工业水处理, 2022, 42(10): 46-52 doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2021-0874

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改良A2/O工艺对低C/N废水脱氮除磷的应用综述

胡宝明,, 李亮, 祁佺, 刘峥, 刘煦晴,

武汉工程大学，湖北 武汉 430200

A review of modified A2/O process application for nitrogen and phosphorus removal from low C/N wastewater

HU Baoming,, LI Liang, QI Quan, LIU Zheng, LIU Xuqing,

Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430200，China

收稿日期: 2022-06-29  

基金资助: 武汉工程大学研究生教育创新基金项目.  CX2021355

Received: 2022-06-29  

作者简介 About authors

胡宝明（1996—），硕士电话：13135690861，E-mail：1796726493@qq.com , E-mail：1796726493@qq.com

刘煦晴，副教授E-mail：albertiliu@163.com , E-mail：albertiliu@163.com

摘要

目前我国城市污水碳氮比（C/N）普遍较低，传统A2/O工艺运用于低C/N废水处理时存在诸多问题。改良A2/O工艺能针对性地解决传统A2/O工艺在运行过程中的缺陷，改善脱氮除磷效果。基于生物脱氮除磷理论，总结了传统A2/O工艺运行中存在的问题，概述了几种改良工艺（倒置A2/O、UCT、MUCT、JHB、Bardenpho）的特点及优势，并分析了分段进水、补充碳源、增设填料的运行优化方式和原理。相比于传统A2/O工艺，改良A2/O工艺的优势主要体现在：优化了混合液回流和污泥回流位置，减少了硝酸盐限制及污泥龄矛盾问题；优化了构筑物布局，缓解了碳源竞争；通过调整进水配比，提高了系统碳源利用率，降低了外加碳源成本；通过增设填料，降低了排泥对硝化速率的影响，并提高了系统抗冲击能力。最后，提出未来改良型A2/O工艺的研究方向：组合不同工艺以实现优势互补；研究新型液体和固体碳源，兼顾经济成本和环境效益；强化微生物培养，进一步提升系统脱氮除磷能力。

关键词： A2/O工艺改良 ; 低C/N废水 ; 脱氮除磷 ; 悬浮填料 ; 碳源

Abstract

At present，the carbon to nitrogen ratio（C/N） of urban wastewater in China is generally low，and there exists many problems in traditional A2/O process applied in treatment of low C/N wastewater. The improved A2/O process can dissolve the defects of the traditional A2/O process in the operation process，and improve its nitrogen and phosphorus removal effect. Based on the theory of biological nitrogen and phosphorus removal，the problems in the operation of the traditional A2/O process were summarized，and the characteristics and advantages of several improved processes（inverted A2/O，UCT，MUCT，JHB，Bardenpho） were outlined. Furthermore，the operation optimization methods and principles of segmental feed，supplementary carbon source and additional filler were analyzed. Compared with the traditional A2/O process，the advantages of the modified A2/O process were mainly reflected in the following：optimizing the position of the mixed liquor return and sludge return，reducing the problem of nitrate limitation and sludge age contradiction，optimizing layout of the structure， and alleviating the competition for carbon source，adjusting feed water ratio to improve the utilization rate of the system carbon source and reduce the cost of additional carbon source，using additional filler to reduce the influence of mud discharge on the nitrification rate and improve the impact resistance of the system. Finally，future research directions for the improved A2/O process were proposed：combining different processes to achieve complementary advantages，researching new liquid and solid carbon sources to balance economic costs and environmental benefits，and enhancing microbial culture to further strengthen the system nitrogen and phosphorus removal capacity.

Keywords： A2/O process improvement ; low C/N wastewater ; nitrogen and phosphorus removal ; suspension filler ; carbon source

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本文引用格式

胡宝明, 李亮, 祁佺, 刘峥, 刘煦晴. 改良A2/O工艺对低C/N废水脱氮除磷的应用综述. 工业水处理[J], 2022, 42(10): 46-52 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0874

HU Baoming. A review of modified A2/O process application for nitrogen and phosphorus removal from low C/N wastewater. Industrial Water Treatment[J], 2022, 42(10): 46-52 doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0874

