从UCT到改良UCT，污水处理工艺的进阶之路
一、引言
在当今社会，水资源的保护和可持续利用已经成为全球共同关注的焦点问题。随着人口的不断增长和社会经济的快速发展，人类活动对水资源环境造成的压力与日俱增。大量的生活污水、工业废水未经有效处理直接排放到自然水体中，导致水质恶化，水生态系统遭到破坏，严重威胁着人类的健康和生存环境。在这样的大背景下，污水处理领域显得尤为重要，而生物脱氮除磷技术作为污水处理中的关键环节，对于保障水资源环境质量、实现水资源可持续利用具有至关重要的意义。
生物脱氮除磷技术能够通过微生物的代谢作用，将污水中的氮、磷等营养物质转化为无害的物质，从而降低污水对环境的污染。氮和磷是导致水体富营养化的主要因素，过量的氮、磷排放会引发藻类大量繁殖，造成水体缺氧、水质恶化，影响水生生物的生存。因此，有效地去除污水中的氮、磷是保护水资源环境的关键。
然而，随着社会经济的进一步发展以及人们对水环境质量要求的不断提高，传统污水处理工艺逐渐暴露出一些局限性。传统工艺在处理效率、处理效果以及对复杂水质的适应性等方面存在不足，难以满足日益严格的污水处理标准。在此背景下，UCT 及改良 UCT 工艺应运而生。
UCT 及改良 UCT 工艺是污水处理领域的重要创新成果，它们一经出现便受到了广泛关注与研究。深入解析这些工艺，不仅可以帮助我们更好地理解其工作原理和优势，还能为提升污水处理效率、优化污水处理系统提供重要的理论与实践价值。通过对这些工艺的研究和应用，我们有望开发出更加高效、环保、经济的污水处理技术，为解决水资源环境问题提供有力的支持。
二、UCT 工艺原理与核心设计
工艺背景与研发
UCT（University of Cape Town）工艺是由南非开普敦大学研发的生物脱氮除磷技术。当时，南非面临着严峻的水资源短缺和水污染问题，传统的污水处理工艺无法满足当地污水处理的需求。为了解决这些问题，开普敦大学的科研团队经过多年的研究和实践，开发出了 UCT 工艺。该工艺属于 A²/O 工艺的改进类型，它在继承 A²/O 工艺优点的基础上，针对传统工艺存在的问题进行了优化和改进。
核心设计特点
1. 污泥回流路径调整
在传统 A²/O 工艺中，污泥直接回流至厌氧池。这种回流方式存在一定的风险，因为污泥中可能携带硝酸盐，当这些硝酸盐进入厌氧池后，会干扰聚磷菌的释磷过程。聚磷菌在厌氧环境下需要释放磷来吸收低分子有机物，如果厌氧池中存在硝酸盐，会导致聚磷菌优先利用硝酸盐进行呼吸作用，从而抑制了磷的释放，影响了后续的除磷效果。
而 UCT 工艺通过将污泥回流至缺氧池，有效减少了硝酸盐对厌氧段的负面影响。当污泥回流至缺氧池后，其中的硝酸盐会在缺氧环境下被反硝化细菌利用，进行反硝化脱氮反应，从而降低了硝酸盐的含量。同时，该工艺增加了从缺氧池至厌氧池的混合液回流，这一举措不仅为有机物水解提供了溶解性 BOD（生化需氧量），还进一步降低了厌氧段的硝酸盐浓度。溶解性 BOD 为厌氧池中微生物的代谢活动提供了充足的碳源，有利于微生物的生长和繁殖，从而提高了污水处理的效率。
2. 分区功能
厌氧区：在厌氧区环境下，聚磷菌会释放磷，并吸收低分子有机物，为后续的处理过程奠定基础。当污水进入厌氧区后，聚磷菌处于厌氧状态，它们会分解体内储存的聚磷酸盐，释放出磷，并利用释放出的能量吸收污水中的低分子有机物，如挥发性脂肪酸（VFA）等。这些低分子有机物被聚磷菌吸收后，会转化为胞内储存物质，如聚-β-羟基丁酸（PHB）等。厌氧区的环境条件对聚磷菌的释磷和有机物吸收过程至关重要，合适的温度、pH 值和停留时间等因素都能影响聚磷菌的代谢活性。
