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[摘 要]污水处理是高能耗行业，随着我国城镇化进程的加快，污水处理面临的形势和任务依然艰巨，做好城镇污水处理厂自身节能降耗工作，也是实现绿色发展的具体举措之一。本文从目前污水处理厂的现状着手，讨论了污水厂中能耗消耗分布，分析了A2/O工艺的的运行原理、运行方式及特点，并从不同角度对已有的工艺改进策略进行了详细讨论，对该工艺的研究重点及工程实践方向做了展望。
[关键词]城市污水处理厂；节能；A2/O工艺；途径
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）05-0194-02
1 城市污水处理厂能源消耗主要方面
1.1 电耗
根据美国每年用电数据分析可以看出，城市污水处理厂所消耗的电量是总电量的3%，在人口数量不断增加和对污水排放标准越来越高的情况下，预计未来15年内污水处理所需要消耗的电量还将继续增加20%左右。在我国情况也是如此，随着城市污水厂的发展所消耗的电量所占比例将逐年增加，但是仍存在很大的节能潜力。在城市污水厂的运行中电耗所占比例较大的是污水提升、曝气和污泥处理三部分。在耳机生化处理中需要的鼓风机曝气、潜水搅拌器和进出水轴流泵都消耗了大量的能耗，但是其中鼓风机是节能降耗的重点。
1.2 药耗
在城市污水处理厂中所需要的妖姬主要是生化反应中化学除磷需要的聚合氯化铝（PAC）和污泥脱水系统中添加的絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）。但是，通常在污水厂的运行过程中由于药剂投加量投加时间的控制不够智能化等原因导致絮凝效果不理想，促使药剂的投加量增加，大大增加了污水处理成本，同时，这些药剂的降解性能较差容易对环境造成二次污染。
1.3 水耗
国内许多污水处理厂的中水回用系统都尚未健全，污水处理工艺中的冷却水、反冲洗水、喷淋用水、办公用水等均采用自来水，而处理后达到出水标准的中水并未得到充分利用，因此，造成污水厂内水资源的消耗，对净水资源造成了浪费，同时也增加了处理成本。
2 A2/O工艺的运行原理、运行方式及特点
2.1 A2/O工艺的运行原理和运行方式
A2/O生物脫氮除磷工艺流程如图1，污水与回流污泥混合后进入厌氧池，在兼性厌氧菌的作用下，部分易降解的大分子有机物转化为小分子的VFA，聚磷菌吸收这些小分子物质合成PHB并储存在细胞内，同时将细胞内的聚合磷酸盐水解成正磷酸盐释放到水中，在厌氧段部分BOD被去除。厌氧池出水和从好氧池内回流的NO-x-N进入缺氧池被反硝化细菌利用污水中的有机物还原成N2去除，有机物和NO-x-N都得到去除。混合液从缺氧池进入好氧池后主要完成有机物的进一步去除、有机氮氨化、氨氮硝化，同时聚磷菌分解体内的PHB获取能量供自身生长繁殖，并超量吸收溶解性的正磷酸盐以聚合磷酸盐的形式储存于体内，最后二沉池通过排除富磷污泥使磷得到去除。
2.2 A2/O工艺的运行特点
污水首先进入厌氧段，充分发挥了厌氧菌群对高浓度、较难降解有机物的降解优势，适合混有工业废水的城市污水处理，污泥产量少。
简化了处理流程，增加了处理功能，是最简单的脱氮除磷工艺，减少了水力停留时间。
在厌氧-缺氧-好氧交替运行下，丝状菌不会大量繁殖，SVI一般小于100，不会发生污泥膨胀。
剩余污泥中的磷含量一般可达污泥干重的6%～7%，具有很高的肥效。
