韦政 杨燕梅 翁蕊 何岩 黄民生

摘要： 以“十一五”和“十二五”期间的A²/O升级改造技术成果为基础， 结合当前运行良好且具有代表性的改良A²/O工艺， 从原位优化改造和深度处理等方面总结了高排放标准下城镇污水厂A²/O工艺升级改造的技术对策. 介绍了具有代表性的A²/O升级改造示范工程的运行情况， 并对A²/O工艺的优化和推广使用提供建议.

关键词： 高排放标准; 城镇污水厂; A²/O; 升级改造; 工程示范

中图分类号： X522 文献标志码： A DOI： 10.3969/j.issn.1000-5641.2021.04.007

A review of the upgrading technology for the A²/O process of municipal wastewater treatment plants under high discharge standards in China

WEI Zheng1，2，3，4， YANG Yanmei1，2，3，4， WENG Rui1，2，3，4， HE Yan1，2，3，4， HUANG Minsheng1，2，3，4

（1. Shanghai Key Laboratory for Urban Ecological Processes and Eco-Restoration， School of Ecological and Environmental Sciences， East China Normal University， Shanghai 200241， China; 2. Institute of EcoChongming， Shanghai 202162， China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Biotransformation of Organic Solid Waste， Shanghai 200041， China; 4. Technology Innvation Center for Land Spatial EcoRestoration in Metropolitan Area（Ministry of Natural Resources）， Shanghai 200062， China）

Abstract： This paper provides an overview of the technical achievements in A²/O upgrading during the 11th and 12th Five-Year Plans as well as the current successful operation of the improved A²/O process. We summarize the measures used for upgrading the A²/O process of municipal wastewater treatment plants under high discharge standards with respect to in-situ optimization and advanced treatment. Finally， we review the operating state of representative A²/O upgrade demonstration projects and offer suggestions for optimization and promotion of the A²/O process.

Keywords： high discharge standard; municipal wastewater treatment plant; A²/O; upgrading; demonstration project

0 引 言

城镇污水厂在水污染预防和水环境保护方面承担着重要角色， 也是城镇可持续发展中重要的组成部分[1]. 在2015年《水污染防治行动计划》和2019年《城镇污水处理提质增效三年行动方案（2019—2021年）》等一系列水环境政策实施的大背景下， 全国重点区域及流域均对污水处理提出了更高要求，高排放标准下许多城镇污水厂都面临着提标改造的现实需求. A²/O（厌氧—缺氧—好氧）工艺因其技术的成熟性和运行的稳定性而成为我国城镇污水厂的主流工艺[2-3]. 然而， 由于传统A²/O工艺存在碳源竞争、泥龄矛盾和回流污泥中硝酸盐及溶解氧（DO）残余对厭氧释磷的干扰， 特别是我国污水厂普遍存在进水低碳氮比（C/N）[4]、冬季低温硝化性能下降等问题， 致使传统A²/O工艺已经难以满足当前的高排放标准要求[5].

为了满足更加严格的排放标准， 削减污染物的排放， 国内外大多数污水厂都进行了升级改造. 国外污水厂升级改造工作开始得较早， 升级改造前的工艺多为传统活性污泥法， 改造措施多采用投加悬浮填料[6-8]、耦合膜生物反应器[9]、增设生物滤池和人工湿地等深度处理工艺[10-12]. 相比较之下我国污水厂提标改造开始得较晚， 集中在“十一五”和“十二五”时期， 现行的升级改造措施和国外的有较多相似之处.

因此， 本研究以“十一五”和“十二五”水专项相关研究成果为基础， 结合现有运行良好的A²/O改造工艺， 系统总结了高排放标准下城镇污水厂A²/O工艺升级改造技术优化方法， 为我国城镇污水厂提标增效工程的有效实施提供技术支撑.

