A2O工艺及其改进工艺
一、A2/0工艺
A2/O 工艺流程简单，较易于运行管理，总的水力停留时间较短，一般缺氧区的水力停留时间为0.5~1.0 小时，泥龄也短，一般为3~5 天，使剩余污泥中磷含量高，一般为 2.5%以上。在反硝化脱氮过程中直接利用废水中的有机物为碳源，降低了运行。但在A2/O 工艺中，影响生物除磷的关键因子是厌氧池的污泥回流量。因为从沉淀池回流污泥中会携带一定量的硝态氮，污泥回流量越大，携带的硝态氮越多，反硝化利用的有机物就越多，由于有机质的减少影响了厌氧释磷，从而导致除磷效果下降。如果污泥回流量小，虽然携带的硝态氮少，但同时进入厌氧池中的聚磷菌相应减少，同样影响系统的除磷功能。所以对A2/O工艺来说，污泥回流比通常控制在进水流量的0.5～1.0 倍左右
二、传统A2/O 工艺存在的主要问题及解决途径
1、聚磷菌和反硝化菌对碳源的竞争问题
在脱氮除磷A2/O工艺中，碳源主要消耗于释磷、反硝化和异养菌正常代谢等方面。其中释磷和反硝化的反应速率与进入各自反应池中的易降解碳源，尤其是挥发性有机脂肪酸(VFA)的数量关系很大。我国市政污水中易降解的有机碳源相对较低，南方城市更为明显，在A2/O工艺中，聚磷菌优先利用进水中的碳源进行厌氧释磷，使得在后续缺氧反硝化过程中碳源不足，从而影响脱氮效果，因此在A2/O工艺中存在释磷和反硝化因碳源不足而引发的竞争问题，针对这一问题提出了以下几种途径解决。
1.1 改变进水方式
分点进水，在厌氧段和缺氧段根据实际情况合理分配分段进水流量，以便同时满足聚磷菌和反硝化菌对碳源的需要，如：中国市政工程华北设计研究院结合实际工程设计，开发应用了多点进水倒置A2/O工艺；杨殿海等开发的改良A2/O
工艺(MAAO)；李燕峰等研究的分点进水厌氧一多级缺氧好氧活性污泥工艺和Chang研究的AOAO工艺等。将生化区的进水碳源分配给厌氧池和缺氧池来同时达到释磷和反硝化的最佳，以此解决碳源的竞争问题。
1.2 一碳两用
随着反硝化除磷细菌DPB的发现，形成了以厌氧污泥中的PHB为碳源的反硝化工艺，如：BCFS、Dephanox等工艺，其主要特点是碳源利用率高，在反硝化除磷工艺中，废水中的碳源在厌氧段由DPB以聚羟基丁酸脂(PHB)的形式储存起来，在缺氧环境中这部分PHB被DPB同时用于反硝化和吸磷作用，达到了“一碳两用”的目的，但反硝化除磷工艺目前面临着DPB的富集和利用不足等问题。
1.3 补充碳源
补充的碳源可分为两类：一类是包括甲醇、乙醇、丙酮和乙酸等可用作外部碳源的化合物，另一类是易生物降解的COD源，它们可以是初沉池污泥发酵的上清液或其它酸性消化池的上清液或者是某种具有大量易生物降解COD组分的有机废水等，如：麦芽工业废水、水果和蔬菜工业废水和果汁工业废水等。碳源的投加位置可以是缺氧反应池，也可以是厌氧反应池，在厌氧反应池中投加碳源不仅能改善除磷，而且能增加硝酸盐的去除潜力，因为投加易生物降解的COD 能使起始的脱氮速率加快，并能运行较长的一段时间。但此方法运行费用比较高，一般适合小型污水的处理。
1.4 其它方法
可以通过提高系统有机负荷来解决碳源竞争问题。进水有机负荷与进水流量和整个系统的有效容积有关，一方面在有效容积不变的条件下增加进水流量；另一方面在进水流量不变的情况下，通过缩短运行周期减少有效容积达到提高有机负荷目的。
2 反硝化菌、聚磷菌和硝化菌的泥龄矛盾
反硝化细菌和聚磷细菌为短污泥龄细菌,污泥龄越短则反硝化速率越快,而除磷的效果也越好。而硝化细菌繁殖速度慢,世代周期较长,属长污泥龄细菌，过短的污泥龄会使系统中硝化细菌过量外排而影响其硝化功能。因此在统一的污泥系统中,为了同时获得较好的释磷、反硝化和硝化效果，势必会造成系统运行上的泥龄矛盾。实际生产中，A2/O系统常采用10～15 d的长污泥龄以满足硝化功能,因此也就造成系统在一定程度上牺牲了部分有机物降解和除磷效率。为了使各类菌种最大程度上发挥自身的优势，研究者提出了以下几种解决途径。