2.3 A2/O工艺的运行控制
A2/O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、基质类型、微生物组成要求不同，脱氮除磷各过程相互制约，因此了解工艺控制要素及其对脱氮除磷的影响很有必要。
2.3.1 泥量与泥龄
A2/O工艺运行中系统污泥浓度和泥龄对脱氮除磷有重要影响，研究表明，当厌氧池、缺氧池、好氧池中的MLSS维持在3000～3800mg·L-1，且三个反应器中的MLSS值接近时，系统具有较好的脱氮除磷效果。厌氧池聚磷菌和缺氧池反硝化细菌属于短泥龄微生物，短泥龄有利于除磷和反硝化，一般缺氧池的泥龄为3～5d，好氧池中自养硝化细菌增殖速度慢，世代周期长，要使自养硝化细菌在系统中维持一定的数量，成为优势菌群，好氧段需要20～30d的长泥龄，但同时长泥龄使含磷污泥的排放过少，且在较高的泥龄下聚磷菌为维持生命活动分解聚合磷酸盐，可能使磷从含磷污泥里重新释放出来，不利于系统除磷，一般系统若以除磷为主要目的，泥龄可控制在6～8d，另外，反硝化聚磷菌的发现使系统在缺氧段脱氮的同时也能使磷得到部分去除，研究发现，当系统的SRT在15d时缺氧段具有较高的脱氮除磷效果。为了兼顾脱氮除磷，建议污泥龄为硝化菌的最小世代期的2倍以上，权衡考虑将污泥龄控制在8～15d较合适。
2.3.2 碳源
脱氮除磷过程中反硝化细菌和聚磷菌是混合共生的，相互竞争碳源，且反硝化细菌会优先摄取碳源，厌氧段碳源不足会抑制聚磷菌的释磷，从而导致最终除磷效果变差，为了保证良好的除磷效果，厌氧段需要有充足的可供聚磷菌吸收的碳源，一般将厌氧池（SP/SBOD）控制在0.06以内，污泥负荷控制在0.10kgBOD5/（kgMLSS·d）以上。
缺氧池内异养型兼性厌氧反硝化细菌需要足够的有机物作为电子供体，以NO-x-N为电子受体，将回流混合液中的NO-x-N还原成N2，完成系统的脱氮，因此缺氧池需要一定的C/N，根据工程实践经验，当COD/TKN大于8时，脱氮率可达80%。
好氧池碳源不宜过多，过多的碳源会促使好氧池内异养型好氧细菌成为优势菌群，抑制自养型硝化细菌的硝化作用，对系统脱氮产生负面影响，好氧池应将污泥负荷控制在0.15kgBOD5/（kgMLSS·d）以下。系统运行过程中应定期核算污水进水水质是否满足BOD5/TKN大于4，BOD5/TP大于20的要求，否则需要补充碳源。在碳源分配上，厌氧池、缺氧池、好氧池呈递减趋势，厌氧池需要过多的碳源，缺氧池碳源充足，好氧池碳源较低。 2.3.3 NH4+-N浓度
好氧段过高的NH4+-N浓度会对硝化菌产生抑制作用，要保证NH+4-N正常硝化，通常TKN/MLSS负荷率应小于0.05kgTKN/（kgMLSS·d）。
2.3.4 溶解氧（DO）
为了防止进入二沉池的混合液发生反硝化或释磷，引起污泥上浮，影响出水水质和除磷效果，进入沉淀池的混合液中通常保证一定的DO浓度，且好氧池DO不足会抑制硝化菌的生长，其对DO的最低忍受极限为0.5～0.7mg·L-1，增加溶解氧有利于硝化作用的进行，研究好氧末端DO对A2O工艺脱氮除磷的影响，结果表明随着末端DO的增大，系统硝化速率提高，NH+4-N的去除率从60%升高到90%以上，TN的去除率从54%升高到67%，总磷的去除率也有所提高，好氧池的DO>2mg·L-1以后，硝化速率开始减缓，继续增大DO对硝化进程不仅没有大幅加快，还可能使回流污泥和回流混合液中DO浓度偏高，不利于厌氧段释磷和缺氧段反硝化，根据实践经验将好氧段DO控制在2mg·L-1为宜，最高不超过3mg·L-1。
