A2/O是目前城市污水脫氮除磷的主流工藝，其將脫氮與除磷進行了有機結合，并取得了較好的效果。典型A2/O工藝中的生物反應池（厭氧、缺氧和好氧池）均采用推流式，從而形成相應的濃度梯度，以保證污泥中各功能菌（聚磷菌PAO、硝化菌和反硝化菌等）在反應池中充分發揮功能。隨著對各功能菌增殖動力學及反應動力學的深入研究發現，對于城市污水而言，相應基質濃度下，功能微生物（尤其是硝化菌）的基質飽和常數較小，其增殖和降解速率與基質濃度相關性很小，因此其他池型的反應器開始出現在A2/O工藝中。其中，結構簡單、機械設備少、易于維護的氧化溝形式的反應器成為首選，即采用氧化溝型反應器替代A2/O中的推流式反應器，形成了氧化溝型A2/O工藝。氧化溝型A2/O工藝繼承了A2/O和氧化溝兩個工藝的優點，不僅厭氧、缺氧、好氧各區明確，工藝靈活，而且通過內回流和外回流可控制整個系統的脫氮除磷效率。丹麥的Kruger公司首先將氧化溝引入A2/O工藝，其后將Bardenpho工藝中的好氧池改為氧化溝。2008年建成的西安市第四污水處理廠，其A2/O工藝的厭氧池和缺氧池均采用氧化溝。當A2/O工藝中全部生物反應器均采用氧化溝時，稱之為全程氧化溝型A2/O工藝；當A2/O工藝中的一個或兩個反應池采用氧化溝時，稱之為部分氧化溝型A2/O工藝。一般認為，部分氧化溝型A2/O工藝中至少好氧池采用氧化溝時，才可稱之為氧化溝型A2/O工藝。

針對西安市某污水廠氧化溝型A2/O工藝，筆者通過測定污泥的硝化速率和除磷速率，探討其處理污水的效果及脫氮除磷性能，同時利用熒光原位雜交技術（FISH）測定污泥中的聚磷菌和硝化菌等功能微生物，以此評價氧化溝型A2/O工藝的性能，旨在為該工藝的推廣應用提供科學依據。

1、材料與方法

1.1 工程簡介

西安市某污水處理廠一期工程設計規模為4×104m3/d，采用兩座并行的氧化溝型A2/O工藝，如圖1所示。厭氧池水力停留時間（HRT）為1.5h，缺氧池為5.7h，好氧池為8.3h，總水力停留時間為15.5h，污泥齡為20d。厭氧池為多級串聯攪拌池，缺氧池為循環跑道式氧化溝，好氧池為Carrousel氧化溝，曝氣方式為微孔曝氣，曝氣區與非曝氣區的比值為4∶6，水深為6m。

1.2 檢測項目及方法

NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定；PO3-4-P采用鉬銻抗分光光度法測定；TP采用過硫酸鉀消解法測定；NO3-N和TN采用紫外分光光度法測定；MLSS和MLVSS采用重量法測定。

硝化速率的測定：硝化速率采用氧吸收速率法進行測定。在好氧池中取一定量混合液，充分曝氣（6h），然后分別取1000mL置于三個配有攪拌器和溶解氧測定儀的完全混合式反應器中，記錄各反應器內溶解氧隨時間的變化，以此計算各反應器的氧利用速率（OUR）。1號反應器沒有添加任何基質，作為基準反應器，用于測定微生物的內源呼吸速率（ERR）；2號反應器中加入NH4Cl（20mg/L）和NaClO3（0.02mol/L），用于測定氨氧化速率（AUR）；3號反應器中加入NaNO（220mg/L），用于測定亞硝酸鹽氧化速率（NUR）。相關計算見式（1）~（3）。

式中：OUR1、OUR2、OUR3分別為1號、２號、3號反應器的氧利用速率。

釋磷和吸磷速率的測定：活性污泥釋磷和吸磷速率采用間歇實驗法測定。從氧化溝取1000mL污泥置于完全混合式反應器中，曝氣1h，然后用經脫氧處理的自來水淘洗兩次，加入無水乙酸鈉（100mg/L，以COD計），通入氮氣以保證反應器處于厭氧狀態，厭氧反應時間為4.5h。關閉氮氣，開始曝氣（空氣流量為60L/h），保持反應器內DO濃度在2mg/L以上，好氧反應時間為5h。在不同時間點取樣，測定磷酸鹽和乙酸濃度，實驗結束后測定混合液的MLVSS，依據磷和乙酸濃度的歷時變化，計算污泥的厭氧釋磷速率、乙酸吸收速率、吸收單位乙酸的釋磷量和好氧吸磷速率。