2.1 双污泥脱氮除磷工艺
双污泥脱氮除磷工艺，如：李勇等开发的改良A2/O双泥工艺；PASF工艺等。该类工艺分前后两段，前段采用活性污泥法，主要由厌氧池、缺氧池、短泥龄好氧池、沉淀池等构筑物组成；后段为生物膜法，主要采用曝气生物滤池。污水依次流经活性污泥段和生物膜段。系统回流包括污水回流和污泥回流，污水回流是将部分生物滤池出水回流至缺氧池，以保证脱氮效果；污泥回流则是将沉淀池污泥部分回流到厌氧池，其余富含磷的剩余污泥被排掉。采用微生物分相的方法使硝化细菌与系统内其他细菌分开培养的改进工艺，可使不同功能的微生物能在各自有利的条件下生长。将除磷和脱氮在空间或时间上分开，解决了聚磷菌、硝化菌不同泥龄的矛盾，具有稳定的处理效果和较高的处理效率。控制硝化滤池出水硝酸盐的回流量，解决厌氧段反硝化与除磷菌释磷的矛盾。创造有利于反硝化除磷菌的生长环境，降低了对碳源的需求。
2.2 将厌氧池上清液排出，辅以化学除磷
根据聚磷菌的特性，可以在污水处理工艺中将磷酸盐富集在厌氧段的上清液中，通过排除富磷上清液达到除磷的目的，同时可以有效克服污泥龄对硝化效果的负面影响，而且富磷上清液可通过化学法处理而达到磷的回收。这样做的优点：
一是除磷效果不依赖于泥龄，剩余污泥减少，可以降低污泥处理费用；二是保证了硝化菌的生长条件，实现长泥龄下的同时除磷脱氮。然而辅以化学除磷会增加运行费用，厌氧池中进行化学除磷的上清液量也会影响整个系统的除磷效果，同时还应考虑设备防腐问题。
3 回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响
在A2/O工艺中，回流污泥中含有大量的硝酸盐，回流到厌氧区后优先利用进水中的VFA等易降解碳源进行反硝化，从而使厌氧释磷所需碳源不足，影响了系统充分释磷，从而影响聚磷菌在好氧池中的吸磷量，最终使除磷量减少，使系统的除磷效率降低。如何解决回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响，对此研究者给出了一些解决方案。
3.1 改变污泥回流点
改变污泥回流点，如UCT、VIP、MUCT等工艺，与A2/O工艺不同之处在于沉淀池污泥回流到缺氧池而不是回流到厌氧池，这样可以防止由于硝酸盐氮进入厌氧池，破坏厌氧池的厌氧状态而影响系统的除磷。增加了从缺氧池到厌氧池的混合液回流，由缺氧池中反硝化作用已经使硝酸盐浓度大大的降低了，缺氧池的混合液回流不会破坏厌氧池的厌氧状态，并且回流的混合液中含有较多的溶解性BOD，从而为厌氧段内所进行的有机物水解反应提供了最优的条件。该类工艺增加了一次回流，多一次提升，操作运行复杂，运行费用将增加。还有一种为多点回流的A2/O 工艺。昆明第二污水处理厂和汕头东区污水处理厂就采用了这种污泥回流方式。该工艺在污泥回流位置上作了一些变动,只有小部分污泥回流到厌氧池,大部分则回流到缺氧池，从而减轻了硝酸盐对释磷的影响。但是，由于只有小部分污泥经历了完整的厌氧—好氧过程，大部分污泥没有经过厌氧阶段就直接进入缺氧和好氧环境，反而对除磷不利。
3.2 在A2/O 工艺前增加预缺氧段
利用进水中的部分碳源先对回流污泥进行反硝化,去除去其中的硝酸盐.如来自南非约翰内斯堡的JHB、A-A2/O和MAAO 工艺等。回流活性污泥直接进入预缺氧区，微生物利用部分进水中的有机物和内源反硝化去除回流硝态氮，消除硝态氮对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性，有利于聚磷菌的释磷从而为好氧区的吸磷提供更大的潜力。增加了污泥反硝化，有助于进水中总氮的去除效率。
3.3 改变缺氧池的位置
通常有以下两种做法：一种是把缺氧反硝化池前置,如张波等提出的倒置
