A2O 工艺具有同时去除有机物、氮和磷，且总水力停留时间(hydraulic retention time，HRT) 短、易操作控制、处理水量大、运行费用较低等优点，是中国污水处理最简单的同时脱氮并除磷的工艺之一．但该工艺也存在着缺点，在同一反应系统中同时存在聚磷菌和硝化细菌，由于聚磷菌和硝化细菌对污泥龄要求不一样，这将引起2 种细菌对污泥龄要求的矛盾[1-3]．针对A2O 工艺存在的缺陷，提出了A2OBAF联合工艺，该联合工艺中A2O 系统主要完成的是有机物的去除、除磷、反硝化，而将曝气生物滤池(biological aerobic filter，BAF) 置于二沉池之后，主要目的是完成硝化，BAF 的部分出水回流到A2O系统的缺氧段为反硝化作用和缺氧吸磷作用提供相应的电子受体．该双污泥工艺解决了传统A2O 工艺硝化菌与聚磷菌泥龄矛盾，且最大程度地发挥了活性污泥与生物膜这2 种处理技术的优势．因硝化作用在BAF 中进行，使得回流污泥中不含或含有少量的硝态氮，从而进一步解决了在厌氧区反硝化菌与聚磷菌对碳源的争夺[4-7]．
反硝化除磷菌可在缺氧的环境下，利用硝态氮或亚硝态氮为电子受体氧化体内贮存的PHA，从环境中摄磷达到脱氮和除磷的双重目的．该A2O-BAF工艺在处理低碳氮比生活污水时存在反硝化除磷现象，而反硝化除磷可节省约50% 化学需氧量(chemical oxygen demand，COD) 和30% 氧的消耗量，相应减少剩余污泥量50%[8-9]，缓解了反硝化菌与聚磷菌对碳源的争夺，弥补了碳源缺乏的不足．
本试验在A2O 工艺和BAF 工艺基础上，重点研究了2 种工艺联合后A2O 中厌氧段、缺氧段和好氧段的最佳容积比，同时考察了处理低碳氮比生活污水时硝化液回流比对反硝化除磷特性的影响，从而为实现已建污水处理厂的改造、优化与升级，以及污水的深度脱氮除磷提供了有效的理论依据．
1 材料与方法
1. 1 试验装置和运行参数
A2O-BAF 联合工艺系统包括6 个部分，分别为进水水箱、A2O 反应池、二沉池、中间水箱、BAF 反应池和出水水箱，如图1 所示．其中，A2O 系统由9个格室构成，总有效容积是30 L．A2O 的进水量为129. 6 L /d，相应的HRT 为5. 6 h，混合液污泥(mixedliquid suspended，MLSS) 质量浓度为2 500mg/L 左右，污泥龄(sludge retention time，SRT) 为9 d，硝化液回流200%，污泥回流100%，其中，污泥取自北京市某污水处理厂的A2O 中试系统，二沉池有效容积21 L．BAF 空塔容积15 L，实际HRT 为30 min．硝酸盐回流量、污泥回流量、进水量和旁流流量均由蠕动泵控制，BAF 填料为陶粒．
图1 A2O-BAF 联合工艺系统流程
Fig．1 Schematic diagram of the A2O-BAF system
1. 2 试验用水和测试方法
试验用水取自某学校生活区所排放的生活污水，水质情况如表1 所示．进水的ρ(C) /ρ(N) 仅为3. 21，属于典型的低碳氮比生活污水．
COD 采用COD 快速测定仪测定; NH4+-N 采用纳氏试剂光度法测定; NO2--N 采用N-(1-萘基) -乙二胺光度法测定; NO 3--N采用麝香草酚分光光度法测定; ρ(MLSS) 采用滤纸称重法测量; T、pH 和溶解氧(dissolved oxygen，DO) 采用WTW inolab level 2 在线监测仪测量．
表1 试验用水水质
Table 1 Characteristics of influent wastewater
A2O-BAF 联合工艺稳定运行后，对A2O 系统中的反硝化除磷菌(DPAOs) 占总聚磷菌(PAOs) 的比例进行实验估计．在A2O 系统的好氧区末端取2 L混合液，用蒸馏水清洗2 遍，加入到容积为2 L的SBR 模拟反应器中，碳源为乙酸钠，其浓度约为200mg /L．厌氧2 h，反应结束后，污泥再次用蒸馏水清洗2 遍并平均分成2份，1份在ρ(DO) = 2mg/L 的情况下好氧运行2 h，另1份加入50mg/L 的硝态氮缺氧条件下反应2 h，缺氧最大吸磷速率和好氧最大吸磷速率的比值可间接地确定系统中DPAOs 占PAOs 的比例[10-11]．
1. 3 试验方案
阶段1: A2O 中厌氧、缺氧和好氧区容积比的确定．
工况Ⅰ: V厌氧∶V缺氧∶V好氧= 1∶2∶6
工况Ⅱ: V厌氧∶V缺氧∶V好氧= 2∶3∶4
工况Ⅲ: V厌氧∶V缺氧∶V好氧= 3∶4∶2
阶段2: 在最适宜容积比条件下，确定最佳硝化液回流比分别为100%、200%、250%、300%．
2 试验结果分析
