a2o法又稱aao法,是英文anaerobic-anoxic-oxic第一個字母的簡稱(厭氧-缺氧-好氧法),是一種常用的污水處理工藝,可用于二級污水處理或三級污水處理,以及中水回用,具有良好的脫氮除磷效果。在傳統(tǒng) a2/o 工藝的單泥系統(tǒng)中高效地完成脫氮和除磷兩個過程,就會發(fā)生各種矛盾沖突,比如泥齡的矛盾、碳源競爭、硝酸鹽及溶解氧(do)殘余干擾等。
一、傳統(tǒng)a2o工藝存在的矛盾
1、污泥齡矛盾
傳統(tǒng)a2/o 工藝屬于單泥系統(tǒng),聚磷菌(paos)、 反硝化菌和硝化菌等功能微生物混合生長于同一系統(tǒng)中,而各類微生物實現(xiàn)其功能最大化所需的泥齡不同:
1)自養(yǎng)硝化菌與普通異養(yǎng)好氧菌和反硝化菌相比,硝化菌的世代周期較長,欲使其成為優(yōu)勢菌群, 需控制系統(tǒng)在長泥齡狀態(tài)下運行。冬季系統(tǒng)具有良好硝化效果時的污泥齡(srt)需控制在 30d 以上;即使夏季,若 srt<5 d,系統(tǒng)的硝化效果將顯得極其微弱。
2)paos 屬短世代周期微生物,甚至其最大世代周期(gmax)都小于硝化菌的最小世代周期(gmin)。
從生物除磷角度分析富磷污泥的排放是實現(xiàn)系統(tǒng)磷減量化的唯一渠道。
若排泥不及時,一方面會因 paos 的內(nèi)源呼吸使胞內(nèi)糖原消耗殆盡,進(jìn)而影響厭氧區(qū)乙酸鹽的吸收及聚 -β- 羥基烷酸(phas)的貯存,系統(tǒng)除磷率下降,嚴(yán)重時甚至造成富磷污泥磷的二次釋放;另一方面,srt 也影響到系統(tǒng)內(nèi) paos 和聚糖菌(gaos) 的優(yōu)勢生長。
在 30 ℃的長泥齡(srt≈ 10 d)厭氧環(huán)境中,gaos 對乙酸鹽的吸收速率高于paos,使其在系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位,影響 paos 釋磷行為的充分發(fā)揮。
2、碳源競爭及硝酸鹽和do殘余干擾
在傳統(tǒng)a2/o脫氮除磷系統(tǒng)中,碳源主要消耗于釋磷、反硝化和異養(yǎng)菌的正常代謝等方面,其中釋磷和反硝化速率與進(jìn)水碳源中易降解部分的含量有很大關(guān)系。一般而言,要同時完成脫氮和除磷兩個過程,進(jìn)水的碳氮比(bod5 /ρ(tn))>4~5,碳磷比(bod5 /ρ(tp))>20~30。
當(dāng)碳源含量低于此時,因前端厭氧區(qū) paos 吸收進(jìn)水中揮發(fā)性脂肪酸(vfas)及醇類等易降解發(fā)酵產(chǎn)物完成其細(xì)胞內(nèi) phas 的合成,使得后續(xù)缺氧區(qū)沒有足夠的優(yōu)質(zhì)碳源而抑制反硝化潛力的充分發(fā)揮,降低了系統(tǒng)對 tn 的脫除效率。
反硝化菌以內(nèi)碳源和甲醇或 vfas 類為碳源時的反硝化速率分別為 17~48 、120~900 mg/(g·d)。因反硝化不徹底而殘余的硝酸鹽隨外回流污泥進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū),反硝化菌將優(yōu)先于 paos 利用 環(huán)境中的有機物進(jìn)行反硝化脫氮,干擾厭氧釋磷的正常進(jìn)行,最終影響系統(tǒng)對磷的高效去除。
一般,當(dāng)厭氧區(qū)的 no3-n 的質(zhì)量濃度>1.0 mg/l 時,會對 paos 釋磷產(chǎn)生抑制,當(dāng)其達(dá)到 3~4 mg/l 時,paos 的釋磷行為幾乎完全被抑制,釋磷(po4 3–p)速率降 至 2.4 mg/(g·d)。
按照回流位置的不同,溶解氧(do)殘余干擾主要包括:
