污水处理技术：好氧、缺氧、厌氧详解，A/O法除磷脱氮

污水生物治理技术根据微生物呼吸方式不同，分为：厌氧技术、缺氧技术、好氧技术。这三种技术中，好氧技术又是污水治理的核心，为了把这三种技术在实践中工程化，出现了多种工艺路线，其主要以几何形状、运行参数及微生物状态不同而加以区分。除简单沿用普通活性污泥法、生物膜法及其各种变法外，为了降低运行费用，提高出水质，减少基建等项目费用，还进行了各种污水处理方法的工艺组合。

目前，污水处理工艺主要有：传统活性污泥法（渐减曝气、分步曝气、完全混合法、浅层曝气、深层曝气），高负荷曝气或变形曝气（克劳斯法、延时曝气、接触稳定法、氧化沟、纯氧曝气），活性污泥生物滤池（ABF工艺），吸附-生物降解工艺（AB法），序批式活性污泥法（SBR法），A/O脱氮工艺，A/O除磷工艺，A²/O脱氮除磷工艺，UCT工艺，VIP工艺，Bardenph工艺，ICEAS/CASS/SAST/CASP/C-Tech，UNITANK工艺，MSBR工艺，膜生物反应器，化学生物絮凝，生物生态处理工艺（人工湿地、浮岛、生态护岸等）。

（1）传统活性污泥法

生物活性污泥法是用好氧生物处理废水的重要方法，它是利用悬浮在废水中人工培养的微生物群体——活性污泥，对废水中的有机物和某些无机毒素产生吸附、氧化分解而使废水得到净化的方法。

活性污泥法的基本流程是：初次沉淀→混合→曝气→二次沉淀。

活性污泥法的净化过程与机理为：①初期去除与吸附作用：活性污泥表面积大，且表面具有多糖类黏质层，污水中悬浮物质和胶体物质是被絮凝和吸附去除的；②微生物的代谢作用：活性污泥微生物以污水中各种有机物作为营养，在有氧的条件下，将其中一部分有机物合成新的细胞物质——原生质，对另一部分有机物进行分解代谢，即氧化分解以获得合成新细胞所需要的能量，并最终形成二氧化碳和水等稳定物质；③絮凝体的形成与凝聚沉淀：多使用重力沉淀法使菌体从水中分离出来。

（2）A/O法 A/O法属于分段生物脱氮除磷工艺。生物脱氮主要是通过系统中发生的一系列生化反应：首先通过硝化反应即一些化能自养的微生物如硝化细菌和亚硝化细菌，将废水中的氨氮氧化成硝酸盐，再经过反硝化过程即一些兼性异养微生物如反硝化细菌将硝酸盐还原为氮气，达到脱氮同时去除COD_cr的目的。生物除磷则是利用某些嗜磷细菌，在厌氧条件下，通过生物转化作用释放磷，而在好氧条件下，这些嗜磷细菌又可以过量摄取废水中的磷，并以剩余污泥的形式从系统排出磷，达到除磷的目的。

A/O法是Anoxic/Oxic（缺氧/有氧）或Anerabic/Oxic（厌氧/好氧）工艺的缩写，是为污水生物除磷脱氮而开发的污水处理技术。在生物脱氮过程中，由于反硝化菌是异养性细菌，要有充足的碳源作为生命活动的能源，完成反硝化过程；而污水经过好氧硝化反应后，水中的有机物浓度已经很低，不能满足反硝化的需要，因此，传统的生物脱氮除磷工艺在缺氧单元前投加甲醇，以弥补有机碳源。目前典型的A/O工艺是把缺氧单元提前到好氧单元前，利用进水中的有机物作为碳源，称之为前置反硝化流程，通过混合液回流把硝酸盐和亚硝酸盐带入缺氧单元（图6-20）。