3 城市污水处理厂节能降耗途径
3.1 改良A2O工艺
在厌氧池之前增设缺氧调节池，来自二沉池的回流污泥和10%左右的进水首先进入缺氧调节池，停留时间为20～30min，微生物利用约10%进水中有机物还原回流NO-x-N，消除其对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性，提高除磷效果，90%的进水和缺氧调节池出水混合后进入厌氧池进行释磷。
3.2 倒置A2O工艺
将缺氧池置于厌氧池前面，来自二沉池的回流污泥和全部进水或部分进水，50%～150%的混合液回流均进入缺氧段，將碳源优先用于脱氮。缺氧池内碳源充足，回流污泥和混合液在缺氧池内进行反硝化，去除硝态氧，再进入厌氧段，保证了厌氧池的厌氧状态，强化除磷效果。由于污泥回流至缺氧段，缺氧段污泥浓度较好氧段高出50%，单位池容的反硝化速率明显提高，反硝化作用能够得到有效保证。
3.3 UCT工艺
回流污泥首先进入缺氧池脱氮，缺氧段部分出流混合液再回至厌氧段。通过这样的修正，可以避免因回流污泥中的NO-x-N回流至厌氧段，干扰释磷而降低磷的去除率。采用UCT工艺以某污水处理厂初沉池出水为研究对象，对各种污染物质的去除效果进行了研究，得出的结论为：UCT工艺对COD的去除率达到85%以上，NH+4-N的去除率超过97%，TN去除率稳定在75%左右，PO3-4-P去除率为80%。
4 A2O工艺及其变式的比较分析
通常厌氧池聚磷菌优先利用污水中易生物降解的有机物除磷，而缺氧池反硝化细菌可以利用多种形态的有机物，倒置的A2O工艺将缺氧段前置，反硝化细菌优先利用易生物降解的有机物，系统脱氮能力提高，但对厌氧池聚磷菌除磷可能产生基质竞争，为保证除磷效果，可在满足反硝化碳源的前提下，采取分点进水，将部分进水中的碳源直接给厌氧池，用于聚磷菌的释磷，厌氧段释放的磷直接进入生化效率高的好氧段，吸磷效率增强，除磷效果提升。倒置A2O工艺整个系统的活性污泥都经历了厌氧和好氧的过程，排放的剩余污泥都能充分地吸磷，倒置A2O工艺适合C/P较高，C/N较低的污水，一般当BOD5/TN<4，BOD5/TP>20时，系统具有较好的脱氮除磷效果，倒置A2O工艺在我国一些大中型城镇污水处理厂的建设或升级改造中得到广泛应用。
UCT工艺中好氧池混合液和回流污泥首先进入缺氧池，脱氮效果增强，经缺氧池脱氮后的混合液随进水进入厌氧池释磷，一定程度上避免了NO-x-N进入厌氧区影响释磷效果，除磷效率增强。厌氧池中的聚磷菌利用进水中70%的易生物降解有机物进行释磷，10%左右的慢速生物降解的有机物进入缺氧池反硝化脱氮，缺氧池反硝化负荷较高。UCT工艺适用于处理BOD5/TN或BOD5/TP较低的城市污水，当污水C/N<4、C/P<20时，UCT工艺比普通A2O工艺具有更高的除磷效率，UCT工艺增加了从缺氧段出流液到厌氧段的回流，增加了能耗，且两套混合液回流交叉不利于控制缺氧段的水力停留时间。
结语
城市污水处理厂的节能降耗是一项重要工作。本文分析了城市污水处理厂能源消耗主要方面，对A2O工艺的运行原理、运行方式及特点进行了概述，对城市污水处理厂节能降耗应用A2O工艺进行了总结，在保证出水指标的情况下节能增效。
参考文献
[1] 郭会平.我国城市污水处理现状及污水处理厂提标改造路径分析[D].辽宁大学，2016.
