AAO 工藝處理低碳氮比城市污水的優化調控策略研究

趙俊娜

（滄州市供水排水集團有限公司，河北 滄州 061000）

0 引言

活性污泥法中的AAO 工藝具有構造簡單、操作簡便和運行成本低等優點，在我國城鎮污水處理廠得到廣泛應用[1-2]。然而現在很多城市存在污水廠進水碳氮比較低的問題，導致污水脫氮除磷效果較差，往往需要額外投加碳源和除磷劑來實現出水達標排放[3-5]。且隨著水污染問題的日益突出，污水廠氮、磷排放標準不斷提高，國家對污水廠排水的監管和處罰力度日趨嚴格，污水廠運行成本和運行壓力不斷增加。為此，提高脫氮除磷效率，保證出水總氮和總磷指標達標排放的同時降低運行成本對于污水廠運行具有重要意義。目前有很多學者針對AAO 工藝脫氮除磷進行了優化研究，但是很少有針對實際低碳氮比城市污水廠在不同碳源和除磷劑投加情況下的脫氮除磷規律特性進行研究。鑒于此，筆者以滄州市某污水廠為研究對象，分析了其在不同碳源和除磷劑投加情況下的脫氮除磷特性，旨在為污水廠的生產運行提供理論參考和技術支持。

1 試驗條件與方法

1.1 污水廠概況

滄州市某污水廠一期工程設計處理規模為6 萬m3/d，主體采用 “AAO”+“折板絮凝”+“斜管沉淀”+“V型濾池” 處理工藝，厭氧池、缺氧池和好氧池停留時間分別為1.50，5.89，8.00 h，其中缺氧池設有預曝氣區，停留時間為0.76 h。試驗期間該廠處理水量為5～6 萬m3/d，污泥質量濃度為4 000～5 000 mg/L，內回流比約為200%，外回流比約為100%，好氧池溶解氧質量濃度控制在2～3 mg/L，其中污泥濃度的調控通過調整剩余污泥排放量和外回流比實現，溶解氧的調控通過調整鼓風機風量實現。污水廠進水COD質量濃度為200～300 mg/L，進水氨氮質量濃度為60～70 mg/L，進水總氮質量濃度為70～80 mg/L，進水總磷質量濃度為5～6 mg/L，進水ρ（C）/ρ（N）為3～3.5，屬于典型的低碳氮比污水。運行中需要額外投加碳源和除磷劑，采用25%的乙酸鈉作為復合碳源，COD 質量濃度約25 萬mg/L，除磷劑采用全鐵質量分數為11%的液態聚合硫酸鐵，除磷劑在深度處理單元投加時會產生化學沉淀污泥，需要對沉淀池底部污泥進行排泥，運行中每隔8 h進行一次排泥，每次排泥時間10 s。污水處理工藝流程見圖1。

圖1 污水處理廠工藝流程

1.2 試驗方法

該廠碳源投加點位有厭氧池進口端和缺氧池進口端，除磷劑投加點位有生化池末端和深度工藝段反應池進口端，通過調控不同碳源和除磷劑投加點位，考察不同運行工況下污水脫氮除磷效果；該廠生化池缺氧池末端及好氧池末端安裝有哈希硝酸鹽在線監測儀，可實時檢測硝酸鹽氮數值，通過調控碳源投加量，同時監測缺氧池和好氧池出口硝酸鹽氮，總結生化池碳源投加調控策略；該廠缺氧池末端至好氧池入口端設有一部分預曝氣區域，可以調控該部分曝氣設備開停，通過調控缺氧池曝氣設備及處理水量，考察缺氧池停留時間對脫氮效果的影響，建立該曝氣設備在不同季節的開停策略。

1.3 分析項目及方法

水質分析方法參照《水與廢水監測分析方法》（第4版）進行，主要檢測COD、氨氮、總氮、總磷、硝酸鹽氮和磷酸鹽等指標。

2 結果與分析

2.1 生化池沿程污水處理效果

生化系統全流程分析是掌握工藝處理效果的重要方法，取AAO 工藝不同工藝段水樣進行氮、磷及COD 指標的檢測分析，取樣期間除磷劑長期投加于生化池出口，投加量約為80 mg/L，碳源投加于缺氧池進口，投加量約為400 mg/L，取樣期間進水水質及工藝運行情況較為穩定。各工藝單元出水水質質量濃度變化情況見圖2。