图6-20 A/O法脱氮工艺

A/O法具有以下特点：①工艺成熟、流程简单、运行稳定；②前置反硝化，脱氮效率较高，出水水质好；③连续进水、出水，水头损失低，自控系统简单，运行操作简便；④生物池设计灵活，占地面积较小，充氧效率高；⑤微孔鼓风曝气，能耗省；⑥污泥回流需用泵提升；⑦抗冲击负荷的能力不如SBR工艺及氧化沟工艺；⑧设备数量多，维护管理要求较高，对操作管理人员的专业素质要求较高。

（3）A²/O法 为了达到同时除磷脱氮的目的，在A/O法基础上形成了A²/O法，其工艺如图6-21所示。A²/O法就是在A/O脱氮工艺的缺氧池前增设了一厌氧区，沉淀池的回流污泥和进水首先进入厌氧区进行磷的厌氧释放，然后再进入缺氧区。好氧区具有硝化功能，好氧区的混合液回流到缺氧区，使之反硝化脱氮。

图6-21 A²/O法工艺示意图

A²/O法除具有A/O法的基本特点外，还可以同时除磷，处理深度大于A/O法，但A²/O法前期投资大，除磷效果不稳定。由于A/O、A²/O法是在普通活性污泥法的基础上发展起来的，因而用于生物法处理的老污水处理厂的改造也较容易。我国对A/O、A²/O法也作了很多研究，主要用于处理焦化废水和煤气废水。

（4）倒置A²/O法 倒置A²/O法就是在常规A²/O法基础上停止内回流，加大污泥回流比而发展起来的。然而与常规A²/O法相比，它有如下特点：首先，参与释磷和吸磷过程的回流污泥量增加，并且经过释磷后的聚磷菌直接进入好氧环境，吸磷动力得到充分利用；其次，缺氧区在工艺前端，反硝化菌优先获得易降解有机物作为碳源，反硝化速率提高；最后，污泥回流系统与内回流系统合二为一，流程简捷，节省运行费用，其工艺流程图如图6-22所示。

图6-22 倒置A²/O法工艺流程图

（5）五级Bardenpho法 据处理的要求和废水的水质情况，在A/O或A²/O法的基础上增加缺氧、好氧反应池的级数，强化处理效果，如五级Bardenpho法（图6-23），脱氮效率可以达到90%，出水总氮浓度不超过3mg/L，缺点是水力停留时间较长。

图6-23 五级Bardenpho法工艺

（6）UCT法 在A/O或A²/O工艺的基础上改变混合液的回流方式或系统的进水方式，如南非开发的UCT工艺（图6-24），采用两股混合液回流。在传统的好氧池混合液回流的基础上，又增加了由缺氧池至厌氧池的混合液回流，由于缺氧池中的反硝化作用已大大降低了池内NH₃-N的浓度，这样就可以避免缺氧池回流液携带的NH₃-N浓度过高而破坏厌氧池的厌氧状态，影响除磷效果。为了避免缺氧池和好氧池两股回流液由于短流造成的交叉干扰，改良UCT（图6-25）又将缺氧池一分为二，提高除磷效果。

图6-24 UCT工艺

图6-25 改良UCT工艺

（7）百乐克（BIOLAK）法 百乐克（BIOLAK）污水处理系统（又称悬挂链曝气工艺）是一种高效的生化处理系统，采用低负荷活性污泥工艺，通过生化方法有效降解COD及BOD₅，并且能够通过波浪式氧化工艺对氮、磷进行高效去除。百乐克法乐克曝气头悬挂在浮动链上，浮动链被松弛固定在曝气池两例，每条浮链可在池中的一定区域中运动。在曝气链的运动过程中，自身的自然摆动就可以达到很好的混合效果，节省了混合所需的能耗。百乐克工艺实际是由多级A/O工艺组成，只是曝气设备和方式不同，其工艺如图6-26所示。

