浅谈高原和平原地区下A2/O工艺适宜工况的比较*

尤俊豪 宗永臣 郝凯越 唐世龙

（西藏农牧学院水利土木工程学院，西藏 林芝 860000）

城市污水处理系统主要为A2/O、SBBR、氧化沟及CASS 等工艺[1]。其中A2/O 是在结构上最简单的同步脱氮除磷工艺，具有管理方便、较好的氮、磷及COD去除效果等优点，且在我国污水处理工艺中普遍使用，据不完全统计在我国30 个省市最大规模污水处理厂中有超过50%的采用A2/O 工艺[2]，也是高原地区主要的污水处理工艺之一[3]。A2/O 工艺的控制参数不同，对脱氮除磷的效果有不同影响。而高原与平原地区在DO、温度、紫外线等方面的不同，对A2/O 工艺脱氮除磷的效果也有所不同。故本文通过大量学者的研究文献，分析了不同运行工况在高原和平原地区适宜的参数，以望为后续的研究提供参考和借鉴。

1 A2/O工艺脱氮除磷效果影响因素

A2/O 工艺可以通过不同的反应条件和工况实现污水中COD和氮磷的同步去除[4]。脱氮除磷涉及硝化反硝化、吸磷释磷等多个生化反应，每个反应对环境条件、运行工况的要求各不相同。影响A2/O工艺脱氮除磷的因素有碳源、溶解氧(DO)、温度、水力停留时间(HRT)、污泥停留时间(SRT)及酸碱度(PH)等[5]。

生物脱氮主要是氨化反应、硝化反应和反硝化反应，硝化和反硝化会受到DO、温度等影响，此外HRT也影响脱氮效果[6]。在生物除磷方面，溶解氧决定聚磷菌的释磷、吸磷，温度影响聚磷菌的生长[7]。另外，脱氮除磷的效果也与微生物群落结构、多样性及丰密度有关[8]。本文针对碳源、DO、温度、HRT 共4 个工况开展高原与平原地区下A2/O 工艺脱氮除磷效果的比较分析研究。

1.1 碳源对脱氮除磷的影响

碳作为微生物生长需求最大量的营养元素，在脱氮除磷系统中，碳源主要消耗在反硝化、释磷和异养菌正常代谢等方面[9]。在A2/O 工艺中，碳源会影响脱氮除磷的效果，例如反硝化菌与聚磷菌争夺碳源，反硝化菌利用碳源作为电子供体，达到脱氮效果，聚磷菌利用碳源满足自身生长需求与好氧条件下吸磷。

目前，我国西北、华北、东北地区碳氮比适宜[10]，可满足脱氮除磷的要求，但部分南方城镇污水处理厂却存在进水碳源不足的问题，针对此问题大量学者研究发现，可添加甲醇、乙醇、乙酸钠、葡萄糖等碳源来提高脱氮除磷的效率[11]。安丽娜等[12]以乙酸钠作为外加碳源处理低碳氮比生活污水，结果表明TN、NH3-N的去除率最高分别达到71.27%、89.31%.李文龙等[13]分别探究乙酸钠、乙醇作为碳源时，反硝化脱氮的效果，结果表明，添加两种碳源类型对污水中TN、NO3-N的去除率均能达到90%以上。经过研究发现这些传统碳源各有优缺点，具体分析为：甲醇成本低、易于分解，缺点自身有毒、安全性差；乙酸、乙醇无毒、易分解，缺点运输不便、投加量难以控制；乙酸钠反硝化速率高、污泥驯化期短、运输方便，缺点成本高、投加量大；糖类成本低，运输方便、易分解，缺点反硝化速率低。

除上述传统型外加碳源外，还包括新型外加碳源。新型外加碳源包括纤维素类、垃圾渗滤液、可生物降解的和经过特殊处理的有机物、剩余污泥等碳源。梅翔等[14]以红薯浸泡液为外加碳源，研究结果表明：污水中的TN、NH3-N 去除率分别达到88.6%、54.8%.袁敏等[15]以垃圾渗滤液作为外加碳源，结果表明，适当的投加量可以提高并保持稳定的除磷效率。经过上述学者研究发现，新型碳源具有废物资源利用率高、良好的可生化性、反硝化率高、降低脱氮成本等优点，但浓度和温度会对脱氮除磷造成影响。因此，新型外加碳源是目前研究的热点与重点，具有广泛的应用潜力。

同样，在我国西藏高原地区也出现因碳源不足而影响脱氮除磷效率的问题。针对此问题部分学者使用耗牛粪、青稞面粉等作为外加碳源在一定程度上解决了脱氮除磷效率低的问题。因为耗牛粪不仅含有一般生物炭中纤维素的成分，而且还含有机酸、蛋白质等物质[16]，同时面粉的主要成分是淀粉，它们均可以给细菌和菌胶团的合成、代谢等反应提供所需的物质和能量[17]，最终提高脱氮除磷的效率。