1)從分子態(tài)氧(o2)和硝酸鹽(no3-n)作為電子受體的氧化產(chǎn)能數(shù)據(jù)分析,以 o2 作為電子受體的產(chǎn)能約為 no3-n 的 1.5 倍,因此當(dāng)系統(tǒng)中同時存在o2和no3-n時,反硝化菌及普通異養(yǎng)菌將優(yōu)先以o2為電子受體進(jìn)行產(chǎn)能代謝。
2)氧的存在破壞了paos釋磷所需的“厭氧壓抑”環(huán)境,致使厭氧菌以o2為終電子受體而抑制其發(fā)酵產(chǎn)酸作用,妨礙磷的正常釋放,同時也將導(dǎo)致好氧異養(yǎng)菌與paos進(jìn)行碳源競爭。
一般厭氧區(qū)的do的質(zhì)量濃度應(yīng)嚴(yán)格控制在0.2mg/l以下。從某種意義上來說硝酸鹽及do殘余干擾釋磷或反硝化過程歸根還是功能菌對碳源的競爭問題。
二、a2o改良工藝匯總
1、基于 srt 矛盾的復(fù)合式
a2/o工藝在傳統(tǒng) a2/o工藝的好氧區(qū)投加浮動載體填料,使載體表面附著生長自養(yǎng)硝化菌,而 paos 和反硝化菌則處于懸浮生長狀態(tài),這樣附著態(tài)的自養(yǎng)硝化菌的 srt 相對獨立,其硝化速率受短 srt 排泥的影響較小,甚至在一定程度上得到強化。
懸浮污泥srt、填料投配比及投配位置的選擇不僅要考慮硝化的增強程度,還要考慮懸浮態(tài)污泥 含量降低對系統(tǒng)反硝化和除磷的負(fù)面影響。
載體填料的投配并不意味可大幅度增加系統(tǒng)排泥量,縮短懸浮污泥 srt 以提高系統(tǒng)除磷效率;相反,srt 的 縮短可能降低懸浮態(tài)污泥(mlss)含量,從而影響系統(tǒng)的反硝化效果,甚至造成除磷效果惡化。
研究表明,當(dāng)懸浮污泥 srt 控制為 5 d 時,復(fù)合式 a2/o 工藝的硝化效果與傳統(tǒng)a2/o工藝相比,兩者的硝化效果無明顯差異,復(fù)合式a2/o工藝的載體填料不能完全獨立地發(fā)揮其硝化性能;若再降低懸浮污泥srt則因系統(tǒng)懸浮污泥含量的降低致使硝酸鹽積累,影響厭氧磷的正常釋放。
2、基于“碳源競爭”角度的工藝
解決傳統(tǒng) a2/o工藝碳源競爭及其硝酸鹽和 do 殘余干擾釋磷或反硝化的問題,主要集中在 3 方面:
針對碳源競爭采取的解決策略,如補充外碳源、反硝化和釋磷 重新分配碳源(如倒置 a2/o工藝)等;
解決硝酸鹽干擾釋磷提出的工藝改革,如 jhb、uct、muct 等工藝;
針對 do 殘余干擾釋磷、反硝化的問題, 可在好氧區(qū)末端增設(shè)適當(dāng)容積的“非曝氣區(qū)”。
(1)補充外碳源
補充外碳源是在不改變原有工藝池體結(jié)構(gòu)及各功能區(qū)順序的情況下,針對短期內(nèi)因水質(zhì)波動引起碳源不足而提出的應(yīng)急措施。一般供選擇的碳源可分為 2 類:
a、甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等有機化合物;
b、可替代有機碳源,如厭氧消化污泥上清液、 木屑、牲畜或家禽糞便及含高碳源的工業(yè)廢水等。相對糖類、纖維素等高碳物質(zhì)而言,因微生物以低分子碳水化合物(如,甲醇、乙酸鈉等)為碳源進(jìn)行合成代謝時所需能量較大,使其更傾向于利用此類碳源進(jìn)行分解代謝,如反硝化等。
任何外碳源的投加都要使系統(tǒng)經(jīng)歷一定的適應(yīng)期,方可達(dá)到預(yù)期的效果。
針對要解決的矛盾主體選擇合適的碳源投加點對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和節(jié)能降耗至關(guān)重要。一般在厭氧區(qū)投加外碳源不僅能改善系統(tǒng)除磷效果,而且可增強系統(tǒng)的反硝化潛能;但是若反硝化碳源嚴(yán)重不足致使系統(tǒng)tn脫除欠佳時, 應(yīng)優(yōu)先考慮向缺氧區(qū)投加。