1 城镇污水厂工艺升级改造的现实需求

1.1 日趋严格的排放标准

在水环境保护要求日趋严格的背景下， 全国大部分区域及流域相继颁布和实施了严于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准的地方标准. 以巢湖流域、太湖流域和滇池流域为例， 巢湖流域的安徽省、太湖流域的江苏省和浙江省以及滇池所在地的昆明市先后在2016年、2018年和2020年颁布了最新的地方排放标准（见表1）， 这些标准的颁布和实施均对污水处理厂的处理能力提出了更高要求.

1.2 A²/O工艺提标改造面临的问题

当前城镇污水厂采用的主流处理工艺有A²/O、氧化沟和序批式活性污泥法（SBR）等[18]. A²/O工艺相较于其他污水处理工艺具有能耗和运行管理费用较低的优势， 这种优势会随着处理规模的增加而变得更加明显[19]. 在污水提倡集约化高效处理的背景下， 我国大中型污水厂的数量逐渐增加， A²/O工艺也因此得到了广泛应用.

1.2.1 反硝化脱氮和厌氧释磷对碳源的竞争问题

以小分子有机物为主的碳源是A²/O工艺反硝化脱氮和厌氧释磷的主要电子供体[20]. 在生物除磷过程中， 聚磷菌在厌氧环境下将有机物转化为挥发性脂肪酸， 并将能量以聚b羟基丁酸（PHB）的形式贮存在细胞内， 贮存的PHB在后续的好氧环境中水解， 为聚磷菌的过量吸磷提供能量[21]. 与此同时，反硝化细菌也会利用有机碳源进行反硝化， 消耗体系中的有机碳源. 因此， 如果碳源配置不合理， 异养反硝化菌和聚磷菌等主要功能菌群对碳源的剧烈竞争将会导致A²/O工艺的脱氮除磷性能不佳， 在当前高排放标准条件下， 合理配置碳源以满足反硝化脱氮和厌氧释磷对碳源的需求显得尤为重要.

1.2.2 回流污泥中硝酸盐和DO对厌氧释磷的干扰

传统A²/O体系中的回流污泥会全部进入厌氧段， 为了维持较低的污泥负荷， 常会选择较大的回流比， 而回流污泥中含有大量的硝酸盐和DO. 硝酸盐进入厌氧池后， 反硝化菌会与聚磷菌形成竞争，优先利用体系内的碳源进行反硝化作用， 聚磷菌无法获得充足的碳源， 释磷过程将受到抑制， 同时回流的污泥中携带的溶解氧会破坏厌氧环境， 进一步影响聚磷菌释磷， 进而影响到A²/O工艺的除磷效果. 因此， 在当前高排放标准条件下， 如何缓解回流污泥中硝酸盐和DO对厌氧释磷的干扰以实现高效除磷是需要关注的问题.

1.2.3 冬季低温问题

冬季低温特别是我国北方冬季气温偏低， 当环境温度过低时， A²/O体系中的多数功能细菌的活性会出现下降甚至进入休眠状态， 这将会对生活污水的处理产生不利影响. 有大量研究表明， 当环境温度低于10℃时， A²/O工艺中的硝化细菌和反硝化细菌等主要功能细菌的活性会受到抑制[22-23].例如， 通常认为反硝化菌的最适生长温度为25 ～ 35℃[24]， 低温环境会严重降低反硝化菌的活性， 进而影响体系的脱氮效果. 此外， 水体中的溶解氧含量会随着温度的降低而升高， 低温环境会使体系的溶解氧呈现过饱和状态， 进而抑制缺氧反硝化过程的进行[25]. 因此， 在当前高排放标准条件下， 如何缓解冬季低温产生的不利影响， 以满足出水达标要求是值得关注的问题.

1.2.4 碳源不足的問题

通常认为污水厂进水C/N达到4时刚好能够满足体系的脱氮除磷需求， 而我国大多数城镇生活污水厂都存在进水低C/N的问题[26]， 进水碳源不足会加剧反硝化脱氮和厌氧释磷对碳源的竞争， 加大A²/O工艺脱氮的难度. 外加碳源的解决途径目前还存在成本增加以及出水残留碳源的二次风险.在当前高排放标准条件下， 如何解决碳源不足的问题， 以更好地满足A²/O工艺脱氮除磷对碳源的需求是需要考虑的问题.