近年来，低碳氮比（C/N<5）废水的处置在水处理领域依旧是热点话题。低C/N污水中有机物含量不足使得反硝化菌不能将NO3--N完全去除，脱氮效果受到限制〔1-2〕。传统A2/O工艺因流程简单、管理与运行费用低，被广泛应用于含氮、磷污水的处理。国务院在2015年发布的《水污染防治行动计划》中提出，对建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市，新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准〔3〕。传统A2/O工艺因碳源不足、污泥龄矛盾、回流硝酸盐影响磷的释放等诸多自身局限性〔4〕，脱氮除磷效率难以进一步提升，无法满足新标准下氮、磷的排放要求。为强化污水处理脱氮除磷效果，需对现有工艺进行改良。

基于已发表的相关文献，笔者重点综述了A2/O工艺脱氮除磷的制约因素，研究了各改良方法在含氮、磷的低C/N废水处理中应用的有效性、局限性及未来前景，以期为A2/O工艺后续发展提供指导。

1 传统A2/O工艺

1.1 传统A2/O工艺流程

传统A2/O工艺由厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区4部分组成，工艺流程简单，水力停留时间短。A2/O工艺通过硝化液回流及污泥回流使微生物在3种交替环境中生长代谢，达到同步脱氮除磷的目的〔5〕，具体流程见图1。

图1

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图1   A2/O工艺流程

Fig. 1   A2/O process flow


1.2 传统A2/O工艺存在的问题

A2/O工艺主要利用不同功能的微生物降解污染物，硝酸盐、污泥龄、碳源类型和内回流等因素在不同程度上影响微生物的生长活性，从而影响系统的处理效果〔6〕。

1.2.1 硝酸盐限制

传统生物除磷理论认为，回流污泥中含有一定的硝酸盐，过多的硝酸盐进入厌氧池后将抑制聚磷菌（PAOs）释放磷〔7〕，导致PAOs在和反硝化菌竞争有机物的过程中优势降低；PAOs不能得到足够的营养物质以满足自身的生长代谢，最终难以达到除磷的效果〔8-9〕。

1.2.2 污泥龄矛盾

传统A2/O工艺属于单泥系统，聚磷菌、自养硝化菌和反硝化菌等各类微生物在同一环境中生长，各类微生物达到最大功能所需的污泥龄不同。自养硝化菌一般需要经过较长污泥龄才能发展成为优势菌群，系统在冬季达到良好硝化作用时污泥龄一般要严格地控制在30 d以上，在夏季也不能小于5 d。而聚磷菌的世代周期很短，且废水总磷去除主要是通过排放大量富磷污泥来完成的。因此，系统不能充分兼顾各种微生物的最佳泥龄，处理效果无法达到最佳〔10〕。

1.2.3 碳源竞争

PAOs厌氧释磷反应、异养菌生长代谢以及反硝化脱氮过程均需要有机物作为碳源。PAOs在厌氧条件下需要吸收大量可自身利用的小分子有机物才能最大程度地释放磷；在反硝化过程中，反硝化菌在缺氧条件下需利用易降解的有机物作为碳源，将硝态氮转化为氮气。在A2/O工艺中，PAOs释磷会优先消耗大部分有机物，当进水碳源含量较低时，提供给反硝化菌的可利用有机物不足，导致系统反硝化效率降低，工艺脱氮效果降低〔11〕。

1.2.4 内回流限制

在工艺操作中，生物脱氮反应需要通过内回流引入大量硝酸盐。如果回流量很大，缺氧区的溶解氧（DO）增加，反硝化菌的生长活性受到抑制，整体反硝化效率降低。由于内部回流的限制，系统反硝化能力无法最大化。

2 A2/O改良工艺

为解决传统A2/O工艺存在的诸多问题，需对其进行改良以提升处理效果。倒置A2/O、UCT、MUCT、JHB及Bardenpho这5种改进工艺不仅能有效克服传统A2/O工艺的缺陷，还能减少能源和药剂消耗，降低工程投资和运行成本〔12-14〕。

2.1 倒置A2/O工艺

倒置A2/O工艺（图2）是将传统A2/O工艺的厌氧池定位在缺氧池之后，使反硝化菌能更好地利用进水中的碳源进行反硝化作用，提高碳源利用率〔15〕。同时，取消内回流可节省部分能耗〔16-17〕。

