A2O生物接触氧化法污水处理技术研究进展

陶美彤 王艳青 张蕾

摘要 介绍了A2O污水處理工艺的应用现状，从脱氮除磷过程中存在的主要问题及矛盾出发，分析了改进型工艺类型及其特征，并阐述了现阶段A2O工艺的研究进展及发展前景。

关键词 A2O法;脱氮除磷;污水处理;影响因素;改良工艺

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：2095–3305（2021）01–0150–03

营养物质在地表水中逐渐累积，特别是氮和磷，会导致水质急剧恶化。随着城镇化进程的加快及人口的迅速增长，污染物的成分和结构不断发生变化，污水处理难度增加。在众多脱氮除磷工艺中，生物营养物去除（BNR）由于其经济优势而被广泛使用[1]。其中，厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺（简称A2O工艺）具备最常见且十分完善的BNR流程，因其同步脱氮除磷能力、工艺整体运行能耗低、对水质适应性强、管理操作方便等特点，在污水处理厂提标改造中占有相当大的比重[2]。主要分析了A2O技术及改进工艺类型和主要特征，并对其前景进行了展望。

1 A2O处理工艺介绍

20世纪60年代，Ettinger和Luclzack首次提出前置反硝化工艺，70年代，Barnard在其基础上进行改进，研究出A2O工艺（图1）。随着不断的完善和改进，生物脱氮除磷技术得到了快速发展[3]。

污水首先进入厌氧反应器，同时进入的还有二沉池回流的活性污泥。在厌氧区，聚磷菌（PAO）充分吸收挥发性脂肪酸（VFA），并以生物聚合物（PHA）的形式存在于细胞内，这一过程的能量来自细胞内聚磷酸盐（Poly-P）的水解。Poly-P水解释放磷酸盐（PO43-），且大分子有机物被水解酸化为小分子有机物（图2左图）。

污水通过厌氧反应器处理后流经缺氧反应器，同时还有好氧反应器回流的混合液。缺氧反应器中的混合液含有大量硝酸盐氮（NO3--N），在反硝化菌的作用下，生成N2，实现了污水中N的去除。主要反应过程如下：

缺氧反应器处理后进入好氧反应器（曝气）。好氧反应器中PAO储存的PHA在曝气过程中被O2氧化成CO2，同时生成的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）被释放转化为ATP，ATP产生能量可用于PAO的生长。PAO细胞内以Poly-P形式吸收储存磷，此时，吸收磷的量大大超过厌氧时的释放量，实现磷的超量吸收[4-5]（图2右图）。处理后的混合液部分回流至缺氧反应器，其余部分进入二沉池，沉淀后的上清液达标排放。

2 A2O工艺的主要问题

研究表明，A2O工艺流程简洁，不易发生污泥膨胀，出水水质好。然而，该脱氮除磷系统将不同类型的微生物置于同一体系，囊括了硝化菌、反硝化菌及PAO参与的硝化、反硝化和厌氧释磷、好氧吸磷等各种繁杂过程。这些过程的条件、机理和目的均存在较大差异，在有机负荷、泥龄及碳源需求上均存在矛盾和竞争。系统本身多种因素自相矛盾、相互制衡的固有缺陷成为脱氮除磷效果不稳定和难以进一步提升的主要根源。

2.1 NO3--N问题

常规A2O工艺的回流污泥会存在大量NO3--N。一方面，NO3--N会被厌氧型产酸菌作为电子受体氧化有机机质，影响VFA的产量;另一方面，在厌氧环境条件下，反硝化菌利用该NO3--N反硝化时消耗大量有机质，竞争性抑制PAO释磷效果。这两种情况均会导致系统除磷效果降低。

2.2 碳源竞争问题

一般来说，A2O工艺中反硝化菌脱氮与PAO释磷过程受到污水中碳源含量（特别是易于微生物快速降解的碳源）的制约，采取外加碳源、分段进水或开发其它经济有效的方式来处理好反硝化菌与PAO间存在的碳源竞争问题，使系统的脱氮除磷效果达到最佳是一个非常重要且艰巨的方向。

2.3 硝化与反硝化问题

水力停留时间（HRT）、工艺布置形式、运行参数、搅拌强度以及曝气量对系统反硝化与硝化能力产生影响，设计、调试各影响参数，发挥硝化与反硝化的最大潜能，是脱氮除磷工艺的一个关键问题。

