摘要：通过短时厌氧环境的生化特性、厌氧/缺氧环境倒置效应和小型系统平行对比试验，较系统地研究了倒置a2/o工艺的原理和工艺特点。指出：聚磷菌厌氧有效释磷水平的充分与否，并不是决定其在后续曝气条件下过度吸磷能力的充分必要条件。推进聚磷菌过度吸磷的本质动力与厌氧区hrt和厌氧环境的厌氧程度有关。
关键词：污水处理 脱氮 除磷 倒置a2/o工艺
principle and characteristics of reversed a2 /o process 1 ,gao ting yao 2
abs tract ： the biochemical characteristics of short time retention in anaerobic zone and sequence reversing of anaerobic and anoxic zones on phosphorus release and uptakewere studied in bench scale experiments the results showed that:(1) the effective phosphorus release, fully or not, is not the sufficient and necessary condition deciding the ability of excess puptake to a certain extent,a relativelylonger hrt and a more sufficient anaerobic environment produce a stronger potential of excess puptake in the following aerobic condition(2) a much better effect of n-p removal can be obtained in biological nutrient removal process by reversing the position of anaerobic and anoxic zones and turning into reversed a2 /o process its phosphorus and nitrogen removal rates are markedly higher thanthat of conventional a2 /o process, whereas the cod removal rates are about equal keywords: wastewater treatment;nitrogen removal;phosphorus removal;reversed a2 /o process
常规生物脱氮除磷工艺呈厌氧 (a1)/缺氧(a2)/好氧(o)的布置形式。www.11665.CoM该布置在理论上基于这样一种认识，即：聚磷微生物有效释磷水平的充分与否，对于提高系统的除磷能力具有极端重要的意义，厌氧 区在前可以使聚磷微生物优先获得碳源并得以充分释磷［1］ 。但是，①由于存在内循环，常规工艺系统所排放的剩余污泥中实际上只有一少部分经历了完整的释磷、吸磷过程，其余则基本上未经厌氧 状态而直接由缺氧区进入好氧区，这对于除磷是不利的；②由于缺氧区位于系统中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影响了系统的脱氮效果；③由于厌氧 区居前，回流污泥中的硝酸盐对厌氧 区产生不利影响，为了避免该影响而开发的一些新工艺(如uct等)趋于复杂化；④实际运转经验表明，按照缺氧—好氧两段设计的脱氮工艺系统也常常表现出良好的除磷能力［2、3］ 。因此，常规生物脱氮除磷工艺(a1/a2/o)布置的合理性值得进一步探讨。
1 材料与方法
活性污泥取自污水生物脱氮除磷小型试验系统，污水取自实际城市污水。污水和污泥的性质见表1。
表1 污水和污泥的性质
污水
污泥
cod（mg/l)
400-800
mlss(g/l)
3.0-4.0
bod5(mg/l)
150-450
vss/ss
0.60-0.64
tn(mg/l)
45-65
n含量（mgn/gvss)
110-130
tp(mg/l)
2.5-10.0
p含量（mgn/gvss)
48-60
vfa(mg/l)
25-173
svi
180-230
2 试验结果与讨论
2 1短时厌氧 环境及其对聚磷菌的影响 厌氧 环境在生物脱氮除磷系统中具有关键性作用，本试验目的是考察短时厌氧 环境的生化特性及其对聚磷菌释、吸磷行为的影响。