郭泓利等[18]在分析全国典型城市污水处理厂进水水质结果中，发现我国大多数污水处理厂反硝化碳源不足，需要外加碳源。但目前大多数污水处理厂都依然使用传统外加碳源，就平原地区而言，对于短期低碳氮比污水可以选择乙酸钠，对于长期低碳氮比污水可以选择复合型碳源，综合经济角度考虑，适合使用糖类作为外加碳源。相比简单的传统外加碳源，新型碳源可以根据微生物需求提供碳源，又能作为微生物的附着载体，进而提高微生物的密度及活性。虽然新型碳源目前尚处在研究与推广阶段，但将是未来外加碳源的发展趋势。对于高原地区而言，耗牛粪在高原分布广、易获取，几乎零成本，虽然耗牛粪存在大量纤维素，使用起来有一定的难度，但通过发酵后可使粗纤维含量减少，且含有较多的营养物质[19]；而青稞面粉需要大量稀释溶解才能利用，且反硝化时间长，相对于耗牛粪价格贵，但青稞生长在海拔4200m～4500m，不利于高原其他地区获取；所以综合考虑，高原地区目前适宜使用耗牛粪作为外加碳源。

1.2 DO对脱氮除磷的影响

DO 作为脱氮除磷的主要影响因素之一，过高过低都会影响硝化和反硝化。YOO 等[20]研究表明，溶解氧浓度的提高会增加硝化反应，反之溶解氧的下降会增加反硝化反应。LI等[21]对A2/O 工艺进行研究表明，过低的DO 会使TN、TP 去除率的下降。因此适宜的DO是脱氮除磷的必要条件。

为了更好把控DO，刘义忠等[22]对A2/O 工艺研究表明随DO 的增加，TN 的去除率先增后减，在考虑有机物去除和节能的因素下，好氧池DO 的最优值为3mg/L，此时TN、NH3-N 去除率分别是73.6%、97.5%.杨岸明等[23]通过在某城市污水处理厂采用DO 精确控制技术调控好氧池曝气量，结果表明好氧池DO 稳定控制在(2±0.2)mg/L，有利于系统出水水质能够达到一级A标准。兰鑫[24]在以华北地区某城镇污水处理厂为研究对象，表明A2/O工艺运行优化研究结果显示厌氧区控制在0.2mg/L 以下、缺氧池在0.55mg/L 左右、好氧区DO 在2.5mg/L 左右，TN、NH3-N、TP 的去除率为82.07%、87.39%、90.41%.A.Jobbagy 等[25]研究认为在碳源缺少时，反硝化速率受缺氧区DO 的存在而变低。史彦伟等[26]以北京市某污水处理厂做的中试研究结果表明缺氧段DO 应控制在0.5mg/L 以下,此时TN、NH3-N的去除率为64.9%、98.4%.

郝凯越等[5]在高原环境下对不同工况下A2/O工艺处理效果进行了研究，结果表明好氧池DO 最佳工况为4.5 mg/L，此时COD 和TN 达到一级A 标准，TP 达到三级标准。陈希林等[27]同在高原环境下研究表明缺氧池DO 在0.2mg/L 以下，好氧区末端DO 应控制在2.8mg/L左右，此时COD、NH3-N、TN、TP去除率分别为92.4%、83.8%、72.7%、87.1%.谢占川等[28]研究表明在高原缺氧的条件下厌氧、缺氧、好氧三个区的DO应分别控制为小于0.2mg/L、小于0.5mg/L、2mg/L左右。

合理的DO 不仅利于提高处理效果，也利于合理的使用曝气量，从而减少运行费用。在A2/O 工艺中，厌氧池主要是释磷作用，聚磷菌在缺氧时，处于“压抑状态”，将体内存储的聚磷酸盐分解，此时需要较低的溶解，在0.2mg/L 以下。缺氧区主要是反硝化脱氮。由上述可知，无论是平原地区缺氧池的DO 在0.5mg/L左右，还是高原地区的0.2mg/L 以下，TN 的去除率都在60%以上，表明缺氧池的DO 已不是理论上的在0.5mg/L 以下，而是在保证脱氮效率的前提下来控制DO。好氧区则是通过生物硝化作用将NH3-N 转化成硝酸盐。分析上述研究可知，在高原与平原地区，好氧池的最佳DO 分别为3mg/L、(2±0.2)mg/L、2.5mg/L左右、4.5mg/L、2.8 mg/L 等，其各有差别，这是因为好氧池DO 的控制是在保证NH3-N 去除效果的前提下，降低DO，以保证TN 的去除效果。综上表明A2/O 工艺中DO的调控是根据每个反应池的去除指标不同来调控，即缺氧区以TN 的去除为原则调控，好氧区的DO多数是在保证NH3-N 的前提下，尽量降低DO,以保证TN的去除。