2.4 SRT问题

硝化菌的突出特点是繁殖慢，世代时间较长，泥龄较长，而反硝化菌和PAO均为短SRT菌种，且生物除磷只能通过排除剩余污泥实现，高效除磷效果必须维持污泥高量排放（短SRT）。显然，硝化菌和PAO在SRT问题上存在着矛盾，因此应将整个设计体系的SRT设计在较窄的范围，尽可能使三类菌种发挥最佳效果。

3 改良工艺

3.1 NO3--N问题改良工艺

3.1.1 UCT（University of Cape Town）

UCT是南非开普敦大学提出的一种改进A2O工艺[6]。与常规A2O工艺相比，污泥回流至缺氧池，不仅好氧池出水的NO3--N减少，且缺氧池到厌氧池的混合液回流增加，该混合液BOD浓度高，NO3--N较少，更有利于厌氧发酵。但存在缺氧区易短流和厌氧区易受到氧化还原电位（Eh）影响的缺陷，比较适用于BOD5/TKN或BOD5/TP较低的情况。

3.1.2 JHB（Johannesburg） JHB首次

由南非约翰内斯堡大学创立，是传统工艺的一种变型[7]。在常规A2O工艺前设置调节池，回流污泥和10%进水注入该池，微生物利用进水中的VFA反硝化，去除污泥中的NO3--N，消除了NO3--N对厌氧释磷的不利影响，且相对UCT节省一个回流，处理效果较好，简单易行，在工程设计和建设中应用较多。

3.1.3 MUCT（Meliorate Uniersity of Cape Town） MUCT是一种简化的UCT工艺，将常规A2O工艺中缺氧区1改2，形成2个内回流体系，污泥和混合液分别回流至1、2缺氧池前端，回流污泥携带的NO3--N得到完全或接近完全还原[8]。只要控制好混合液回流量，就可以保证最优的厌氧环境，避免了NO3--N对释磷的不利影响，一定程度上弥补了UCT工艺的缺陷。然而，该工艺存在缺氧区碳源不足的困扰，水质对其影响较大。相关研究人员对其进行进一步改进，将厌氧区1改2，缺氧区1改多，必要时根据进水C/N值将缺氧单元转换为好氧单元，采用多点进水，调节厌氧池和缺氧单元的进水比例，为除磷脱氮提供最优碳源。改进前后的MUCT处理效果较好，但运行管理条件复杂。

3.1.4 VIP（Virginia Initiative Plant） VIP由美國教授Randall首次提出，工艺流程与UCT工艺类似[9]。一般情况下，该工艺将常规A2O工艺中厌氧、缺氧和好氧区分别1改3，形成有机物浓度梯度，反硝化在缺氧区的前几个单元基本完全，设置部分混合液从缺氧区末端回流至厌氧区前端，保证了厌氧环境，污泥回流至缺氧区前端，该工艺设备体积小，SRT比UCT短，负荷强度高，除磷效率好。

3.1.5 BCFS（Biologisch Chemische Fosfaat Stikst of Verwijdering） BCFS是由荷兰DELFT科技大学的Mark教授在帕斯韦尔氧化沟（Pasveersloot）与UCT工艺及原理的基础上开发的生物除磷脱氮新工艺[10]。BCFS工艺在主流线上，相对UCT工艺增加两个反应池，第1个为介于厌氧区和缺氧区中间的接触池（不曝气），回流污泥和来自厌氧池的混合液充分接触，除磷效果增强;第2个为缺氧区和好氧区的混合池（可调节为缺氧或好氧），保证低氧环境下硝化和反硝化反应同时进行，还能控制污泥再生程度，有效去除NO3--N。

3.2 碳源竞争问题改良工艺

3.2.1 倒置A2O 该工艺缺氧区在前，厌氧区在后，优先为反硝化提供碳源，强化了脱氮能力，回流污泥历经完整的厌氧“释磷”到好氧“吸磷”的过程，排放的污泥含磷量大，具有“群体”效应和“饥饿”效应的双重优势。然而，外回流增加了二沉池的固体负荷，对出水和二沉池底流浓度有一定影响。一般在工程中应用时，为兼顾脱氮除磷所需的碳源，会采用多点进水方式，但对于C/N过低、碳源严重不足的污水，仍需要添加辅助碳源来缓解压力。

3.2.2 多模式倒置A2O 在分点进水倒置A2O工艺中增加缺氧混合液回流，根据进水情况不同，对进水、污泥回流、混合液回流进行多点、分点设置，实现一区多工艺特点，切换不同运行模式，以便达到较好出水的目的[11]。

