A2/O是目前城市污水脫氮除磷的主流工藝，其將脫氮與除磷進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，并取得了較好的效果。典型A2/O工藝中的生物反應(yīng)池（厭氧、缺氧和好氧池）均采用推流式，從而形成相應(yīng)的濃度梯度，以保證污泥中各功能菌（聚磷菌PAO、硝化菌和反硝化菌等）在反應(yīng)池中充分發(fā)揮功能。隨著對各功能菌增殖動力學(xué)及反應(yīng)動力學(xué)的深入研究發(fā)現(xiàn)，對于城市污水而言，相應(yīng)基質(zhì)濃度下，功能微生物（尤其是硝化菌）的基質(zhì)飽和常數(shù)較小，其增殖和降解速率與基質(zhì)濃度相關(guān)性很小，因此其他池型的反應(yīng)器開始出現(xiàn)在A2/O工藝中。其中，結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)械設(shè)備少、易于維護(hù)的氧化溝形式的反應(yīng)器成為首選，即采用氧化溝型反應(yīng)器替代A2/O中的推流式反應(yīng)器，形成了氧化溝型A2/O工藝。氧化溝型A2/O工藝?yán)^承了A2/O和氧化溝兩個工藝的優(yōu)點(diǎn)，不僅厭氧、缺氧、好氧各區(qū)明確，工藝靈活，而且通過內(nèi)回流和外回流可控制整個系統(tǒng)的脫氮除磷效率。丹麥的Kruger公司首先將氧化溝引入A2/O工藝，其后將Bardenpho工藝中的好氧池改為氧化溝。2008年建成的西安市第四污水處理廠，其A2/O工藝的厭氧池和缺氧池均采用氧化溝。當(dāng)A2/O工藝中全部生物反應(yīng)器均采用氧化溝時，稱之為全程氧化溝型A2/O工藝；當(dāng)A2/O工藝中的一個或兩個反應(yīng)池采用氧化溝時，稱之為部分氧化溝型A2/O工藝。一般認(rèn)為，部分氧化溝型A2/O工藝中至少好氧池采用氧化溝時，才可稱之為氧化溝型A2/O工藝。
針對西安市某污水廠氧化溝型A2/O工藝，筆者通過測定污泥的硝化速率和除磷速率，探討其處理污水的效果及脫氮除磷性能，同時利用熒光原位雜交技術(shù)（FISH）測定污泥中的聚磷菌和硝化菌等功能微生物，以此評價氧化溝型A2/O工藝的性能，旨在為該工藝的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
1、材料與方法
1.1 工程簡介
西安市某污水處理廠一期工程設(shè)計規(guī)模為4×104m3/d，采用兩座并行的氧化溝型A2/O工藝，如圖1所示。厭氧池水力停留時間（HRT）為1.5h，缺氧池為5.7h，好氧池為8.3h，總水力停留時間為15.5h，污泥齡為20d。厭氧池為多級串聯(lián)攪拌池，缺氧池為循環(huán)跑道式氧化溝，好氧池為Carrousel氧化溝，曝氣方式為微孔曝氣，曝氣區(qū)與非曝氣區(qū)的比值為4∶6，水深為6m。
1.2 檢測項目及方法
NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定；PO3-4-P采用鉬銻抗分光光度法測定；TP采用過硫酸鉀消解法測定；NO3-N和TN采用紫外分光光度法測定；MLSS和MLVSS采用重量法測定。
硝化速率的測定：硝化速率采用氧吸收速率法進(jìn)行測定。在好氧池中取一定量混合液，充分曝氣（6h），然后分別取1000mL置于三個配有攪拌器和溶解氧測定儀的完全混合式反應(yīng)器中，記錄各反應(yīng)器內(nèi)溶解氧隨時間的變化，以此計算各反應(yīng)器的氧利用速率（OUR）。1號反應(yīng)器沒有添加任何基質(zhì)，作為基準(zhǔn)反應(yīng)器，用于測定微生物的內(nèi)源呼吸速率（ERR）；2號反應(yīng)器中加入NH4Cl（20mg/L）和NaClO3（0.02mol/L），用于測定氨氧化速率（AUR）；3號反應(yīng)器中加入NaNO（220mg/L），用于測定亞硝酸鹽氧化速率（NUR）。相關(guān)計算見式（1）~（3）。