缺氧区：此区域主要利用碳源进行反硝化脱氮反应，从而实现对氮元素的去除。在缺氧区中，反硝化细菌利用污水中的碳源作为电子供体，将硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气。碳源的种类和浓度对反硝化反应的速率和效果有很大影响，常见的碳源包括甲醇、乙醇、乙酸等。为了保证反硝化反应的顺利进行，需要控制好缺氧区的溶解氧浓度，一般应保持在较低水平，以提供适宜的缺氧环境。
好氧区：好氧区承担着多项重要功能，包括完成 BOD 的去除、进行硝化反应以及实现磷的吸收。在好氧区中，好氧微生物利用溶解氧对污水中的有机物进行分解代谢，将其转化为二氧化碳和水，从而完成 BOD 的去除。同时，硝化细菌在好氧条件下将氨氮氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，实现硝化反应。此外，聚磷菌在好氧环境下会大量吸收磷，将其储存于体内，从而实现磷的去除。好氧区的曝气系统对于维持合适的溶解氧浓度至关重要，曝气不足会导致微生物代谢活动受限，影响处理效果；而曝气过度则会增加能耗。
3. 关键参数
污泥负荷：保持在 0.05~0.15 kgBOD₅/kgMLVSS·d 的范围内。污泥负荷是指单位质量的活性污泥在单位时间内所能承受的 BOD 量。合适的污泥负荷对于维持活性污泥的活性和处理效果至关重要。如果污泥负荷过高，活性污泥中的微生物可能无法及时分解污水中的有机物，导致处理效果下降；而污泥负荷过低，则会造成活性污泥的浪费，增加处理成本。
污泥回流比：控制在 40%~100%之间。污泥回流比是指回流污泥量与进水流量的比值。通过控制污泥回流比，可以调节活性污泥在污水处理系统中的浓度和停留时间。合适的污泥回流比能够保证活性污泥在系统中保持稳定的浓度，提高处理效率。
混合液回流比：好氧区至缺氧区的混合液回流比处于 100%~400%。混合液回流的目的是将好氧区中的硝酸盐和亚硝酸盐输送至缺氧区，为反硝化反应提供氮源。合适的混合液回流比能够保证反硝化反应有足够的氮源，同时避免回流比过大导致能耗增加。
停留时间：厌氧区的停留时间为 1~2 小时，缺氧区为 2~3 小时，好氧区为 6~14 小时。停留时间是指污水在各个处理区域内的停留时间，它直接影响着微生物的代谢活动和处理效果。不同的处理区域需要不同的停留时间，以满足微生物的生长和代谢需求。例如，厌氧区需要较短的停留时间，以保证聚磷菌能够及时释放磷；而好氧区则需要较长的停留时间，以确保有机物的充分分解和硝化反应的完成。
三、改良 UCT 工艺的主要策略
传统工艺的局限性
传统 UCT 工艺在实际运行过程中存在一些局限性。首先，能耗较高是其面临的一个重要问题。多级回流系统需要消耗大量的动力来实现污泥和混合液的回流，同时曝气系统也需要消耗大量的电能来维持好氧区的溶解氧浓度。其次，在低温环境下，传统 UCT 工艺的处理效率会显著降低。低温会影响微生物的活性和代谢速率，导致硝化反应、反硝化反应和除磷反应的效率下降，从而影响污水处理效果。
改良措施
1. 曝气系统优化
精确曝气技术：通过采用传感器实时监测溶解氧（DO），根据监测数据动态调整曝气量。传统的曝气系统往往采用固定的曝气量，无法根据污水水质和处理过程的实际需求进行实时调整，容易导致曝气不足或曝气过度的问题。而精确曝气技术利用传感器实时监测溶解氧浓度，并将监测数据传输至控制系统。控制系统根据预设的溶解氧目标值，自动调整曝气设备的运行参数，如曝气强度、曝气时间等，从而实现对曝气量的精确控制。这一技术的应用显著提升了脱氮效率，同时降低了能耗。通过精确控制曝气量，可以保证好氧区的溶解氧浓度始终处于适宜的范围内，有利于硝化细菌和聚磷菌的生长和代谢，从而提高脱氮除磷效果。同时，避免了不必要的曝气能耗，降低了运行成本。
