序批式AOA同步脱氮除磷工艺研究综述

李清哲，边德军,2,*，聂泽兵，谷靖颖，王 帆，艾胜书

(1.长春工程学院，吉林省城市污水处理重点实验室，吉林长春 130012；2.东北师范大学，吉林省城市污水处理与水质保障科技创新中心，吉林长春 130117；3.东北师范大学环境学院，吉林长春 130117)

目前，全球各地缓流水体均出现不同程度的水体富营养化，氮磷对水环境造成的危害越来越受到人们的重视[1]。一般城市污水中碳氮比(C/N)是能够满足正常脱氮除磷要求的，但随着经济的发展、人民生活水平的提高，污水中污染物结构发生了较大变化，表现为碳源不足、氮磷浓度偏高，严重影响了污水处理工艺的氮磷去除效率[2]。截至2016年9月，我国拥有3 976座污水处理厂，污水日处理量已达到1.7亿m3[3]，为应对日益严苛的氮磷排放标准，各厂大力推进二级工艺提标改造工程。研发高效、经济、稳定的同步脱氮除磷工艺已成为一大热点，陆续出现的一系列污水处理新工艺，如双污泥工艺(A2N连续流工艺)、双泥脱氮除磷工艺(DEPHANOX工艺)、生物化学除磷工艺(BCFS工艺)以及倒置AAO工艺等均能较好地实现脱氮除磷。但这些工艺大多是双泥系统，池体较多且需要硝化液回流，表现出构筑物复杂、占地面积较大、运行管理费用偏高等一系列缺点[4-6]。

SBR工艺是集多种反应阶段于一体的单泥系统，具有运行方式灵活、节省运行费用等优点[7]。随着PLC控制系统的日臻完善，SBR及其变形工艺CAST、UNITANK等污水处理二级工艺被广泛应用于城市污水处理厂。但在目前的实际应用中，在处理低C/N污水时，SBR工艺系统中功能微生物要求的生化环境时间不同，在同一空间、时间进行硝化反硝化作用会使系统呈现出较低的脱氮除磷效率，难以达到日益严苛的污水排放标准[8-9]。

Tsuneda等[10]在研究高效脱氮除磷机制时，将反硝化聚磷菌(DPB)利用内碳源进行反硝化除磷现象和SBR运行灵活的优势结合起来，首次提出了AOA模式的SBR工艺。该工艺与传统的AAO工艺类似，只是将缺氧段后置，属于后置缺氧反硝化除磷系统。序批式AOA工艺在缺氧段可以利用内碳源进行反硝化除磷，节省碳源，克服了SBR工艺降解不同底物微生物要求的生态环境时间差异、AAO工艺反硝化外碳源不足等缺点，简化了复杂的构筑物，同时大大减少了能耗[11]。

本文从同步脱氮除磷工艺角度出发，分析了序批式AOA工艺的反硝化脱氮除磷机理和优势，归纳了序批式AOA工艺的国内外研究现状，探讨了后置反硝化除磷序批式AOA工艺系统的参数优化与应用。

1 污水的生物同步脱氮除磷工艺

1.1 传统同步脱氮除磷工艺

传统的污水生物脱氮除磷机理中，好氧硝化、缺氧反硝化、厌氧释磷和好氧吸磷作用一般存在着硝化菌与聚磷菌(PAOs)竞争氧气、反硝化菌与PAOs竞争碳源、硝化反应产物抑制厌氧释磷和脱氮除磷污泥龄(SRT)的矛盾等诸多问题，故传统二级工艺难以把脱氮除磷协同起来[12-15]。一般情况下，在难以兼顾同步脱氮除磷时，二级工艺更侧重于氮的去除，在生物除磷基础上辅以化学除磷，改善除磷效果[16]。

AAO是目前最简单且应用最为广泛的同步脱氮除磷工艺。在该工艺中，污水依次通过厌氧池、缺氧池和好氧池完成污染物的去除。在厌氧区和缺氧区，系统完成有机物的吸收、厌氧释磷和缺氧反硝化作用；在好氧区完成残留的有机物降解、好氧吸磷和硝化作用，通过硝化液回流完成污水氮磷的去除。因具有水力停留时间较短、污泥沉降性能稳定和运行费用偏低等优点而被广泛应用。但对于低C/N、C/P结构的污水，硝化液回流抑制厌氧释磷导致其脱氮除磷效果难以进一步提高等问题也普遍存在[17]。

类似于AAO工艺，UCT工艺为改善硝酸盐对磷释放的影响，在AAO基础上做出两点改变。将污泥回流至厌氧区变为缺氧区，内循环改为缺氧区至厌氧区。这使得硝化液回流不再影响厌氧释磷，并保证了厌氧区对有机物的利用，此工艺对氮磷的去除率可达70%以上[18]。VIP等工艺因其运行复杂且需要额外的循环系统和运行设备等鲜有应用。