1.3 温度对脱氮除磷的影响

温度作为影响微生物生长繁殖的重要因素，直接影响脱氮除磷的效果。张雷[29]研究表明：温度影响硝化菌的生长繁殖，当温度低于10℃，硝化反应将被抑制。傅金祥等[30]研究结果表明：温度的变化对A2/O 工艺的脱氮除磷效率有很大影响，随试验温度的增加，反硝化的速率增加，TN 的去除率也随之增加。因此合理的温度范围将有助于提高脱氮除磷的效果。

赵丰等[31]研究表明最佳脱氮温度在25℃～30℃之间，此时TN、COD 去除率分别约为70%、70%～85%.金羽等[32]研究结果表明水温在18℃～23℃之间，NH3-N和TN 的出水水质可以满足GB18918—2012 的1 级A排放标准。王荣昌等[33]研究表明：温度对反硝化污泥系统中的TN、TP的去除率有明显影响，当系统温度在20℃～30℃之间，TN、TP 的去除率有显著提高,且TN、TP 的去除率都在90%左右，当温度低于15℃时脱氮除磷去除率降低。

郝凯越[5]等在基于高原环境下对A2/O工艺研究表明，最佳温度为10℃，出水COD、NH3-N 和TP 分别符合一级A 标准、一级B 标准和二级标准。陈希林[27]研究结果表明高原环境下A2/O 工艺在10℃～14℃之间可获得良好的污水处理效果。

综上分析，平原地区适宜温度多数在20℃～30℃，而高原地区在10℃～14℃也能达到良好的出水效果。分析高原地区在10℃～14℃出水效果好的原因可能是在低温条件下产生了新的耐冷菌，一定程度弥补了活性污泥代谢不足，也可能因为聚磷菌是嗜冷细菌，低温有利于生物除磷[34]。也可通过进一步研究高原地区在低温下为何能达到良好出水效果的原因，并在平原地区尝试是否可以借鉴。在实际污水处理工程中，一般不对温度进行控制，而且人为控制温度，将会造成长久的经济负担。针对温度低导致污水处理效果不佳问题，可通过添加具有低温脱氮的菌属、采用地下式污水处理厂等方法。上述适宜的温度分析可对控制参数为温度等相关的研究提供参考范围和借鉴。

1.4 HRT对脱氮除磷的影响

HRT 作为A2/O 工艺设计与运行中重要的工况参数，直接影响脱氮除磷的效果，并且易于调控。

潘欣语等[35]研究表明HRT 对COD 去除率的影响较小，但对NH3-N、TN、TP 的去除率影响较大。NH3-N和TN去除率随HRT增加而提高，TP 的去除 率随HRT增加而呈现先增后减的趋势，最佳HRT为5h～8h，此时TP 的去除率在84%～92%.袁鹰等[36]研究得出最佳HRT 为8h,此时COD、TP、TN、NH3-N 去除率分别为89.0%、93.0%、63.1%、84.5%.王辰辰[37]通过分析表明，16 h 为HRT 最佳运行条件，此时系统对COD、NH3-N、TN 及TP 的平均去除率分别为76.71%、87.92%、82.03%和41.02%.

而在高原地区有研究表明当HRT 为26.5h，出水COD 处理效果达最佳，并符合一级A 标准[5]。同时谢东[38]在西藏林芝八一镇污水处理厂的设计与杨开明[39]在西藏日喀则樟木镇污水处理厂的设计和马宗凯[40]在评论A2/O 工艺在高原地区的应用分别得出高原地区下A2/O工艺适宜HRT分别为14h、14h、17.6h。

鉴于上述文献中记载的进水水质差异性不大，忽略其对工艺的影响。可以得出：平原地区A2/O工艺中适宜的HRT 为8h～16h；而高原地区适宜的HRT 在14小时以上；造成高原与平原地区HRT相差的因素在于溶解氧、温度、容池积等；也可能由于活性污泥的浓度在高原地区下小于平原地区的污泥浓度所造成[41]；同时也得出HRT 对COD 的去除率影响较小，在研究范围内，TN、TP的去除率与HRT呈正相关。

2 微生物对脱氮除磷的影响

随着高通量测序技术和生物信息技术的发展，研究者借用现有技术研究了不同环境因素和各种工艺工况条件下的微生物的结构、特性以及丰度的动态变化，发现了微生物群落结构与污水处理效果具有相关性[42]。