增加曝气方式：例如采用多点曝气方式，有效改善了氧分布的均匀性，成功解决了传统 UCT 工艺好氧区 DO 分布不均的问题。在传统的曝气系统中，曝气设备通常集中布置在好氧区的某一位置，导致氧分布不均匀。在靠近曝气设备的区域，溶解氧浓度较高；而在远离曝气设备的区域，溶解氧浓度较低。这种不均匀的氧分布会影响微生物的代谢活动，导致处理效果下降。多点曝气方式通过在好氧区内多个位置设置曝气设备，使氧气能够均匀地分布在整个好氧区，保证了微生物在各个区域都能获得充足的溶解氧，从而提高了处理效率。
2. 工艺结构调整
生物膜耦合：在好氧区引入生物接触氧化填料，此举措增强了微生物的附着能力以及对污染物的降解能力，尤其适用于处理高氨氮或难降解的废水。生物接触氧化填料具有较大的比表面积，能够为微生物提供更多的附着场所。微生物在填料表面形成生物膜，生物膜中的微生物能够更有效地利用污水中的有机物和营养物质进行代谢活动。对于高氨氮或难降解的废水，生物膜中的微生物可以通过多种代谢途径对污染物进行降解，提高了处理效果。同时，生物膜的存在还可以增加微生物的停留时间，有利于一些生长缓慢的微生物的生长和繁殖。
分段回流系统：将缺氧区分隔为两个部分，分别处理污泥回流和硝化液回流，进一步减少了硝酸盐对厌氧段的干扰。在传统 UCT 工艺中，污泥回流和硝化液回流都进入同一个缺氧区，然后再进入厌氧池，这样容易将硝酸盐带入厌氧池，影响聚磷菌的释磷过程。分段回流系统将缺氧区分隔为两个部分，污泥回流进入第一个缺氧区，在这个区域中，污泥中的硝酸盐首先被反硝化细菌利用进行反硝化反应，降低了硝酸盐的含量。然后，经过处理的混合液再进入第二个缺氧区，与硝化液回流混合，继续进行反硝化反应。最后，处理后的混合液进入厌氧池，由于其中的硝酸盐含量已经大大降低，从而减少了对厌氧段的干扰，提高了除磷效果。
3. 运行参数调控
对水力停留时间（HRT）和碳氮比（C/N）进行优化。水力停留时间是指污水在污水处理系统中的停留时间，它直接影响着微生物的代谢活动和处理效果。碳氮比是指污水中碳源和氮源的比例，合适的碳氮比对于反硝化反应和除磷反应的顺利进行至关重要。以屠宰废水处理为例，将 HRT 设置为 36 小时，并将 C/N 调整至适宜范围后，COD（化学需氧量）和总氮的去除率均达到 90%以上。屠宰废水含有大量的有机物和氮、磷等营养物质，通过优化 HRT 和 C/N，可以为微生物提供适宜的生长和代谢环境，提高微生物对污染物的降解能力。在实际运行中，需要根据不同的污水水质和处理要求，合理调整 HRT 和 C/N，以达到最佳的处理效果。
四、应用场景与效果对比
典型应用案例
1. 高氨氮生活污水
高氨氮生活污水是城市污水处理中面临的一个难题，传统的污水处理工艺在处理高氨氮生活污水时，总氮去除率往往较低。改良 UCT 工艺通过采用内循环和碳源投加等措施，有效提高了总氮去除率。内循环可以将好氧区中的硝酸盐和亚硝酸盐输送至缺氧区，为反硝化反应提供氮源；碳源投加则可以为反硝化细菌提供充足的电子供体，促进反硝化反应的进行。通过这些措施，改良 UCT 工艺使总氮去除率从 80%提升至 90%，显著提高了处理效果，为解决高氨氮生活污水的处理问题提供了有效的方法。
2. 屠宰废水
屠宰废水含有大量的有机物、悬浮物和氮、磷等营养物质，水质复杂，处理难度较大。运用生物接触氧化 + 分段回流工艺对屠宰废水进行处理，取得了良好的效果。生物接触氧化工艺通过在好氧区引入生物接触氧化填料，增强了微生物的附着能力和对污染物的降解能力；分段回流工艺则进一步减少了硝酸盐对厌氧段的干扰，提高了除磷效果。经过处理后，COD 和总氮去除率分别达到 97%和 92%，处理后的水质符合排放标准，有效地解决了屠宰废水对环境的污染问题。
3. 低温环境