图6-26 百乐克法工艺

百乐克（BIOLAK）工艺广泛适用于市政废水和工业废水的处理。在我国建成比较早的百乐克工艺城市污水处理厂是山东招远污水处理厂，其处理规模为2×10⁴t/d。百乐克工艺具有以下特点：①技术先进，处理效果好，出水稳定；②有效的曝气系统、节省动力消耗；③采用多级A/O系统，脱氮效果好；④设置生物脱磷区；⑤相对投资较低；⑥简单而有效的污泥处置；⑦操作简单、维修方便；⑧土地利用紧凑；⑨曝气时间相对较长。

（8）Phostrip法 由于脱氮和除磷的工艺要求不同，脱氮需要低负荷、长泥龄，而除磷则正好相反，因此，为了克服在同一体系脱氮除磷的矛盾，出现了一些旁流除磷工艺。Phostrip法（图6-27）的关键是在常规的好氧活性污泥工艺中增设了厌氧放磷池和化学沉淀池，将生物和化学除磷结合起来，一部分回流污泥被分流到专门的除磷池进行磷的释放。含磷的上清液再通过石灰混凝沉淀处理。大部分磷以磷酸钙的形式沉淀去除，由于旁流除磷，所以工艺耐冲击负荷，缺点是工艺流程复杂，运行管理不便。

图6-27 Phostrip法工艺

（9）Dephanox法 Dephanox法的特点是在厌氧池与缺氧池之间增设一中间沉淀池和固定膜反应池，中间沉淀池的上清液在固定膜反应池进行硝化（图6-28）。固定膜反应池的作用一方面是避免由于氧化作用而造成有机碳源的损失，另一方面，稳定系统的硝酸盐浓度。这样，被沉淀的污泥与固定膜反应池生成的硝酸盐一起进入后续的缺氧反应池，同时进行反硝化和摄磷。(www.xing528.com)

图6-28 Dephanox法工艺

（10）AB法 AB法工艺由德国BOHUKE教授首先开发。该工艺将曝气池分为高低负荷两段，各有独立的沉淀和污泥回流系统。高负荷段（A段）停留时间约20～40min，以生物絮凝吸附作用为主，去除BOD达50%以上。B段与常规活性污泥法相似，负荷较低，泥龄较长（图6-29）。

图6-29 AB法工艺

AB法A段效率很高，并有较强的缓冲能力，B段起到出水把关作用，处理稳定性较好。对于高浓度的污水处理，AB法具有很好的适用性，并有较高的节能效益。尤其在污泥处理采用消化和沼气利用工艺时，优势最为明显。AB工艺可以比传统活性污泥法节省工程投资15%～25%，节省占地10%～15%，降低运转费15%～25%，具有高效低耗、运行稳定、使用灵活和对旧工艺改造方便等优点。与此同时，AB法也存在不少问题：污泥产量较大，对于污水浓度较低的场合，B段运行较为困难，也难以发挥优势。AB法工艺对运行管理有较高的要求，尤其是污泥厌氧消化和沼气利用部分，目前国内成功运行的不多。

（11）序批式活性污泥法 序批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor，SBR工艺），是一种将初沉、反应和二次沉淀各工序放在同一反应器中进行，提供一种时间顺序上的污水处理。整个处理过程分为进水、反应、沉降、出水、闲置五个时期，具有构筑物简单、投资省、操作灵活、管理方便等优点。

（12）CASS法 CASS（Cyclic Activated Sludge System）工艺是序批式活性污泥法的改良技术，又称循环式活性污泥系统。CASS系统是一个间隙式反应器，在此反应器中活性污泥法过程按曝气和非曝气阶段不断地重复进行，将生物反应过程和泥水分离过程在一个池子中进行。