(2)倒置 a2/o 工藝及其改良工藝
傳統(tǒng) a2/o工藝以犧牲系統(tǒng)的反硝化速率為前提,優(yōu)先考慮釋磷對碳源的需求,而將厭氧區(qū)置于工藝前端,缺氧區(qū)后置,忽視了釋磷本身并非除磷工藝的目的所在。
從除磷角度分析可知,倒置 a2/o 工藝還具有 2 個優(yōu)勢:
“饑餓效應(yīng)”。paos厭氧釋磷后直接進(jìn)入生化 效率較高的好氧環(huán)境,其在厭氧條件下形成的攝磷驅(qū) 動力可以得到充分地利用。
“群體效應(yīng)”。允許所有 參與回流的污泥經(jīng)歷完整的釋磷、攝磷過程。然而有研究者認(rèn)為,倒置 a2 /o 工藝的布置形式。
(3)jhb、uct 及改良 uct 工藝
與分點進(jìn)水倒置 a2 /o 工藝相比,jhb(亦稱 a+ a2 /o 工藝) 和 uct 工藝的設(shè)計初衷是通過改變外回流位點以解決硝酸鹽、do殘余干擾釋磷。
jhb 工藝中的氮素的脫除主要發(fā)生在污泥反硝化區(qū)和缺氧區(qū),且兩者的脫除量相當(dāng), 污泥反硝化區(qū)的設(shè)置改變了氮素在各功能區(qū)的分配比例,使厭氧區(qū)能夠更好地專注于釋磷。
與倒置 a2 /o 工藝相同,對于低 c/n 進(jìn)水而言, jhb 工藝污泥反硝化區(qū)的設(shè)置可能會引起后續(xù)各功能區(qū)的碳源不足,為此也有必要采用分點進(jìn)水方式。
與倒置 a2 /o 工藝不同,uct 工藝是在不改變傳統(tǒng) a2 /o 工藝各功能區(qū)空間位置的情況下,污泥先回流至缺氧區(qū),使其經(jīng)歷反硝化脫氮后,再通過缺氧區(qū)的混合液回流至厭氧區(qū),避免了回流污泥中硝酸鹽、do 對厭氧釋磷的干擾。
在進(jìn)水c/n適中的情況下,缺氧區(qū)的反硝化作用可使回流至厭氧區(qū)的混合液中硝酸鹽的含量接近于0;而當(dāng)進(jìn)水c/n較低時, uct工藝中的缺氧區(qū)可能無法實現(xiàn)氮的完全脫除, 仍有部分硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū),因此又產(chǎn)生了改良 uct 工藝(muct)。
與 uct 工藝相比,muct 將傳統(tǒng) a2 /o 工藝中 的缺氧區(qū)分隔為 2 個獨立區(qū)域,前缺氧區(qū)接受來自 二沉池的回流污泥,后缺氧區(qū)接受好氧區(qū)的硝化液, 從而使外回流污泥的反硝化與內(nèi)回流硝化液的反硝 化完全分離,進(jìn)一步減少了硝酸鹽對厭氧釋磷的影響。
無論 uct 還是 muct,回流系統(tǒng)的改變強化了 厭氧、缺氧的交替環(huán)境,使其與 jhb 一樣,缺氧區(qū)容易富集反硝化 paos,實現(xiàn)同步脫氮除磷。
3、兼顧 srt 矛盾及“碳源競爭”工藝
(1)新型雙污泥脫氮除磷工藝
新型雙污泥脫氮除磷工藝(pasf)工藝也可謂是傳統(tǒng) a2/o 與曝氣生物濾池(baf)的組合工藝, 是以分相培養(yǎng)為基礎(chǔ)的雙泥系統(tǒng),能更好地滿足各功能微生物對環(huán)境、營養(yǎng)物質(zhì)及生存空間的最佳需求。
在工藝設(shè)計及運行過程中,通過縮短前端 a2 /o 工藝好氧區(qū)的 hrt,將硝化過程從中分離而順序“嫁接”于二沉池后端的 baf。
對于 paos 的厭氧釋磷而言,因前端的污泥單元不承擔(dān)硝化功能,在理想條件下外回流污泥中不含有硝酸鹽,為 paos 釋磷創(chuàng)造了良好的“壓抑”環(huán)境,使其優(yōu)先利用原水中的 vfas 類物質(zhì)合成 phas 并釋放磷;
