AAO 工艺处理低碳氮比城市污水的优化调控策略研究

赵俊娜

（沧州市供水排水集团有限公司，河北 沧州 061000）

0 引言

活性污泥法中的AAO 工艺具有构造简单、操作简便和运行成本低等优点，在我国城镇污水处理厂得到广泛应用[1-2]。然而现在很多城市存在污水厂进水碳氮比较低的问题，导致污水脱氮除磷效果较差，往往需要额外投加碳源和除磷剂来实现出水达标排放[3-5]。且随着水污染问题的日益突出，污水厂氮、磷排放标准不断提高，国家对污水厂排水的监管和处罚力度日趋严格，污水厂运行成本和运行压力不断增加。为此，提高脱氮除磷效率，保证出水总氮和总磷指标达标排放的同时降低运行成本对于污水厂运行具有重要意义。目前有很多学者针对AAO 工艺脱氮除磷进行了优化研究，但是很少有针对实际低碳氮比城市污水厂在不同碳源和除磷剂投加情况下的脱氮除磷规律特性进行研究。鉴于此，笔者以沧州市某污水厂为研究对象，分析了其在不同碳源和除磷剂投加情况下的脱氮除磷特性，旨在为污水厂的生产运行提供理论参考和技术支持。

1 试验条件与方法

1.1 污水厂概况

沧州市某污水厂一期工程设计处理规模为6 万m3/d，主体采用 “AAO”+“折板絮凝”+“斜管沉淀”+“V型滤池” 处理工艺，厌氧池、缺氧池和好氧池停留时间分别为1.50，5.89，8.00 h，其中缺氧池设有预曝气区，停留时间为0.76 h。试验期间该厂处理水量为5～6 万m3/d，污泥质量浓度为4 000～5 000 mg/L，内回流比约为200%，外回流比约为100%，好氧池溶解氧质量浓度控制在2～3 mg/L，其中污泥浓度的调控通过调整剩余污泥排放量和外回流比实现，溶解氧的调控通过调整鼓风机风量实现。污水厂进水COD质量浓度为200～300 mg/L，进水氨氮质量浓度为60～70 mg/L，进水总氮质量浓度为70～80 mg/L，进水总磷质量浓度为5～6 mg/L，进水ρ（C）/ρ（N）为3～3.5，属于典型的低碳氮比污水。运行中需要额外投加碳源和除磷剂，采用25%的乙酸钠作为复合碳源，COD 质量浓度约25 万mg/L，除磷剂采用全铁质量分数为11%的液态聚合硫酸铁，除磷剂在深度处理单元投加时会产生化学沉淀污泥，需要对沉淀池底部污泥进行排泥，运行中每隔8 h进行一次排泥，每次排泥时间10 s。污水处理工艺流程见图1。

图1 污水处理厂工艺流程

1.2 试验方法

该厂碳源投加点位有厌氧池进口端和缺氧池进口端，除磷剂投加点位有生化池末端和深度工艺段反应池进口端，通过调控不同碳源和除磷剂投加点位，考察不同运行工况下污水脱氮除磷效果；该厂生化池缺氧池末端及好氧池末端安装有哈希硝酸盐在线监测仪，可实时检测硝酸盐氮数值，通过调控碳源投加量，同时监测缺氧池和好氧池出口硝酸盐氮，总结生化池碳源投加调控策略；该厂缺氧池末端至好氧池入口端设有一部分预曝气区域，可以调控该部分曝气设备开停，通过调控缺氧池曝气设备及处理水量，考察缺氧池停留时间对脱氮效果的影响，建立该曝气设备在不同季节的开停策略。

1.3 分析项目及方法

水质分析方法参照《水与废水监测分析方法》（第4版）进行，主要检测COD、氨氮、总氮、总磷、硝酸盐氮和磷酸盐等指标。

2 结果与分析

2.1 生化池沿程污水处理效果

生化系统全流程分析是掌握工艺处理效果的重要方法，取AAO 工艺不同工艺段水样进行氮、磷及COD 指标的检测分析，取样期间除磷剂长期投加于生化池出口，投加量约为80 mg/L，碳源投加于缺氧池进口，投加量约为400 mg/L，取样期间进水水质及工艺运行情况较为稳定。各工艺单元出水水质质量浓度变化情况见图2。

