A2/O工艺是一种简单的具有同步生物脱氮除磷功能的污水处理工艺，由于其构筑物结构简单、水力停留时间短、污泥不易发生膨胀和设计运行经验成熟等特点，已成为世界上应用最为广泛的污水处理工艺之一。在我国的城市污水处理厂中，以A2/O工艺模式运行的污水厂占全国污水厂总处理能力的比例最大，约为33.2%;尤其是在大型城市污水处理厂中，A2/O工艺为最常用的处理工艺，约占总处理能力的43.52%。但是，A2/O工艺也存在一些不足之处，如硝化菌所需泥龄较长和除磷菌所需污泥龄较短之间的矛盾，厌氧释磷和缺氧反硝化过程对基质的竞争，回流污泥和混合液携带硝态氮和溶解氧的问题等，使得其难以同时保证脱氮和除磷效果。碳源分配、内外回流比、污泥龄、溶解氧、污泥龄等运行参数是影响系统脱氮除磷效率的关键因素，将这5个因素进行调整得出的传统A2/O工艺和衍生出的多种改良A2/O工艺可在一定条件下同时满足较高的脱氮除磷效率的需要。另外，基于推流曝气的特点，氧化沟内的溶解氧沿池长呈现浓度梯度分布，在池中不同区域形成好氧﹑缺氧变化的反应环境，可取得较好的脱氮效果。将A2/O工艺与氧化沟工艺相结合的A2/O氧化沟工艺有效地发挥了A2/O工艺脱氮除磷与氧化沟工艺高效去除有机污染物的优点，具有建设投资少、处理成本低、出水水质好、耐冲击负荷能力强等优点，得到了越来越广泛的应用。借鉴氧化沟工艺污水在好氧区和缺氧区依次、循环反应的特点，将传统A2/O工艺的反应构筑物和反应顺序进行调整，可形成氧化沟型A2/O工艺。本研究旨在研究不同水力停留时间、内外回流比、碳源分配条件下的传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的脱氮除磷效果，并分析2种工艺在典型运行条件下的碳、氮、磷等污染物的反应过程机理。
1 实验部分
1.1 反应装置
实验所用装置由有机玻璃制成，包括3个长方体构造的生物反应池(厌氧池、缺氧池和好氧池)和1个圆锥体构造的沉淀池。厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池的有效容积分别为7.5、10、20和6 L。各池采用硅胶管连接，前一池的出水通过重力作用溢流至下一池，反应器进水和回流污泥、回流混合液通过蠕动泵(兰格BT100-2J)控制。好氧池内底部装有曝气砂盘，通过空气压缩机进行鼓风曝气，使用转子流量计(双环LZB-3WB)调节空气流速保证DO浓度稳定在(2.5±0.1) mg·L−1范围内。厌氧池、缺氧池和好氧池设置电动搅拌器和加热棒，维持反应器内泥水混合均匀、反应温度在(26±1) ℃范围内。实验采用连续进水、连续出水的方式运行。实验装置如图1所示。
图1 A2/O实验反应装置示意图
1.2 接种污泥与进水水质
实验接种污泥取自西安市长安区某市政污水处理厂污泥回流系统。实验进水为人工模拟生活污水，污水水质及组分含量见表1、表2。
表1模拟污水水质指标
表2人工配水组分及含量
1.3 监测项目
实验监测项目包括COD、氨氮(NH4+-N)、溶解性磷酸盐(PO43−-P)、硝酸盐氮(NO3−-N)、亚硝酸盐氮(NO2−-N)、溶解氧(DO)、温度、pH、SV30、混合液悬浮固体浓度(MLSS)和挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)。总氮(TN)浓度采用氨氮、硝酸盐氮与亚硝酸盐氮浓度之和。各监测项目的监测均参考文献中的方法[11]，见表3。
表3监测项目与分析方法
1.4 运行模式
实验分为6个阶段，分别研究了不同反应条件下以传统A2/O工艺和以氧化沟型A2/O工艺模式运行的系统脱氮除磷效果。根据污水厂设计手册、污水厂运行技术规范及已有研究结果设定了水力停留时间、污泥龄、混合液回流比、污泥回流比、污泥浓度等主要运行参数。实验改变各阶段的运行参数值，各阶段运行条件见表4。在传统A2/O工艺流程的基础上，调整厌氧池出水使其直接进入好氧池，好氧池混合液回流至缺氧池，可在反应器中形成类似于氧化沟工艺的运行模式，即污水在好氧区、缺氧区依次、循环进行生化反应，因此，把这种工艺称为氧化沟型A2/O工艺。传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺流程见图2。
表4传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺运行条件
图2 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺流程图
2 结果与讨论
2.1 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的碳、氮、磷去除效果
