常規生物脫氮除磷工藝呈厭氧(A1)/缺氧(A2)/好氧(O)的布置形式。該布置在理論上基于這樣一種認識，即：聚磷微生物有效釋磷水平的充分與否，對于提高系統的除磷能力具有極端重要的意義，厭氧區在前可以使聚磷微生物優先獲得碳源并得以充分釋磷[1]。但是，①由于存在內循環，常規工藝系統所排放的剩余污泥中實際上只有一少部分經歷了完整的釋磷、吸磷過程，其余則基本上未經厭氧狀態而直接由缺氧區進入好氧區，這對于除磷是不利的;②由于缺氧區位于系統中部，反硝化在碳源分配上居于不利地位，因而影響了系統的脫氮效果;③由于厭氧區居前，回流污泥中的硝酸鹽對厭氧區產生不利影響，為了避免該影響而開發的一些新工藝(如UCT等)趨于復雜化;④實際運轉經驗表明，按照缺氧—好氧兩段設計的脫氮工藝系統也常常表現出良好的除磷能力[2、3]。因此，常規生物脫氮除磷工藝(A1/A2/O)布置的合理性值得進一步探討。

　　1 材料與方法

　　活性污泥取自污水 生物脫氮除磷小型試驗系統，污水取自實際城市污水。污水和污泥的性質見表1。

　　2 試驗結果與討論

　　2 1短時厭氧環境及其對聚磷菌的影響

　　短時厭氧環境在生物脫氮除磷系統中具有關鍵性作用，本試驗目的是考察短時厭氧環境的生化特性及其對聚磷菌釋、吸磷行為的影響。

　　①試驗采用2只完全相同的有機玻璃柱，有效體積均為30 L(見圖1)。柱1裝有隨中心軸一起轉動的彈性立體填料，柱2不裝填料，由攪拌槳攪拌。電機轉速為15～20 r/min，柱上方均設有蓋板。

　　柱1作掛膜運行，HRT=20～30 h，溫度為24～29℃。為了單獨考察城市污水在短時厭氧環境污水中VFA的變化，試驗未引入小試系統活性污泥。柱內微生物完全為厭氧環境下由污水自然接種生長起來的厭氧或兼性細菌，顯然其厭氧程度較一般脫氮除磷系統的厭氧區更為充分。柱2作為對比，未作任何處理。正式試驗時，將兩柱瞬時放空，注入新鮮污水，然后啟動電機，每隔2h取樣，分析污水中VFA隨時間的變化規律，結果見圖2。

?　　圖2表明，在本試驗條件下，短時厭氧環境并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區放置填料則會加劇該區VFA的消耗。

　　根據厭氧消化理論，污水中的大分子有機物轉化為VFA需要經歷水解和產酸(產氫)兩個過程。盡管早期的研究曾認為在此過程中兼性細菌屬于優勢種群，但關于生活污水污泥消化的研究指出，事實正好相反，專性厭氧細菌較兼性細菌多100倍以上。從總體上說，最重要的水解反應和發酵反應都是通過專性厭氧細菌進行的，同時由于專性厭氧細菌的生化效率很低，上述過程需要較長的水力停留時間。Andrews和Pearson(1965)曾利用溶解性有機和無機合成污水對厭氧發酵過程的VFA產生動力學規律進行了研究，結果表明，當 HRT =2.5 d時反應器的VFA濃度最高。

　　本試驗所采用的 HRT =2～3 h(這與生物除磷工藝厭氧區的HRT相近)，污水 COD 僅500mg/L左右。在這樣的條件下，柱內實際上很難造就類似污泥消化那樣的厭氧環境并培養出大量的專性厭氧菌，生物膜上的微生物主體仍為消耗VFA的兼性細菌，故而柱1的VFA數量不僅沒有增加，反而消耗很快。柱2完全為污水，其微生物數量較少，所以其VFA在很長一段時間內基本上保持恒定。只是在一定時間以后，隨著微生物的增殖，VFA才出現明顯下降。本試驗說明，就一般城市污水而言，短時厭氧區不會增加污水中VFA的量。

　　② 將柱1、柱2放空，從小試系統好氧區末端取3 L混合液，與3 L污水混合后一分為二地分別裝入柱1、柱2，然后啟動電機;兩柱厭氧運行2～3 h后取出填料和攪拌槳，并同時轉入曝氣狀態每隔30 h取樣分析比較兩柱釋磷、吸磷特點，結果見圖3。?