在低温环境下，微生物的活性和代谢速率会显著降低，导致污水处理工艺的处理效率下降。相关研究数据表明，在 20℃以下的低温环境中，UCT 工艺对氨氮的硝化能力显著优于 A²/O 工艺。这是因为 UCT 工艺通过调整污泥回流路径和增加混合液回流，减少了硝酸盐对厌氧段的负面影响，提高了微生物的活性和代谢速率。同时，UCT 工艺在低温环境下的反硝化除磷占比达到 5~6%，进一步提高了脱氮除磷效果。这表明 UCT 工艺在低温环境下具有较好的适应性和处理能力。
与传统工艺对比
从对比结果可以看出，UCT 工艺在硝酸盐干扰风险和脱氮除磷效率方面具有明显优势。分段回流的设计使得 UCT 工艺能够有效减少硝酸盐对厌氧段的干扰，提高了除磷效果；而较高的脱氮除磷效率则表明 UCT 工艺在处理污水中的氮、磷等营养物质方面具有更好的性能。然而，UCT 工艺的能耗较高，这是其需要改进的地方。A²/O 工艺虽然能耗较低，但在脱氮除磷效率和抗硝酸盐干扰方面存在不足。因此，在实际应用中，需要根据具体的污水水质、处理要求和运行条件等因素，综合考虑选择合适的污水处理工艺。
五、优势与挑战
优势
1. 脱氮除磷协同高效
UCT 及改良 UCT 工艺特别适用于处理低碳氮比（C/N＜4）或高磷废水，能够在同一系统中实现对氮和磷的高效去除。在低碳氮比的情况下，传统的污水处理工艺往往难以满足脱氮除磷的要求，因为反硝化反应需要充足的碳源作为电子供体。而 UCT 工艺通过调整污泥回流路径和增加混合液回流，有效地利用了污水中的碳源，提高了反硝化反应的效率。同时，聚磷菌在厌氧区释放磷后，在好氧区能够大量吸收磷，实现了磷的高效去除。对于高磷废水，UCT 工艺的除磷效果更为显著，能够将污水中的磷含量降低到较低水平，满足严格的排放标准。
2. 抗负荷波动能力强
这种特性使其适用于工业废水与生活污水的混合处理，能有效应对水质和水量的变化。工业废水和生活污水的水质和水量往往具有较大的波动性，传统的污水处理工艺在面对这种波动时，处理效果容易受到影响。而 UCT 工艺具有较强的抗负荷波动能力，它能够通过调整污泥回流比、混合液回流比和曝气强度等参数，适应不同水质和水量的变化。当进水水质和水量发生变化时，UCT 工艺能够迅速调整运行参数，保证处理效果的稳定性，从而有效地处理工业废水与生活污水的混合污水。
局限性
1. 运行复杂度高
UCT 工艺需要对回流比和 DO 进行精准控制，这对操作人员的专业水平和运行管理要求较高。回流比的大小直接影响着活性污泥在系统中的浓度和停留时间，以及硝酸盐和亚硝酸盐的输送量；而 DO 的浓度则影响着好氧区中微生物的代谢活动和处理效果。如果回流比和 DO 控制不当，会导致处理效果下降，甚至出现水质恶化的情况。因此，操作人员需要具备丰富的专业知识和实践经验，能够根据污水水质和处理过程的实际情况，及时调整回流比和 DO 等参数。同时，运行管理部门需要建立完善的监测和控制系统，对污水处理系统进行实时监测和动态调控，确保系统的稳定运行。
2. 能耗问题
相较于传统工艺，UCT 工艺的能耗增加 10~20%，主要是由于多级回流系统和曝气系统的运行需要消耗大量的电能。为了降低能耗成本，需要结合智能控制等手段进行优化。智能控制技术可以根据污水水质、水量和处理过程的实际需求，自动调整回流比、曝气强度等运行参数，实现对污水处理系统的精准控制。同时，还可以采用节能型的曝气设备和回流设备，提高设备的运行效率，降低能耗。此外，还可以探索太阳能驱动或厌氧氨氧化耦合工艺等低碳运行方式，进一步降低污水处理过程中的能耗，实现低碳环保运行。
六、未来发展方向
智能化升级
结合物联网技术，实现对污水处理系统的实时监控与动态调控，提高处理系统的运行效率和稳定性。物联网技术可以将污水处理系统中的各种设备和传感器连接起来，实现数据的实时采集和传输。通过对这些数据的分析和处理，可以及时了解污水处理系统的运行状态，发现潜在的问题，并采取相应的措施进行调整。