图2

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图2   倒置A2/O工艺流程

Fig. 2   Inverted A2/O process flow


Rong QI等〔18〕研究了传统A2/O工艺与倒置A2/O工艺对磷的释放和吸收的影响，倒置A2/O工艺因为取消了内循环和调换了厌氧区与缺氧区位置，可以保留更多的PAOs种群，表现出较好的除磷性能。曾麟峰〔19〕采用倒置A2/O工艺处理C/N为0.28的城市污水，进水COD、TP、NH4+-N分别为200、70、3 mg/L，当MLSS为3 000 mg/L、水力停留时间（HRT）为12 h、污泥回流比（R）为200%、污泥龄（SRT）为6 d时，COD、TP、NH4+-N的平均去除率分别达到94.2%、79.6%、99.4%。Xiaolan ZENG等〔20〕采用汽提法预处理+倒置A2/O工艺处理城市污水与垃圾渗滤液混合污水，进水COD、NH4+-N分别为6 000、890 mg/L，当MLSS为2 500~3 500 mg/L、HRT为9~12 h、R为100%时，COD和NH4+-N的平均去除率分别达到90%和95%以上。

倒置A2/O工艺可以利用进水中的碳源缓解碳源竞争问题、提高氨氮去除效果，但因厌氧段供给的优质碳源不足，总磷的去除效果不佳。

2.2 UCT工艺

UCT工艺在传统A2/O工艺基础上，额外增加了1条从缺氧区至厌氧区的混合液回流，并将污泥回流位置改到缺氧池，工艺流程见图3。这种改进方式可以有效避免由于内回流限制导致的系统脱氮能力低的问题〔21-23〕，有效提高缺氧池的脱氮效率〔24-25〕。

图3

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图3   UCT工艺流程

Fig. 3   UCT process flow


E. VAIOPOULOU等〔26〕采用UCT工艺处理生活污水，进水COD、TKN、TP分别为560、86、15 mg/L，在污泥回流比（R）为100%、硝化液回流（r）为100%、HRT为9 h、SRT为10 d的条件下，COD、TKN、TP的平均去除率分别为89%、90%、67%。D. DI TRAPANI等〔27〕采用UCT-MBR联合工艺处理城市污水，进水COD、TN、TP分别为325、45.7、3.8 mg/L，在SRT为37 d、MLSS为2 000~3 000 mg/L时，COD、TN、TP的平均去除率分别为92%、95%、80%。孙展鹏等〔28〕采用UCT工艺处理低C/N城市污水，进水COD、NH4+-N、TP分别为211、88.4、12.8 mg/L，在R为100%、r为200%、污泥沉降比（SV）在30%~40%的工况下，COD、NH4+-N、TP的去除率分别为82.94%、97.84%、58.31%。

UCT工艺在处理城市污水过程中对氨氮的去除有着较大优势，虽降低了硝酸盐的影响，但因回流过程中DO的限制，总磷去除率较低。

2.3 MUCT工艺

MUCT工艺将UCT工艺的缺氧区分成2部分，分别控制污泥回流和混合液回流，弥补了UCT工艺中缺氧区停留时间由于缺氧区混合液回流与硝化液回流相交而不便控制的缺陷，工艺流程见图4。这一改进避免了回流中的DO对厌氧释磷的影响，表现出较好的脱氮除磷性能。

图4

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图4   MUCT工艺流程

Fig. 4   MUCT process flow


刘华光〔29〕采用MUCT工艺处理垃圾渗滤液与市政污水混合废水，进水COD、NH3-N分别为113、30.5 mg/L，在HRT为8.3 h、SRT为10 d、MLSS为5 800~6 200 mg/L、垃圾渗滤液混合比例在0.125%以内时，NH4+-N和COD的去除率分别为97.5%、88.1%。Wei ZENG等〔30〕采用MUCT工艺处理C/N为2.07的生活污水，进水COD、NH3-N、PO43--P分别为157、79、5.39 mg/L，在HRT为6.0 h、MLSS为3 000~4 000 mg/L、缺氧池混合液回流比（r1）为80%、好氧池混合液回流比（r2）为120%、污泥回流比（R）为300%的工况下，MUCT工艺实现了硝化反硝化除磷，NH3-N、PO43--P去除率分别为99%、90%。

由此可见，MUCT工艺避免了UCT工艺运行时内回流交叉过程中DO对厌氧释磷的限制，改善了对磷的去除效果。

2.4 JHB工艺

为避免传统A2/O工艺中因回流引入过量硝酸盐而使系统除磷受抑制的问题，JHB工艺前端增加了1个预缺氧池，一部分原水流进预缺氧池，另一部分流入厌氧池，沉淀池的一部分污泥返回预缺氧池，工艺流程见图5。这种改进方式使污泥中的微生物可利用流入的营养物质进行反硝化，减少了污泥中硝酸盐的含量。

