1 水质情况
1.1 两国原水水质对比
目前，我国城镇污水处理厂原水水质的主要问题有：由于城镇工业废水偷排情况较多加之很多城市尚未取消化粪池，造成污水处理厂原水碳源不足，原水NH3—N、TN浓度较高，城市污水处理厂多数时候存在原水总氮浓度超过50mg/L的情况。一般认为，在污水生物脱氮过程中，如果碳氮比(BOD5/TN)>4，即可认为污水中有足够的碳源供反硝化菌进行反硝化脱氮。而我国城镇污水处理厂普遍呈现低碳源特性，太湖流域的城镇污水处理厂BOD5/TN一般为3.3左右，最低仅0.96。日本的生活污水处理事业分为公共下水道事业、农村村落污水处理事业以及净化槽事业。公用下水道事业为城市污水处理厂及管网建设。农村村落污水处理事业和净化槽事业分别为村落生活污水集中处理单元和住户的分散型生活污水处理单元。目前，日本城镇农村住户净化槽已达到一定的覆盖率。由于政府对工业废水排放的监管很严，几乎没有工业废水偷排，此外两国生活习惯和饮食结构不同，故日本污水处理厂原水NH3—N、TN浓度较我国低，碳氮比较高，碳源较充足。在东京，具有代表性的有明污水处理厂进水BOD5/TN>4的情况居多，进水总氮浓度平均为36mg/L。
1.2 两国排放标准对比
我国近几年新建及升级改造的污水处理厂大多执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准。日本在1958年公布了新的《下水道法》，且一直沿用至今，20世纪下半叶，日本东京湾、伊势湾和濑户内海等封闭性水域富营养化现象极严重，曾多次发生赤潮。日本除执行对排入公共水域的全国统一排放标准外，自70年代以后，针对统一标准执行中出现不能充分保护生活环境的地区，规定了更为严格的地方排放标准，以代替同款全国统一排放标准。以东京湾为例，两国污水处理厂出水排放标准见表1。
2 A2/O工艺设计对比
2.1 工艺流程中国和日本的A2/O工艺流程基本是一致的。即原污水经过预处理系统后，依次进入生化池的厌氧区、缺氧区、好氧区，好氧区末端混合液按一定的回流比回流至缺氧区前端。
2.2 设计方法中国A2/O工艺的设计方法以《室外排水设计规范》(GB50014—2006)为依据。日本A2/O工艺的设计方法以公益社团法人日本下水道协会主编的《下水道设施设计指南与解说》以及地方共同下水道事业团的相关标准为依据。
2.2.1 厌氧区设计
中国和日本厌氧区的设计方法是一致的：即根据要去除的总磷负荷确定厌氧区的水力停留时间，以此HRT参数计算厌氧区的容积，即VA=(HRT×Q)/24。两国的设计规范中厌氧区HRT的取值范围均为1～2h。由表1可见，两国污水处理厂出水总磷的排放标准为<0.5mg/L。如原水总磷浓度较高，仅依靠生物除磷，出水TP难以维持稳定<0.5mg/L，还得添加PAC等化学药剂辅助除磷。
2.2.2 缺氧区设计
(1)中国的设计方法。按中国的规范，缺氧区的容积Vn采用反硝化动力学中的反硝化速率Kde为主要设计参数计算。即：
脱氮速率Kde与混合液回流比、进水水质、温度和污泥中反硝化菌的比例等因素有关。混合液回流比越大，带入的缺氧池的DO越多，Kde取值越低;一般混合液回流比为100%～300%。进水有机物浓度高且较易生物降解时，Kde取高值。Kde随温度的变化可用式(3)进行修正。
在设计中，由于原水水质情况有波动和差异，实际Kde的变化也很大，且因Kde取值不同会使计算所得缺氧区容积差异很大。通常Kde取经验值0.06～0.07kgNO-3—N/(kgMLSS˙d).然而，我国城镇污水处理厂普遍存在原水中供反硝化的碳源不足的情况，实际反硝化速率没那么高。这就造成了Kde的实际值与经验值的差异，如果差异较大，采用经验值设计的缺氧区可能达不到预期的脱氮效果。