3.2.3 双泥反硝化除磷脱氮（DEPHANOX）

DEPHANOX是最早于20世纪90年代被提出的一种借助反硝化除磷双污泥回流系统[12]。该工艺是在厌氧池与缺氧池间增加一个沉淀池和生物膜反应器，以满足同步反硝化除磷菌（DPB）所需环境和物质基础。厌氧池排出的有机底物被污泥生物降解，流经中间沉淀池时，污泥和富含氨氮的混合液静置分离，形成上清液后进入生物膜反应器硝化，而含有NO3--N的污泥越过生物膜反应器进入缺氧池进行反硝化脱氮除磷。该工艺可以有效解决PAO和反硝化菌对碳源的竞争，即使进水有机物较低，也具有较高的除磷能力。

3.3 硝化与反硝化问题改良工艺

A2N（Anaerobic Anoxic Nitrification）

是根据PAO在缺氧条件下吸磷的理论开发的新工艺[13]。该工艺是在传统A2O工艺的厌氧池以及曝气池中间加一组沉淀池和好氧生物膜反应器，且撤消内回流。A2N工艺中的硝化菌和DPB完全隔离，非常适合C/N较低的情况。但也存在进水C/N低、脱氮除磷效率不高、能耗大等问题。

针对A2N存在的问题，A2N-SBR工艺是在厌氧区后加入中间沉淀池及SBR反应器（无混合液回流），即将A2N中增加反应器替换为SBR，用硝化反应，从第1个沉淀池超越进入缺氧池的污泥和混合液在后置反硝化区，利用DPB用来同步脱氮除磷是该工艺的核心，解决了硝化和反硝化细菌混合培养的矛盾[14]。该工艺很适合低C/N污水处理，但为保证本工艺流程高效稳定运行，必须控制好COD/TP、NO3--N、MLSS和SRT等参数。

A2N和A2N-SBR工艺核心相同，具有连续流工艺、工艺流程简化、泥龄（STR）短的优势。该工艺同时也能解决碳源竞争的问题，在工程中的应用较为广泛。

3.4 SRT问题改良工艺

PASF（Remove Phosphorus and Nitrogen Combined Actived Sludge and Biofilm Technology）是将活性污泥（用于除磷及反硝化）和生物滤池（用于硝化）结合的双泥系统[15]。相对常规A2O工艺而言，PASF减少了原好氧池体积，采用生物膜实现不同菌群的空间分隔，缩短SRT，提高污泥负荷，保证了除磷的效率;进入二级好氧池的污水有机物含量低，硝化反应加快。

4 总结与展望

不论是常规A2O工艺，还是改良A2O

工艺，在试验和工程中大体分为三大类：（1）采取流程及管理优化以解决以上矛盾;（2）探究污水处理，特别是微生物培养，避免不同微生物间相互干扰，解决脱氮除磷的矛盾;（3）开发双泥处理系统，节能运行更佳。

近些年来，除了以上工艺，还相继出现了基于提高脱氮除磷效率的新型理论，如同步反硝化除磷、短程生物脱氮、厌氧氨氧化（ANAMMOX）、同步硝化与反硝化等，不仅已经在改良A2O工艺中得以体现，且对应相关理论已经衍生出了新的处理工艺，如BICT（Bi-Cyclic Two-Phase Biological Process）、SHARON（Single Reactor for High Activity Ammonia Removal Over Nitrite）、OLAND（Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification）、ANAMMOX、CANNON（Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite）

以及SND（Simultaneous Nitrification and

Denitrification）等工艺[16]。这些工艺围绕高效节能、稳定降耗的原则，符合当前我国污水处理厂可持续发展的要求。

因此，為了更好地贯彻可持续污水生物处理的理念，未来在污水处理工艺的提标改造和节能运行的研究过程中，要充分利用好传统工艺设备，继续完善微生物脱氮除磷机理的研究，通过合理选择技术，确定微生物最优生存条件和最佳工况参数，且对处理效率和工艺参数进行量化模拟，科学设计、管理系统和反应器的关系，以提高污水处理效率，达到节能运行的目的。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞

Research Progress of A2O

Biological Contact Oxida-

tion Wastewater Treatm-ent Technology

TAO Mei-tong et al （Liaoning North Environmental Protection Company， Shenyang， Liaoning 110031）

Abstract This paper introduces the application status of A2O wastewater treatment process. From the perspective of the main problems and contradictions in the process of nitrogen and phosphorus removal， the types and characteristics of the improved process are analyzed， and the research progress and development prospects of the current A2O process are described. .

Key words A2O method; Nitrogen And Phosphorus Removal; Sewage Treatment; Influencing Factors; Improved Technology