实验研究了表4中6个工况不同水力停留时间、不同回流比、不同污泥浓度和污泥龄条件下的传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的污染物去除效果，2种A2/O工艺均在厌氧-缺氧-好氧交替运行的环境中实现了碳、氮、磷等污染物的去除。运行结果见图3~图6。
图3 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺COD处理效果
如图3所示，鉴于实验模拟的生活污水中的有机物由葡萄糖配制而成，为可快速去除的易生物降解基质，传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺在所有运行工况下均取得了良好的有机物去除效果，COD去除率均高于90%，出水COD浓度均值为16.15 mg·L−1。通过传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的典型运行工况(图7 (a))可知，污水中的有机物在厌氧段已基本被全部去除。在此过程中，有机物首先在异养菌作用下被厌氧发酵，转化为甲酸、乙酸、丙酸等挥发性脂肪酸(VFA)，然后被PAO利用聚磷酸盐水解释放的能量主动吸收，最终PAO将其转化为胞内聚合物储藏于体内。
图4 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O
工艺NH4+-N处理效果
如图4所示，除传统A2/O工艺的1#工况外，NH4+-N在传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺中也得到了有效去除，NH4+-N去除率高于95%，出水NH4+-N浓度接近于0 mg·L−1。尤其是在传统A2/O工艺的2#工况中，在受到进水NH4+-N负荷冲击的情况下，系统依然能保持稳定的处理效果。在传统A2/O工艺的1#工况中，由于进水量大、水力停留时间短，且曝气池DO浓度稍低于其他工况(表4)，导致好氧环境下的氨氧化反应不充分，最终使得出水中剩余了部分NH4+-N，出水NH4+-N平均浓度为19.13 mg·L−1，系统NH4+-N平均去除率仅为52.47%。比较、分析传统A2/O工艺的1#工况与氧化沟型A2/O工艺的6#工况可知，2种工况进水NH4+-N浓度相同，DO浓度接近，导致出水NH4+-N浓度存在差异的主要原因为水力停留时间的不同，因此，在本实验DO浓度高于2 mg·L−1的活性污泥系统中，好氧反应时间成为氨氮氧化的限制性因素。另外，2种工况污泥浓度分别为3 116 mg·L−1和2 665 mg·L−1，氧化沟型A2/O工艺的6#工况污泥浓度相对更低，但氨氮氧化效率反而更高，除了好氧段水力停留时间较长外，活性污泥中催化氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌生化反应的氨单加氧酶和羟胺氧化还原酶的活性更高也是潜在的因素。
图5 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺TN处理效果
在传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺各工况中，TN去除效果与NH4+-N去除规律类似，如图5所示。除传统A2/O工艺的1#工况外，传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺的TN去除率均高于80%，平均去除率为84.54%，出水TN浓度均低于10 mg·L−1，平均为5.58 mg·L−1。说明2种工艺均可实现良好的脱氮性能。在传统A2/O工艺的1#工况中，由于NH4+-N氧化不彻底，出水TN中的NOx−-N仅为0.2 mg·L−1，绝大部分为剩余的NH4+-N，TN去除率仅为52.13%。在污水生物处理过程中，一部分氨氮可被微生物同化为其细胞的组成部分，当污水处理系统排出剩余污泥时，这部分氨氮被一同除去。但通过同化作用去除的氮较少，约占TN去除率的8%~20%。一般情况下，在A2/O工艺的好氧段，NH4+-N首先被氨氧化菌氧化为NO2−，NO2−再被亚硝酸盐氧化菌氧化为NO3−，O2作为电子受体;然后在缺氧条件下，NO3−被依次还原为NO2−、NO、N2O和N2，从而被除去，厌氧条件下合成的胞内聚合物作为电子供体;因此，实现传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺TN去除效能的前提是NH4+-N得到充分的氧化，只有更多的NH4+-N被氧化为NOx−-N，才能将更多的氮转化为N2而被最终除去。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