2 A²/O处理工艺升级改造优化技术集成

通过对“十一五”和“十二五”期间的A²/O升级改造技术成果的系统分析， 发现当前我国针对A²/O工艺升级改造的方法主要从原位优化改造和深度处理两个方面开展.

2.1 原位优化改造

为了满足高排放标准出水的要求， 我国污水厂主要通过优化碳源利用、优化微生物自固定和优化工艺流程的方式来进行原位升级改造.

2.1.1 碳源利用方式的优化

高排放标准下污水厂碳源利用方式的优化主要可以分为原水碳源的合理分配和外部碳源的优化利用两个方面[27]. 污水厂A²/O工艺的原水碳源利用优化主要有分段进水和工艺改良等方法. 在A²/O体系中设置多个进水点， 根据实时数据的反馈来调整各个进水点的进水比例， 合理分配原水中的碳源.分段进水因其对碳源的合理化利用而被广泛使用[28]. 青岛城阳污水厂在升级改造中采用了多点进水的方式， 实现了对体系碳源的最大化利用， 有效降低了进水低C/N带来的影响[29]. 为了优化碳源利用而进行的改良工艺中， 倒置A²/O具有一定的代表性. 宜兴市和桥污水厂原采用A²/O工艺， 在实际运行中存在进水碳源不足的问题， 为缓解碳源不足对体系脱氮除磷的影响， 升级改造中将厌氧池和缺氧池互换， 让进水优先为反硝化脱氮提供碳源[30]， 充分满足体系的脱氮需求.

投加外碳源能在短时间内增加体系所需的有机物， 保证体系脱氮除磷的顺利进行. 升级改造中对外部碳源的优化利用主要可以分为常规碳源的投加优化和新型碳源的筛选两个方面， 常规碳源的优化多是在投加点位、投加方式和投加量上的优化. 某滨海工业园区污水厂通过对碳源投加点位和投加量的精细化控制， 避免了碳源过度投加带来的不良影响， 节约了经济成本[31]. 在提倡可持续发展的大背景下， 为实现废物的资源化利用， 相关学者也研究了秸秆发酵液和剩余污泥水解酸化产生的有机质等废弃物作为新型外加碳源的可行性[32-35]. 这些废弃物中含有大量挥发性脂肪酸， 若可作为城镇污水厂的新型外加碳源， 在实现废物的资源化利用的同时也解决了污水厂进水碳源不足的问题.

2.1.2 强化脱氮的工艺流程优化

随着污水排放标准的不断提高， 总氮（TN）逐渐成为污水厂出水达标的限制性因素， 因此以强化脱氮为目的的工艺流程优化成为多数污水厂升级改造中的重点. 高排放标准下A²/O工艺强化脱氮的工艺流程优化主要可以总结为工艺前端优化和工艺后端优化两种. 前端优化中的典型工艺有AA²/O工艺， A-A²/O工艺中预缺氧池的设置可以让部分原水进入预缺氧段， 强化体系反硝化脱氮. 苏北某污水厂为解决出水难以稳定达标的问题， 升级改造中将传统A²/O改造成多点进水的A-A²/O工艺， 并附加滤布滤池深度处理， 出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准[36].

后端工艺优化主要是通过增设多段A/O工艺强化硝化反硝化， 后端增设缺氧池和好氧池可以让污水多次经历缺氧好氧环境， 强化体系硝化反硝化， 提升出水水质. 天津市某污水厂在提标改造过程中， 将原有的A²/O工艺改造成A²/O+A/O工艺， 并附加超滤膜过滤系统， 出水可以达到天津市《城镇污水处理厂污染物排放标准》的A级标准[37]. 此外， 若污水处理厂在规划之初预留有建筑用地， 可选择在原有的工艺基础上扩容新建生物池， 减小污泥负荷， 强化体系脱氮除磷能力. 合肥市陶冲污水厂在原有基础上扩建10万t/d， 将原A²/O改造成5段A/O工艺， 强化了体系的生物处理能力[38].

