污水生物脫氮除磷工藝優化技術綜述

鮑任兵，高廷楊,宮 玲，徐 健，萬年紅，雷培樹，鎮祥華

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010；2.楚雄市城鄉建設投資集團有限公司，云南楚雄 675099；3.武漢市城市排水發展有限公司，湖北武漢 430070)

隨著城市經濟的持續發展、人口增長和人民生活水平的不斷提高，污水處理廠排放標準逐步提高已成為必然趨勢。目前，全國共有53.2%的污水處理廠執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，隨著重點流域的進一步提標改造，各地相繼在一級A標準的基礎上提出了更為嚴格的排放限值，甚至要求提升至類地表水環境質量標準Ⅳ類或Ⅲ類水體標準。

氮、磷是引起水質超標的主要污染物，也是當前污水處理的熱點和難點。高排放標準的實施，對新建污水廠的工藝設計提出了新的要求，如無錫新區要求出廠水達到TN≤5 mg/L、TP≤0.2 mg/L，更是對現有污水廠的提標改造帶來了艱巨的挑戰。AAO工藝是污水處理廠氮、磷去除的主流工藝，以浙江省為例，在實施改造的污水廠中，AAO工藝占50%以上[1]。然而，傳統AAO工藝因其有機負荷、泥齡以及碳源需求上的矛盾和競爭，加之目前普遍存在的污水廠進水水質濃度低、碳氮比(BOD∶TKN)低、無機懸浮物濃度高的特點，以及工業廢水中難降解有機物的存在，大大增加了處理難度，難以實現碳、氮、磷的同步高效去除。

本文旨在通過分析污水處理廠進水條件，梳理限制氮、磷去除的關鍵影響因素，分析硝化、反硝化及厭氧釋磷等主要處理過程的存在難題，從參數調整、運行優化及池型改造等方面，總結不同進水水質條件及排放要求下的推薦工藝形式及技改思路，深度挖掘污水處理廠二級生化處理的污染物削減潛能，為污水處理廠脫氮除磷工藝優化提供技術指導。

1 進水碳源影響及優化方式

1.1 進水碳源現狀

進水SS包含揮發性的SS(VSS)和不可揮發性的SS(FSS)，后者成分基本為無機砂等無法生物降解的懸浮物，因此，可采用FSS/BOD表示進水中無機砂含量。我國城鎮污水處理廠進水FSS/BOD呈現逐年上升的趨勢，說明污水無機砂含量逐年升高。在污水生化系統中，聚磷菌和反硝化細菌是污水氮、磷去除的主力軍，大部分屬于化能異養菌，因此，充足的碳源是良好生物脫氮除磷的保障。根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)，污水中BOD∶TKN宜大于4，碳磷比(BOD∶TP)宜大于17，對于多數TN排放標準較高的地區，實際運行中BOD∶TKN更是需要達到4～5才能實現高效的脫氮效果。而我國城鎮污水廠進水BOD∶TKN呈現逐年下降的趨勢，近年來更是持續低于3.5，因此，進水碳源不足已經成為大多數污水廠生物脫氮效果無法穩定達標的一大原因。污水處理廠進水無機砂含量偏高，碳源不足，不僅會對水泵、攪拌機、曝氣器等設備造成磨損，降低混合效率和曝氣效率，還會對活性污泥生長造成損害，導致生化系統處理能力下降，出水氮、磷超標。

在污水進水COD中，揮發性脂肪酸(VFAs)屬于易生物降解的部分，能夠快速被反硝化細菌和聚磷菌利用，很大程度提高脫氮除磷效率。根據張強等[2]的研究，在厭氧條件下，聚磷菌能夠直接吸收VFAs并釋放磷酸鹽，而對于淀粉、葡萄糖等大分子有機物，必須先通過水解酸化反應轉化為低分子有機物后才能被利用，釋磷速率主要取決于有機物的分解速率。因此，為了提高生化系統的脫氮除磷效率，應注重改善進水碳源結構，增加VFAs含量。

1.2 進水碳源優化方式

為了保障進水碳源，一方面需要減少預處理單元對于碳源的無效損耗；另一方面需要改善進水碳源結構，增加可有效利用的碳源(VFAs)含量。

根據楊敏等[3]的研究，污水廠預處理階段的碳源無效損耗主要原因是跌水復氧，發生在進水提升泵和曝氣沉砂池的出水渠道，能夠直接導致工藝系統脫氮能力降低8～12 mg/L。減少無效碳源損耗，一方面應盡量減少跌水設施，另一方面盡量阻止跌水區與空氣交流。