[2] 于莉芳，杜倩倩，傅学焘，张茹，李文江，彭党聪.城市污水中硝化菌群落结构与性能分析[J].环境科学，2016，37（11）：4366-4371.（2016-07-21）.
[关键词]城市污水处理厂；节能；A2/O工艺；途径
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）05-0194-02
1 城市污水处理厂能源消耗主要方面
1.1 电耗
根据美国每年用电数据分析可以看出，城市污水处理厂所消耗的电量是总电量的3%，在人口数量不断增加和对污水排放标准越来越高的情况下，预计未来15年内污水处理所需要消耗的电量还将继续增加20%左右。在我国情况也是如此，随着城市污水厂的发展所消耗的电量所占比例将逐年增加，但是仍存在很大的节能潜力。在城市污水厂的运行中电耗所占比例较大的是污水提升、曝气和污泥处理三部分。在耳机生化处理中需要的鼓风机曝气、潜水搅拌器和进出水轴流泵都消耗了大量的能耗，但是其中鼓风机是节能降耗的重点。
1.2 药耗
在城市污水处理厂中所需要的妖姬主要是生化反应中化学除磷需要的聚合氯化铝（PAC）和污泥脱水系统中添加的絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）。但是，通常在污水厂的运行过程中由于药剂投加量投加时间的控制不够智能化等原因导致絮凝效果不理想，促使药剂的投加量增加，大大增加了污水处理成本，同时，这些药剂的降解性能较差容易对环境造成二次污染。
1.3 水耗
国内许多污水处理厂的中水回用系统都尚未健全，污水处理工艺中的冷却水、反冲洗水、喷淋用水、办公用水等均采用自来水，而处理后达到出水标准的中水并未得到充分利用，因此，造成污水厂内水资源的消耗，对净水资源造成了浪费，同时也增加了处理成本。
2 A2/O工艺的运行原理、运行方式及特点
2.1 A2/O工艺的运行原理和运行方式
A2/O生物脫氮除磷工艺流程如图1，污水与回流污泥混合后进入厌氧池，在兼性厌氧菌的作用下，部分易降解的大分子有机物转化为小分子的VFA，聚磷菌吸收这些小分子物质合成PHB并储存在细胞内，同时将细胞内的聚合磷酸盐水解成正磷酸盐释放到水中，在厌氧段部分BOD被去除。厌氧池出水和从好氧池内回流的NO-x-N进入缺氧池被反硝化细菌利用污水中的有机物还原成N2去除，有机物和NO-x-N都得到去除。混合液从缺氧池进入好氧池后主要完成有机物的进一步去除、有机氮氨化、氨氮硝化，同时聚磷菌分解体内的PHB获取能量供自身生长繁殖，并超量吸收溶解性的正磷酸盐以聚合磷酸盐的形式储存于体内，最后二沉池通过排除富磷污泥使磷得到去除。
2.2 A2/O工艺的运行特点
污水首先进入厌氧段，充分发挥了厌氧菌群对高浓度、较难降解有机物的降解优势，适合混有工业废水的城市污水处理，污泥产量少。
简化了处理流程，增加了处理功能，是最简单的脱氮除磷工艺，减少了水力停留时间。
在厌氧-缺氧-好氧交替运行下，丝状菌不会大量繁殖，SVI一般小于100，不会发生污泥膨胀。
剩余污泥中的磷含量一般可达污泥干重的6%～7%，具有很高的肥效。
2.3 A2/O工艺的运行控制
A2/O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、基质类型、微生物组成要求不同，脱氮除磷各过程相互制约，因此了解工艺控制要素及其对脱氮除磷的影响很有必要。