1.2 反硝化脱氮除磷工艺

1.3 序批式AOA工艺实现反硝化除磷

2006年，Tsuneda等[10]首次提出AOA运行模式的SBR工艺，即在一个循环周期内，SBR系统分别采用厌氧、好氧和缺氧的方式连续运行。图1为序批式AOA装置示意图。在整个循环周期内，SBR系统全程采用机械搅拌使混合液均匀，保障厌氧、缺氧阶段传质效率；好氧阶段控制曝气系统保障微生物对溶解氧(DO)的需求；缺氧阶段，通过控制气量和好氧残余DO，实现稳定低氧状态。

图1 序批式AOA工艺示意Fig.1 Diagram of Sequencing Batch AOA Process

2 序批式AOA工艺反硝化除磷效果影响因素

2.1 循环时间的影响

2.2 系统运行温度的影响

温度影响着活性污泥微生物的代谢稳定性和生物酶的活性，过高和过低的温度都会直接影响系统优势菌群的变化，这直接体现在污泥的性能及反硝化除磷的效果[31]。过高的温度会影响蛋白质的活性，进而影响系统生化反应的进行，相对而言，低温是目前研究的一大热点。低温(10 ℃)状态下，大部分污水处理工艺的处理能力都会下降。针对这一问题，国内外诸多学者通过改良活性污泥工艺、改变冬季运行参数以及增加保温措施来应对低温情况。

温度影响序批式AOA反硝化除磷工艺的稳定性。研究表明，温度影响着PAOs、DPB和GAOs等对基质的竞争，对GAOs适宜的温度会使其大量繁殖，进而使生物除磷系统失去去除能力[32]。张兰河等[33]研究发现，温度对序批式AOA系统厌氧段PAOs和GAOs竞争有较大的影响，在10～25 ℃时，随着温度的升高，COD和PHA的转化速率加快，转化量增多，厌氧释磷量也增大。低温时，PAOs在竞争中占优势，温度过高会抑制PAOs的增殖。在反硝化除磷系统中，PAOs和反硝化菌等属于低温细菌，但反硝化菌对温度变化更加敏感。王栋[34]研究发现，10 ℃序批式AOA系统的磷去除率为78%，而反硝化率仅为66%，随着温度的升高，磷的变化稳定，而反硝化速率逐渐升高，故温度的调控影响着序批式AOA系统氮磷的去除性能。

2.3 pH对序批式AOA系统反硝化除磷的影响

王栋[34]的研究表明，在序批式AOA系统中，一定范围内提高pH能增强聚磷污泥释磷能力，可有效提高磷的去除率。当pH值=8.0时，厌氧释磷能力最强；当pH值>8.0时，释磷能力下降。故合理控制系统pH有利于序批式AOA系统反硝化除磷。

2.4 碳源对序批式AOA工艺反硝化除磷的影响

2.5 C/P对序批式AOA系统反硝化除磷的影响

2.6 N/P对序批式AOA反硝化除磷的影响

3 序批式AOA工艺效能分析与应用思考

根据脱氮除磷生化反应化学方程式，以去除污水中4 mg/L TP和30 mg/L TN计，传统脱氮除磷需消耗有机物220～330 mg，而反硝化除磷合适的碳源消耗量为120～180 mg[42]。反硝化除磷工艺充分利用内碳源进行反硝化脱氮除磷，节省近50%碳源量和污泥产量，简化了污水处理生化工艺，降低了曝气量和污水处理厂运行费用，同时一定程度减少了温室气体CO2的排放量，是未来一种可持续发展的低C/N/P污水高效同步脱氮除磷新途径[43]。

目前，我国城市污水表现出碳源不足、氮磷冲击等现象，传统污水处理工艺已越来越难以应对这种变化。序批式AOA工艺作为一种新型的反硝化除磷工艺，解决了传统脱氮除磷工艺的缺点，可适应水质结构的变化且结构简单，建设运行成本均低于传统活性污泥法工艺。序批式AOA工艺尚处于发展阶段，未来可作为高效的污水脱氮除磷工艺。

4 问题与展望

目前，关于序批式AOA工艺的研究已取得一定成果，但仍处于控制参数优化阶段。在工程实际中，合理的工艺参数和控制条件才能保障脱氮除磷的稳定性。序批式AOA工艺尚有以下制约因素与展望。

(1)如何实现稳定的反硝化除磷性能。AOA循环模式有利于富集DPB，但实际城市污水往往具有较大的波动性，污水结构等参数的冲击会影响反硝化除磷的稳定性。

(2)COD冲击负荷等会使序批式AOA系统缺氧段存在二次释磷的可能性，从而导致出水TP偏高。针对以上问题，今后应开展各参数冲击试验，探究反硝化除磷系统的运行规律，以期为序批式AOA工程应用提供技术指导。

(3)相比于传统生物脱氮技术，控制生化系统同步短程硝化反硝化脱氮可节省40%碳源、25%曝气量[44]。若序批式AOA反硝化除磷工艺在实现节省大量碳源下控制好氧阶段实现短程硝化作用，便能最大程度节省碳源和能耗。目前，有关同步短程硝化耦合序批式AOA后置反硝化除磷工艺的研究鲜有报道，故后续可通过研究系统参数控制，实现序批式AOA系统短程反硝化除磷。