低溶解氧對改良A/A/O工藝脫氮除磷的影響

操家順，陳 洵，方 芳

（1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098）

厭氧/缺氧/好氧(A/A/O)工藝是目前我國城市污水廠中應用最廣泛的同步脫氮除磷工藝［1］之一，但由于在城市污水生物處理系統中，不同水體的水環境容量差異較大，加上城市管網系統建設滯后，雨污混接嚴重，城市污水廠收集的污水普遍存在碳源不足問題。為滿足氮磷的排放標準，污水廠普遍采用外碳源投加的方式，以滿足系統脫氮除磷的需要，但由于一般污水處理廠，曝氣量難以有效控制，為滿足硝化需要，普遍存在過度曝氣問題，導致內回流硝化液中溶氧值較高，從而導致碳源的內耗，外碳源的利用率降低，不但嚴重制約了脫氮除磷的效果，同時造成了能源的浪費。一般來說，污水處理廠DO控制目標是確保供氧量滿足生物處理單元動態變化的O2需要并維持一個期望的混合液DO濃度，在此基礎上最大限度地減小曝氣能耗［2］。從脫氮除磷的角度來看，A/A/O工藝生物反應單元中好氧區DO不足將影響硝化及吸磷作用，而過高的DO會導致內回流硝化液溶氧含量過高，影響缺氧池反硝化［3］。在生物除磷反應過程中，當污水廠的好氧區過度曝氣或者由于雨天造成進水的有機負荷太低時，在好氧段胞內聚合物(如PHA和糖原等)會過度消耗，導致后續釋磷動力不足，從而造成除磷效率的惡化［4］。過度曝氣不僅會造成能源的浪費，也不利于生物除磷［5，6］。

基于上述的研究現狀，選用改良A/A/O中試裝置來處理實際污水，研究DO濃度對系統處理效果的綜合影響，同時與同期實際污水廠污水處理效果進行對比分析，以期為實際污水處理過程中DO的控制提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠A/A/O工藝簡介

本試驗在常州某污水處理廠內進行，該污水處理廠采用傳統A/A/O工藝，設計規模為5萬m3/d，共2期，每期規模為2.5萬m3/d，其污水處理工藝流程為沉砂池－厭氧池－缺氧池－好氧池－二沉池－化學除磷－V型濾池－臭氧消毒。厭氧池有效容積為1220m3，HRT為1.2h；缺氧池有效容積為3660m3，HRT為3.6h；好氧池有效容積為9760m3，HRT為9.6h。污水由沉砂池處理后，分別進入一、二期，經二沉池后匯總進入化學除磷及后續深度處理單元。硝化液的回流點設在好氧池末端。運行期間在缺氧池進水口投加醋酸為外加有機碳源(每年7月底～10月底不投加)，平均投加濃度為35mg/L，內回流比為100% ～150%，外回流比為60% ～80%。

1.2 沉砂池出水水質及運行現狀

表1所示為該廠2011年全年沉砂池出水水質。

表1 沉砂池出水水質Tab.1 Effluent Quality of Grid Chamber

由表1可知進水COD/TN比值平均僅為5(COD/TN 在4～7之間)，存在碳源不足的問題［7］。對該廠2011年全年水質處理效果分析表明，系統對COD有較好的去除能力，平均去除率為91.7%，平均出水濃度為12.5mg/L；氨氮的平均去除率高達96.5%，平均出水濃度為0.7mg/L，系統硝化性能良好；TN平均去除率為55.8%，平均出水濃度為13.13mg/L，但出水達標率僅為66.3%，出水總氮濃度不穩定，去除率及達標率均較低(如圖1)；系統采用輔助化學除磷，TP的處理效果良好，平均出水濃度為0.34mg/L，平均去除率為87.5%。同時對系統生物除磷效果分析(由二沉池出水(未經化學除磷)采樣分析)發現，TP的去除率較差，去除率不足10%，平均出水濃度為2.97mg/L，由此可見，系統生物反應單元幾乎喪失生物除磷的能力。由于系統投加35mg/L的外加碳源，經計算表明，系統中的COD/TN約合8.3左右，可滿足該廠的脫氮需求，但系統對脫氮效果并不理想。經檢測發現系統好氧區存在過度曝氣問題，好氧區末端溶氧濃度一般為3～5mg/L，過度曝氣不僅會惡化除磷效率，同時會使內回流混合液中攜帶較高的DO濃度，破壞系統缺氧環境，降低系統碳源的利用率，影響系統脫氮效果。針對如上問題，為此選用一個改良型A/A/O工藝中試裝置來模擬分析，主要研究DO對系統脫氮除磷的影響。

圖1 2011年TN處理效果Fig.1 Removal Effect of TN in 2011

1.3 中試試驗裝置

改良A/A/O中試試驗裝置如圖2所示，該裝置由厭氧區－缺氧區－好氧區－非曝氣區－二沉池組成。總有效容積為13.5m3，厭氧區、缺氧區、好氧區和非曝氣區的容積比為1∶1∶3∶1。在厭氧區、缺氧區和非曝氣區均安裝攪拌器提供充分的攪拌，好氧區內部聯通可循環，通過反應器底部的曝氣盤進行供氧。溶氧的控制采用變頻裝置進行設定，通過在線DO探頭進行實時監測反饋給變頻控制柜，控制鼓風機曝氣進行精確控制，誤差(±0.1)mg/L，二沉池采用斜管沉淀池。試驗進水、回流污泥和內循環混合液流量均采用流量計進行精確控制，進水量控制在1.2m3/h，污泥回流 r為80%，內回流 R為200%，通過從二沉池底部排泥，控制系統SRT在15～20 d。