2.3.1 泥量与泥龄
A2/O工艺运行中系统污泥浓度和泥龄对脱氮除磷有重要影响，研究表明，当厌氧池、缺氧池、好氧池中的MLSS维持在3000～3800mg·L-1，且三个反应器中的MLSS值接近时，系统具有较好的脱氮除磷效果。厌氧池聚磷菌和缺氧池反硝化细菌属于短泥龄微生物，短泥龄有利于除磷和反硝化，一般缺氧池的泥龄为3～5d，好氧池中自养硝化细菌增殖速度慢，世代周期长，要使自养硝化细菌在系统中维持一定的数量，成为优势菌群，好氧段需要20～30d的长泥龄，但同时长泥龄使含磷污泥的排放过少，且在较高的泥龄下聚磷菌为维持生命活动分解聚合磷酸盐，可能使磷从含磷污泥里重新释放出来，不利于系统除磷，一般系统若以除磷为主要目的，泥龄可控制在6～8d，另外，反硝化聚磷菌的发现使系统在缺氧段脱氮的同时也能使磷得到部分去除，研究发现，当系统的SRT在15d时缺氧段具有较高的脱氮除磷效果。为了兼顾脱氮除磷，建议污泥龄为硝化菌的最小世代期的2倍以上，权衡考虑将污泥龄控制在8～15d较合适。
2.3.2 碳源
脱氮除磷过程中反硝化细菌和聚磷菌是混合共生的，相互竞争碳源，且反硝化细菌会优先摄取碳源，厌氧段碳源不足会抑制聚磷菌的释磷，从而导致最终除磷效果变差，为了保证良好的除磷效果，厌氧段需要有充足的可供聚磷菌吸收的碳源，一般将厌氧池（SP/SBOD）控制在0.06以内，污泥负荷控制在0.10kgBOD5/（kgMLSS·d）以上。
缺氧池内异养型兼性厌氧反硝化细菌需要足够的有机物作为电子供体，以NO-x-N为电子受体，将回流混合液中的NO-x-N还原成N2，完成系统的脱氮，因此缺氧池需要一定的C/N，根据工程实践经验，当COD/TKN大于8时，脱氮率可达80%。
好氧池碳源不宜过多，过多的碳源会促使好氧池内异养型好氧细菌成为优势菌群，抑制自养型硝化细菌的硝化作用，对系统脱氮产生负面影响，好氧池应将污泥负荷控制在0.15kgBOD5/（kgMLSS·d）以下。系统运行过程中应定期核算污水进水水质是否满足BOD5/TKN大于4，BOD5/TP大于20的要求，否则需要补充碳源。在碳源分配上，厌氧池、缺氧池、好氧池呈递减趋势，厌氧池需要过多的碳源，缺氧池碳源充足，好氧池碳源较低。 2.3.3 NH4+-N浓度
好氧段过高的NH4+-N浓度会对硝化菌产生抑制作用，要保证NH+4-N正常硝化，通常TKN/MLSS负荷率应小于0.05kgTKN/（kgMLSS·d）。
2.3.4 溶解氧（DO）
为了防止进入二沉池的混合液发生反硝化或释磷，引起污泥上浮，影响出水水质和除磷效果，进入沉淀池的混合液中通常保证一定的DO浓度，且好氧池DO不足会抑制硝化菌的生长，其对DO的最低忍受极限为0.5～0.7mg·L-1，增加溶解氧有利于硝化作用的进行，研究好氧末端DO对A2O工艺脱氮除磷的影响，结果表明随着末端DO的增大，系统硝化速率提高，NH+4-N的去除率从60%升高到90%以上，TN的去除率从54%升高到67%，总磷的去除率也有所提高，好氧池的DO>2mg·L-1以后，硝化速率开始减缓，继续增大DO对硝化进程不仅没有大幅加快，还可能使回流污泥和回流混合液中DO浓度偏高，不利于厌氧段释磷和缺氧段反硝化，根据实践经验将好氧段DO控制在2mg·L-1为宜，最高不超过3mg·L-1。
3 城市污水处理厂节能降耗途径
3.1 改良A2O工艺