图2 生化池沿程污染物指标质量浓度变化

由图2 可以看出，厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸盐质量浓度分别为1.15，1.68，0.42 和0.19 mg/L，厌氧池有轻微的厌氧释磷现象，好氧段有轻微的好氧吸磷现象，磷酸盐指标的变化说明在生化池投加除磷导致生物除磷效果大大降低；厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的氨氮质量浓度分别为27.6，28.2，13.3和0.38 mg/L，在厌氧区氨氮浓度变化很小，在缺氧区氨氮浓度大幅降低，分析原因是由低氨氮浓度的硝化液回流稀释造成，好氧区氨氮通过硝化作用得到去除；厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的硝酸盐氮质量浓度分别为1.87，1.43，1.78和11.4 mg/L，在厌氧池发生部分反硝化作用，硝酸盐氮浓度略有降低，在缺氧池进行反硝化将硝化液回流回来的硝态氮去除，缺氧池去除的硝酸盐氮质量浓度为6.42 mg/L，好氧池进行硝化反应，氨氮浓度降低，硝酸盐氮浓度上升；厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的COD 质量浓度分别为84，67，6 和24 mg/L，厌氧区进行释磷和反硝化消耗掉17 mg/L 的COD，缺氧区反硝化利用11 mg/L的COD，剩余COD 在好氧区通过曝气部分去除。

2.2 除磷调控策略研究

上述研究中看到生物除磷效果较差，为进一步了解碳源和除磷剂对生物除磷的影响，分别考察了在不同点位投加碳源和除磷剂时生化池沿程磷酸盐浓度变化及运行成本情况，运行工况下生化池沿程磷酸盐浓度变化见图3，运行工况见表1。工况一生化池除磷剂投加量为0 ，碳源投加量为452mg/L；工况二生化池除磷剂投加量为0，碳源投加量为499 mg/L；工况三除磷剂投加量为84 mg/L，碳源投加量为472 mg/L；工况四除磷剂投加量为139 mg/L，碳源投加量为438 mg/L。

表1 生化池药剂投加情况

图3 不同运行工况下生化池沿程磷酸盐质量浓度变化

由图3 可以看出，工况一，即生化池不投加除磷剂且碳源投加在缺氧池的情况下，厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸盐质量浓度分别为6.27，8.66，7.66 和2.08 mg/L，厌氧池有2.39 mg/L 的释磷量，缺氧池磷酸盐减少1.00 mg/L，好氧吸磷后剩余磷酸盐质量浓度为2.08 mg/L，该工况下生化池出水磷酸盐达不到排放标准；工况二，即生化池不投加除磷剂且碳源投加在厌氧池的情况下，生化池厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸盐质量浓度分别为4.67，27.6，4.38，0.13 mg/L，厌氧池有明显的释磷现象，释磷量达到22.9 mg/L，缺氧池磷酸盐质量浓度降低了23.2 mg/L，分析原因一方面是内回流回来的混合液中磷酸盐浓度较低，稀释了进入缺氧段的磷酸盐浓度，另一方面是缺氧段发生了反硝化除磷现象，在缺氧段反硝化除磷菌以好氧段回流回来的硝态氮作为电子受体，实现同步反硝化脱氮和过量吸磷的目的，经核算缺氧池反硝化除磷量为4.91 mg/L，去除率为52.8%，吴春英[6]的研究中，反硝化除磷效果可分别达60%和86.4%；工况三，即生化池投加除磷剂且厌氧池投加碳源的情况下，生化池厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸盐质量浓度分别为4.88，17.9，1.76 和0.27 mg/L，厌氧池释磷量为13.0 mg/L，较工况二大幅降低；工况四，即生化池投加除磷剂且在缺氧池投加碳源的情况下，生化池厌氧池进口、厌氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸盐浓度分别为1.15，1.68，0.42 和0.19 mg/L，厌氧池仅有0.53 mg/L 的释磷量。除工况一外，都能实现出水总磷的达标排放，且经核算工况二、三、四运行成本相当。

工况一至五对比表明：①生化池投加除磷剂后降低了厌氧区释磷效果，其原因可能是回流污泥中的除磷剂与厌氧区释放的磷酸盐反应，从而导致PAOs 的增殖受限，增长速率降低，使得聚磷菌在污泥中的占比降低，最终影响生物除磷效果[7]；②长期投加除磷剂会造成除磷剂一直在生化池循环利用，具有较好的化学除磷效果，可实现生化池出水磷达标，但会严重影响生物除磷效果；③厌氧区碳源是否充足直接影响厌氧释磷效率，当有机物不足时造成无效的厌氧释磷，厌氧区足够的碳源是聚磷菌厌氧释磷的必要条件[8]。黄筹等[9]通过调研分析各污水处理厂生物除磷现存的问题发现，碳源、厌氧区硝态氮及同步投加化学除磷药剂为影响生物除磷效果的三大主要因素。其中，同步化学除磷为大多数污水处理厂生物除磷效果较差的主要影响因素，约68%的污水处理厂由于采用了同步化学除磷工艺而导致生物除磷受到抑制。同时，由于厌氧区存在高浓度的硝态氮，以及进水中缺乏优质碳源而导致生物除磷效果较差的污水处理厂分别占19%和12%；④仅 “厌氧池投加碳源”、“厌氧池投加碳源”+“生化池投加除磷剂” 和 “缺氧池投加碳源”+“生化池投加除磷剂” 3 种运行模式均可实现生化池出水总磷指标达到一级A排放标准，且运行成本相当。