CASS法是一种“充水和排水”活性污泥法，废水按一定周期循环处理。CASS法每一个循环由下列各阶段组成：充水/曝气，充水/沉淀，撇水，闲置。CASS法的池子分三个区，即选择区、兼氧区、主曝气区。在选择区中，废水中的溶解性有机物质能通过酶反应机理而迅速去除，选择区以恒定容积，也可以变容积运行，多池系统的进水配水池也可用作选择区，回流污泥中的硝酸盐可在此选择区中得到反硝化，选择区的最基本功能是防止产生污泥膨胀，兼氧区内微量曝气，亦可调节为非曝气区进行缺氧除磷，主曝气区主要进行降解有机物和硝化，同时也进行着硝化-反硝化过程。仅经过CASS池、污水COD_cr、BOD₅、SS的去除率就分别达到79%、90%、89%。

与其他系统相比，CASS工艺具有操作简便、灵活和可靠的特点，它主要由生物选择器和可调容积式反应器两部分组成，在同一构筑物内完成生物降解、除磷脱氮、固液分离过程。该工艺充分利用了微生物生长的选择机理，减少了丝状菌的产生，同时提高了除磷脱氮的效率，从而可提高出水质而不增加运行费用。CASS工艺流程如图6-30所示。

（13）MSBR法 MSBR（Modified Sequencing Batch Reactor）是改良式序列间歇反应器，是根据SBR技术特点，结合传统活性污泥法技术研究开发的更为理想的污水处理系统。

1）MSBR法的机理为：原污水经格栅、沉砂池等预处理设施处理后首先进入厌氧池，同回流污泥混合并完成微生物的释磷后，混合液进入主曝气池。主曝气池是连续曝气供氧，在好氧环境中，微生物进行过量吸磷，同时在主曝气池完成有机物的降解和氨氮的硝化。然后混合液分别进入两个序批池SBR1和SBR2。SBR1和SBR2交替地充当反应池和沉淀池而处于反应阶段和沉淀出水阶段。反应阶段可以设置为缺（厌）氧搅拌、好氧曝气和静止沉淀三个过程，在此阶段完成脱氮过程。当SBR1处于反应阶段的前两个过程时，开启回流泵，形成“主曝气池-SBR1-泥水分离池缺氧池-厌氧池（泥水分离池的上清液回流到主曝气池）”的污泥回流，回流混合液流经SBR1时，经历了缺氧搅拌和好氧曝气阶段，进行反硝化及进一步硝化，然后混合液进入缺氧区进一步反硝化，随后进入泥水分离池进行沉淀，经过泥水分离后，浓缩污泥进入厌氧池与原污水混合。而含硝酸盐氮的上清液被泵送入主曝气区。当SBR1进行上述反应时，SBR2处于沉淀出水状态，主曝气池的混合液以进水流量进入SBR2，在SBR2中沉淀下来的污泥在池底形成一个污泥悬浮层，对污水混合液起到过滤的作用，为污水经污泥层过滤后流出系统（图6-31）。

图6-30 CASS法工艺流程框图

图6-31 MSBR工艺

2）MSBR系统具有以下特点：①与其他生物除磷脱氮工艺相比，结构简单紧凑、占地面积小、土建造价低、自动化程度高；②MSBR系统中的微生物完整地经历了厌氧、好氧、缺氧、沉淀四个阶段，除磷脱氮效果更好，有机物降解更为完全；③MSBR系统独特的构造和流程安排为所需的优势菌种提供了最佳的生长环境，使系统处于高效运行状态，污泥产率较低。

（14）奥贝尔（Orbel）氧化沟法 氧化沟（Oxidation Ditch）又名氧化渠，因其构筑物成封闭的沟渠而得名。氧化沟法是活性污泥法的一种变形，20世纪50年代始于荷兰，现广泛应用于世界各地。氧化沟法基建费用低、运行管理简单、处理效果好、耐冲击负荷大、可除磷脱氮。目前，应用到城市污水处理的氧化沟系列主要有卡鲁塞尔（Carrousel）型、奥贝尔（Orbel）型、双沟（D型）、三沟（T型）氧化沟。