圖2 生化池沿程污染物指標質量濃度變化

由圖2 可以看出，厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質量濃度分別為1.15，1.68，0.42 和0.19 mg/L，厭氧池有輕微的厭氧釋磷現象，好氧段有輕微的好氧吸磷現象，磷酸鹽指標的變化說明在生化池投加除磷導致生物除磷效果大大降低；厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的氨氮質量濃度分別為27.6，28.2，13.3和0.38 mg/L，在厭氧區氨氮濃度變化很小，在缺氧區氨氮濃度大幅降低，分析原因是由低氨氮濃度的硝化液回流稀釋造成，好氧區氨氮通過硝化作用得到去除；厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的硝酸鹽氮質量濃度分別為1.87，1.43，1.78和11.4 mg/L，在厭氧池發生部分反硝化作用，硝酸鹽氮濃度略有降低，在缺氧池進行反硝化將硝化液回流回來的硝態氮去除，缺氧池去除的硝酸鹽氮質量濃度為6.42 mg/L，好氧池進行硝化反應，氨氮濃度降低，硝酸鹽氮濃度上升；厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的COD 質量濃度分別為84，67，6 和24 mg/L，厭氧區進行釋磷和反硝化消耗掉17 mg/L 的COD，缺氧區反硝化利用11 mg/L的COD，剩余COD 在好氧區通過曝氣部分去除。

2.2 除磷調控策略研究

上述研究中看到生物除磷效果較差，為進一步了解碳源和除磷劑對生物除磷的影響，分別考察了在不同點位投加碳源和除磷劑時生化池沿程磷酸鹽濃度變化及運行成本情況，運行工況下生化池沿程磷酸鹽濃度變化見圖3，運行工況見表1。工況一生化池除磷劑投加量為0 ，碳源投加量為452mg/L；工況二生化池除磷劑投加量為0，碳源投加量為499 mg/L；工況三除磷劑投加量為84 mg/L，碳源投加量為472 mg/L；工況四除磷劑投加量為139 mg/L，碳源投加量為438 mg/L。

表1 生化池藥劑投加情況

圖3 不同運行工況下生化池沿程磷酸鹽質量濃度變化

由圖3 可以看出，工況一，即生化池不投加除磷劑且碳源投加在缺氧池的情況下，厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質量濃度分別為6.27，8.66，7.66 和2.08 mg/L，厭氧池有2.39 mg/L 的釋磷量，缺氧池磷酸鹽減少1.00 mg/L，好氧吸磷后剩余磷酸鹽質量濃度為2.08 mg/L，該工況下生化池出水磷酸鹽達不到排放標準；工況二，即生化池不投加除磷劑且碳源投加在厭氧池的情況下，生化池厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質量濃度分別為4.67，27.6，4.38，0.13 mg/L，厭氧池有明顯的釋磷現象，釋磷量達到22.9 mg/L，缺氧池磷酸鹽質量濃度降低了23.2 mg/L，分析原因一方面是內回流回來的混合液中磷酸鹽濃度較低，稀釋了進入缺氧段的磷酸鹽濃度，另一方面是缺氧段發生了反硝化除磷現象，在缺氧段反硝化除磷菌以好氧段回流回來的硝態氮作為電子受體，實現同步反硝化脫氮和過量吸磷的目的，經核算缺氧池反硝化除磷量為4.91 mg/L，去除率為52.8%，吳春英[6]的研究中，反硝化除磷效果可分別達60%和86.4%；工況三，即生化池投加除磷劑且厭氧池投加碳源的情況下，生化池厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽質量濃度分別為4.88，17.9，1.76 和0.27 mg/L，厭氧池釋磷量為13.0 mg/L，較工況二大幅降低；工況四，即生化池投加除磷劑且在缺氧池投加碳源的情況下，生化池厭氧池進口、厭氧池出口、缺氧池出口和好氧池出口的磷酸鹽濃度分別為1.15，1.68，0.42 和0.19 mg/L，厭氧池僅有0.53 mg/L 的釋磷量。除工況一外，都能實現出水總磷的達標排放，且經核算工況二、三、四運行成本相當。

工況一至五對比表明：①生化池投加除磷劑后降低了厭氧區釋磷效果，其原因可能是回流污泥中的除磷劑與厭氧區釋放的磷酸鹽反應，從而導致PAOs 的增殖受限，增長速率降低，使得聚磷菌在污泥中的占比降低，最終影響生物除磷效果[7]；②長期投加除磷劑會造成除磷劑一直在生化池循環利用，具有較好的化學除磷效果，可實現生化池出水磷達標，但會嚴重影響生物除磷效果；③厭氧區碳源是否充足直接影響厭氧釋磷效率，當有機物不足時造成無效的厭氧釋磷，厭氧區足夠的碳源是聚磷菌厭氧釋磷的必要條件[8]。黃籌等[9]通過調研分析各污水處理廠生物除磷現存的問題發現，碳源、厭氧區硝態氮及同步投加化學除磷藥劑為影響生物除磷效果的三大主要因素。其中，同步化學除磷為大多數污水處理廠生物除磷效果較差的主要影響因素，約68%的污水處理廠由于采用了同步化學除磷工藝而導致生物除磷受到抑制。同時，由于厭氧區存在高濃度的硝態氮，以及進水中缺乏優質碳源而導致生物除磷效果較差的污水處理廠分別占19%和12%；④僅 “厭氧池投加碳源”、“厭氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 和 “缺氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 3 種運行模式均可實現生化池出水總磷指標達到一級A排放標準，且運行成本相當。