A2/O 工艺，与传统A2/O 相比，该工艺的创新点在于将缺氧池置于厌氧池之前，形成了缺氧－厌氧－好氧的流程形式，缺氧池在前，避免了回流污泥中携带的硝酸盐对厌氧区的不利影响，聚磷菌厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，其在厌氧条件下形成的吸磷动力可以得到更充分的利用，具有“饥饿效应”优势。将常规A2/O 工艺的污泥回流系统与混合液内循环系统合二为一，污泥回流比大，允许所有参与回流的污泥全部经历完整的释磷、吸磷过程，故在除磷方面具有“群体效应”优势，使得排放的剩余污泥含磷量更高，流程简捷，便于管理，节省了基建投资与运行费用。另一种是把缺氧反硝化池后置，就是放在好氧池后面。如杨殿海等人开发的改良A2/O工艺(MAAO)。将缺氧区和好氧区顺序对调，改变回流污泥的起始点，在反硝化结束后开始污泥回流，经过反硝化后的污泥所含硝酸盐极少，回到厌氧池中经原水的稀释和反硝化后对厌氧释磷基本无影响。并且后置反硝化由于流程上的优势取消了内回流，大大减小能耗。
三、A2O工艺的一些影响因素
1、有机负荷的影响
生物除磷工艺应采用高污泥负荷、低污泥龄系统, 是因为磷的去除是通过排泥完成, F/M较高时, SRT 较小, 剩余污泥排放量较多, 因而除磷量也多。而生物
硝化属于低负荷工艺, 负荷越低, 硝化反应就进行得越充分, NH3- N 向NO3-- N 转化的效率就越高, 生物硝化是生物反硝化的前提, 只有良好的硝化才能获得高效而稳定的反硝化, 因此生物脱氮属低污泥负荷系统。A2/O 工艺的运行实践证明, 有机负荷率在0.10~0.15 gBOD5/(gMLSS·d)的范围内,处理效果较好, 过高的有机负荷会降低曝气池中的DO, 使厌氧细菌大量生存, 抑制了硝化细菌的生长, 过低浓度的有机负荷则会使硝化细菌在与异养型COD 分解细菌的竞争中处于劣势, 降低硝化速率。因此系统为兼顾较高的脱氮与除磷效率, 其负荷范围较窄, 过高的水质与水量变化对系统脱氮和除磷效率将产生较大的影响。
2、污泥回流比( R) 和混合液回流比( RN) 的影响
回流污泥从二沉池池底回流到厌氧池, 以保持A2/O 系统各段污泥浓度, 使之维持正常的生化反应功能, 回流污泥对系统的影响同混合液中DO 和NO3-- N 含量有关。如果污泥回流比R 太小, 则污泥浓度过低, 在水力停留时间不变的条件下, 污泥负荷增高, 会影响各段的生化反应效率; 反之,回流比R太大, 则会将过量NO3-- N 带入厌氧池, 抑制磷的释放速度, 同时大回流比也会将曝气池中溶解氧带入厌氧池, 使异养细菌优先消耗掉挥发性有机物, 干扰聚磷细菌的释磷作用。因此实际生产中, 权衡污泥回流比对工艺的影响后, 一般采用回流比R=50%~100%, 最低不可低于40%。混合液回流比的大小直接影响反硝化脱氮效果, 根据A2/O 工艺系统的脱氮率η与混合液回流比RN的关系式η=RN/(1+ RN)可以得到两者之间相互关系。从好氧池流出的混合液, 很大一部分要回流到缺氧段进行反硝化脱氮。回流比RN大, 则脱氮率提高, 回流比超过400 后, 则提高回流比对脱氮率提升不显著, 过高的回流需大功率回流泵, 且消耗更多能源, 会造成投资成本增加和运行动力消耗过大, 因此常规污水处理厂运行一般采用回流比RN=300%~400%。
3、HRT的影响
HRT对COD去除影响影响很小，对NH3—N、TN、TP 的去除影响较大．NH3—N、TN 的去除率随HRT的增大而增加,TP的去除率虽HRT得增大呈先增大后减小的趋势，因此HRT过大会造成除磷效果不佳。HRT为5～8 h时，系统整体功
能较好。
4、A2O工艺好氧末段溶解氧变化对脱氮除磷影响
（1）在A2O脱氮除磷系统中, COD的去除效果受好氧末段溶解氧升高的影响不大
（2）保持一定的溶解氧有利于污泥的沉降, 过低的溶解氧会影响污泥的性状从而影响其沉降性能, 高溶解氧使污泥菌胶团松散不利于沉降。