奥贝尔（Orbel）氧化沟是氧化沟类型中的重要形式，此法起初是由南非的休斯曼构想，南非国家水研究所研究和发展的。随着高性能曝气转刷和转碟的开发应用，奥贝尔（Orbel）型氧化沟的应用更加广泛，一度成为我国城市污水处理的首选工艺。该工艺流程如图6-32所示。

图6-32 奥贝尔（Orbel）氧化沟工艺流程框图

（15）UNITANK（一体化活性污泥法） UNITANK法的思想、池子布置和运行方式与三沟式氧化沟相类似，但在池体构型、曝气方法、出水方式等方面有所不同。UNITANK法一般由一矩形池子组成，内分三格，三格在水力上是连通的。池子外侧的两格即第一格和第三格交替作为曝气池和沉淀池，第二格则始终作为曝气池。在每一格池子中设置曝气装置，可以为表面曝气设备，也可以是鼓风曝气系统。在第一格和第三格中另需设置周边出水堰。由于受池子沉淀功能（即需要一定的池子表面积）的制约，一般一组UNITANK法的处理能力在20000m³/d左右。

UNITANK法采用矩形池形式，不需另设沉淀池，将生物处理和沉淀系统合为一体，布置紧凑，节省占地。在设备方面，该工艺省去了刮泥桥和污泥回流系统，采用固定堰槽出水，避免了水位损失和机械故障。此外，采用微孔曝气时有一定的节能效果。UNITANK法也有不足之处：活性污泥浓度有所降低、泥水分离较难、工艺管道系统布置较为复杂、对管理操作的要求较高。

（16）膜生物反应器 膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor，MBR）是由生物处理系统和膜分离组件组合而成的一种新型高效的污水处理与资源化工艺。生物处理系统和膜分离组件的有机结合，使它与传统的废水生物处理方法相比有很大的优越性：污染物去除效率高，处理出水水质好（可去除细菌及病毒），可直接回用，污泥产率低，易于实现自动控制，操作管理方便等，而且MBR在城市污水和工业废水处理与回用等方面得到了应用。

MBR对有机物的去除效果来自两个方面：一方面是生物反应器对有机物的降解作用，MBR系统中生物降解作用增强；另一方面是膜对有机大分子物质的截留作用，大分子物质被截留在生物反应器内，获得比传统活性污泥法更多与微生物接触反应的时间，并有助于某些专性微生物的培养，提高有机物的去除率。

膜生物反应器的核心部件是膜组件，从材料上可以分有机膜和无机膜两大类；从构型上可以分为管式、框板式、卷式和中空纤维式；按膜过滤驱动方式分为压力式和抽吸式；根据膜组件设置的位置不同，MBR可分为一体式和分置式两种（图6-33和图6-34）。

图6-33 一体式膜生物反应器

图6-34 分置式膜生物反应器

（17）EM法 EM（Effective Microorganisms，有效微生物群）技术治理废水是利用生物工艺学将自然界中主要的五大类有益菌（包括光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革兰氏阳性放线菌群及发酵系的丝状菌群）有机地集合在一起，形成一个强大的功能群体，相互作用，相互促进，生成稳定而复杂的生态系统，并抑制有害微生物的生长繁殖，生成多种抗氧化物质，提高物体的生理活性机能。

激活后的EM经过驯化后在污水中迅速生长繁殖，能快速分解污水中的有机物，同时依靠相互间共生增殖及协同作用，代谢出抗氧化物，生成稳定而复杂的生态系统，并抑制有害微生物的生长繁殖，抑制含硫、氮等恶臭物质产生的臭味，激活水中具有净化水功能的原生动物、微生物及水生植物，通过这些生物的分解代谢、合成代谢使废水中的有毒、有害物质分解成水和二氧化碳等，最终使废弃物、泥浆和污泥基本消除，从而达到净化废水的目的。