柱1作挂膜运行，hrt＝20～30 h，温度为24～29℃。为了单独考察城市污水在短时厌氧 环境污水中vfa的变化，试验未引入小试系统活性污泥。柱内微生物完全为厌氧 环境下由污水自然接种生长起来的厌氧 或兼性细菌，显然其厌氧 程度较一般脱氮除磷系统的厌氧 区更为充分。柱2作为对比，未作任何处理。正式试验时，将两柱瞬时放空，注入新鲜污水，然后启动电机，每隔2h取样，分析污水中vfa随时间的变化规律，结果见图2。
图2表明，在本试验条件下，短时厌氧 环境并不能增加污水中vfa的量，在厌氧 区放置填料则会加剧该区vfa的消耗。 厌氧 消化理论，污水中的大分子有机物转化为vfa需要经历水解和产酸(产氢)两个过程。尽管早期的研究曾认为在此过程中兼性细菌属于优势种群，但关于生活污水污泥消化的研究指出，事实正好相反，专性厌氧 细菌较兼性细菌多100倍以上。从总体上说，最重要的水解反应和发酵反应都是通过专性厌氧 细菌进行的，同时由于专性厌氧 细菌的生化效率很低，上述过程需要较长的水力停留时间。andrews和pearson(1965)曾利用溶解性有机和无机合成污水对厌氧 发酵过程的vfa产生动力学规律进行了研究，结果表明，当 hrt ＝2.5 d时反应器的vfa浓度最高。厌氧 区的hrt相近)，污水 cod 仅500mg/l左右。在这样的条件下，柱内实际上很难造就类似污泥消化那样的厌氧 环境并培养出大量的专性厌氧 菌，生物膜上的微生物主体仍为消耗vfa的兼性细菌，故而柱1的vfa数量不仅没有增加，反而消耗很快。柱2完全为污水，其微生物数量较少，所以其vfa在很长一段时间内基本上保持恒定。只是在一定时间以后，随着微生物的增殖，vfa才出现明显下降。本试验说明，就一般城市污水而言，短时厌氧 区不会增加污水中vfa的量。厌氧 运行2～3 h后取出填料和搅拌桨，并同时转入曝气状态每隔30 h取样分析比较两柱释磷、吸磷特点，结果见图3。
图3(a～d)是在不同时间利用实际污水进行的四组重复性试验。由于实际污水水质的变化，图3污水中的vfa浓度是依次下降的。图3(a、c)的厌氧 历时为3 h，图3(b、d)的厌氧 历时为2 h。厌氧 条件下进水vfa越高，柱1、柱2的释磷量越大，这与以往的认识是一致的。②柱1存在兼性生物膜，致使其厌氧 环境较柱2更为充分。当vfa较多时，低orp水平促使柱1聚磷菌以更快的速率吸收vfa合成phb，同时释放出磷酸盐。由图可见，柱1初期释磷速率均明显大于柱2。图3(d)进水vfa最低，柱1释磷曲线一直在柱2的上方，直至厌氧 段结束，柱2释磷曲线才与柱1交合。但是柱1兼性生物膜同时消耗vfa，当反应器中vfa不足时，兼性生物膜与聚磷菌对vfa的竞争就表面化了，并使柱1释磷速率迅速衰减。柱2基本上不存在这种竞争关系，故聚磷菌能长时间保持较高的释磷速率并最终在释磷总量上超过柱1。除图3(d)外，投加填料的柱1释磷总量均比柱2小，而且进水vfa越高其差别越明显，见图3(a、b)。 ③在后续好氧条件下，柱1聚磷菌过度吸磷能力明显高于柱2，当厌氧 历时由3 h降为2 h时上述差别明显增大，见图3(b、d)。该现象是值得特别关注的，它表明聚磷菌厌氧 有效释磷水平的充分与否，并不是决定其好氧过度吸磷能力的充分必要条件。这与目前流行的关于聚磷菌厌氧 有效释磷越高，其过度吸磷能力越强的认识基本上是矛盾的。从上述现象分析推动聚磷菌好氧过度吸磷的更本质动力，可以得出的判断是，在一定范围内，聚磷菌在厌氧 环境中的历时越长，环境的orp越低，促进好氧吸磷的动力越大。而就系统的除磷效果而言，释磷可能属于一种不具备充分必要性的表面现象。好氧吸磷的能量既可以来自胞内贮存的碳源(如phb)，也可以从其他方面获得。这种差别当厌氧 历时由3 h减为2h时变得尤其明显，表明厌氧 环境对于微生物过度吸磷的极端重要性。 2.2 厌氧 、缺氧环境倒置对聚磷菌的影响厌氧 、缺氧状态采用如图1(柱2)所示的可拆卸搅拌桨搅拌，电机转速为15～20 r/mi3 溶液，然后启动电机分别进入缺氧、厌氧 搅拌状态。搅拌2 h后，再向柱2加入kno3 溶液。4 h后两柱同时结束搅拌，取出搅拌桨，并转入曝气状态。因此，柱1实际是按照a2/a1/o方式运行，柱2按照常规的a1/a2/o方式运行。每隔30 min取样，分析比较两柱的po4 3- -p和no3 - -n变化规律，结果见图4。由图4可以看到，柱1从零时刻加入硝酸盐起，在前2 h内实际上处于缺氧状态，反硝化、释磷同时进行。但和柱2相比，柱1前的释磷速率很低；至30 min时，释磷几乎完全停止；60 min后，随着硝酸盐基本耗尽，释磷速率迅速增大；至240 min，柱内浓度达到65 mg/l。图中a点硝酸盐上升是由于误操作引起的，有趣的是，柱1的释磷曲线也出现了点a′相应的变化。