當污水中VFAs含量較少、無機組分偏高，導致FSS/BOD較高時，設置初沉池雖然可以降低無機含量，但也會去除進水中的VSS，進一步加劇碳源損耗。為了進一步改善進水碳源結構，提高氮、磷去除效率，可采用初沉發酵池系統，提升VFAs含量。商莉莉等[4]通過對比傳統初沉池和高負荷初沉發酵池，發現高負荷初沉發酵池出水BOD∶TKN和BOD∶TP分別提高了58.8%和79.7%，反硝化脫氮和厭氧釋磷效果大幅提升。

進水CODCr低于200 mg/L時會出現生物除磷碳源不足，雖然有機物濃度升高有助于脫氮除磷，但并不意味著濃度越高越好，當進水CODCr高于400 mg/L時，將會增加出水COD超標的風險[5]。

2 氮、磷去除性能優化方式

2.1 厭氧釋磷反應

厭氧區作為釋磷反應的主要功能區，良好的釋磷效率是保持高效好氧吸磷的前提，因此，厭氧區的反應程度將直接影響生化除磷效果。厭氧區主要依靠聚磷菌實現釋磷反應，影響其活性的主要因素有溶解氧、碳源、硝酸鹽濃度、污泥齡等。

為保證聚磷菌的有效釋磷，厭氧區的溶解氧應低于0.2 mg/L，氧化還原電位(ORP)應低于-150 mV。在此條件下，充足的碳源不僅有利于維持厭氧環境，更能減少回流污泥中的硝酸鹽含量，促進釋磷反應。當進水碳源結構較差時，可通過增設初沉發酵池改善碳源結構；當碳源嚴重不足時，可考慮向厭氧區投加碳源。一般情況下，厭氧池VFAs至少為25 mg/L，COD/TP大于40(或VFAs/TP≥4～7)，才有較好的除磷效果。

研究表明[6]，在同等條件下反硝化速率高于釋磷速率，反硝化細菌會優先攝取易降解碳源，對聚磷菌產生抑制作用，還會導致污水ORP的升高，形成缺氧環境，使釋磷效果降低，當厭氧區硝酸鹽>1.0 mg/L時，會顯著抑制釋磷反應，因此，控制進入厭氧區的硝酸鹽至關重要?？梢?，脫氮與除磷過程相互影響，應首先考慮反硝化脫氮效果的提升，以減少二沉池內的硝酸鹽濃度，在脫氮效果差的情況下，生物除磷將難以有效實現。通常情況下，在厭氧區前增設預缺氧區進行反硝化，能夠有效降低進入厭氧區的硝酸鹽濃度。

污泥齡也是影響聚磷菌生長的重要因素，根據王洪臣等[7]的研究，當泥齡控制在10 d以下時，出水TP<1 mg/L。而硝化細菌卻需要較長的泥齡，且受溫度影響較大，為了保持高效脫氮下的除磷效果，可考慮15 ℃下控制在10～11 d；20 ℃下控制在8～10 d；25 ℃下控制在5～8 d。

在北方溫度較低的情況下，為了提高厭氧區釋磷效果，部分污水廠采取向厭氧池投加懸浮填料，可以使大量水解酸化菌附著于填料上，改善碳源結構，提高可生化性，對除磷有一定作用[8]。

目前，多數污水廠采用同步化學除磷輔助生物除磷的方式，使出水TP達標，一般投加至好氧池末端，能夠降低建設費用和運行成本，但也會帶來很大的風險和難題。通常難以將除磷藥劑準確投加至生物池，易導致藥劑殘留于二沉池，并隨回流污泥再次進入生化池，對聚磷菌的生長造成影響，降低其相對豐度，進一步加劇生物除磷性能的下降。

因此，不建議采取在生化池投加除磷藥劑的方式，應進一步對厭氧區內的溶解氧、碳源、硝酸鹽濃度及污泥齡等進行綜合分析及優化，重點提高生物除磷性能。

2.2 缺氧反硝化反應

缺氧區是脫氮的主要功能區，其處理性能將對氮、磷的整體去除效果造成巨大影響。在該區域，經好氧池硝化反應的污水通過混合液回流系統進入缺氧區進行反硝化脫氮，應重點關注碳源、溶解氧和混合液回流的控制。