2.1.3 微生物自固定方式的优化

聚磷菌、硝化菌和反硝化菌等细菌是A²/O工艺脱氮除磷的主要功能微生物， 功能微生物的数量和活性决定着体系脱氮和除磷的效果. 通过往A²/O工艺生物池体中添加固定填料或悬浮填料， 可以提高池体中功能菌群的生物量， 强化体系的脱氮和除磷能力， 由此形成了A²/O-MBBR、IFSA（固定生物膜-活性污泥）和泥膜耦合的A3/O等工艺. 四川某污水厂因受用地限制， 在升级改造中往好氧池中投加悬浮填料构成A²/O-MBBR工艺， 好氧MBBR池中的悬浮填料呈流化态， 流化态的悬浮填料在与污水的不断接触碰撞中强化了体系的硝化能力[39]. 西安市第四污水厂升级改造过程中在厌氧池、缺氧池和好氧池中均投加了聚乙烯塑料悬浮填料， 是国内首例在所有二级生物池体中均投加悬浮填料的工程实例[40].

2.2 深度处理

除了原位优化改造之外， 为了进一步强化并提升出水水质， 国内一些污水厂会选择在二级处理单元后增设深度处理工艺. 高排放标准下城镇污水厂升级改造的深度处理主要是从强化SS去除、强化TN去除和稳定水质达标排放3个方面进行.

2.2.1 强化悬浮物（SS）去除的深度处理

为去除水中的SS， 降低浊度和色度， 污水厂在升级改造中会在二级生物后增加混凝沉淀過滤等工艺， 常用的混凝沉淀工艺有高效沉淀池、混凝沉淀池和磁混凝沉淀池， 常用的过滤工艺有滤布滤池、V/D滤池和活性炭过滤滤池. 重庆市某污水厂为使出水实现由一级B到一级A的提升， 在提标改造中保留原生物处理工艺不变， 在后端添加高效沉淀池和砂滤池过滤工艺[41]. 嘉兴市联合污水处理厂为使出水水质能稳定达到一级A标准， 升级改造中在原有工艺后增设高效沉淀池、滤布滤池等深度处理单元[42].

2.2.2 强化TN去除的深度处理

TN作为高排放标准下污水厂出水稳定达标的限制性因素， 针对TN的强化去除显得尤为重要，目前污水厂出水TN超标的风险主要集中在硝态氮. 污水厂在深度处理中为强化体系的反硝化， 降低出水硝氮的含量， 常采用的深度处理工艺有反硝化生物滤池、反硝化深床滤池等. 海宁丁桥污水厂为解决出水TN和SS难以达标的问题， 升级改造中在现有工艺后增设反硝化深床滤池， 出水水质达到钱塘江流域所要求的一级A标准[43]. 此外， 人工湿地技术因其可以通过截留吸附和微生物分解等作用进一步降低水中的氮磷含量， 实现尾水的无害化处理而被广泛使用[44]. 升级改造中人工湿地技术多用于小型污水处理厂的深度处理， 常用的湿地类型有潜流人工湿地和表面流人工湿地. 武进区太湖湾污水厂在出水后增加表面流人工湿地和垂直流人工湿地， 经过人工湿地处理后的出水NH3-N浓度低于1 mg/L， 总磷（TP）浓度低于0.1 mg/L， 其削减率均大于40%.

2.2.3 稳定出水达标的深度处理

深度处理工艺是污水处理中的重要一环， 针对污水深度处理工艺的研究也正在不断深入， 为使污水厂出水稳定达标， 膜生物反应器（MBR）、移动床生物膜反应器（MBBR）等生物处理工艺以及BAF等新型高效的处理工艺也逐渐被应用于尾水的深度处理中. 其中， MBR工艺是高排放标准下污水厂尾水深度处理中应用较多的一种生物处理工艺， 通过在A²/O工艺出水后增设膜生物反应器， 可以进一步提升出水水质. 无锡市硕放污水厂在A²/O/A工艺后附加MBR工艺， 出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准[45].