在微生物群落中不同菌属有不同的功能并不同程度上影响脱氮除磷的效果。有些菌属属于脱氮类型，例如在A2/O工艺的好氧颗粒污泥中硝化单胞菌属和亚硝化螺菌属都是优势菌属，亚硝化螺菌属是属于硝化菌并具有脱氮功能，在好氧区数量相对多，在缺氧区数量少[43]。变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)也是好氧生物系统中普遍存在的两种异养菌，同时也是多数污水处理厂活性污泥中的优势菌种，其中变形菌门(Proteobacteria)的主要功能是通过呼吸、发酵等新陈代谢有机物降解和同时通过硝化反硝化作用进行氮去除[44]。同时假单胞菌属(Pseudomonas)和厌氧氨氧化菌也都具有高效脱氮功能，其中有研究表明厌氧氨氧化菌对系统脱氮的贡献率为2.07%～6.59%[45].有些菌种则属于除磷类型。例如钱晓迪[46]通过菌落分析得出不动杆菌属(Acinetobbacter)和脱氯单胞菌属(Dechloromonas)是最主要的除磷功能菌属。刘航[47]从生物脱磷系统中分离出具有除磷与去除COD功能的希瓦氏菌属(Shewanella)。

有研究表明微生物群落结构与丰度受海拔的影响[48]。例如刘璐等[45]发现在青藏高原也存在具有脱氮功能的厌氧氨氧化菌。方德新等[49]在对比高原与非高原的菌属发现突柄杆菌属(Prosthecobacter)是高原组中丰度最高的菌属，其在高原地区的污水处理厂分布最广，并能适应高原低温环境。还有作为聚磷菌参与反硝化的假单胞菌(Pseudomonas)，依然适应高原环境，并优势菌属[50]。也有高原特有的优势菌属，高原污水处理厂样品中优势细菌属包括粘细(Haliangium)、蔷薇属(Roseiflexus)、史密斯氏菌属(Smithella)及毛螺菌科(Lachnospiraceae)[51]。

由上述可知，假单胞菌和厌氧氨氧化菌是高原地区与平原地区共有的，这反应了污水处理系统的微生态一致性。高原地区与平原地区在脱氮除磷功能的优势菌属不同，高原优势菌属如蔷薇属、Prosthecobacte等，平原优势菌属如Proteobacteria、Bacteroidetes等。因为高原地区与平原地区在海拔、温度、紫外线、溶解氧等方面不同，对其优势菌属造成了影响。但在高原地区与平原地区某些脱氮除磷的微生物细菌属的丰度较低，结构不满足要求。针对此问题平原地区可以在污水处理系统中添加脱氮除磷菌属生长剂，增加其丰度。在高原地区可以通过培养驯化具有脱氮除磷功能的耐冷菌和减轻紫外线照射强度等方式。

3 结论与展望

在外加碳源方面，高原地区适宜以耗牛粪作为外加碳源。平原地区针对短期低碳氮比进水可选择乙酸钠，长期可选择复合型碳源，综合经济考虑，适宜选择糖类作为外加碳源，并且新型外加碳源将是未来外加碳源的使用趋势。在DO方面，高原与平原地区在厌氧池中，应保持DO 小于0.2mg/L，缺氧池DO 以脱氮为原则控制，好氧池DO是在保证NH3-N处理前提下，尽量降低DO，进而达到TN的去除为原则控制。温度方面，高原地区在10℃～14℃之间仍能达到良好的出水水质，平原地区多数适宜在20℃～30℃。HRT方面，高原地区适宜在14h 以上，平原地区适宜为8h～16h。在微生物方面：高原地区适宜的菌属为：蔷薇属、Prosthecobacte 等，平原地区适宜的菌属为：Proteobacteria、Bacteroidetes 等。高原地区可以通过培养具有脱氮除磷的耐冷菌、减轻紫外线照射等方式改变微生物的结构，近而提高脱氮除磷。平原地区通过添加脱氮除磷菌属生长剂，增加其丰度，从而提高脱氮除磷的效果。

将影响因素控制在适宜的范围内，可以提高A2/O工艺脱氮除磷的效果。但是目前高原地区下A2/O 工艺在同步脱氮除磷的效率有待提高和改进。应采取以下几点改进：（1）例如改良A2/O 工艺，如倒置A2/O、A2/O+氧化沟等工艺。（2）在低温低氧下筛选和培养具有脱氮除磷功能的耐冷菌，并使其成为优势菌。（3）通过研究A2/O工艺最适宜的污泥龄、混合液和污泥的回流比及PH等影响脱氮除磷的主要因素。