式中：OUR1、OUR2、OUR3分別為1號、２號、3號反應(yīng)器的氧利用速率。
釋磷和吸磷速率的測定：活性污泥釋磷和吸磷速率采用間歇實(shí)驗(yàn)法測定。從氧化溝取1000mL污泥置于完全混合式反應(yīng)器中，曝氣1h，然后用經(jīng)脫氧處理的自來水淘洗兩次，加入無水乙酸鈉（100mg/L，以COD計），通入氮?dú)庖员ＷC反應(yīng)器處于厭氧狀態(tài)，厭氧反應(yīng)時間為4.5h。關(guān)閉氮?dú)猓_始曝氣（空氣流量為60L/h），保持反應(yīng)器內(nèi)DO濃度在2mg/L以上，好氧反應(yīng)時間為5h。在不同時間點(diǎn)取樣，測定磷酸鹽和乙酸濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后測定混合液的MLVSS，依據(jù)磷和乙酸濃度的歷時變化，計算污泥的厭氧釋磷速率、乙酸吸收速率、吸收單位乙酸的釋磷量和好氧吸磷速率。
熒光原位分析：FISH分析采用Aumman等的方法。探針的16SrRNA序列及目標(biāo)微生物見表1。雜交完成后利用激光共聚焦顯微鏡確定經(jīng)熒光探針雜交的目標(biāo)細(xì)菌數(shù)占同一顯微鏡視野中微生物數(shù)的百分比。
2、結(jié)果與討論
2.1 氧化溝型A2/O工藝的脫氮除磷效果
該污水處理廠自2013年投入運(yùn)行以來，各項水質(zhì)指標(biāo)均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。自2018年7月開始試行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅳ類水排放標(biāo)準(zhǔn)。2018年10月—2019年2月期間，該氧化溝型A2/O工藝及同時期西安市已運(yùn)行A2/O工藝的主要進(jìn)出水水質(zhì)見表2。可以看出，兩種工藝出水COD、NH4+-N和TP濃度分別小于30、3和0.3mg/L，均達(dá)到了地表水準(zhǔn)Ⅳ類水質(zhì)的要求。而對于出水TN，氧化溝型A2/O工藝和典型A2/O工藝對TN的去除量分別達(dá)到40.05和36.06mg/L�？梢�，氧化溝型A2/O工藝和A2/O工藝對有機(jī)物和磷的去除效果相當(dāng)，但前者對TN的去除量高于后者，表明氧化溝型A2/O工藝更具脫氮優(yōu)勢。
2.2 氧化溝型A2/O工藝脫氮性能評價
典型水質(zhì)條件下，氧化溝型A2/O工藝中各操作單元出水氮磷組分的沿程變化如圖2所示。可知，進(jìn)水TN為37.64mg/L，由于污泥回流的稀釋作用（污泥回流比為90%），厭氧池出水TN為22mg/L。缺氧池內(nèi)，由于混合液回流稀釋和反硝化作用，TN降至12.52mg/L。由于硝化作用，好氧池出水氨氮濃度由9.78mg/L降為3.45mg/L，減少了6.33mg/L；而硝態(tài)氮由2.50mg/L升高為5.24mg/L，僅增加了2.74mg/L，氨氮的降低與硝態(tài)氮的增加嚴(yán)重不匹配。同時，總氮由12.52mg/L降至8.78mg/L，說明好氧池存在同步硝化反硝化反應(yīng)，其對TN的去除貢獻(xiàn)率為41.77%。這一特征類似于氧化溝中的脫氮過程，是氧化溝型A2/O工藝與典型A2/O工藝的區(qū)別。