再者,也因長 srt 硝化菌以生物膜形式固著生長在填料表面而短srt 的 paos 和反硝化菌呈懸浮態(tài)生長在前端的污泥單元,實現(xiàn)了硝化菌與反硝化菌、paos 等功 能微生物的 srt 分離,緩解了 srt 矛盾。
決定缺氧區(qū)反硝化效果的因素主要有2個:進(jìn)入缺氧區(qū)的優(yōu)質(zhì)碳源(vfas 和 phas)含量及來自 baf 的內(nèi)回流硝化液中的硝酸鹽含量。
當(dāng)進(jìn)水 c/n 較高時,硝酸鹽成為反硝化的限制因子,隨著內(nèi)回流比的增大缺氧區(qū)異養(yǎng)反硝化效果也相應(yīng)提高,但升高幅度卻呈遞減趨勢;
而當(dāng)進(jìn)水 c/n 較低時,因碳源成為反硝化的限制因子,根據(jù)異養(yǎng)反硝化菌和反 硝化 paos 對電子受體的競爭機制,適當(dāng)提高內(nèi)回 流硝酸鹽負(fù)荷的方式刺激反硝化聚磷菌(dpaos) 的優(yōu)勢生長,使其以硝酸鹽為電子受體,并以 phas 為電子供體進(jìn)行同步反硝化脫氮除磷,實現(xiàn)“一碳 兩用”,同時可節(jié)省系統(tǒng)的能耗,減少污泥產(chǎn)量。
(2)雙循環(huán)兩相生物處理工藝
雙循環(huán)兩相生物處理工藝(bict)是在序批式活性污泥法的基礎(chǔ)上,增設(shè)獨立的生物膜硝化反應(yīng)器,使自養(yǎng)硝化菌與反硝化菌、paos 等異養(yǎng)菌分相培養(yǎng),以克服脫氮與除磷間的 srt 矛盾及硝酸鹽、 do 干擾釋磷而開發(fā)的污水處理新工藝,其主體單元由厭氧生物選擇器、序批式懸浮污泥主反應(yīng)器、生物膜硝化反應(yīng)器組成。
該工藝正常運行時主要完成 4 個操作過程:
a、進(jìn)水、曝氣攪拌 + 污泥回流
原水與沉淀池的回流污泥在厭氧生物選擇器內(nèi)混合接觸,借助高負(fù)荷梯 度產(chǎn)生的“選擇壓力”篩選出具有良好絮凝性的細(xì) 菌,并使 paos 厭氧釋磷。此時,主反應(yīng)器在曝氣攪 拌的作用下,完成 cod 的去除及 paos 的超量攝磷;
b、缺氧攪拌 + 硝化液回流
主反應(yīng)器接受來自生物膜反應(yīng)器的硝化液,在機械攪拌作用下,完成反硝化脫氮,同時被擠出的混合液進(jìn)入沉淀池,經(jīng)沉淀分離后上清液進(jìn)入生物膜硝化反應(yīng)器;
c、再曝氣
吹脫污泥中包裹的氮氣以利于泥水分離,也可強化 paos 的好氧攝磷;
d、靜止沉淀、潷水
靜止沉淀的同時排出富磷污泥。此工藝獨立硝化反應(yīng)單元的設(shè)置消除了srt與硝化的高度關(guān)聯(lián)性,srt不再是影響系統(tǒng)脫氮效率的限制因子。
(3)bcfs 工藝
bcfs 工藝(biologische chemische fosfaat stikstof verwijdering) 可實現(xiàn)磷的完全去除和氮的最佳脫除。
與 uct 工藝相比,bcfs 工藝在主流線上增設(shè)2個反應(yīng)區(qū)——接觸區(qū)和混合區(qū)。
介于厭氧區(qū)與缺 氧區(qū)之間的接觸區(qū)相當(dāng)于第 2 選擇池,可以有效控 制絲狀菌的異常生長,防止污泥膨脹的發(fā)生;另外, 也因回流污泥先回流于此進(jìn)行反硝化脫氮反應(yīng),給 paos 厭氧釋磷營造了良好的“壓抑”環(huán)境。
介于缺氧區(qū)與好氧區(qū)之間的混合區(qū)相當(dāng)于一個“機動單元”, 可通過曝氣系統(tǒng)的啟閉靈活地控制其前端好氧區(qū)和后端缺氧區(qū)的氧化還原電位,也可在低c/n條件下誘導(dǎo)反硝化paos成為優(yōu)勢菌群而發(fā)揮同步脫氮除磷,實現(xiàn)“一碳兩用”。
來源:環(huán)保工程師