基于以上的归纳和总结， 形成了高排放标准下污水厂A²/O工艺升级改造技术路线图， 如图1所示.

3 A²/O升级改造技术工程应用案例

以苏州市和宜兴市某两座污水厂为例， 污水厂主体生化工艺采用A²/O工艺且均在2018年完成升级改造， 改良后的A²/O工艺具有一定代表性， 出水水质均能达到江苏省《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》的一、二级保护区标准.

3.1 苏州市某污水处理厂

苏州市某污水厂目前设计水处理能力为8万t/d， 其中， 一期1.5万t/d， 二期2.5万t/d， 以处理工业废水为主; 三期4万t/d， 以处理生活污水为主， 采用传统A²/O工艺.

如图2所示， 在升级改造过程中， 污水厂在原A²/O工艺的厌氧池前添加预缺氧池， 将深度处理中单元更换为活性炭过滤滤池. 污水经过预缺氧池、厌氧池、缺氧池、好氧池、聚合氯化铝（PAC）加药、二沉池、活性炭过滤、紫外消毒池后， 出水稳定达标.

经过提标改造后， 该污水厂2019年全年出水COD、NH3-N、TN和TP的平均值分别为27.73 mg/L、0.35 mg/L、9.57 mg/L和0.13 mg/L， 达到江苏省《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》中的一、二级保护区排放标准， COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为89.02%、98.68%、71.56%和93.44%.

3.2 宜兴市某污水处理厂

宜兴市某污水厂的设计规模为7.5万t/d， 采用多点进水、多点回流的改良型A²/O工艺. 生物反应池包括厌氧区、缺氧区、兼氧区、好氧区和后缺氧、后好氧区， 可根据实际水质实现多种模式的灵活运行. 经过生物处理系统后， 深度处理采用高效沉淀池和滤布滤池， 污水厂尾水经过MBR超滤膜深度处理后， 可达到高品质再生水的标准要求， 部分未经MBR深度处理的尾水排入人工湿地进行进一步处理.

该污水厂升级改造工程是“宜兴市水环境改善技术集成与综合应用示范项目”. 升级改造中对A²/O生物处理系统进行了优化， 如图3所示， 污水厂调整了缺氧和好氧段的水力停留時间， 优化进水方式和进水比例， 将深度处理中的高效沉淀池更换为磁混凝沉淀池.

经过提标改造后， 该污水厂2020年1 月— 10月的出水COD、NH3-N、TN和TP平均值分别为24.7 mg/L、0.57 mg/L、8.51 mg/L和0.15 mg/L， 达到江苏省《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》中的一、二级保护区排放标准， COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为89.51%、96.82%、71.00%和96.38%， 运行稳定.

4 结论与建议

（1）高排放标准下污水厂A²/O的升级改造主要有原位优化改造和尾水深度处理两种方式. 原位升级改造主要是对碳源利用方式、微生物自固定方式和强化脱氮的工艺流程的优化. 尾水的深度处理工艺以混凝沉淀过滤为主， 一些常规的生物、生态处理工艺和新型高效的处理工艺也被应用到深度处理中.

（2） A²/O工艺的进一步优化改造应当集中在内碳源的强化利用、剩余污泥水解酸化产生的有机质等废弃物作为外加碳源的可行性研究和脱氮新途径在污水厂的实际应用.

（3）高排放标准下A²/O的升级改造应当结合实际进出水水质、处理规模和占地面积等因素， 最大化地利用原有工艺， 减小升级改造带来的影响， 节约经济成本.

（4）在日益严格的高排放标准下， 未来污水厂处理应该对于抗生素、雌激素和微量有机污染物等新兴污染物的去除给予重视.

[参 考 文 献]

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（责任编辑： 张 晶）