2.3 生化池脱氮调控策略研究

缺氧区反硝化效果直接影响生化系统总氮处理效果情况，大部分污水厂脱氮反应均在生化池发生，生化池出水的总氮浓度直接决定污水厂总出水总氮浓度。污水厂如果仅根据生化池出水总氮情况进行碳源投加量的调整可能会药剂调整不及时的现象，增加出水水质超标风险。为此，通过调控生化池碳源投加量使缺氧池和好氧池出口硝酸盐氮处于不同浓度水平，考察了生化池缺氧池出口硝酸盐氮和好氧池出口硝酸盐氮的关系，结果见图4。由图4 可以看出，缺氧池出口和好氧池出口硝酸盐氮浓度关系紧密，当缺氧池出口硝酸盐氮质量浓度分别为1～2，2～3 和3～4 mg/L 时，好氧池出口硝酸盐氮质量浓度分别为11～12，12～13 和13～14 mg/L。通过好氧池出水硝酸盐氮浓度进行碳源投加量的调控存在较大的滞后性，因此建立缺氧池和好氧池出水硝酸盐氮浓度变化关系后，可通过缺氧池出口硝酸盐氮浓度变化来指导缺氧池碳源投加量，实现碳源的及时、精确调控。

图4 缺氧池出口和好氧池出口硝酸盐氮浓度关系

2.4 曝气区调控策略研究

缺氧停留时间对反硝化反应具有较大影响，好氧停留时间对硝化反应具有较大影响[10]。该厂缺氧池末端设有部分预曝气系统，该部分曝气可根据运行需要灵活调整。通过改变进水量及预曝气设备的开关，考察了不同缺氧停留时间的脱氮效果，以进一步确定预曝气系统的调控策略，结果见图5。

图5 缺氧池停留时间对脱氮效果的影响

由图5 可以看出，随着缺氧段停留时间的延长，总氮去除率不断增加，停留时间由5.4 h 增加至6.7 h时，对应的总氮去除率由79.0%增加至83.6%。在水温＜15 ℃时，硝化细菌和亚硝化细菌活性受到抑制，氨氮去除率明显降低[11]。因此在实际运行中，当冬季低温环境下细菌活性降低时，可开启预曝气以增加好氧段停留时间或减少进水量以增加停留时间，提高硝化反应效果。而当夏季氨氮处理效果较好时，可将预曝气关闭以增加缺氧停留时间，提高反硝化效果，同时可节约大量曝气能耗。

3 结论

（1）在进水碳氮比较低的情况下，生化池不投加除磷剂且厌氧池不投加碳源时厌氧释磷量为2.39 mg/L，厌氧池投加碳源后，释磷量达到22.9 mg/L，缺氧池反硝化除磷量为4.91 mg/L，去除率为52.8%，生化池投加除磷剂后厌氧释磷量降至13.0 mg/L；生化池长期投加除磷剂且厌氧池不投加碳源的情况下，厌氧释磷量仅为0.53 mg/L，几乎没有厌氧释磷现象，生化池长期投加除磷剂对会严重影响生物除磷。仅 “厌氧池投加碳源”、“厌氧池投加碳源”+“生化池投加除磷剂” 和 “缺氧池投加碳源”+“生化池投加除磷剂” 3 种运行模式均可实现生化池出水总磷指标达到一级A 排放标准，且运行成本相当。

（2）当缺氧池出口硝酸盐氮质量浓度分别为1～2，2～3 和3～4 mg/L 时，好氧池出口硝酸盐氮浓度分别为11～12，12～13 和13～14 mg/L，污水厂可根据缺氧池出口硝酸盐氮指标及时调整碳源投加量，避免利用好氧池出水或污水厂总出水总氮进行反馈调节造成的滞后问题。

（3）缺氧池停留时间由5.4 h 增加至6.7 h 时，对应的总氮去除率由79.0%增加至83.6%。污水厂可在缺氧池末端或好氧池前端设置预曝气区域，低温季节氨氮指标容易出问题时，可开启该部分曝气阀门，提高好氧区停留时间，以提高硝化效果，为氨氮去除提供保障，高温季节时则可关闭开部分曝气区，提高缺氧池停留时间，以提高反硝化效果和碳源利用效率，降低碳源药耗和曝气能耗。