宏量效果好，微量效果差之特點，具體見圖2，圖中箭頭處數(shù)值為Fe/P (Al /P)物質(zhì)的量之比。 圖2 化學(xué)除磷過程 根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)，初始PO43-濃度越高，化學(xué)反應(yīng)所需的金屬離子與P摩爾比就越低，反之，則越高。上述階段性投加化學(xué)藥劑固然可以節(jié)省藥劑投加量，但所需反應(yīng)時間較長。當(dāng)然，可以采用反應(yīng)伊始時便投加大藥劑，以縮短反應(yīng)時間。換句話說，如果采用化學(xué)除磷方式將污水中通常2~5 mg P/L的PO43-降低至四類水體標準，過量投加化學(xué)藥劑所帶來的運行成本以及制造、運輸藥劑間接產(chǎn)生的CO2排放量顯然與污水處理節(jié)能降耗之目標背道而馳。
反觀生物除磷，具有微量效果極佳的顯著特點。在完全滿足磷細菌生長條件（厭氧--缺氧/好動態(tài)循環(huán)生長環(huán)境）以及所需環(huán)境條件（保證存在還原轉(zhuǎn)化所需乙酸碳源）的前提下，磷細菌在缺氧（DPB）或好氧（PAOs/DPB）環(huán)境中幾乎可以將水環(huán)境中的溶解性PO43-全部吸收到細胞內(nèi)形成poly-P。通過二沉池泥水分離，上清液中溶解性PO43-可降至“0”這樣的低水平。從生物脫氮除磷工藝角度來來看，A2/O或UCT完全按磷細菌所需動態(tài)生長環(huán)境所設(shè)計，可以聚集大量磷細菌。只是在工程實踐中，我國很多地區(qū)污水中低C/P、C/N比可能限制磷細菌正常生長。然而，從A2/O或UCT中所發(fā)現(xiàn)的反硝化除磷現(xiàn)象通過DPB細菌生將物脫氮與除磷“合二為一”，無形中相當(dāng)于增加了一倍脫氮除磷所需碳源。因此，低碳源污水脫氮除磷工藝首要考慮的就是創(chuàng)造DPB的最大富集條件。在此方面，UCT明顯好于A2/O，這已被模擬試驗所證實。 因此，將脫氮與除磷分別以生物和化學(xué)方式隔離并非低碳源污水脫氮除磷的上策，其結(jié)果將以較大化學(xué)藥劑投加量以及相應(yīng)的碳排放作為代價。 3 多級A/O比A2/O脫氮除磷效果好 多級A/O工藝以Bardenpho工藝為代表，隨后又衍生出多點進水的多級A/O，如圖3所示。 圖3 典型多級A/O工藝流程 Bardenpho（圖3a）出現(xiàn)于20世紀70年代，當(dāng)時還沒有發(fā)現(xiàn)反硝化除磷現(xiàn)象。這種工藝在設(shè)計原理上將脫氮與除磷分隔設(shè)置，通過前置反硝化方式將污水中大部分氨氮在第一個好氧池（O1）硝化回流至第一個缺氧池（A1）而脫氮。第二級A/O原理上是除磷，即通過第二個厭氧池（A2）釋磷、第二個好氧池（O2）吸磷。然而，這種工藝將進水碳源（特別是VFAs）在第一級A/O中已大部分消耗（A1反硝化、O1碳氧化），留給第二級A/O的碳源已所剩無幾（特別是磷細菌所必須的VFAs），因此，磷細菌在這種情況下難以生長、繁殖，除磷也就無從談起。顯然，Bardenpho工藝要想具備同步脫氮除磷功能需要進水中的碳源異常充足，在滿足反硝化（A1）和直接碳氧化（O1）的需要后仍有碳源（VFAs）剩余，這樣才能保證A2中磷細菌對乙酸的攝取，進而使O2產(chǎn)生吸磷作用。
多點進水多級A/O（圖3b）在工藝設(shè)計上碳源分段進入三個厭氧（實為缺氧）池，但在“厭”氧池內(nèi)發(fā)生的主要還是常規(guī)反硝化作用。首先，污泥回流中的NO3-首先在A1中反硝化而與磷細菌搶奪碳源，接下來O1池硝化產(chǎn)生的NO3-會進入A2，以此類推。結(jié)果，這個工藝其實與Bardenpho類似，主要以硝化和反硝化為主，磷細菌也很難得勢生長。 基于之前模擬A2/O時的相同水質(zhì)、水量以及反應(yīng)池體積，分別對圖3所示的Bardenpho和三段多點進水工藝進行模擬，結(jié)果如圖4所示。顯然，Bardenpho幾乎沒有除磷作用，多點進水工藝稍微存在一些除磷效果，但與A2/O效果簡直不能同日而語。如果將與A2/O變型為UCT，除磷效果則會更好。 圖4 A2/O，Bardenpho與多級A/O工藝出水模擬比較 4 MBR為低氮、磷出水之選 A2/O+膜過濾（MBR）目前似乎已成我國污水處理升級改造的“標配”。很多決策者將出水達標和緩解黒臭水體的寶全部“押”在了MBR上。事實上，MBR對生物凈化功能（特別是脫氮除磷）的強化作用幾乎沒有，只是可以聚積較高的生物量而已。相反，曝氣池高的生物量意味著低的排泥量，這對以排除剩余污泥而產(chǎn)生的生物除磷作用十分不利。況且，膜只能截留不溶解的SS，如果前端吸磷效果不佳，溶解性PO43-將無法對其進行截留。對A2/O和UCT模擬結(jié)果顯示，UCT在除磷效果方面遠好于A2/O，只要保持出水SS在5 mg/L以下，出水TP甚至可以達到北京地方標準中的A標準（0.3 mg P/L）。