混合液回流是缺氧反硝化硝酸鹽的主要來源，根據理論公式，脫氮效率與混合液回流比及污泥回流比成正比，但并不意味著增加回流比必然能提升脫氮效率。在此過程中應重點關注缺氧區硝酸鹽的濃度，通過改變混合液回流比或進水比例，使缺氧段末端硝酸鹽在1.0 mg/L左右[7]，否則將超出反硝化能力。王曉蓮等[9]通過控制混合液回流比將缺氧區末端出水硝酸鹽控制在1～3 mg/L，不僅提升了反硝化效果，還能減少過大的混合液回流造成的能耗浪費。

李激等[10]通過對58座污水廠的反硝化效能進行分析，發現碳源影響占85%以上。因此，保證反硝化碳源的充足性至關重要，當進水碳源不足時，通常采用多點進水系統，分別進入生化池的各缺氧區，實現碳源的充分利用；當碳源嚴重不足時，可采取外加碳源方式。

在此過程中，應保證混合液回流過程攜帶的溶解氧濃度不宜過高，否則將造成碳源浪費，且破壞缺氧環境，引發氮、磷去除性能整體惡化。一般來說，缺氧區的溶解氧要求低于0.5 mg/L，對于反硝化過程，應保證溶解氧盡量低才能實現最大的反硝化速率，但由于混合液回流的存在，對于大多數污水廠，能保持溶解氧低于0.5 mg/L已經有很大的難度。為了降低回流液的溶解氧，可在好氧區末端隔出20～30 min的非曝氣區，使溶解氧從3.3 mg/L下降到0.6 mg/L以下，然后再回流至缺氧區。周圓等[11]通過降低回流液溶解氧濃度，實現了1.80 mg/L的硝酸鹽去除量提升。

在目前對出水TN要求較高的情況下，多數水廠采取延長缺氧段停留時間(HRT)的方式，可以實現出水TN的部分降低，但造成碳源浪費和池容加大。研究表明，反硝化過程存在3個階段，即快速反硝化、慢速反硝化和內源反硝化，分別以污水中的快速降解碳源、慢速降解碳源以及內源碳源進行反應[11]。當第1階段快速降解碳源消耗后，第2階段反硝化速率將會大幅降低，且隨水質情況有很大的差異，在此階段若碳源可生化性較差，反硝化速率甚至會接近0，延長HRT將難以發揮作用，因此，分析缺氧區碳源結構至關重要。

徐巧等[12]通過試驗，發現向缺氧區投加懸浮填料也能提高在低溫和低碳源條件下的反硝化效果，在15 ℃和C/N為3的條件下，硝酸鹽去除率分別提升了9.8%和16.3%。

因此，對于缺氧反硝化，不建議盲目增加混合液回流比和增加HRT，應分析缺氧區內碳源、硝酸鹽濃度、回流液溶解氧等關鍵控制點，采取針對性的優化措施。

2.3 好氧硝化、吸磷、除碳反應

好氧曝氣區作為去除COD、硝化和吸磷反應的主要功能區，是污水處理工藝中HRT最長的區域，也是活性污泥工藝的主體，相當于微生物的繁殖車間，其處理性能將直接反映微生物活性和整個污水廠的生產性能。

一般情況，為了好氧菌能夠獲取足夠的氧氣，需保持溶解氧在1.5～2.0 mg/L，但目前多數污水廠存在過曝氣現象，溶解氧達到5.0～7.0 mg/L。多數原因是設計風量較大，在實際運行中風機無法滿足低碳進水條件下的低曝氣量條件，造成能耗普遍偏高。

好氧區硝化反應和吸磷反應是氮、磷去除的關鍵過程，良好的硝化反應是缺氧區反硝化脫氮的前提，而吸磷效果更是能直接影響出水TP。這兩個過程主要依靠硝化細菌和聚磷菌完成，其中，聚磷菌較穩定，在溶解氧充足和良好的厭氧釋磷條件下可以實現較高的吸磷效果。目前，多數污水廠出水TP超標多是由于污泥沉降性能不好，出現污泥膨脹現象，導致出水SS較高，需要后接高效沉淀池或濾池使TP達標。硝化細菌卻對環境較敏感，易受溫度和污泥齡的影響，特別是低溫條件下硝化反應緩慢，出水氨氮偏高，是多數北方污水廠的運行難題。研究表明，硝化反應所需的溫度和污泥齡具有一定的相關性，當溫度由15 ℃升高至26 ℃時，污泥齡可從9.5 d降低至4.5 d[7]。