熒光原位分析：FISH分析采用Aumman等的方法。探針的16SrRNA序列及目標微生物見表1。雜交完成后利用激光共聚焦顯微鏡確定經熒光探針雜交的目標細菌數占同一顯微鏡視野中微生物數的百分比。

2、結果與討論

2.1 氧化溝型A2/O工藝的脫氮除磷效果

該污水處理廠自2013年投入運行以來，各項水質指標均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準。自2018年7月開始試行《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）Ⅳ類水排放標準。2018年10月—2019年2月期間，該氧化溝型A2/O工藝及同時期西安市已運行A2/O工藝的主要進出水水質見表2。可以看出，兩種工藝出水COD、NH4+-N和TP濃度分別小于30、3和0.3mg/L，均達到了地表水準Ⅳ類水質的要求。而對于出水TN，氧化溝型A2/O工藝和典型A2/O工藝對TN的去除量分別達到40.05和36.06mg/L。可見，氧化溝型A2/O工藝和A2/O工藝對有機物和磷的去除效果相當，但前者對TN的去除量高于后者，表明氧化溝型A2/O工藝更具脫氮優勢。

2.2 氧化溝型A2/O工藝脫氮性能評價

典型水質條件下，氧化溝型A2/O工藝中各操作單元出水氮磷組分的沿程變化如圖2所示。可知，進水TN為37.64mg/L，由于污泥回流的稀釋作用（污泥回流比為90%），厭氧池出水TN為22mg/L。缺氧池內，由于混合液回流稀釋和反硝化作用，TN降至12.52mg/L。由于硝化作用，好氧池出水氨氮濃度由9.78mg/L降為3.45mg/L，減少了6.33mg/L；而硝態氮由2.50mg/L升高為5.24mg/L，僅增加了2.74mg/L，氨氮的降低與硝態氮的增加嚴重不匹配。同時，總氮由12.52mg/L降至8.78mg/L，說明好氧池存在同步硝化反硝化反應，其對TN的去除貢獻率為41.77%。這一特征類似于氧化溝中的脫氮過程，是氧化溝型A2/O工藝與典型A2/O工藝的區別。

氧化溝型A2/O工藝與典型A2/O工藝存在差異的原因主要與曝氣方式有關。氧化溝型A2/O工藝中好氧池采用微孔曝氣，曝氣器采用集中分組布置，曝氣區與非曝氣區的比值為4∶6，而典型A2/O工藝中好氧區全部為曝氣區，這為進行同步硝化反硝化創造了條件。為保證混合液在氧化溝中的循環，必須設置推流器，該污水處理廠每座Carrousel氧化溝設置8臺5kW大葉輪（直徑為2.5m）旋流推進器，折合功率為5.7W/m3，小于一般氧化溝中的推進功率，但并未發生污泥沉淀，說明部分微孔曝氣氧化溝中的流態更有利于污泥懸浮。部分曝氣使得氧化溝中污泥絮體的體積明顯大于典型A2/O工藝中好氧池的，為氧化溝中的同步硝化反硝化創造了條件，依據沿程氮的變化進行氮平衡分析，好氧段氧化溝對總氮的去除貢獻率為20%~40%。

氧化溝型A2/O工藝中的內回流（混合液回流）可利用好氧池出水口與缺氧池進水口之間的液位差自動回流，由于回流水渠的橫斷面設計較大（寬×深=1.5m×5.8m），即使在最小混合液回流速度下（過流阻斷閥門關閉，此時的實測流速為0.148m/s），混合液回流比也高達550%。當達到最大流速時（過流阻斷閥門打開，此時的實測流速為0.177m/s），混合液回流比為650%，即使如此，混合液在回流水渠中仍存在污泥沉淀的風險，需定期進行清理。這一內回流比遠高于目前A2/O工藝的內回流比（一般為300%），但遠低于缺氧好氧一體式氧化溝的回流比。目前有關氧化溝型A2/O工藝的內回流比尚無相關規范，但與典型A2/O工藝相比，氧化溝型A2/O工藝的內回流比明顯偏大，從而造成缺氧池溶解氧濃度較高，一般為0.2mg/L，局部高達0.5mg/L，使得缺氧池的脫氮效率降低。因此，如何通過合理的工程措施降低內回流比、減少由于內回流帶入缺氧池的溶解氧、提高缺氧池的脫氮效率，是未來推廣應用需要解決的問題。

圖3為氧化溝型A2/O工藝污泥硝化活性的變化。可知，氧化溝型A2/O工藝污泥的硝化性能良好，AOB的活性最高為1mg/（gVSS·h），最低為0.80mg/（gVSS·h），平均為0.90mg/（gVSS·h）；NOB的活性最高為1.57mg/（gVSS·h），最低為1.34mg/（gVSS·h），平均為1.48mg/（gVSS·h），NOB平均活性約為AOB平均活性的1.64倍。而同時期的A2/O工藝中，AOB和NOB的平均活性分別為0.61mg/（gVSS·h）和1.93mg/（gVSS·h），NOB平均活性約為AOB平均活性的3.16倍，這說明氧化溝型A2/O工藝中的硝化活性和A2/O工藝相當。隨著生物反應池溫度的降低，AOB和NOB活性比較穩定，說明氧化溝型反應器對溫度有較好的適應性。