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　　圖3(a～d)是在不同時間利用實際污水進行的四組重復性試驗。由于實際污水水質的變化，圖3污水中的VFA濃度是依次下降的。圖3(a、c)的厭氧歷時為3 h，圖3(b、d)的厭氧歷時為2 h。

　　該四組圖表明：①在厭氧條件下進水VFA越高，柱1、柱2的釋磷量越大，這與以往的認識是一致的。②柱1存在兼性生物膜，致使其厭氧環境較柱2更為充分。當VFA較多時，低ORP水平促使柱1聚磷菌以更快的速率吸收VFA合成PHB，同時釋放出磷酸鹽。由圖可見，柱1初期釋磷速率均明顯大于柱2。圖3(d)進水VFA最低，柱1釋磷曲線一直在柱2的上方，直至厭氧段結束，柱2釋磷曲線才與柱1交合。但是柱1兼性生物膜同時消耗VFA，當反應器中VFA不足時，兼性生物膜與聚磷菌對VFA的競爭就表面化了，并使柱1釋磷速率迅速衰減。柱2基本上不存在這種競爭關系，故聚磷菌能長時間保持較高的釋磷速率并最終在釋磷總量上超過柱1。除圖3(d)外，投加填料的柱1釋磷總量均比柱2小，而且進水VFA越高其差別越明顯，見圖3(a、b)。 ③在后續好氧條件下，柱1聚磷菌過度吸磷能力明顯高于柱2，當厭氧歷時由3 h降為2 h時上述差別明顯增大，見圖3(b、d)。該現象是值得特別關注的，它表明聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其好氧過度吸磷能力的充分必要條件。這與目前流行的關于聚磷菌厭氧有效釋磷越高，其過度吸磷能力越強的認識基本上是矛盾的。從上述現象分析推動聚磷菌好氧過度吸磷的更本質動力，可以得出的判斷是，在一定范圍內，聚磷菌在厭氧環境中的歷時越長，環境的ORP越低，促進好氧吸磷的動力越大。而就系統的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現象。好氧吸磷的能量既可以來自胞內貯存的碳源(如PHB)，也可以從其他方面獲得。這種差別當厭氧歷時由3 h減為2h時變得尤其明顯，表明厭氧環境對于微生物過度吸磷的極端重要性。

　　2.2厭氧、缺氧環境倒置對聚磷菌的影響

　　采用2只幾何尺寸完全相同的有機玻璃柱進行對比試驗，柱的有效體積均為30 L，底部設有

　　取樣口。其厭氧、缺氧狀態采用如圖1(柱2)所示的可拆卸攪拌槳攪拌，電機轉速為15～20 r/mi

　　n。好氧狀態由微孔曝氣頭曝氣，開始試驗時，從小試系統好氧區末端取3 L混合液，與3 L污水混合后，一分為二地分別裝入兩柱。柱1初始時刻另加入適量KNO3溶液，然后啟動電機分別進入缺氧、厭氧攪拌狀態。攪拌2 h后，再向柱2加入KNO3溶液。4 h后兩柱同時結束攪拌，取出攪拌槳，并轉入曝氣狀態。因此，柱1實際是按照A2/A1/O方式運行，柱2按照常規的A1/A2/O方式運行。每隔30 min取樣，分析比較兩柱的PO43--P和NO3--N變化規律，結果見圖4。由圖4可以看到，柱1從零時刻加入硝酸鹽起，在前2 h內實際上處于缺氧狀態，反硝化、釋磷同時進行。但和柱2相比，柱1前的釋磷速率很低;至30 min時，釋磷幾乎完全停止;60 min后，隨著硝酸鹽基本耗盡，釋磷速率迅速增大;至240 min，柱內濃度達到65 mg/L。圖中A點硝酸鹽上升是由于誤操作引起的，有趣的是，柱1的釋磷曲線也出現了點A′相應的變化。

　　柱2在120min時加入硝酸鹽，因此其前2 h內為厭氧，后2 h基本為缺氧。柱2前2 h的釋磷速率很快，至120 min時PO43--P高達7.3 mg/L。120 min后由于硝酸鹽的加入，聚磷菌開始吸磷，但由于缺氧狀態下微生物ATP產率較低，故該階段的吸磷速率并不高。至180 min硝酸鹽消耗殆盡，吸磷也基本上停止。進入曝氣狀態后，柱2雖重新開始吸磷，但因前面缺氧段的存在，致使其吸磷速率大大低于柱1。曝氣開始時，柱1的PO43--P濃度高達6.5 mg/L，柱2僅為5.3 mg/L。但至480 min，柱1的PO43--P濃度為0.1 mg/L，而柱2的PO43--P卻為1.05 mg/L，兩者相差10倍。從脫氮角度看，兩者均把柱內硝酸鹽全部反硝化，但柱1的比反硝化速率為4.12 mgN/(h·gVSS)，柱2為280 mgN/(h·gVSS)，柱1明顯快于柱2。

　　從上面的討論可以看出，將常規生物脫氮除磷工藝系統的厭氧、缺氧環境倒置，可明顯改善系統的氮磷脫除效果。在倒置的A2/A1/O方式下，碳源問題仍然存在，并造成聚磷菌的釋磷水平明顯低于常規的A1/A2/O方式。但在該方式中，由于硝酸鹽在前面的缺氧區已經消耗殆盡，因此其厭氧環境更加充分，微生物厭氧釋磷后直接進入生化效率較高的好氧環境，其在厭氧條件下形成的吸磷動力得到了更有效的利用。