在好氧池投加懸浮填料也可以應對冬季低溫條件下硝化速率較低的情況，并形成懸浮污泥-生物膜混合工藝形式，在采取較低的污泥齡下保證除磷效果。研究表明，在污泥齡為5 d下，投加懸浮填料可以達到與傳統活性污泥工藝相同的硝化反應程度。

2.4 各反應區關鍵控制指標

表1為生化池各反應區關鍵控制點及優化措施，在對二級生化處理進行提標時，應首先關注各反應功能區內的溶解氧、有機物和關鍵指標等控制因素，采取相應的工藝優化措施，提升氮、磷去除性能。

表1 生化池各反應區關鍵控制點及優化措施Tab.1 Critical Control Points and Optimization Measures for Each Reaction Zone in Biochemical Tank

3 二級處理工藝優化方案

3.1 二級處理工藝

針對傳統AAO工藝的運行難點和處理瓶頸，為提升TN的處理性能，二級處理工藝的優化探索從未停止。目前，主要形成了3種工藝形式：AAO及其改進工藝、改良Bardenpho工藝、多級AO工藝。

(1)AAO及其改進工藝

如圖1所示，從傳統AAO工藝到倒置AAO、MUCT、改良型AAO(前置缺氧AAO)等工藝，改進的關鍵點均是通過讓二沉池的回流污泥首先經過缺氧區進行預反硝化，減少硝酸鹽對厭氧釋磷的抑制，同時采取多點進水等方式，實現出水氮、磷去除性能的同步提升。改良型AAO工藝能夠優化傳統生化池的污染物去除性能，在進水碳源較充足時，穩定實現TN≤15 mg/L、TP≤0.5 mg/L，適用于進水條件較好(CODCr=200～400 mg/L，BOD∶TKN>4)且出水執行一級A標準的生活污水處理廠。多種AAO改進工藝是對傳統AAO工藝的運行優化和改進，能夠激發一部分原有生化池的處理潛能，但沒有突破傳統AAO工藝污染物理論去除率的限制，因此，應對水量和水質沖擊負荷的能力較弱。

圖1 AAO及其改進工藝形式Fig.1 AAO and Modified Process

(2)改良Bardenpho工藝

為了提升傳統AAO工藝對TN的處理能力，提高生化池在進水碳源較低下的反硝化效率，出現了改良Bardenpho工藝，如圖2所示。通過在傳統AAO工藝后端增設反硝化功能單元并投加碳源，提升出水TN去除率。改良Bardenpho工藝能夠在傳統AAO工藝的基礎上進一步激發脫氮潛能，根據田宇心等[13]的研究，在后置缺氧碳源投加、300%內回流、125%外回流下，出水TN能夠穩定達到10 mg/L，去除率達到78%，接近理論去除率(80%)；當碳源充足投加后，能繼續實現較完全的反硝化，出水TN低于3.2 mg/L，去除率達到90%以上。

圖2 改良Bardenpho工藝Fig.2 Modified Bardenpho Process

雖然改良Bardenpho工藝能夠取得良好的TN去除效果，但外加碳源無異于增加了污水廠的運行費用，更沒有實現進水碳源的充分利用。為保證反硝化效果，滿足更低的出水TN要求，需要設置獨立的AO脫氮單元，導致生化池占地增加(HRT一般需增加3～5 h，占地增加20%～30%)。針對需要提標改造但沒有預留用地的污水廠，可以通過在好氧池內投加填料，形成Bardenpho-MBBR組合工藝，減少好氧池容積，為后置AO池改造提供空間。吳迪等[14]在北方某污水廠原AAO工藝的好氧區改造中，隔出反硝化所需的缺氧區容積，好氧區容積不足的部分則通過投加生物填料補充，在好氧區填充率為40%的情況下，能夠實現出水優于國家一級A標準，平均出水TN達到7.4 mg/L，去除率達到85.9%。且改造能夠在不停產、不減產的情況下完成，能夠穩定應對低溫及雨季的沖擊負荷，是現有污水廠應對高排放標準提標改造的優選方案。

(3)多級AO工藝

多級AO工藝在不加碳源、無混合液回流的情況下，能保持較高的TN去除性能。如圖3所示，多級AO工藝通過設置多個“缺氧-好氧”單元串聯，污水經過每個好氧區硝化反應后直接進入下一階段的缺氧區進行反硝化脫氮。因此，無需混合液回流，也避免向缺氧區帶入大量溶解氧，保證了脫氮效率和無效碳源消耗。同時，設置多點進水，為每一段缺氧反硝化提供碳源，能夠實現進水碳源的有效利用。