图6 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺PO43−-P处理效果
通常情况下，污水中的PO43−-P通过厌氧释磷-好氧过量吸磷的途径被储存在微生物细胞内而被除去。在A2/O工艺中，回流污泥中带来的聚磷酸盐首先在厌氧段被释放为PO43−-P，然后PO43−-P在好氧段被微生物过量吸收而被除去。如图6所示，传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺在各种运行条件下均得到了良好的除磷效果，PO43−-P平均去除率为89.69%。除传统A2/O工艺的3#工况外，出水PO43−-P浓度大都低于0.5 mg·L−1，平均为0.36 mg·L−1。在传统A2/O工艺的3#工况中，由于污泥浓度较低(表4)，潜在地削弱了系统的生物除磷功能。传统A2/O工艺3#工况的出水PO43−-P平均浓度为0.93 mg·L−1。由于传统A2/O工艺在一定程度上依靠在缺氧环境中发生的反硝化吸磷反应实现生物除磷，混合液回流比的降低(表4)也导致在缺氧段通过反硝化吸磷作用去除的PO43−-P减少，从而导致出水PO43−-P浓度升高。已有研究表明，A2/O系统在一定条件下可实现生物反硝化除磷，但需要注意缺氧段硝酸盐负荷的控制。WANG等发现，在A2/O系统中缺氧区硝酸盐浓度为1～3 mg·L−1时，A2/O系统中可发生明显的反硝化除磷现象，且此时的反硝化除磷作用对系统整体除磷贡献最大，对应的内循环比约为300%~350%。因而本实验中传统A2/O工艺3#工况中的混合液回流比(100%)可能过低，未能为缺氧区提供足够的NO3−-N来刺激反硝化除磷反应的发生。因此，若要在缺氧区利用反硝化除磷反应提高系统生物除磷效率，A2/O系统的混合液回流比不能过低。但此回流比也不能过高，因为过多的混合液回流至缺氧区将为缺氧区带去过多的DO，使得聚磷菌优先使用O2作为电子受体聚磷，从而抑制反硝化聚磷菌利用NO3−-N或NO2−-N作为电子受体的吸磷反应，达不到聚磷同时反硝化的“一碳两用”效果。
2.2 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺中的生化反应机理
通过2.1节的分析可知，传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺在多种运行工况下均取得了良好的有机物和营养物去除效果，在进水为模拟城市生活污水的情况下，出水COD、NH4+-N、TN和TP(全部为PO43−-P)等各项水质指标均可满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)[24]一级A要求。因此，本研究选取了传统A2/O工艺的2#工况和氧化沟型A2/O工艺的4#工况的运行结果作为研究对象，分析了2种工艺在典型运行工况下的污染物去除特征，2种工艺中的COD、NH4+-N、NOx−-N和PO43−-P反应过程见图7。
图7 传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺典型运行工况处理效果
由于具有相同的水力停留时间(15 h)、污泥回流比(200%)、混合液回流比(200%)、较为接近的DO浓度(2.50 mg·L−1和2.38 mg·L−1)和污泥浓度(3 569 mg·L−1和3 780 mg·L−1)，在选取的传统A2/O工艺的2#工况和氧化沟型A2/O工艺的4#工况中，有机物均在厌氧段得到快速去除，COD浓度沿构筑物分布的规律是一致的，结果见图7 (a)。由于厌氧池的出水直接进入好氧池，好氧池混合液再回流至缺氧池，因此，在氧化沟型A2/O工艺中，NH4+-N浓度在好氧池和缺氧池中是相同的。而在传统A2/O工艺中，厌氧池出水先进入缺氧池后再进入好氧池，NH4+-N在好氧池的浓度低于缺氧池(图7 (b))。与此相同，由于在氧化沟型A2/O工艺中，厌氧池出水先进入好氧池，大量在厌氧段合成的胞内聚合物被异养菌的好氧生长过程优先利用，在之后的缺氧段中由于缺乏足够的电子供体使得反硝化效率降低，因此，氧化沟型A2/O工艺的缺氧池中的NOx−-N浓度较高，出水NOx−-N浓度也比传统A2/O工艺略高(图7 (c))。另外，传统A2/O工艺中的缺氧段发生了明显的PO43−-P浓度降低现象(图7 (d))，因此，可推测，在传统A2/O工艺中发生了反硝化吸磷反应。