而從傳統(tǒng)二沉池出水SS=10 mg/L降低至SS在5 mg/L以下只需傳統(tǒng)砂濾即可奏效。 有關(guān)MBR在能耗、占地、費用、清洗等方面的綜合評價表明，MBR并不是一種稱得上具有可持續(xù)性的工藝。有鑒于此，荷蘭僅有的幾座MBR工藝在經(jīng)歷了幾年高能耗以及清洗（膜污染）導(dǎo)致的高昂運行費后已被拆除，繼而回歸傳統(tǒng)活性污泥+砂濾方式工藝。這對比中國更加缺地的荷蘭來說實屬一種明智的選擇。 5 MBBR適合升級改造 輕質(zhì)懸浮型填料出現(xiàn)使得生物膜技術(shù)獲得了空前的發(fā)展，人們寄希望于向曝氣池中定向投加懸浮填料，以期在懸浮增長的生物量（活性污泥）基礎(chǔ)上再獲得1倍以上的增值生物量（生物膜），這也就促進了MBBR（Moving Bed Biofilm Reactor）工藝的出現(xiàn)和應(yīng)用。理論上講，單位體積內(nèi)的生物量增加，要么可以減少反應(yīng)器的體積，要么可以增加反應(yīng)器對污染負荷的處理能力。所以，MBBR應(yīng)用而生。
對污水處理各種細菌所需要的生長環(huán)境來說，填料投入A2/O好氧、缺氧池倍增生物量后可強化碳氧化、硝化、反硝化作用。但將填料投入?yún)捬醭?，只可能有助于顆粒有機物的水解、酸化作用，并不會促進磷細菌的倍增，因為磷細菌是一種“動態(tài)”細菌，需要順序存在厭氧--缺氧/好氧的環(huán)境下才能生長。投入?yún)捬醭氐奶盍巷@然難以實現(xiàn)這種環(huán)境上的需要（僅固守于厭氧池），所以，磷細菌不會像常規(guī)異養(yǎng)菌（OHO）、硝化菌那樣增量繁殖。只有采用向SBR反應(yīng)器中投加填料的方式才有可能同時獲得PAOs/DPB、OHO和AOB/NOB倍增的機會。因此，填料在A2/O等連續(xù)流工藝生物除磷方面強化作用僅局限于水解、酸化，不會對磷去除產(chǎn)生明顯改進。
筆者進行的SBR加填料（德國Mutag BioChip?；園片型，直徑=22 mm，厚度=1 mm，比表面積>3 000 m2/m3）試驗表明，加填料SBR反應(yīng)器近1年后生物膜生物量確實持續(xù)增長，最終使該反應(yīng)器內(nèi)的總生物量（生物膜+活性污泥）增加到未加填料SBR反應(yīng)器（僅有活性污泥，MLVSS=1 400~1 800 mg/L）的2.9倍。但兩個反應(yīng)器對COD、N和P的去除率幾乎處于相同的處理水平，均能使模擬生活污水（COD=200~400 mg/L，TN=40~80 mgN/L，TP=8~16 mgP/L）達到國家一級A標準，并沒有觀察到兩個反應(yīng)器在凈化效果上的明顯差別。即使在非穩(wěn)態(tài)工況下運行，兩個反應(yīng)器對COD、N和P的去除率也沒有出現(xiàn)明顯預(yù)期差別。 總之，MBBR添加表觀比表面積填料會有助于生物膜生長、老化脫落、避免有機物沉積，產(chǎn)生的生物增加量也有助于生物凈化作用。然而，對市政污水而言，傳統(tǒng)活性污泥法只要保持3 000~4 000 mg/L的MLSS，對COD、N、P去除完全可以奏效，用不著額外再去加填料而增加太多的生物量，除非進水中各種污染物濃度超高。然而，所添加的填料無助于生物除磷（像A2/O這樣的連續(xù)流工藝），反而會導(dǎo)致懸浮污泥的破碎、細化，造成二沉困難，最后只得求助于后端膜分離（MBR）來解決出水SS分離問題。這會使工藝流程延長而耗能，導(dǎo)致運行管理上出現(xiàn)麻煩。 6 結(jié)語 在污水處理升級改造或新廠建設(shè)方面，業(yè)主、設(shè)計者往往追求所謂新技術(shù)、新工藝，以至于形成了傳統(tǒng)工藝難以滿足嚴格排放標準的“共識”。對市政污水處理來說，脫氮除磷是關(guān)鍵，至于COD需達超低排放標準（30 mg/L）只是排放標準不科學(xué)制定的問題（荷蘭出水COD允許120 mg/L，但BOD5卻要求在1 mg/L；惰性COD進入水體不會耗氧，也不會對健康構(gòu)成什么危害）。在脫氮除磷方面，普遍低碳源是我國污水的特征，但這不等于說傳統(tǒng)工藝就不能應(yīng)對低碳源下的脫氮除磷問題?；貧w傳統(tǒng)工藝，比如說，A2/O特別是UCT，反硝化除磷及側(cè)流磷回收等都可以輕易實現(xiàn)，完全可棄用前端投加碳源（脫氮），后端投加化學(xué)藥劑（除磷）的常規(guī)脫氮除磷方式，也不需要無限延長流程（多級AO、后端深V濾池等），更不需要MBR或MBBR這些無助于生物除磷的所謂新工藝助力。 更詳細內(nèi)容參見《中國給水排水》第4期：污水處理廠升級改造中的認識誤區(qū)，作者：北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點實驗室中-荷未來污水處理技術(shù)研發(fā)中心 郝曉地，方曉敏，李天宇，吳遠遠 |
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