图5

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图5   JHB工艺流程

Fig. 5   JHB process flow


Yuanyuan SONG等〔31〕研究了JHB-SAD（硫自养反硝化）组合工艺对低C/N城市污水生物脱氮除磷的影响，进水COD、TN、TP分别为134、32.5、1.87 mg/L，投入0.21%（体积分数）的垃圾渗滤液后，在MLSS为2 500~2 700 mg/L、混合液回流比（r）为200%、污泥回流比（R）为100%、SRT为27~33 d的条件下，COD、TN、TP去除率分别达到85.2%、92.6%、75.6%。Wei ZENG等〔32〕通过JHB工艺处理城市污水，进水COD、NH3-N、TN分别为168.1、71.8、72.6 mg/L，在MLSS为3 500 mg/L、r为200%、R为60%、SRT为20 d的工况下，NH3-N、TN去除率均超过85%。

JHB工艺通过进水分流的方式优化了碳源供给，表现出较好的脱氮性能。JHB工艺虽降低了硝酸盐的影响，但碳源不足制约了系统的除磷能力。

2.5 Bardenpho工艺

Bardenpho工艺在传统A2/O工艺基础上增设1个缺氧段和1个好氧段，第二缺氧段利用第一好氧段产生的硝酸盐和剩余碳源进行反硝化脱氮，工艺流程见图6。在低C/N废水处理过程中，Bardenpho工艺可以有效避免硝酸盐限制的问题。

图6

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图6   Bardenpho工艺流程

Fig. 6   Bardenpho process flow


姚伟涛等〔33〕采用Bardenpho工艺处理C/N为1.86的混合污水，进水COD、TN、TP分别为300、70、6.5 mg/L，在HRT为22.1 h、MLSS为4 000 mg/L、硝化液回流比（r）为200%、污泥回流比（R）为100%的操作条件下，出水水质均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。Jin LI等〔34〕采用UASB改进Bardenpho工艺处理城市垃圾渗滤液，进水COD、NH3-N、TN分别为36 828、1 805、1 933 mg/L，其中UASB反应器的MLSS为13 200 mg/L、HRT为1.32 d、内回流比为300%，Bardenpho工艺的MLSS为5 620 mg/L、HRT为6.0 d、r为300%、出水再循环比为400%，处理后COD、NH3-N、TN去除率分别为97.5%、99.3%、97.7%。N. M. DEMIR等〔35〕采用Bardenpho工艺处理生活污水，进水COD、TN、TP分别为647、79、6.5 mg/L，在HRT为20.6 h、MLSS为4 500~5 000 mg/L、r为200%、R为400%操作条件下，COD、TN、TP去除率均超过85%。

综上，Bardenpho工艺通过2次反硝化过程进一步提高了系统的脱氮效率；厌氧段也能得到足够的优质碳源，达到更好的释磷效果。但Bardenpho工艺在处理高浓度低C/N废水过程中，还需要组合其他工艺强化脱氮。

表1总结了不同改良A2/O工艺的特点。

表1   不同改良A2/O工艺功能特点

Table 1  Functional characteristics of different modified A2/O processes

工艺名称克服难点工艺不足参考文献
倒置A2/O消除了硝酸盐的干扰；提高了碳源利用率，缓解了碳源竞争；取消内回流，消除了内回流的限制厌氧释磷阶段得不到优质碳源，总磷去除效果不佳〔15-17〕
UCT避免了内回流限制，提高了脱氮效率；降低了厌氧段硝酸盐含量，可提升低C/N污水除磷效率因内回流交叉，不能完全消除回流的DO对厌氧释磷的影响〔21-23〕
MUCT避免了内回流交叉过程中DO对厌氧释磷的限制，提高了除磷效果；内回流和污泥回流独立控制，可缓解污泥龄矛盾问题操作较为复杂；需增设独立的回流系统〔29-30〕
JHB降低了回流污泥中硝酸盐含量过高的影响；充分利用内部碳源，提高了脱氮效果总磷去除效果不佳，需要额外补充碳源〔31-32〕
Bardenpho有效避免了硝酸盐的影响；提高了内部碳源利用率处理低C/N污水时，需要额外投加优质碳源以提高TN去除率〔35〕

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3 运行优化

从整体工艺上改良传统A2/O工艺流程可提高系统脱氮除磷效率，但受碳源不足因素限制，改良后工艺的处理效果仍不能达到最佳，目前的研究多通过补充碳源、池体增设填料和分段进水的方式优化运行，进一步加强对氮磷污染物的去除。

