導 讀
在日益嚴格排放標準以及嚴峻環保監管形勢下，污水處理廠升級改造成為必然，而脫氮除磷則是升級改造的核心技術內容。
早在20世紀末的歐洲（特別是荷蘭），脫氮除磷理論與實踐已經十 分成熟。以“反硝化除磷（DPB）”為基礎的同步脫氮除磷工藝（BCFS）大規模工程應用和“厭氧氨氧化（ANAMMOX）”現象的發現與證實，預示著可持續污水處理技術時代的到來。
我國對脫氮除磷技術應用幾乎與歐洲同步，到目前形成了以A2/O及其變型為主的脫氮除磷工藝。然而，在實際應用中發現A2/O脫氮效果較好，但生物除磷普遍較差（出水TP>1.0 mg/L），不得不靠后端化學除磷方式滿足嚴格的排放標準（TP＜0.5 mg/L）。
誤區四：MBR為低氮、磷出水之選
A2/O+膜過濾（MBR）目前似乎已成我國污水處理升級改造的“標配”。業內部分人士認為要使得出水達標并且緩解黑臭水體必須得靠MBR。實際上，MBR對生物凈化功能（特別是脫氮除磷）的強化作用幾乎沒有，只是可以聚積較高的生物量而已。相反，曝氣池生物量高就意味著排泥量低，而生物除磷是通過將產生的富磷污泥以剩余污泥的形式進行排放得以實現，這對生物除磷作用十 分不利。況且，膜只能截留下不溶解的SS，若前端吸磷效果不佳，溶解性PO43-將無法對其進行截留。
對A2/O和UCT兩種工藝的模擬結果顯示，UCT在除磷效果方面遠勝于A2/O，只要保持出水SS＜5 mg/L，出水TP甚至可以達到北京地方標準（≤0.3 mg P/L）。而將傳統二沉池出水SS=10 mg/L降至SS≤5 mg/L，采用傳統砂濾即可。
此外，有關MBR在能耗、占地、費用、清洗等方面的綜合評價表明MBR并不是一種稱得上具有可持續性的工藝。有鑒于此，荷蘭僅有的幾座MBR工藝在經歷了幾年高能耗以及清洗（膜污染）導致的高昂運行費后已被拆除，繼而回歸傳統活性污泥+砂濾方式工藝。這對比中國更加缺地的荷蘭來說實屬明智之舉。
誤區五：MBBR適合升級改造
輕質懸浮型填料的出現使得生物膜技術獲得了空 前發展，人們寄希望于向曝氣池中定向投加懸浮填料，以期在懸浮增長的生物量（活性污泥）基礎上再獲得1倍以上的增值生物量（生物膜），這也就促進了MBBR（Moving Bed Biofilm Reactor）工藝的出現和應用。理論上講，單位體積內生物量增加，要么可以減少反應器的體積，要么可以增加反應器對污染負荷的處理能力。所以，MBBR應運而生。
對污水處理各種細菌所需要生長環境來說，填料投入A2/O好氧、缺氧池倍增生物量后可強化碳氧化、硝化、反硝化作用。但將填料投入厭氧池，只可能有助于顆粒有機物的水解、酸化作用，并不會促進磷細菌的倍增，因為磷細菌是一種“動態”細菌，需要在厭氧-缺氧/好氧動態循環的環境下才能生長。投入厭氧池的填料顯然難以實現這種環境上的需要，所以，磷細菌不會像常規異養菌（OHO）、硝化菌那樣增量繁殖。只有采用向SBR反應器中投加填料的方式才有可能同時獲得PAOs/DPB、OHO和AOB/NOB倍增的機會。因此，填料在A2/O等連續流工藝生物除磷方面強化作用僅局限于水解、酸化，不會對除磷效果產生明顯的提升作用。
總之，MBBR添加表觀比表面積填料會有助于生物膜生長、老化脫落、避免有機物沉積，產生的生物增加量也有助于生物凈化作用。然而，對市政污水而言，傳統活性污泥法只要保持3 000~4 000 mg/L的MLSS，對COD、N、P去除完全可以奏效，無需額外加填料而增加太多的生物量，除非進水中各種污染物濃度超高。然而，所添加的填料無助于生物除磷（像A2/O這樣的連續流工藝），反而會導致懸浮污泥的破碎、細化，造成二沉困難，最 后只得求助于后端膜分離（MBR）來解決出水SS分離問題。這會使工藝流程延長而耗能，使得運行管理復雜化。
結語