氧化溝型A2/O工藝與典型A2/O工藝存在差異的原因主要與曝氣方式有關(guān)。氧化溝型A2/O工藝中好氧池采用微孔曝氣，曝氣器采用集中分組布置，曝氣區(qū)與非曝氣區(qū)的比值為4∶6，而典型A2/O工藝中好氧區(qū)全部為曝氣區(qū)，這為進(jìn)行同步硝化反硝化創(chuàng)造了條件。為保證混合液在氧化溝中的循環(huán)，必須設(shè)置推流器，該污水處理廠每座Carrousel氧化溝設(shè)置8臺5kW大葉輪（直徑為2.5m）旋流推進(jìn)器，折合功率為5.7W/m3，小于一般氧化溝中的推進(jìn)功率，但并未發(fā)生污泥沉淀，說明部分微孔曝氣氧化溝中的流態(tài)更有利于污泥懸浮。部分曝氣使得氧化溝中污泥絮體的體積明顯大于典型A2/O工藝中好氧池的，為氧化溝中的同步硝化反硝化創(chuàng)造了條件，依據(jù)沿程氮的變化進(jìn)行氮平衡分析，好氧段氧化溝對總氮的去除貢獻(xiàn)率為20%~40%。
氧化溝型A2/O工藝中的內(nèi)回流（混合液回流）可利用好氧池出水口與缺氧池進(jìn)水口之間的液位差自動回流，由于回流水渠的橫斷面設(shè)計較大（寬×深=1.5m×5.8m），即使在最小混合液回流速度下（過流阻斷閥門關(guān)閉，此時的實(shí)測流速為0.148m/s），混合液回流比也高達(dá)550%。當(dāng)達(dá)到最大流速時（過流阻斷閥門打開，此時的實(shí)測流速為0.177m/s），混合液回流比為650%，即使如此，混合液在回流水渠中仍存在污泥沉淀的風(fēng)險，需定期進(jìn)行清理。這一內(nèi)回流比遠(yuǎn)高于目前A2/O工藝的內(nèi)回流比（一般為300%），但遠(yuǎn)低于缺氧好氧一體式氧化溝的回流比。目前有關(guān)氧化溝型A2/O工藝的內(nèi)回流比尚無相關(guān)規(guī)范，但與典型A2/O工藝相比，氧化溝型A2/O工藝的內(nèi)回流比明顯偏大，從而造成缺氧池溶解氧濃度較高，一般為0.2mg/L，局部高達(dá)0.5mg/L，使得缺氧池的脫氮效率降低。因此，如何通過合理的工程措施降低內(nèi)回流比、減少由于內(nèi)回流帶入缺氧池的溶解氧、提高缺氧池的脫氮效率，是未來推廣應(yīng)用需要解決的問題。
圖3為氧化溝型A2/O工藝污泥硝化活性的變化。可知，氧化溝型A2/O工藝污泥的硝化性能良好，AOB的活性最高為1mg/（gVSS·h），最低為0.80mg/（gVSS·h），平均為0.90mg/（gVSS·h）；NOB的活性最高為1.57mg/（gVSS·h），最低為1.34mg/（gVSS·h），平均為1.48mg/（gVSS·h），NOB平均活性約為AOB平均活性的1.64倍。而同時期的A2/O工藝中，AOB和NOB的平均活性分別為0.61mg/（gVSS·h）和1.93mg/（gVSS·h），NOB平均活性約為AOB平均活性的3.16倍，這說明氧化溝型A2/O工藝中的硝化活性和A2/O工藝相當(dāng)。隨著生物反應(yīng)池溫度的降低，AOB和NOB活性比較穩(wěn)定，說明氧化溝型反應(yīng)器對溫度有較好的適應(yīng)性。
2.3 氧化溝型A2/O工藝除磷性能評價
氧化溝型A2/O工藝中磷酸鹽的沿程變化表明，進(jìn)水PO3-4-P濃度為4.09mg/L，由于污泥回流的稀釋作用，厭氧池實(shí)際進(jìn)水濃度約為2.15mg/L，而厭氧池出水PO3-4-P濃度為5.11mg/L，說明存在著明顯的釋磷現(xiàn)象，經(jīng)缺氧處理后，由于混合液的稀釋和反硝化聚磷作用，出水PO3-4-P濃度大幅降低，經(jīng)好氧處理后PO3-4-P濃度小于0.5mg/L，說明氧化溝型A2/O工藝的除磷特性與A2/O工藝相同。