(2)日本的设计方法。与中国的方法不同，日本的规范确定缺氧区容积时不是直接根据反硝化速率Kde计算，而是先以BOD污泥负荷为主要设计参数计算出缺氧区+好氧区的总容积V(厌氧区不包括在内)，即：
总容积V算出后，再用总容积V减去好氧区的容积Vo，得出缺氧区容积Vn。一般混合液回流比为100%～300%。初步算出的缺氧区容积Vn还不能被确定，还得利用此容积Vn反算出缺氧区的脱氮速率。再将此脱氮速率与设计规范中规定的脱氮速率进行比较，如妥当则此缺氧区容积Vn可行。如不妥当将需要重新修正LS，对缺氧区+好氧区的总容积V进行再计算。直至此脱氮速率与规定的脱氮速率基本一致，此缺氧区的容积Vn才能被确定。日本设计规范中规定的脱氮速率是以污水处理厂实际运行的数据为基础，总结出的脱氮速率与LS的线性关系———缺氧区脱氮速率与BOD5污泥负荷呈正相关来计算的。
由于日本下水TN的排放标准严于中国的一级A标准，且政府对环境的监管比中国严，所以其脱氮效果的要求很高，《下水道设施设计指南与解说》中对A2/O工艺缺氧区的设计很谨慎，预期的脱氮效果比中国好。
2.2.3 好氧区设计
(1)中国的设计方法。按中国的规范，先根据硝化动力学计算出硝化所需的泥龄。即：
由于自养型硝化菌比异养型反硝化菌的比生长速率小得多，如果没有足够长的泥龄，硝化菌会从系统中流失。为保证硝化反应，泥龄必须>1/μ，且通常A2/O工艺泥龄应>10d。由于μ为纯种培养试验得到的硝化菌比生长速率，为了在环境条件不利于硝化菌生长时，系统中仍有硝化菌，故引入了安全系数F，一般取1.5～3。
设计中安全系数F和氨氮浓度的取值范围变化幅度大，且取值不同会使计算所得的泥龄差异很大。水温按12℃计算，如果F取值较小，计算所得的泥龄<10d，不能满足硝化的需要。由于实际工程设计中F和Na较难取值，我国许多设计单位应用国外的设计标准(如德国的ATV标准)，结合我国的实际情况对以上设计参数进行反复修正，才能较好地吻合实际工程运行参数。再计算出好氧区容积Vo，即：
中国的规范设计好氧区是基于硝化所需泥龄和BOD5的降解。而BOD5降解的产泥系数Yt取值范围变化幅度很大，宜根据试验资料确定，但设计中往往取的是经验值。污泥产率系数本来的含义是一定量BOD5降解后产生的SS。由于是有机物降解产物，这里的SS应该是VSS，即挥发性悬浮固体。但污水中还有相当数量的无机悬浮固体和难降解有机悬浮固体，它们并未被微生物降解，而是原封不动地沉积到污泥中，结果产生的SS将大于真正由BOD5降解产生的VSS，因此实际污泥产率往往大于经验值。BOD5降解产泥计算参数的设置有一定局限性。
(2)日本的设计方法。按日本的规范，同样也要先计算出硝化所必须的泥龄。但泥龄的计算方法与中国不同，不是根据硝化动力学计算，而是以水温为基础并考虑进水TN的负荷变动来计算的，即：
日本的规范中泥龄的计算方法是根据总氮负荷率的变化和总氮中氨氮和有机氮的硝化结合实际经验产生的，不涉及污水具体水质环境条件变化。因系数的取值不同计算所得泥龄差异较小，且最小泥龄也>11d，满足硝化的需要。由此可见，日本在对泥龄的计算方法比中国严谨保守。再计算好氧区的容积Vo，即：
好氧区的设计同样是基于硝化所需泥龄。除此之外，与中国的规范略有不同，日本的规范对BOD5降解产泥的计算参数设置更为严谨。事实上污水中含有的污染物质是复杂多样的，分为易降解和难降解、可溶性和不可溶性等，真正降解的BOD5仅为可溶性BOD5降解后产生的VSS。但原水中还有相当数量的SS和惰性有机物，它们并未被微生物降解，而是原封不动地沉积到污泥中，结果产生的污泥将大于可溶性BOD5降解产生的VSS，在不设初沉池的工艺中更是如比，污水中不同的水质组分对生物处理反应影响很大。故日本规范中，BOD5的降解产泥仅用可溶性BOD5来计算，并考虑了原水中SS产的泥，相应污泥产率系数b取值较高，为0.9～1kgMLSS/kgSS。而我国计算剩余污泥产量用的SS污泥产率系数取值较低，为0.5～0.7kgMLSS/kgSS。其次，随着处理程度提高，有机物降解越彻底，微生物处于内源呼吸状态，衰减也越多，产生的剩余污泥量也会减少，计算中引入了活性污泥内源呼吸污泥减量系数。综上所述，相对于中国的计算方法，日本对好氧区容积的计算方法较严谨稳妥。