日益嚴格的污水處理排放標準和環境監管、執法力度不僅使得既有污水廠普遍面臨升級改造的困境，也對新建污水處理廠工藝設計提出了選擇問題。業內在追求新技術、新工藝過程中，形成了傳統工藝難以滿足嚴格排放標準的“共識”。對市政污水來說，脫氮除磷是重中之重，至于出水COD需要達到超低排放標準（＜30 mg/L）也只是標準制定不科學的問題（荷蘭出水COD允許120 mg/L，但BOD5卻要求在1 mg/L；惰性COD進入水體不會耗氧，也不會對健康構成什么危害）。在脫氮除磷方面，普遍低碳源是我國污水的特征，但這不等于說傳統工藝就不能應對低碳源下的脫氮除磷問題。
反硝化除磷為低碳源污水脫氮除磷帶來了福音，在DPB作用下，將原本認為彼此分離的脫氮（反硝化）和吸磷（好氧）在缺氧環境下(以NO3-作為電子受體)合二為一。此外，還可通過厭氧上清液測流磷沉淀/回收的方式，充分發揮其化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點。只需投加少量的化學藥劑便可解決低碳源和磷回收的問題，達到事半功倍的效果。
回歸傳統工藝，比如說，A2/O特別是UCT，反硝化除磷及側流磷回收等都可以輕易實現，完全可棄用前端投加碳源（脫氮），后端投加化學藥劑（除磷）的常規脫氮除磷方式，也不需要無限延長流程（多級AO、后端深V濾池等），更不需要MBR或MBBR這些無助于生物除磷的所謂新工藝助力。
在日益嚴格排放標準以及嚴峻環保監管形勢下，污水處理廠升級改造成為必然，而脫氮除磷則是升級改造的核心技術內容。
早在20世紀末的歐洲（特別是荷蘭），脫氮除磷理論與實踐已經十 分成熟。以“反硝化除磷（DPB）”為基礎的同步脫氮除磷工藝（BCFS）大規模工程應用和“厭氧氨氧化（ANAMMOX）”現象的發現與證實，預示著可持續污水處理技術時代的到來。
我國對脫氮除磷技術應用幾乎與歐洲同步，到目前形成了以A2/O及其變型為主的脫氮除磷工藝。然而，在實際應用中發現A2/O脫氮效果較好，但生物除磷普遍較差（出水TP>1.0 mg/L），不得不靠后端化學除磷方式滿足嚴格的排放標準（TP＜0.5 mg/L）。
對此，國內工程界及學術界形成了各種各樣的認識與論點，其中不乏存在認識誤區。本文針對“脫氮與除磷存在污泥齡矛盾”、“生物脫氮簡單、化學除磷容易”、“多級AO好于A2/O”、“MBR可產生優質出水”和“MBBR適合升級改造”等5個認識誤區，逐一通過理論分析、實驗數據、數學模擬予以詳細解釋并澄清。
誤區一：脫氮與除磷存在污泥齡矛盾
傳統觀點認為，硝化細菌(AOB/NOB)所需最 小固體停留時間（SRT）比聚磷細菌(PAOs/DPB)長。若SRT滿足硝化菌生長條件，磷細菌則不能較多地排出系統，導致系統除磷效果變差。脫氮與除磷存在污泥齡矛盾正是基于此認識產生。
在進行BCFS反硝化除磷系統不同溫度下兩種細菌最 小SRT模擬實驗時發現（如圖1所示），磷細菌所需最 小SRT比硝化菌短，但差別不大（僅1 d之差），在工程上可視為無差別（即，不存在污泥齡矛盾）。在同步脫氮除磷系統中，SRT不能取得太短，否則磷細菌也無法正常生長繁殖，低SRT下排泥除磷也就沒有意義。由圖1可知，在低溫（T＜10℃）條件下，磷細菌生長受溫度影響較大，此時甚至出現了磷細菌最 小SRT比硝化菌長的現象。
圖1 反硝化除磷系統中硝化菌和磷細菌最 小SRT比較
由此可見，脫氮與除磷存在污泥齡矛盾只是主觀臆測，是僅僅比較了兩種細菌各自的世代時間而得出的認識誤區。
誤區二：生物除磷+化學除磷乃低碳源污水之策
由圖2可知，化學除磷具有宏量效果好、微量效果差的特點。根據化學反應動力學，初始PO43- 濃度越高，化學反應所需的金屬離子與P物質的量之比就越低，反之，則越高。
圖2 化學除磷過程
注：
1. 圖中箭頭處數據為Fe/P或Al/P物質的量之比；
2. Fe鹽為FeCl3·6H2O，Al鹽為Al2(SO4)3·18H2O；
3. 宏量階段的初始磷濃度為20 mg/L，微量階段的初始磷濃度為2.85 mg/L。