　　對常規脫氮除磷工藝來說，污泥回流比常在0.5～1.0左右，內循環比則在2.0～3.0之間。在所有參與內外循環的污泥中，通常只有占總數不到一半的回流污泥經歷了完整的釋磷、吸磷過程，而大部分污泥實際上沒有經過厭氧階段而直接進入缺氧和好氧環境。相應地，其所排放的剩余污泥中富磷污泥的含量實際上也只占一少部分，因而影響了系統的除磷效果。與此不同，A2/A1/O方式允許參與回流的所有污泥全部經歷完整的釋磷、吸磷過程，故其排放的剩余污泥含磷更高，系統的除磷效果也更好，具有一種“群體效應”優勢。

　　在A2/A1/O方式中，缺氧段優先得到碳源，故其脫氮能力明顯增強。在本試驗條件下，其比反硝化速率和A1/A2/O方式相比提高50%。

　　從工程角度講，A2/A1/O方式不僅具有較好的氮磷脫除能力，而且可能較傳統脫氮除磷工藝更加簡捷。工程上采取一定措施，使其污泥回流和內循環合并為一個回流系統是完全可能的，這對于開發簡捷、高效的生物脫氮除磷工藝來說是十分有利的。

　　2 3 倒置A2/O工藝的特點

　　采用兩個平行系統進行對比試驗，系統1以倒置A2/O方式運行，系統2以常規A2/O方式運行。兩系統的有效容積均為77.2 L，各區比例為A2(A1):A1(A2):O=1:1:2，二沉池水力停留時間為21h，非曝氣區采用攪拌槳攪拌。

　　試驗初期,從污水廠生產性曝氣池取活性污泥引入小試系統,經過一個月的試運行，MLVSS達2～3 g/L，出水COD降至50 mg/L以下，遂開始正式試驗。試驗采用的工藝參數和運行結果見表2。由于倒置A2/O工藝取消了內循環，因此其回流系統只有一個，總回流比也比常規A2/O工藝減少了20%。試驗中的小流量控制比較困難，因此系統1的實際進水量稍大于系統2，這導致其實際水力停留時間略短于表2中的8 h，MLVSS也相應地較系統2偏高。作為對比性試驗，這種差異對于系統1略為不利。

　　由表2可以看出，兩個系統的COD去除能力相當，并均高達90%以上，出水最高COD均在50 mg/L以下，表中系統1的出水COD略高于系統2是其實際進水量偏大所致。可以說，倒置A2/O工藝在COD去除能力方面與常規A2/O工藝相當，是令人滿意的。

　　但值得注意的是，兩系統的氮磷脫除功能有明顯差異。系統1(倒置A2/O工藝)的出水TN是8.9mg/L，去除率為84.7%;系統2(常規A2/O工藝)的出水TN是14.9 mg/L，去除率為74.4%。系統1的TN去除率比系統2整整高出10%。同樣還觀察到，系統1的出水TP僅為0.67 mg/L，其TP去除率比系統2高出近9%。兩系統出水水質的這種顯著差異說明倒置A2/O工藝的氮磷脫除功能的確優于常規A2/O工藝。

　　3 結論

　　① 就一般城市污水而言，短時厭氧區( HRT =2～3 h)并不能增加污水中VFA的量，在厭氧區設置填料將明顯加劇該區VFA的消耗。

　　②聚磷菌厭氧有效釋磷水平的充分與否，并不是決定其在后續曝氣條件下過度吸磷能力的充分必要條件。而就系統的除磷效果而言，釋磷可能屬于一種不具備充分必要性的表面現象。好氧吸磷的能量既可以來自胞內貯存的碳源(如PHB)，也可能從氧化胞外的其他基質獲得。

　　③推進聚磷菌過度吸磷的本質動力與厭氧區HRT和厭氧環境的厭氧程度有關。在一定范圍內，厭氧環境的HRT越長，厭氧程度越充分，聚磷菌的吸磷動力越強。

　　④把常規脫氮除磷系統的厭氧、缺氧環境倒置過來，可得到更好的脫氮除磷效果。其特點在于：a缺氧區位于厭氧區之前，硝酸鹽在這里消耗殆盡，厭氧區ORP較低，有利于微生物形成更強的吸磷動力;b微生物厭氧釋磷后直接進入生化效率較高的好氧環境，其在厭氧條件下形成吸磷動力可以得到更充分利用;c缺氧段位于工藝的首端，允許反硝化優先獲得碳源，進一步加強了系統的脫氮能力。

　　⑤倒置A2/O工藝與常規A2/O工藝的小型系統平行對比試驗表明，倒置A2/O工藝的氮磷脫除功能明顯優于常規A2/O工藝，其COD去除能力與常規A2/O工藝相當。具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。

　　⑥由于取消了內循環，倒置A2/O工藝在流程上更為簡捷。同時，參與回流的全部污泥均經歷了完整的厭氧—好氧過程，在除磷方面具有一種“群體效應”，是十分有利的。