2. 1 A2O 厌氧、缺氧、好氧容积比的确定
图2 ～ 4 反映了A2O 系统分别为工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ时的1 个周期各区COD、NH4+-N、NO 3--N、NO2--N 和TP 质量浓度的变化情况．
COD: A2O 厌氧区、缺氧区、好氧区容积比的变化对COD 去除率的影响效果不明显; 3 种容积比条件下80%的有机物都在厌氧段被聚磷菌所消耗，合成其体内的PHA，在缺氧区和好氧区COD 只去除了10%左右; 3 种工况COD 的去除率都高达80%以上．
NH4+-N: 为了达到抑制系统中硝化细菌繁殖的目的，一方面减少A2O 系统中好氧区的容积，另一方面减少A2O 系统相应的污泥龄．由于污泥从二沉池回流到厌氧段及BAF 系统的大部分硝化液回流到缺氧段，这样使得进水的ρ(NH4+-N) 降低，因此在厌氧区和缺氧区ρ(NH4+-N) 的减少主要依靠的是稀释作用，随着A2O 系统好氧区容积的缩短，A2O 系统硝化细菌的比例逐渐降低直至淘洗干净．图2 ～ 4所示3 种容积比条件下NH4+-N的转化主要在BAF中进行．NH4+-N的去除率几乎达到100%，可保证出水ρ(NH4+-N) 为零．
图2 典型周期各项指标的变化情况
(容积比为1∶2∶6)
Fig．2 Change ratio of each index during a cycle with a volume ratio of 1∶2∶6
图3 典型周期各项指标的变化情况
(容积比为2∶3∶4)
Fig．3 Change ratio of each index during a cycle with a volume ratio of 2∶3∶4
TP: 3 种容积比条件下ρ(TP) 在缺氧区均有不同程度的降低，这表明在ρ(C) /ρ(N) = 3. 21 的低碳氮比生活污水的长期驯化下，提供给反硝化除磷菌良好的环境，使得其数量不断增加．其中，工况Ⅲ厌氧区聚磷菌释磷量达到了51. 3mg/L，同时缺氧区反硝化聚磷菌的吸磷量也达到了45. 9mg/L，好氧区聚磷菌吸磷量仅为4. 45mg/L，由此可见TP的吸收/TP 的释放达到1. 204．从而可得出，厌氧区水力停留时间越大PAOs释磷量越充分; 相应缺氧区容积越大，DPAOs 繁殖越快．
图4 典型周期各项指标的变化情况
(容积比为3∶4∶2)
Fig．4 Change ratio of each index during a cycle with a volume ratio of 3∶4∶2
NO3--N: 由于该联合工艺的一大特点是硝化作用发生在BAF 中而不是A2O反应器中，因此工艺出水NO3--N主要由2 部分组成，即A2O 反应器缺氧区出水NO3--N和BAF中由NH4+-N转化的NO3--N，因此想要减少出水ρ(NO3--N) 就可从这2 方面入手．若A2O 反应器中各参数已经确定，进入BAF 中ρ(NH4+-N) 就确定了，因此应减少A2O 反应器出水ρ(NO3--N) ．在反硝化除磷系统中，当缺氧区ρ(NO3--N) = 0 时，将会引起缺氧区的厌氧状态，从而导致磷的二次释放，但如果系统中存在COD，反硝化菌就会优于聚磷菌利用COD 进行反硝化作用，这样DPAOs 就无法成为优势细菌[12]，所以要想提高DPAOs 所占的比例就要调整缺氧区进水ρ(NO3--N)和ρ(COD) ．
在工况Ⅰ条件下由于缺氧区的容积较短，反硝化除磷现象不明显，NO3--N在缺氧区减少的量较小; 在工况Ⅱ条件下随着缺氧区容积的增加，强化了聚磷菌反硝化除磷作用，但缺氧区出水仍含有较多的NO3--N; 在工况Ⅲ条件下由于进入缺氧区可降解的COD 较少，此条件下反硝化除磷效果最好，缺氧出水ρ(NO3--N) 和ρ(TP) 几乎为零．
NO2--N: NO2--N变化不明显．由此可见，工况Ⅲ的容积比是最佳A2O-BAF 联合工艺中A2O 的容积比．
图5 给出了A2O中各区容积比分别是工况Ⅰ～Ⅲ时缺氧区出水和最终出水ρ(NO3--N) 以及TN 去除率的变化．从图中可看出工况Ⅰ时，缺氧区出水和最终出水的ρ(NO3--N) 都是最高的．3 种工况下平均最终出水ρ(NO3--N)分别为19. 05、16. 15 和11. 94mg/L，说明A2O 系统各区的比例越大，出水ρ(NO3--N) 越低，主要是由于厌氧区容积越大，聚磷菌的释磷作用越充分，缺氧区容积越大，反硝化除磷作用越明显，工况Ⅲ条件下缺氧区出水ρ(NO3--N)几乎为0，对比上图TP 的去除主要发生在缺氧区．3种工况下，出水ρ(TN) 的变化量几乎与缺氧区出水ρ(NO3--N) 的变化量相同．随着好氧区容积的减少、厌氧区与缺氧区的增加，TN 的去除率也相应增加．