在厌氧池之前增设缺氧调节池，来自二沉池的回流污泥和10%左右的进水首先进入缺氧调节池，停留时间为20～30min，微生物利用约10%进水中有机物还原回流NO-x-N，消除其对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性，提高除磷效果，90%的进水和缺氧调节池出水混合后进入厌氧池进行释磷。
3.2 倒置A2O工艺
将缺氧池置于厌氧池前面，来自二沉池的回流污泥和全部进水或部分进水，50%～150%的混合液回流均进入缺氧段，將碳源优先用于脱氮。缺氧池内碳源充足，回流污泥和混合液在缺氧池内进行反硝化，去除硝态氧，再进入厌氧段，保证了厌氧池的厌氧状态，强化除磷效果。由于污泥回流至缺氧段，缺氧段污泥浓度较好氧段高出50%，单位池容的反硝化速率明显提高，反硝化作用能够得到有效保证。
3.3 UCT工艺
回流污泥首先进入缺氧池脱氮，缺氧段部分出流混合液再回至厌氧段。通过这样的修正，可以避免因回流污泥中的NO-x-N回流至厌氧段，干扰释磷而降低磷的去除率。采用UCT工艺以某污水处理厂初沉池出水为研究对象，对各种污染物质的去除效果进行了研究，得出的结论为：UCT工艺对COD的去除率达到85%以上，NH+4-N的去除率超过97%，TN去除率稳定在75%左右，PO3-4-P去除率为80%。
4 A2O工艺及其变式的比较分析
通常厌氧池聚磷菌优先利用污水中易生物降解的有机物除磷，而缺氧池反硝化细菌可以利用多种形态的有机物，倒置的A2O工艺将缺氧段前置，反硝化细菌优先利用易生物降解的有机物，系统脱氮能力提高，但对厌氧池聚磷菌除磷可能产生基质竞争，为保证除磷效果，可在满足反硝化碳源的前提下，采取分点进水，将部分进水中的碳源直接给厌氧池，用于聚磷菌的释磷，厌氧段释放的磷直接进入生化效率高的好氧段，吸磷效率增强，除磷效果提升。倒置A2O工艺整个系统的活性污泥都经历了厌氧和好氧的过程，排放的剩余污泥都能充分地吸磷，倒置A2O工艺适合C/P较高，C/N较低的污水，一般当BOD5/TN<4，BOD5/TP>20时，系统具有较好的脱氮除磷效果，倒置A2O工艺在我国一些大中型城镇污水处理厂的建设或升级改造中得到广泛应用。
UCT工艺中好氧池混合液和回流污泥首先进入缺氧池，脱氮效果增强，经缺氧池脱氮后的混合液随进水进入厌氧池释磷，一定程度上避免了NO-x-N进入厌氧区影响释磷效果，除磷效率增强。厌氧池中的聚磷菌利用进水中70%的易生物降解有机物进行释磷，10%左右的慢速生物降解的有机物进入缺氧池反硝化脱氮，缺氧池反硝化负荷较高。UCT工艺适用于处理BOD5/TN或BOD5/TP较低的城市污水，当污水C/N<4、C/P<20时，UCT工艺比普通A2O工艺具有更高的除磷效率，UCT工艺增加了从缺氧段出流液到厌氧段的回流，增加了能耗，且两套混合液回流交叉不利于控制缺氧段的水力停留时间。
结语
城市污水处理厂的节能降耗是一项重要工作。本文分析了城市污水处理厂能源消耗主要方面，对A2O工艺的运行原理、运行方式及特点进行了概述，对城市污水处理厂节能降耗应用A2O工艺进行了总结，在保证出水指标的情况下节能增效。
参考文献
[1] 郭会平.我国城市污水处理现状及污水处理厂提标改造路径分析[D].辽宁大学，2016.
[2] 于莉芳，杜倩倩，傅学焘，张茹，李文江，彭党聪.城市污水中硝化菌群落结构与性能分析[J].环境科学，2016，37（11）：4366-4371.（2016-07-21）.