如圖2中所示，采用階段性投加化學藥劑的方式雖能節省藥劑投加量，但所需的反應時間較長。若在反應一開始便投加大量藥劑，可縮短反應時間。但若采用化學除磷方式使污水中的PO43--P（2~5 mg/L）降到Ⅳ類水體標準（TP≤0.3 mg/L，其中溶解性PO43--P的最 低濃度為0.1 mg/L，另外0.2 mg/L考慮在初始SS中），過量投加藥劑所增加的運行成本以及藥劑在生產運輸過程中所產生的間接碳排放都與污水處理節能降耗目標背道而馳。
反觀生物除磷，其具有微量效果佳的顯著特點。在完全滿足磷細菌生長條件（厭氧-缺/好氧動態循環生長環境）和所需環境條件（保證存在還原轉化所需乙酸碳源）的前提下，磷細菌在缺氧（DPB）和好氧（PAOs/DPB）環境中幾乎可以將水環境中溶解性PO43--P全部吸收到細胞內形成poly-P（多聚磷酸鹽），經泥水分離后的上清液中溶解性PO43--P可降至“0”。
從生物脫氮除磷工藝角度來看，A2/O或UCT完全是按磷細菌所需動態生長環境所設計，有利于聚集大量磷細菌。但在工程實踐中，由于我國部分地區的污水C/P、C/N較低，可能會限制磷細菌的正常生長。然而，從A2/O或UCT中所發現的反硝化除磷現象，通過DPB細菌將生物脫氮與除磷“合二為一”，在無形之中增加了一倍脫氮除磷所需碳源。因此，對于低碳源脫氮除磷工藝首先需要考慮的是如何創造DPB的最 大富集條件。在這方面，已通過模擬實驗證實UCT明顯優于A2/O。
因此，將脫氮和除磷分別以生物和化學的方式分開處理并非是低碳源污水脫氮除磷的上策，最 終是以較大化學藥劑投加量和增加間接碳排放作為代價的。
誤區三：多級A/O比A2/O脫氮除磷效果好
多級A/O工藝以Bardenpho工藝為代表，之后又衍生出了多點進水的多級A/O工藝，如圖3所示。
圖3 典型多級A/O工藝流程
Bardenpho工藝出現于20世紀70年代，反硝化除磷在當時還未被發現。該工藝在設計原理上將脫氮和除磷分隔設置。通過前置反硝化方式將污水中大部分氨氮在第一個好氧池（O1）硝化回流至第一個缺氧池（A1）而脫氮。第二級A/O原理上是除磷，即通過第二個厭氧池（A2）釋磷、第二個好氧池（O2）吸磷。然而，這種工藝將進水碳源（特別是VFAs）在第一級A/O中已大部分消耗（A1反硝化、O1碳氧化），留給第二級A/O的碳源已所剩無幾（特別是磷細菌所必須的VFAs），在這種情況下磷細菌難以生長繁殖，再談生物除磷也就毫無意義。顯然，Bardenpho工藝要想具備同步脫氮除磷功能需要進水中的碳源異常充足，在滿足反硝化（A1）和直接碳氧化（O1）的需要后仍有碳源（VFAs）剩余，這樣才能保證A2中磷細菌對乙酸的攝取，進而使O2產生吸磷作用。
多點進水多級A/O在工藝設計上碳源分段進入三個厭氧（實為缺氧）池，但在“厭”氧池內發生的主要還是常規反硝化作用。首先，污泥回流中的NO3-首先在A1中反硝化而與磷細菌爭奪碳源，接下來O1池硝化產生的NO3--N會進入A2，以此類推。實際上，這個工藝與Bardenpho類似，主要以硝化和反硝化為主，磷細菌也很難獲得優勢生長。
基于之前模擬A2/O時的相同水質、水量以及反應池體積，分別對圖3所示的兩種工藝進行模擬，結果如圖4所示。TN以Bardenpho的去除效果最 佳（較其他兩個工藝低1~2 mg N/L）。而在除磷效果上就顯示出較大差異，Bardenpho幾乎沒有除磷作用，多點進水工藝稍微存在一些除磷效果，但與A2/O相差甚遠。如果將與A2/O變型為UCT，除磷效果則會更好。
圖4 A2/O，Bardenpho與多級A/O工藝出水模擬比較
誤區四：MBR為低氮、磷出水之選
A2/O+膜過濾（MBR）目前似乎已成我國污水處理升級改造的“標配”。業內部分人士認為要使得出水達標并且緩解黑臭水體必須得靠MBR。實際上，MBR對生物凈化功能（特別是脫氮除磷）的強化作用幾乎沒有，只是可以聚積較高的生物量而已。相反，曝氣池生物量高就意味著排泥量低，而生物除磷是通過將產生的富磷污泥以剩余污泥的形式進行排放得以實現，這對生物除磷作用十 分不利。況且，膜只能截留下不溶解的SS，若前端吸磷效果不佳，溶解性PO43-將無法對其進行截留。