已有研究表明，以厌氧-缺氧-好氧交替模式运行的活性污泥反应器可能会富集一类特殊的兼性厌氧微生物，该类微生物具有反硝化除磷功能，它们可以利用NO3−或NO2−作为电子受体进行吸磷，此类特殊的微生物即反硝化聚磷菌(DPAO)。在缺氧段，DPAO以NO3−或NO2−作为电子受体氧化胞内贮存物，这是其与PAO以O2作为电子受体氧化胞内聚合物的不同之处。胞内聚合物氧化产生的能量大部分用于微生物的生长维持和糖原的合成，小部分则用于DPAO过量吸收污水中的溶解性PO43−，并将PO43−以聚磷酸盐的形式储存在细胞内，同时NO3−和NO2−接受电子被还原为N2[29]。由于氧化沟型A2/O工艺中，厌氧池出水直接进入好氧池完成吸磷作用，污水中的PO43−-P在好氧池中已得到充分去除，因此，缺氧池中的PO43−-P浓度与好氧池是一样的，并未发生反硝化除磷反应。但2种工艺在典型运行条件下均实现了良好的除磷效果，出水PO43−-P浓度均较低，接近于0 mg·L−1。
2种工艺相比，由于好氧段反应顺序的不同，有机物和氮、磷的去除过程仍存在一定差异。由于氧化沟型A2/O工艺的厌氧池出水直接进入好氧池，且异养菌基于胞内聚合物的好氧增长速率高于缺氧增长速率(缺氧最大比生长速率约为好氧最大比生长速率的60%)[25]，因此，氧化沟型A2/O工艺的好氧反应消耗了大量的胞内聚合物，从而使得缺氧段硝态氮的还原反应可利用的电子不足，反硝化不彻底，最终导致TN去除率低;反过来，沉淀池出水NO3−-N浓度较高，使得回流污泥带入厌氧池的NO3−-N浓度也较高，此部分NO3−-N可利用污水中的有机物进行反硝化，因此，氧化沟型A2/O工艺的厌氧池出水COD比传统A2/O工艺更低，最终使得其沉淀池出水COD更低。同时，较高的NO3−-N浓度将会影响厌氧区聚磷菌将进水中的碳源转化为体内的胞内聚合物，影响磷的释放，因此，氧化沟型A2/O工艺厌氧池中磷的释放量少于传统A2/O工艺(图7 (d))。
根据2种工艺中各个反应构筑物的进水量、污泥回流量、混合液回流量和各构筑物中的COD、NH4+-N、NOx−-N和PO43−-P浓度，本研究分别计算了传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺在2种典型工况下的各池实际进、出水中的COD、NH4+-N、NOx−-N、PO43−-P浓度，结果如表5、表6所示。
表5传统A2/O工艺(2#工况)沿程水质指标
表6氧化沟型A2/O工艺(4#工况)沿程水质指标
根据传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺在典型运行工况下的COD、NH4+-N、NOx−-N和PO43−-P浓度的沿程变化情况(表5、表6)可知，在传统A2/O工艺的缺氧池中，随着NOx−-N浓度的降低，PO43−-P浓度也明显降低，说明在缺氧段确实发生了异养菌以NO3−-N或NO2−-N为电子受体进行反硝化吸磷的反硝化吸磷反应，反硝化除磷量为3.06 mg·L−1，占总吸磷量的21.05%，这与吴昌永等的研究结果类似。另外，通过调整内回流比等手段还有望增加缺氧段的反硝化吸磷量[32]。而在氧化沟型A2/O工艺中，由于异养菌在好氧段将厌氧释放的PO43−-P全部聚合在细胞内，后续的缺氧段中PO43−-P浓度为0 mg·L−1，因此仅发生了反硝化反应。另外，通过比较好氧池出水和沉淀池出水可知，2种工艺在沉淀池内均发生了硝酸盐的反硝化反应，需要注意的是，在A2/O工艺的反硝化阶段(包括缺氧池和潜在的沉淀池)，由于反硝化菌利用胞内聚合物PHB等进行NO3−-N或NO2−-N的还原反应，此过程将产生温室气体N2O。因为A2/O工艺广泛应用于我国城市污水处理厂，且目前尚不清楚我国污水处理厂实际运行时的N2O排放量和排放规律，N2O在以A2/O工艺模式运行的、以PHB驱动生物反硝化的污水厂中的释放状况值得关注。
3 结论
1)在大多数运行工况下，传统A2/O工艺和氧化沟型A2/O工艺均可取得良好的污染物去除效果，COD、NH4+-N、TN和PO43−-P的平均去除率可达95.78%和96.89%、99.13%和95.03%、88.44%和85.03%、91.29%和95.43%。
2)传统A2/O工艺的脱氮效果略好于氧化沟型A2/O工艺，氧化沟型A2/O工艺的除磷效果略优于传统A2/O工艺。
3)传统A2/O工艺的缺氧池中发生了反硝化除磷反应，由于好氧池和缺氧池反应顺序的调整，氧化沟型A2/O工艺缺氧池中则未发生明显的反硝化除磷反应。(来源：环境工程学报 作者：丁晓倩)