3.1 补充碳源

生物脱氮除磷过程消耗的有机物可分为系统碳源和外加碳源。由于系统碳源在污水中浓度较低，且现有工艺未充分发挥其内在价值，通常需外加碳源来提高系统的脱氮除磷效果。刘方婧〔36〕采用A2/O工艺处理低C/N生活污水，在处理过程中引入了啤酒废水，当啤酒废水的投加量为70 mg/L（以COD计）时，TN和TP去除率分别达到82.39%和94.95%。孙雅雯等〔37〕采用A2/O+BCO（生物接触氧化）组合工艺处理C/N为4.3左右的废水，探究丙酸钠和乙酸钠碳源对TP的去除效果，结果表明丙酸钠的效果优于乙酸钠，且PO43--P去除率稳定在94%。黄胡林等〔38〕以秸秆发酵液为外加碳源，研究其对污水反硝化脱氮的潜能，当加入稻草、玉米秸秆发酵液并维持系统C/N在6左右时，生物脱氮率分别可达到80.1%、97.3%。

3.2 增设悬浮填料

悬浮填料具有水力剪切作用，自养硝化菌可以黏附并生长在填料上，而聚磷菌和反硝化菌则以悬浮状态生长，因而系统可兼顾自养硝化菌的污泥龄，减少污泥排放对硝化速率的影响。污水处理过程中选择适当的填料和经过驯化的微生物，可以提高系统的处理效率和抗冲击能力。T. M. LAI等〔39〕采用聚丙烯纤维填料改性A2/O工艺处理城市污水，研究不同操作条件下水中有机物和营养物的去除率，结果表明，悬浮填料不仅能减少水力停留时间，还可提高污染物的去除率。刘永红等〔40〕在使用多级MBBR工艺处理某高校生活污水时，加入了2种新型生物填料，维持系统的COD容积负荷在1.5 kg/（m3·d）左右，运行20 d后，COD和NH4+-N的去除率分别达到82.0%和97.0%。吕绛等〔41〕研究了缺氧池填料填充率对A2/O+MBBR组合工艺反硝化除磷的影响，在填料填充率为10%时，反硝化除磷量占总除磷量的46.3%。

3.3 分段进水

分段进水主要应用于厌氧段和缺氧段，在处理低C/N污水时有着良好的效果。系统脱氮除磷效果的关键在于缺氧反硝化作用和厌氧释磷作用，依据原水水质合理调节厌氧段和缺氧段的进水分配比例，聚磷菌和反硝化菌都能利用到优质碳源，从而缓解碳源竞争问题，提高系统脱氮除磷能力。徐宇峰等〔42〕研究了分配比对分段进水A2/O工艺脱氮除磷的影响，结果表明，当进水比（厌氧段∶缺氧段）为3∶6，缺氧单元除磷贡献率由5.2%升至13.0%，好氧单元除磷贡献率由94.8%降低至87.0%。南彦斌等〔43〕通过两段式进水研究了改良A2/O-BAF（曝气生物滤池）工艺进水配比对反硝化除磷脱氮的影响，当进水比（预缺氧段∶缺氧段）为7∶3时，COD、NH4+-N、TN、TP去除率分别为82.1%、92.7%、75.4%、91.2%。黄帅〔44〕通过分段进水对改良A2+OSA（好氧/沉淀/厌氧）工艺除磷机制进行了研究，当系统进水比（厌氧池∶缺氧池）为1∶1时，COD、NH4+-N、TN、TP平均去除率分别为92.7%、92.2%、90.1%、96.8%。

4 结语与展望

采用改良A2/O工艺处理低C/N废水，能针对性地解决传统A2/O工艺在运行过程中的缺陷，其优势主要体现在：（1）优化了混合液回流和污泥回流位置，减少了硝酸盐限制及污泥龄矛盾问题；（2）优化了构筑物布局，缓解了碳源竞争；（3）通过调整进水配比，提高了系统碳源利用率，降低了外加碳源成本；（4）通过增设填料，降低了排泥对硝化速率的影响，并提高了系统抗冲击能力。

尽管改良A2/O工艺能提高系统的脱氮除磷效果，但在处理低C/N废水时，碳源不足仍是主要制约因素。为进一步提高对氮磷的去除效果，还可从以下方面研究：

（1）组合适当工艺。根据进水水质的不同，适当组合不同工艺以实现优势互补，提高系统碳源利用率。

（2）研究新型碳源。引入废水类液体碳源，兼顾环境效益和经济效益；研究释放速率稳定且经济的固体缓释碳源。

（3）强化微生物培养。利用工程技术手段培养高效脱氮除磷的微生物，提升对低C/N废水的处理效果。


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