AAO工艺的反硝化菌与聚磷菌的同胞竞争关系

壹

早期的污水处理工艺，BOD被视为一种污染物。活性污泥法即以去除BOD为主要目标，随后逐渐发展出以去除BOD为基础的脱氮除磷工艺。

在以脱氮除磷为核心的工艺中，BOD却实现了“华丽转身”，从被需要清除的“污染物”转变为宝贵的“资源”。往日的专家们致力于将BOD从污水中彻底去除；如今，则千方百计减少外部BOD（以下统一称为碳源）的投加，甚至为此绞尽脑汁。例如：近期备受关注的AOA工艺，可在不外加碳源的情况下实现深度脱氮，据称除磷率也能达到90%。又如：短程反硝化等新技术，核心目标之一正是节约碳源。很多新工艺的卖点，都是打着能节约碳源的旗号，大行其道；如果不懂得原理，只能跟着随波逐流，当作小白鼠，成为试验品。

贰

《室外排水设计标准》是以总结行业内的经验而推广的国标，对于同步脱氮除磷的要求是：BOD?/TKN≥4才能有效脱氮，BOD?/TP≥17才能实现良好除磷。可见无论是脱氮还是除磷，碳源都不可或缺，堪称污水处理的“香饽饽”。

广义的AAO工艺（Anaerobic-Anoxic-Oxic），不单单是指出AAO工艺本身，包括空间上延伸的具备脱氮除磷的不同池形名称，如氧化沟、卡鲁塞尔等，还包括时间上具备的AAO状态工艺，例如：SBR等。

再次重申，他们的共同点是需要碳源。

【有一座污水处理厂，1000吨/天，平均进水TN为40 mg/L，平均进水TP为4mg/L；平均出水TN为8mg/L，平均TP为0.2mg/L。】

【1】从脱氮原理与理论计量关系来看，去除1mg总氮，反硝化过程约需2.86mg BOD。若计入微生物自身合成所需，工程实际中通常需要3~5mg BOD。进水总氮为40 mg/L，则理论上约需114 mg/L的BOD才能满足生物脱氮需求。

【2】那么除磷需要多少BOD呢？ 

理论计算表明，释放1mg磷需消耗15~20mg BOD。

在AAO等同步脱氮除磷工艺中，反硝化菌与聚磷菌会竞争碳源。从典型城镇生活污水浓度来看，若同时追求深度脱氮与深度除磷，碳源往往严重不足。

叁

这场碳源争夺战中，反硝化菌与聚磷菌谁会胜出？ 

在《城市污水生物脱氮除磷处理设计规程》（CECS 149：2003）【该规程已经废止】，对于厌氧有明确的定义：污水生物处理工艺中，没有溶解氧和硝态氮的环境状态。

旧规范将厌氧区定义为“无溶解氧且无硝态氮”的环境。“无溶解氧”是为了让聚磷菌充分释磷；“无硝态氮”则是为了防止反硝化菌优先利用碳源，导致聚磷菌因碳源不足而影响后续吸磷能力。为此，早期工艺常在厌氧区前设置预硝化区，以消除回流污泥中的硝酸盐，避免其在厌氧区与聚磷菌争抢碳源。这似乎表明，反硝化菌的竞争力强于聚磷菌。

但事实果真如此吗？ 非也。

我们曾开展一项生产试验：将经过生物处理的活性污泥连续分流至两个池中，A池投加碳源（乙酸钠）作为试验，B池不投加作为对照。

 

结果发现，聚磷菌的竞争力实际远高于反硝化菌。

 

在同样接近厌氧的环境中，结果有三类：

一是聚磷菌获得碳源而释放磷，试验组出水总磷迅速提高，明显高于对照组；

二是反硝化菌明显没有获得碳源而进行反硝化，试验组与对照组没有明显的变化；

三是试验组与对照组的COD没有明显的变化，说明了投加的碳源被消耗殆尽。

总之，试验得出的结论没有具备普遍性，与规范的经验描述相反，此处保留争议结论。

【《室外排水设计标准》GB50014-2021之条文说明：生物脱氮和除磷都需要有机碳，在有机碳不足，尤其是溶解性可快速生物降解的有机碳不足时，反硝化菌和聚磷菌争夺碳源，会竞争性地抑制放磷。】

肆

那么，反硝化菌与聚磷菌究竟谁消耗的碳源更多？ 

【有一座污水处理厂1000吨/天，平均进水TN为40 mg/L，平均进水TP为4mg/L；平均出水TN为8mg/L，平均TP为0.2mg/L】

从前述推算可知，脱氮所需BOD约为114 mg/L，除磷所需BOD约为60-80 mg/L，表面看来脱氮消耗更多碳源。但实际情况更为复杂。

反硝化菌的碳源消耗取决于进水总氮量，总氮主要通过出水排出和转化为氮气去除。 

磷的去除要复杂得多。聚磷菌的碳源消耗则与整个污泥系统的含磷量相关。案例：规模为1000吨/天，进水TP4 mg/L、出水TP0.2 mg/L，每天去除的总磷包括出水带出（0.2 mg/L，占5%）和剩余污泥排出（95%）。在污泥龄为10天的AAO活性污泥法中，每天排放的剩余污泥为系统污泥总量的10%，也就是说排出系统的磷占污泥系统的总磷数量的10%（也就是3.8 kg），换句话说：回流的污泥含磷总量占比90%（也就是34.2kg）。在理论厌氧环境下，这些磷会充分释放（总磷浓度为34.2mg/L），所摄入BOD高达513-684 mg/L，远高于污水中实际存在的BOD浓度。在理论状态下，这意味着聚磷菌在厌氧区可能完全截留碳源，导致进入缺氧区的碳源严重不足，影响反硝化进行。

肆

如何解决聚磷菌成为“恶霸”一问题？ 

脱氮与除磷实为相互竞争的“冤家”，运行中需创造条件促使二者合理竞争，具体措施包括：

1. 控制厌氧区环境：无需追求绝对厌氧，溶解氧在0-0.4 mg/L范围内亦可。活性污泥絮体较大时，内部可形成厌氧微环境。

2. 控制停留时间：根据进水总磷浓度，使部分聚磷菌充分释磷即可，再通过剩余污泥将磷排出系统。

3. 调整污泥回流路径：将外回流污泥部分引至厌氧区、部分引至缺氧区，根据释磷需求灵活分配。

4. 采用多点进水：将污水分别引入厌氧区和缺氧区，合理分配碳源，可适当减少厌氧区碳源以控制释磷菌数量。

传统观念认为聚磷菌是碳源竞争中的“弱者”，实则其为“强者”，能够优先摄取易降解的挥发性脂肪酸（VFA），留给反硝化菌的常是比较难降解有机物。

实际运行中，除生物除磷外，还可结合化学除磷。不妨进行量化比较：通过化学除磷节约下来的碳源若用于反硝化，整体效益是否更优？这值得进一步测算与分析。