2.3 生化池脫氮調控策略研究

缺氧區反硝化效果直接影響生化系統總氮處理效果情況，大部分污水廠脫氮反應均在生化池發生，生化池出水的總氮濃度直接決定污水廠總出水總氮濃度。污水廠如果僅根據生化池出水總氮情況進行碳源投加量的調整可能會藥劑調整不及時的現象，增加出水水質超標風險。為此，通過調控生化池碳源投加量使缺氧池和好氧池出口硝酸鹽氮處于不同濃度水平，考察了生化池缺氧池出口硝酸鹽氮和好氧池出口硝酸鹽氮的關系，結果見圖4。由圖4 可以看出，缺氧池出口和好氧池出口硝酸鹽氮濃度關系緊密，當缺氧池出口硝酸鹽氮質量濃度分別為1～2，2～3 和3～4 mg/L 時，好氧池出口硝酸鹽氮質量濃度分別為11～12，12～13 和13～14 mg/L。通過好氧池出水硝酸鹽氮濃度進行碳源投加量的調控存在較大的滯后性，因此建立缺氧池和好氧池出水硝酸鹽氮濃度變化關系后，可通過缺氧池出口硝酸鹽氮濃度變化來指導缺氧池碳源投加量，實現碳源的及時、精確調控。

圖4 缺氧池出口和好氧池出口硝酸鹽氮濃度關系

2.4 曝氣區調控策略研究

缺氧停留時間對反硝化反應具有較大影響，好氧停留時間對硝化反應具有較大影響[10]。該廠缺氧池末端設有部分預曝氣系統，該部分曝氣可根據運行需要靈活調整。通過改變進水量及預曝氣設備的開關，考察了不同缺氧停留時間的脫氮效果，以進一步確定預曝氣系統的調控策略，結果見圖5。

圖5 缺氧池停留時間對脫氮效果的影響

由圖5 可以看出，隨著缺氧段停留時間的延長，總氮去除率不斷增加，停留時間由5.4 h 增加至6.7 h時，對應的總氮去除率由79.0%增加至83.6%。在水溫＜15 ℃時，硝化細菌和亞硝化細菌活性受到抑制，氨氮去除率明顯降低[11]。因此在實際運行中，當冬季低溫環境下細菌活性降低時，可開啟預曝氣以增加好氧段停留時間或減少進水量以增加停留時間，提高硝化反應效果。而當夏季氨氮處理效果較好時，可將預曝氣關閉以增加缺氧停留時間，提高反硝化效果，同時可節約大量曝氣能耗。

3 結論

（1）在進水碳氮比較低的情況下，生化池不投加除磷劑且厭氧池不投加碳源時厭氧釋磷量為2.39 mg/L，厭氧池投加碳源后，釋磷量達到22.9 mg/L，缺氧池反硝化除磷量為4.91 mg/L，去除率為52.8%，生化池投加除磷劑后厭氧釋磷量降至13.0 mg/L；生化池長期投加除磷劑且厭氧池不投加碳源的情況下，厭氧釋磷量僅為0.53 mg/L，幾乎沒有厭氧釋磷現象，生化池長期投加除磷劑對會嚴重影響生物除磷。僅 “厭氧池投加碳源”、“厭氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 和 “缺氧池投加碳源”+“生化池投加除磷劑” 3 種運行模式均可實現生化池出水總磷指標達到一級A 排放標準，且運行成本相當。

（2）當缺氧池出口硝酸鹽氮質量濃度分別為1～2，2～3 和3～4 mg/L 時，好氧池出口硝酸鹽氮濃度分別為11～12，12～13 和13～14 mg/L，污水廠可根據缺氧池出口硝酸鹽氮指標及時調整碳源投加量，避免利用好氧池出水或污水廠總出水總氮進行反饋調節造成的滯后問題。

（3）缺氧池停留時間由5.4 h 增加至6.7 h 時，對應的總氮去除率由79.0%增加至83.6%。污水廠可在缺氧池末端或好氧池前端設置預曝氣區域，低溫季節氨氮指標容易出問題時，可開啟該部分曝氣閥門，提高好氧區停留時間，以提高硝化效果，為氨氮去除提供保障，高溫季節時則可關閉開部分曝氣區，提高缺氧池停留時間，以提高反硝化效果和碳源利用效率，降低碳源藥耗和曝氣能耗。