圖3 多級AO工藝Fig.3 Multistage AO Processes

多級AO工藝由于AO功能區的交替，有利于增強活性污泥的活性，提高反應池中的污泥濃度，增大生化池容積負荷。因此，所需的池容小于傳統AAO工藝和Bardenpho工藝，一般情況下多級AO工藝能比傳統AAO工藝節省10%～20%的生化池容積[15]，大大降低建設成本。研究表明，在進水碳源充足的條件下，通過優化多級AO工藝的進水分配，能夠達到95%的TN去除率，遠高于傳統AAO工藝的理論去除率[16]。同時，多級AO工藝對進水碳源利用率較高，能有效應對進水BOD∶TKN低的情況。根據王秋慧等[17]的研究，在實際工程應用中，AO容積比為0.6左右時污染物去除效果最佳，在進水BOD∶TKN>3的情況下，出水TN也能達到一級A標準，去除率達到85%以上。對于進水BOD∶TKN更低的情況，還能夠通過調整進水分配比、投加碳源或懸浮填料等方式實現TN的進一步去除。因此，多級AO工藝是現代污水廠應對進水BOD∶TKN低的優選工藝方案。

從理論上分析，多級AO工藝的分段數越多，碳源的利用率就越高，TN的去除率也越高，但通常超過4級后提升效果就會大大減弱，一般采用3～4級AO串聯。由于多級AO工藝的分配方式較復雜，分區較多，多個缺氧分區溶解氧控制較難穩定實現，不太適用于現有污水廠的提標改造。

3.2 新興工藝的探索與研究

為了提升生化池應對進水水量和水質的變化能力，使厭氧、缺氧、好氧區HRT具備一定的靈活調整性，出現了以多點進水、機動可調和消氧回流為關鍵技術的新興AAO改進工藝形式，圖4為可調式AAO工藝、“七段式”生化組合工藝和曝氣缺氧/多級AO工藝[18]3種工藝案例。

圖4 新興AAO改進工藝形式Fig.4 Emergent Modified AAO Process

這些新興工藝均總結了改良型AAO工藝、改良Bardenpho工藝和多級AO工藝的技術特點和工藝優勢，主要關鍵點：(1)優化多點進水，充分利用進水碳源，減少外碳源的投加；(2)設置可調區，通過控制好氧和缺氧狀態以適應不同的進水水質和處理要求，靈活性強；(3)將混合液回流進水點設置在缺氧區或消氧區之后，減少回流液溶解氧含量，保證缺氧環境和碳源的無效損耗；(4)精確曝氣和溶解氧控制，避免無效容積。

3.3 二級處理工藝選擇方案

表2總結了各工藝形式的特點和應對情況，在新建污水廠或現有污水廠提標改造時，應綜合考慮出水水質要求、建設用地及運行成本等，合理選擇最佳工藝方案。

表2 二級處理工藝優選方案Tab.2 Optimization of Secondary Treatment Process

對于進水條件好、出水執行一級A排放標準的新建大型城市污水廠，推薦采用改良型AAO工藝，并預留提標改造的空間；對于現有污水廠提標改造要求滿足優于一級A的排放標準，特別是出水TN要求低于10 mg/L或8 mg/L時，推薦采用改良Bardenpho工藝，根據情況輔以投加填料；對于出水水質要求較高的新建污水廠，推薦采用多級AO工藝，實現較少占地和運行成本下的高TN去除率。

4 結語

二級生化處理是氮、磷去除的主要功能區，在排放標準日趨嚴格的情況下，特別對于現有污水廠的提標，應重點關注挖掘二級生化處理潛能，通過優化各反應區關鍵指標控制點，優化氮、磷去除性能，達到不新增構筑物下的出水水質提升。

改良型AAO工藝、改良Bardenpho工藝和多級AO工藝是目前二級生化池的主流工藝，對于不同的進水水質和排放要求，應通過技術比較，根據各工藝的技術特點和優勢進行合理選擇，達到滿足排放標準下的節能降耗。

生化池今后的研究重點應在于各反應區運行參數的精細化、準確化和智能化控制，保持各反應功能區的穩定、高效、完全，能夠實時應對不同的進水水質和水量負荷，達到自行學習、自行監測、自行調控的目的，增強污水廠處理韌性，創造與智慧城市、智慧水務相銜接的智慧污水處理系統。