柱2在120min时加入硝酸盐，因此其前2 h内为厌氧 ，后2 h基本为缺氧。柱2前2 h的释磷速率很快，至120 min时po4 3- -p高达7.3 mg/l。120 min后由于硝酸盐的加入，聚磷菌开始吸磷，但由于缺氧状态下微生物atp产率较低，故该阶段的吸磷速率并不高。至180 min硝酸盐消耗殆尽，吸磷也基本上停止。进入曝气状态后，柱2虽重新开始吸磷，但因前面缺氧段的存在，致使其吸磷速率大大低于柱1。曝气开始时，柱1的po4 3- -p浓度高达6.5 mg/l，柱2仅为5.3 mg/l。但至480 min，柱1的po4 3- -p浓度为0.1 mg/l，而柱2的po4 3- -p却为1.05 mg/l，两者相差10倍。从脱氮角度看，两者均把柱内硝酸盐全部反硝化，但柱1的比反硝化速率为4.12 mgn/(h·gvss)，柱2为280 mgn/(h·gvss)，柱1明显快于柱2。厌氧 、缺氧环境倒置，可明显改善系统的氮磷脱除效果。在倒置的a2/a1/o方式下，碳源问题仍然存在，并造成聚磷菌的释磷水平明显低于常规的a1/a2/o方式。但在该方式中，由于硝酸盐在前面的缺氧区已经消耗殆尽，因此其厌氧 环境更加充分，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 条件下形成的吸磷动力得到了更有效的利用。厌氧 阶段而直接进入缺氧和好氧环境。相应地，其所排放的剩余污泥中富磷污泥的含量实际上也只占一少部分，因而影响了系统的除磷效果。与此不同，a2/a1/o方式允许参与回流的所有污泥全部经历完整的释磷、吸磷过程，故其排放的剩余污泥含磷更高，系统的除磷效果也更好，具有一种“群体效应”优势。2 3 倒置a2 /o工艺的特点 采用两个平行系统进行对比试验，系统1以倒置a2 /o方式运行，系统2以常规a2 /o方式运行。两系统的有效容积均为77.2 l，各区比例为a2(a1):a1(a2):o＝1:1:2，二沉池水力停留时间为21h，非曝气区采用搅拌桨搅拌。2 /o工艺取消了内循环，因此其回流系统只有一个，总回流比也比常规a2 /o工艺减少了20%。试验中的小流量控制比较困难，因此系统1的实际进水量稍大于系统2，这导致其实际水力停留时间略短于表2中的8 h，mlvss也相应地较系统2偏高。作为对比性试验，这种差异对于系统1略为不利。2 /o工艺在cod去除能力方面与常规a2 /o工艺相当，是令人满意的。2 /o工艺)的出水tn是8.9mg/l，去除率为84.7%；系统2(常规a2 /o工艺)的出水tn是14.9 mg/l，去除率为74.4%。系统1的tn去除率比系统2整整高出10%。同样还观察到，系统1的出水tp仅为0.67 mg/l，其tp去除率比系统2高出近9%。两系统出水水质的这种显著差异说明倒置a2 /o工艺的氮磷脱除功能的确优于常规a2 /o工艺。
表2 倒置与常规a2/o工艺运行参数
运行条件与效果
倒置a2/o工艺（系统1）
倒置a2/o工艺（系统2）
温度（℃）
29.6
29.6
hrt（h）
8
8
do（mg/l)
1.8
2.0
回流比
污泥回流
2.0
0.71
内循环
0
1.80
合计
2.0
2.51
mlvss（mg/l)
2117
1960
泥龄（d）
12
12
cod（mg/l)
进水
446
446
出水
39.9
38.7
去除率（%）
91.1
91.3
tn（mg/l)
进水
58.1
58.1
出水
8.9
14.9
去除率（%）
84.7
74.4
tp(mg/l)
进水
9.6
9.6
出水
0.67
1.51
去除率（%）
93.0
84.3
3 结论 厌氧 区( hrt ＝2～3 h)并不能增加污水中vfa的量，在厌氧 区设置填料将明显加剧该区vfa的消耗。厌氧 有效释磷水平的充分与否，并不是决定其在后续曝气条件下过度吸磷能力的充分必要条件。而就系统的除磷效果而言，释磷可能属于一种不具备充分必要性的表面现象。好氧吸磷的能量既可以来自胞内贮存的碳源(如phb)，也可能从氧化胞外的其他基质获得。厌氧 区hrt和厌氧 环境的厌氧 程度有关。在一定范围内，厌氧 环境的hrt越长，厌氧 程度越充分，聚磷菌的吸磷动力越强。厌氧 、缺氧环境倒置过来，可得到更好的脱氮除磷效果。其特点在于：a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；b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；c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。2 /o工艺与常规a2 /o工艺的小型系统平行对比试验表明，倒置a2 /o工艺的氮磷脱除功能明显优于常规a2 /o工艺，其cod去除能力与常规a2 /o工艺相当。2 /o工艺在流程上更为简捷。同时，参与回流的全部污泥均经历了完整的厌氧 —好氧过程，在除磷方面具有一种“群体效应”，是十分有利的。
参考文献：