图5 不同的各区容积比下硝态氮的变化与总氮的去除率
Fig．5 Change of nitrate and the removal rate of total nitrogen under the condition of different volume ratio
2. 2 硝化液回流比对系统脱氮除磷效果的影响
硝化液回流比增大对反硝化除磷有利，因为提高回流比能为反硝化除磷菌提供足够多电子受体，当其量超过反硝化菌所能承受的范围时，就能刺激反硝化除磷菌的繁殖．图6 是维持厌氧区、缺氧区与好氧区的容积比为3∶4∶2，其他的条件不变，改变硝化液回流比为100%、200%、250% 和300% 时总氮与总磷去除率变化情况．从图中可看出随着硝化液回流比的增加，总氮和总磷的去除率变化趋势都是先增大后减小，以250%为转折点，硝化液回流比为250% 时，总氮和总磷的去除率最高，分别为74. 4%和98. 2%，此时缺氧吸磷率最高．当硝化液回流比小于250%时，总氮和总磷的去除率升高，这是由于提高了缺氧区的ρ(NO 3--N) ，反硝化除磷效率提高，从而脱氮除磷效果也提高．但当硝化液回流比为300%时，总氮和总磷的去除率反而下降，这可能是由于回流比的增大，缺氧区的水力停留时间减少，反硝化除磷效果降低．
图6 不同硝化液回流比总氮和总磷去除率的变化
Fig．6 Removal radio change of TN and TP at different nitrate recycle radios
不同硝化液回流比条件下缺氧区出水ρ(NO3--N)与缺氧吸磷率的变化情况如图7 所示，可以看出，当硝化液回流比为250% 时，缺氧吸磷率最大为87. 3%，其缺氧出水ρ(NO3--N) 和ρ(TP) 分别为0. 78 和0. 67mg/L，即缺氧出水的ρ(NO3--N) 和ρ(TP) 都小于1mg/L，此条件下既没有因为缺氧出水ρ(NO3--N) = 0 而使得缺氧区的厌氧状态引起“二次释磷”，同时还能保证最佳的吸磷率．由此可表明A2O-BAF 联合工艺在处理ρ(C) /ρ(N) = 3. 21的生活污水时，A2O 中各区容积比为3∶4∶2，硝化液回流比为250%的条件下时，出水效果最好．
2. 3 A2O 污泥特性试验
聚磷菌分为2 类，好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌，好氧聚磷菌利用氧或者硝态氮为电子受体，反硝化聚磷菌以硝态氮或亚硝态氮为电子受体[13-14]．从图8 可看出，经过低ρ(C)/ρ(N) 比生活污水几个污泥龄的驯化，反硝化除磷菌占聚磷菌的比例加大，好氧条件下每g 挥发性悬浮固体微生物1 h 吸磷19. 78 mg，缺氧条件下每g 挥发性悬浮固体微生物1h 释磷15. 24 mg，即缺氧和好氧最大吸磷率比为0. 771，该工艺为反硝化除磷菌提供良好的繁殖环境，使得绝大多数的聚磷菌具有反硝化除磷的能力．以上结果说明A2O-BAF 联合工艺在低碳氮比启动的过程中磷主要是靠反硝化除磷去除，这就节省了好氧区容积，从而削弱了A2O 反应段的硝化作用．
图7 不同硝化液回流比缺氧区出水硝态氮与缺氧吸磷率的变化
Fig． 7 Change of the anoxic nitrate effluent and anoxic uptake ratio at different nitrate recycle ratios
图8 厌氧释磷和好氧、缺氧吸磷试验
Fig．8 Phosphorus release and uptake under anaerobicanoxic and anaerobic-aerobic conditions
3 结论
1) A2O-BAF 联合工艺处理ρ(C)/ρ(N) 为3. 21的生活污水，A2O 工艺段各区容积比为3∶4∶2时，系统的脱氮除磷效率最佳，总氮和总磷的去除率分别是67. 4%和98. 6%．
2) 保持A2O 工艺段中各区容积比为3∶4∶2不变，调节硝化液回流比其值为250% 时系统的脱氮除磷最佳，绝大多数的聚磷菌具有反硝化除磷的能力，并保证缺氧区出水ρ(NO3--N)和ρ(TP) 几乎为0，实现了碳源的最佳分配和利用．具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3) 提高厌氧区的容积，聚磷菌的释磷量增加;提高缺氧区的容积，反硝化除磷比例增大．通过减少好氧段的容积可实现以上2方面，该工艺用于处理碳氮比低的生活污水，可最大效率地发挥系统的反硝化除磷作用．