3 设计举例
以中国南方某城市污水处理厂设计为例，该污水处理厂无初沉池，采用A2/O工艺，处理规模为10万m3/d。设计进水水质：BOD5200mg/L，SS 240mg/L，氨氮35mg/L，TN 45mg/L，TP 4mg/L。设计水温12℃。分别按中国方法和日本方法进行设计，主要设计参数对比见表2。
由表2可见，由于中国和日本厌氧区的设计方法是一致的，根据设计进水TP 4mg/L，设计厌氧区水力停留时间为1.5h。生物反应池中MLSS浓度均设为4g/L。按日本规范设计的缺氧区和好氧区HRT明显比按中国规范设计的长，且BOD5污泥负荷低。原因有：
(1)按日本的规范，即使参数取值最小，计算所得泥龄最短也有11.5d;按中国的规范计算所得泥龄较短。
(2)按日本的规范计算好氧区引入了原水SS浓度和SS污泥转换率，且SS浓度的取值对好氧区容积Vo的影响很大，按日本的规范充分考虑了不设初沉池惰性固体沉积在生化池的污泥产量较大，SS污泥产率系数取值也比中国高。故按日本规范设计的好氧区容积比中国大，水力停留时间也较长。
(3)不同于中国的方法，日本设计缺氧区容积的方法为根据BOD5污泥负荷LS计算出好氧区+缺氧区的总容积V(厌氧区不包括在内)，再减去好氧区的容积Vo，才能得到缺氧区的容积Vn，并还要用与BOD5污泥负荷LS相关的脱氮速率(即反硝化速率)去校核缺氧区容积计算的妥当性，经反复修正后才能确定缺氧区的容积Vn。要取得理想的脱氮效果，缺氧反硝化反应需较长的水力停留时间，最终确定的缺氧区容积较大。
(4)由于好氧区容积Vo较大，如果BOD5污泥负荷LS取值较高，计算所得的好氧区+缺氧区总容积V就较小，则缺氧区容积Vn也较小，不能满足脱氮的需要。故经重新修正BOD5污泥负荷LS要取较小的值，才能保证缺氧区容积设计的稳妥性。
4 工程案例比较
以成都市某污水处理厂和东京市有明污水处理厂为例进行比较，对比情况见表3。
由表3可见，东京市有明污水处理厂生化池缺氧区的停留时间明显更长，如此设计处理效果基本能满足日本排放标准，尤其是TN排放标准的要求。由于生化池总停留时间长，容积大，有明污水处理厂生化池有效水深达11.5m，这样在同等池容下可节省一部分占地面积，缓解紧张的土地资源。
5 结论和建议
(1)相比中国的规范，按日本规范设计的A2/O工艺，在泥龄的计算上较保守，对缺氧区脱氮速率的确认和好氧区产泥的计算较严谨，许多参数的取值范围变化幅度不大，较稳妥。设计的缺氧区和好氧区的水力停留时间比中国长，污泥负荷低，泥龄较长，加之日本原水碳源状况比中国好，污水处理厂处理效果基本能满足日本比中国更严格水质排放标准，尤其是TN排放标准的要求。但日本的设计方法较保守，设计的生化池容积较大，会增加基建投资和后期运行费用。
(2)按中国的设计规范，一些参数取值范围变化幅度大。如计算泥龄的参数，实际工程设计中较难取值，需应用国外的设计规范结合我国的实际情况对设计参数进行反复修正。一些设计参数的确定完全依靠经验：如脱氮速率Kde，实际脱氮速率比经验值偏低;如污泥的产率系数Yt的取值未考虑惰性有机物和无机物的产泥，Yt取值偏小。虽然设计出的生化处理效果大体能满足我国排放标准的需要，但也暴露出一些不足：当遇到原水碳源不足，原水TN浓度高于设计浓度时，生化系统可能达不到预期的脱氮效果。
(3)日本A2/O工艺的设计方法对我国有一定的借鉴意义。可以借鉴日本的设计规范结合其他国家的设计规范和我国的实际情况对泥龄、污泥产率系数等参数进行适当的修正。