2.3 氧化溝型A2/O工藝除磷性能評價

氧化溝型A2/O工藝中磷酸鹽的沿程變化表明，進水PO3-4-P濃度為4.09mg/L，由于污泥回流的稀釋作用，厭氧池實際進水濃度約為2.15mg/L，而厭氧池出水PO3-4-P濃度為5.11mg/L，說明存在著明顯的釋磷現象，經缺氧處理后，由于混合液的稀釋和反硝化聚磷作用，出水PO3-4-P濃度大幅降低，經好氧處理后PO3-4-P濃度小于0.5mg/L，說明氧化溝型A2/O工藝的除磷特性與A2/O工藝相同。

國際水協會推薦的《生物除磷設計與運行指南》提出，釋磷和吸磷速率是評價生物除磷系統的重要參數，若釋磷或吸磷速率3mg/（gVSS·h），則除磷能力處于較差水平；釋磷或吸磷速率在3~7mg/（gVSS·h），則除磷能力較好；釋磷或吸磷速率>7mg/（gVSS·h）時，則除磷能力極好。通過對該污水處理廠污泥的厭氧釋磷速率、好氧吸磷速率和乙酸吸收速率進行測定，發現氧化溝型A2/O工藝有較好的除磷特性（見圖4），污泥厭氧釋磷速率最高為7.68mg/（gVSS·h），最低為5.16mg/（gVSS·h），平均為7.13mg/（gVSS·h）。好氧吸磷速率最高為6.39mg/（gVSS·h），最低為2.74mg/（gVSS·h），平均為5.58mg/（gVSS·h）。而在同時期西安已運行的A2/O工藝中，平均厭氧釋磷和好氧吸磷速率分別為7.32mg/（gVSS·h）和6.16mg/（gVSS·h），表明氧化溝型A2/O工藝的釋磷、吸磷活性與A2/O工藝相當。

雖然氧化溝型A2/O工藝污泥中聚磷菌的活性及含量與典型A2/O工藝差異不大，但實際上好氧池出水磷濃度卻較后者略高，即氧化溝型A2/O工藝的除磷能力較典型A2/O工藝低。出現該現象的原因尚不清楚，但由于氧化溝型A2/O工藝內回流比較高，使得缺氧池和好氧池的流態接近于完全混合式，導致部分聚磷菌在缺氧池和好氧池中的停留時間過短，或部分停留時間過長，而無論停留時間過長或過短都將導致聚磷菌的增殖發生缺陷，造成除磷能力下降，使出水總磷濃度超標。為了使出水總磷滿足地表水準Ⅳ類標準，該污水廠采用在生物池出水中投加除磷劑，保證出水水質滿足排放要求。

2.4 污泥中功能菌的群落結構

典型污泥樣品中功能菌（硝化菌、聚磷菌和聚糖菌）的菌群結構分析結果表明，在硝化菌構成中，NOB的數量明顯高于AOB，前者占總細菌（EUB）的比例為4.69%，而后者的占比為2.99%，這一結果與城市污水處理廠營養物去除系統中的種群結構相似。較高的NOB數量導致NOB的活性高于AOB，這一結果與硝化活性的測定結果相一致，正是由于較高的NOB占比，保證了NOB較高的活性，從而確保了出水NO2--N濃度處于極低的水平。

污泥中可檢測到大量聚磷菌，其占總細菌的比例約為10%。較高的聚磷菌比例使得該污水廠污泥具有較好的釋磷和吸磷活性。同時，檢測發現污泥中聚糖菌（GAO）的比例很小（<0.5%），說明該污水廠厭氧池的性能良好。在線ORP測定儀顯示，ORP值小于-250mV，較低的ORP為聚磷菌厭氧釋磷和吸收揮發性脂肪酸創造了較好的條件，從而導致GAO的競爭力下降，這一結果也與釋磷和吸磷速率的測定結果相一致。

3、結論

氧化溝型A2/O工藝具有較高的脫氮除磷性能，總氮去除率高于A2/O工藝，而磷的去除能力與A2/O工藝相當。其好氧池存在明顯的同步硝化反硝化現象，這是該工藝脫氮效率高的原因。氧化溝型A2/O工藝中的聚磷菌含量、活性和除磷能力與典型A2/O工藝相近，其作為一種新工藝具有推廣應用的價值。（來源：西安污水處理有限公司，西安建筑科技大學環境與市政工程學院）