（3）硝化效果受溶解氧影响较大, 随着末段溶解氧浓度的逐渐升高, 出水氨氮不断降低, 总氮去除提高, 但同时末段溶解氧和硝态氮浓度升高, 由于内、外回流作用, 会影响释磷和反硝化过程。在好氧前两段溶解氧分别< 1 mg/L 和1?5 mg/L 的条件下, 末段溶解氧保持在3mg/L以上是必要的。
（4）单独提高好氧池中末段溶解氧虽然可以提高末段的吸磷量, 但仍不能保证磷的达标排放, 可以尝试提高好氧中段的溶解氧解决
四、A2/O 改良工艺
1、A2O改良方法：
（1）设置厌氧/缺氧调节池。
此种改进A2/O 工艺是在厌氧段之前设置厌氧/缺氧调节池。在调节池中，微生物利用10%进水中的有机物去除回流污泥带来的硝酸盐，停留时间为20 min ～30 min。回流污泥与进水在调节池迅速混合产生高的基质浓度梯度，从而加快聚磷菌对有机物摄取的速度，使之在胞内贮存更多的PHB，这将有利于其在随后好氧段中对磷的过量吸收。对比试验验证该系统除磷效率可提高11%。（2）多点进水的改良A2/O 工艺。
该工艺是传统A2/O 工艺的变型，其在传统A2/O 工艺的厌氧池之前增加了预缺氧池，二次沉淀池的污泥回流至预缺氧池，回流液挟带的硝酸盐在预缺氧池中得到反硝化，降低了回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响，对除磷有;同时，改良A2/O 工艺进水按比例分配分别进入预缺氧池及其后续的厌氧池和缺氧池，
解决了缺氧池反硝化碳源不足的问题，使脱氮效果进一步提高。该工艺在许多城市污水处理厂中得到了应用，并取得了良好的脱氮除磷效果。
（3）两点分流回流污泥法。
为了解决A2/O 法回流污泥中硝酸盐对放磷的影响而又不增加提升的次数，可将回流污泥进行两点分流，大部分污泥回流至缺氧池，少部分污泥回流至厌氧池。这是最简单而有效的改良措施。
2、UCT工艺及其改良工艺
图1 UCT工艺
A2/O 工艺回流污泥中的NO3--N 回流至厌氧段，干扰了聚磷菌细胞体内磷的厌氧释放，降低了磷的去除率。UCT 工艺通过将沉淀池污泥回流到至缺氧池，在缺氧池回流污泥带回的硝酸盐被反硝化脱氮，避免了硝酸盐降低除磷效率，回流到厌氧池的混合液中的BOD 为聚磷菌厌氧释磷提供了最优条件。所以该工艺对氮和磷的去除率都大于70%。该工艺常用于处理BOD5/TN 或BOD5/TP较低的城市污水，以防止NO3--N 回流至厌氧段产生反硝化脱氮，发生反硝化细菌与聚磷菌争夺溶解性BOD5而降低除磷效果。UCT 工艺流具有流程复杂，运行费用高，两套混合液回流交叉不利于控制缺氧段的水利停留时间，好氧段出流的一部分混合液中的溶解氧经缺氧段进入厌氧段而干扰磷等缺点。
图2 改良UCT工艺
改良UCT 工艺将UCT 工艺的缺氧反应池分成两部分，一个接受回流污泥，一个进行硝化液回流，这就改良UCT 工艺（工艺流程见图2），改良UCT 工艺解决了回流液中的硝酸盐对厌氧释磷的不利影响，提高了除磷效果。但该工艺由于增加了缺氧池向厌氧池的回流，其运行费用较高，其脱TKN 的效率不到90%
3、改良A2O工艺：
图3改良A2O工艺
为了克服改良UCT 工艺增加了一套回流系统使工艺流程相对复杂的情况，同时避免A2/O 工艺的缺点，将10％左右进水中的有机物进行反硝化去除硝态氮，降低厌氧释磷的不利因素硝态氮。这就是改良A2/O 工艺。该工艺在节省一个回流系统后仍旧达到甚至超越了MUCT，既节省了费用又提高了效率。
4、倒置A2O工艺
图4 倒置A2O工艺
图5多点进水倒置A2O工艺流程
4.1、倒置A2/O 工艺流程