國際水協(xié)會推薦的《生物除磷設(shè)計與運(yùn)行指南》提出，釋磷和吸磷速率是評價生物除磷系統(tǒng)的重要參數(shù)，若釋磷或吸磷速率3mg/（gVSS·h），則除磷能力處于較差水平；釋磷或吸磷速率在3~7mg/（gVSS·h），則除磷能力較好；釋磷或吸磷速率>7mg/（gVSS·h）時，則除磷能力極好。通過對該污水處理廠污泥的厭氧釋磷速率、好氧吸磷速率和乙酸吸收速率進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)氧化溝型A2/O工藝有較好的除磷特性（見圖4），污泥厭氧釋磷速率最高為7.68mg/（gVSS·h），最低為5.16mg/（gVSS·h），平均為7.13mg/（gVSS·h）。好氧吸磷速率最高為6.39mg/（gVSS·h），最低為2.74mg/（gVSS·h），平均為5.58mg/（gVSS·h）。而在同時期西安已運(yùn)行的A2/O工藝中，平均厭氧釋磷和好氧吸磷速率分別為7.32mg/（gVSS·h）和6.16mg/（gVSS·h），表明氧化溝型A2/O工藝的釋磷、吸磷活性與A2/O工藝相當(dāng)。
雖然氧化溝型A2/O工藝污泥中聚磷菌的活性及含量與典型A2/O工藝差異不大，但實(shí)際上好氧池出水磷濃度卻較后者略高，即氧化溝型A2/O工藝的除磷能力較典型A2/O工藝低。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因尚不清楚，但由于氧化溝型A2/O工藝內(nèi)回流比較高，使得缺氧池和好氧池的流態(tài)接近于完全混合式，導(dǎo)致部分聚磷菌在缺氧池和好氧池中的停留時間過短，或部分停留時間過長，而無論停留時間過長或過短都將導(dǎo)致聚磷菌的增殖發(fā)生缺陷，造成除磷能力下降，使出水總磷濃度超標(biāo)。為了使出水總磷滿足地表水準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，該污水廠采用在生物池出水中投加除磷劑，保證出水水質(zhì)滿足排放要求。
2.4 污泥中功能菌的群落結(jié)構(gòu)
典型污泥樣品中功能菌（硝化菌、聚磷菌和聚糖菌）的菌群結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，在硝化菌構(gòu)成中，NOB的數(shù)量明顯高于AOB，前者占總細(xì)菌（EUB）的比例為4.69%，而后者的占比為2.99%，這一結(jié)果與城市污水處理廠營養(yǎng)物去除系統(tǒng)中的種群結(jié)構(gòu)相似。較高的NOB數(shù)量導(dǎo)致NOB的活性高于AOB，這一結(jié)果與硝化活性的測定結(jié)果相一致，正是由于較高的NOB占比，保證了NOB較高的活性，從而確保了出水NO2--N濃度處于極低的水平。
污泥中可檢測到大量聚磷菌，其占總細(xì)菌的比例約為10%。較高的聚磷菌比例使得該污水廠污泥具有較好的釋磷和吸磷活性。同時，檢測發(fā)現(xiàn)污泥中聚糖菌（GAO）的比例很小（<0.5%），說明該污水廠厭氧池的性能良好。在線ORP測定儀顯示，ORP值小于-250mV，較低的ORP為聚磷菌厭氧釋磷和吸收揮發(fā)性脂肪酸創(chuàng)造了較好的條件，從而導(dǎo)致GAO的競爭力下降，這一結(jié)果也與釋磷和吸磷速率的測定結(jié)果相一致。
3、結(jié)論
氧化溝型A2/O工藝具有較高的脫氮除磷性能，總氮去除率高于A2/O工藝，而磷的去除能力與A2/O工藝相當(dāng)。其好氧池存在明顯的同步硝化反硝化現(xiàn)象，這是該工藝脫氮效率高的原因。氧化溝型A2/O工藝中的聚磷菌含量、活性和除磷能力與典型A2/O工藝相近，其作為一種新工藝具有推廣應(yīng)用的價值。（來源：西安污水處理有限公司，西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）