對A2/O和UCT兩種工藝的模擬結果顯示，UCT在除磷效果方面遠勝于A2/O，只要保持出水SS＜5 mg/L，出水TP甚至可以達到北京地方標準（≤0.3 mg P/L）。而將傳統二沉池出水SS=10 mg/L降至SS≤5 mg/L，采用傳統砂濾即可。
此外，有關MBR在能耗、占地、費用、清洗等方面的綜合評價表明MBR并不是一種稱得上具有可持續性的工藝。有鑒于此，荷蘭僅有的幾座MBR工藝在經歷了幾年高能耗以及清洗（膜污染）導致的高昂運行費后已被拆除，繼而回歸傳統活性污泥+砂濾方式工藝。這對比中國更加缺地的荷蘭來說實屬明智之舉。
誤區五：MBBR適合升級改造
輕質懸浮型填料的出現使得生物膜技術獲得了空 前發展，人們寄希望于向曝氣池中定向投加懸浮填料，以期在懸浮增長的生物量（活性污泥）基礎上再獲得1倍以上的增值生物量（生物膜），這也就促進了MBBR（Moving Bed Biofilm Reactor）工藝的出現和應用。理論上講，單位體積內生物量增加，要么可以減少反應器的體積，要么可以增加反應器對污染負荷的處理能力。所以，MBBR應運而生。
對污水處理各種細菌所需要生長環境來說，填料投入A2/O好氧、缺氧池倍增生物量后可強化碳氧化、硝化、反硝化作用。但將填料投入厭氧池，只可能有助于顆粒有機物的水解、酸化作用，并不會促進磷細菌的倍增，因為磷細菌是一種“動態”細菌，需要在厭氧-缺氧/好氧動態循環的環境下才能生長。投入厭氧池的填料顯然難以實現這種環境上的需要，所以，磷細菌不會像常規異養菌（OHO）、硝化菌那樣增量繁殖。只有采用向SBR反應器中投加填料的方式才有可能同時獲得PAOs/DPB、OHO和AOB/NOB倍增的機會。因此，填料在A2/O等連續流工藝生物除磷方面強化作用僅局限于水解、酸化，不會對除磷效果產生明顯的提升作用。
總之，MBBR添加表觀比表面積填料會有助于生物膜生長、老化脫落、避免有機物沉積，產生的生物增加量也有助于生物凈化作用。然而，對市政污水而言，傳統活性污泥法只要保持3 000~4 000 mg/L的MLSS，對COD、N、P去除完全可以奏效，無需額外加填料而增加太多的生物量，除非進水中各種污染物濃度超高。然而，所添加的填料無助于生物除磷（像A2/O這樣的連續流工藝），反而會導致懸浮污泥的破碎、細化，造成二沉困難，最 后只得求助于后端膜分離（MBR）來解決出水SS分離問題。這會使工藝流程延長而耗能，使得運行管理復雜化。
結語
日益嚴格的污水處理排放標準和環境監管、執法力度不僅使得既有污水廠普遍面臨升級改造的困境，也對新建污水處理廠工藝設計提出了選擇問題。業內在追求新技術、新工藝過程中，形成了傳統工藝難以滿足嚴格排放標準的“共識”。對市政污水來說，脫氮除磷是重中之重，至于出水COD需要達到超低排放標準（＜30 mg/L）也只是標準制定不科學的問題（荷蘭出水COD允許120 mg/L，但BOD5卻要求在1 mg/L；惰性COD進入水體不會耗氧，也不會對健康構成什么危害）。在脫氮除磷方面，普遍低碳源是我國污水的特征，但這不等于說傳統工藝就不能應對低碳源下的脫氮除磷問題。
反硝化除磷為低碳源污水脫氮除磷帶來了福音，在DPB作用下，將原本認為彼此分離的脫氮（反硝化）和吸磷（好氧）在缺氧環境下(以NO3-作為電子受體)合二為一。此外，還可通過厭氧上清液測流磷沉淀/回收的方式，充分發揮其化學除磷宏量效果好、生物除磷微量效果佳的特點。只需投加少量的化學藥劑便可解決低碳源和磷回收的問題，達到事半功倍的效果。
回歸傳統工藝，比如說，A2/O特別是UCT，反硝化除磷及側流磷回收等都可以輕易實現，完全可棄用前端投加碳源（脫氮），后端投加化學藥劑（除磷）的常規脫氮除磷方式，也不需要無限延長流程（多級AO、后端深V濾池等），更不需要MBR或MBBR這些無助于生物除磷的所謂新工藝助力。
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