将传统A2/O 工艺的厌氧、缺氧环境倒置过来，污水在缺氧池和厌氧池分段进水，进水量由氮磷的去除程度计算；进入缺氧池的污水和循环污泥，硝化液经充分混合后一起进入缺氧区。污泥中的硝酸盐，残余的溶解氧，在反硝化菌的作用下进行反硝化反映，实现了系统的前置脱氮。污泥经过缺氧反硝化以后进入厌氧区，避免了硝酸盐对厌氧环境的不利影响。在好氧区，有机污染物进一步被降解，硝化菌将污水中存在的氨氮转化为硝酸盐氮，同时聚磷菌利用在厌氧条件下产生的动力进行过度吸磷。
4.2 倒置A2/O 工艺的特点
工艺的特点是缺氧区位于厌氧区之前。脱氮效果好的原因一是污泥回流比大；二是缺氧段位于工艺的首端，反硝化可优先获得碳源。除磷效果好的原因一是污泥回流比大，且所有回流污泥全部经历完整的厌氧（释磷）～好氧（吸磷）过程，排放的剩余污泥含磷更高；二是缺氧区在前，消除了硝酸盐的不利影响；三是厌
氧池在好氧池之前，微生物厌氧释磷后直接进入好氧环境，其在厌氧条件下形成的吸磷动力可以得到更充分利用。参与循环的微生物全部经历了完整的厌氧-好氧过程，具有“群体效应”，因而显著提高了系统的氮磷脱除能力。
5、A+A2/O工艺
图6A+A2/O 工艺
5.1 A+A2/O 工艺流程
该工艺在传统A2/O 法的厌氧池之前设置回流污泥反硝化池，来自二沉池的回流污泥和10%左右的进水进入该池（另90%左右的进水直接进入厌氧池），停留时间为20～30 分钟，微生物利用10%进水中的有机物作碳源进行反硝化，去除回流污泥带入的硝酸盐，消除硝态氮对厌氧池放磷的不利影响，保证除磷效果。该工艺只需在厌氧池中分出一格作回流污泥反硝化池即可。
5.2 A+A2/O 工艺的特点
工艺的特点是两个阶段的污泥分别回流，A段具有很高的有机负荷，在缺氧条件下工作，水力停留时间短，对有机物有快速吸附作用。在A段作用下，A2/O 工艺在较低负荷下运行更加效的脱氮除磷，在运行效率，稳定性及投资运行费用上，都比传统工艺更有优势。
6、Bardebpho及phoredox工艺
Bardebpho工艺见图7。其特点是在AO 脱氮工艺的基础上增设一个缺氧段和一个好氧段，理论上脱氮率能达100%，实际上脱氮效率通常在90%~95%。Bardebpho工艺缺点是不能同时实现高效的脱氮和除磷，往往脱氮效果好于除磷效果，为保证很高的脱氮效率要在二级缺氧池中投加碳源；工艺流程长、反应池多、处理成本较高。
图7 Bardebpho工艺
phoredox工艺见图8。如前所述，4 段Bardebpho工艺虽然有较高的脱氮效率，但除磷效果差，为此phoredox工艺以Bardebpho工艺为基础，在第一缺氧池前增加一个厌氧段，有效地克服了Bardebpho工艺无厌氧段而释磷不充分的缺点。phoredox工艺在除磷效率上优于Bardebpho工艺，但要求进水BOD/TKN 最小值从7.1 提高到9.1，此外还存在磷的再次释放，工艺流程比Bardebpho工艺更复杂，运行成本更高等问题。
图8 Phoredox工艺
7、PASF 工艺
PASF（remove Phosphorus and nitrogen combinedActivated Sludge and bioFilm technology）工艺见图9。
由于A2O 系统要求不同污泥龄的微生物，所以近年来很多研究是将活性污泥法和生物膜法相结合来缓解这一矛盾，对短泥龄的聚磷菌和反硝化菌采用悬浮活性污泥法，而对长泥龄的硝化菌则采用附着生物膜法。通过这种组合解决了自养菌与异养菌在泥龄问题上的矛盾。该工艺分为前后两部分，即第一部分采用普通活性污泥法，主要由厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池组成；第二部分采用生物膜法，一般采用曝气式生物滤池（BAF）。PASF 工艺的最大优点是改变了传统A2O 工艺中多种不同生物种类杂处的情况，使异养和自养生物分别处于不同的反应器内，为各自生长提供了良好的条件；PASF 工艺的缺点是采用了回流比很大的外回流，使沉淀池的体积增大，基建成本增加
图9 PASF工艺