試驗進水取自該廠沉砂池出水(見1.2節)，接種污泥取自該廠二沉池回流污泥，反應器內MLSS為(3000±500)mg/L。試驗啟動期共用了33 d，好氧區平均DO濃度為2.2mg/L。試驗階段好氧區DO 平均濃度分別控制在 2.2、1.5、1.0、0.6mg/L，每種DO濃度條件下各運行25～30 d，系統取樣分析，均在各DO工況調節穩定一周后進行。

圖2 改良A/A/O工藝裝置示意Fig.2 Schematics of Modified A/A/O Processes

1.4 分析方法

試驗分析方法均采用國家規定的標準方法［8］，檢測項目包括 COD、TN、TP、－N、－N、－N等。DO檢測采用哈希HACH LDO熒光法溶解氧分析儀進行在線測定。

2 結果與討論

2.1 啟動期污泥培養

在中試裝置啟動期，系統對COD、氨氮有較強的去除能力，在平均進水COD濃度為163.9mg/L的情況下，出水COD濃度平均為15.7mg/L，平均去除率為88.5%；氨氮平均進水濃度為25.1mg/L時，平均出水濃度為0.37mg/L，平均去除率高達98.5%。

中試裝置啟動期內系統對TN和TP的去除效率，如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知啟動期內TN平均進水濃度為32.7mg/L，啟動期前段出水TN平均濃度為18.6mg/L，去除率平均值為38.2%，而在啟動期后段系統對TN的平均去除率上升到49.7%，TN平均出水濃度為17.1mg/L。TP平均進水濃度為3.1mg/L，啟動期前段TP平均出水濃度為0.38mg/L，平均去除率為85.8%，而后期平均出水濃度為0.76mg/L，平均去除率為77.6%。由于原水碳源不足，在啟動期間，系統聚磷菌和反硝化細菌表現出對碳源的競爭，當系統TN去除率上升的時候，系統TP去除率出現下降趨勢。

圖3 啟動期系統TN的去除效果Fig.3 Removal Effect of TN in Initiator System

圖4 啟動期系統TP的去除效果Fig.4 Removal Effect of TP in Initiator System

2.2 DO濃度對系統COD去除的影響

當好氧區DO濃度分別為2.2、1.5、1.0mg/L時，系統對COD的去除幾乎不受影響，期間COD平均進水濃度為193.8mg/L，平均出水濃度20.1mg/L，平均去除率為89.1%。當系統中DO濃度降低到0.6mg/L時，運行初期系統出水COD濃度達到66mg/L，系統對COD的去除出現短暫的不適應；經過幾天的適應后，系統對COD仍能保持較高的去除效果，平均出水濃度為16.5mg/L，平均去除率為87.4%。單純從系統對COD的去除效果來看，可以采取較低的曝氣量以有效地節省曝氣能耗。

2.3 DO濃度對系統生物脫氮的影響

在生物脫氮過程中，好氧區DO濃度對氮的去除效果有重要影響。對于A/A/O工藝，若溶解氧不足，則硝化難以完成，脫氮更無法實現；若溶解氧過高，過剩的溶解氧會回流至缺氧區，由好氧區到缺氧區的DO攜帶是A/A/O工藝中引起缺氧區反硝化效果下降的主要原因［9］，高效脫氮也無法實現。

圖5是在不同DO濃度運行條件下系統對氨氮和TN的去除情況。

圖5 不同DO條件下系統脫氮效果Fig.5 Nitrogen Removal under Different DO Conditions

當系統中DO濃度分別為2.2、1.5和1.0mg/L時，氨氮的平均去除率分別為98.8%、99.1%、98.3%，硝酸鹽氮平均出水濃度分別為12.7、12.5、13.2mg/L，亞硝酸鹽氮平均出水濃度不足0.5mg/L，DO對系統硝化幾乎不產生影響；隨著系統DO平均濃度的降低，系統對TN的去除率呈升高趨勢，TN的平均去除率分別為48.5%、50.4%、53.1%。這是因為在好氧區DO濃度較高的情況下，回流至缺氧區的硝化液中DO濃度也相對較高，會造成缺氧池缺氧環境的破壞，同時較高的DO濃度會消耗碳源，造成缺氧區反硝化效率下降。當回流的硝化液中攜帶的DO濃度較低時，這對缺氧區環境的破壞及對反硝化效果的影響相對較小。當DO進一步降低至0.6mg/L時，期間并未出現亞硝酸氮累計現象，系統出水氨氮濃度升高，硝酸鹽氮出水濃度降低，硝化過程受到抑制，導致系統TN的去除率下降，雖然經恢復后系統TN的平均去除率為49.3%，但是由于硝化過程不穩定，TN的去除率具有一定的波動性。

圖6所示是在不同DO濃度運行條件下系統非曝氣區末端(硝化液的回流點)溶氧值。

圖6 不同DO條件下非曝氣區末端DO值Fig.6 End DO Value of Non－Aeration Zone under Different DO Conditions

由圖6可知當DO濃度控制在1.0mg/L時，回流至缺氧區的硝化液中DO濃度可以穩定維持在0.5mg/L以下，因此系統保持了較高的脫氮效率(平均去除率為53.1%)。與同期該廠實際運行效果相比，該廠在投加以醋酸作為外加碳源時，TN平均去除率為46.9%。

如果缺氧池中含有溶解氧，反硝化完全進行，所需有機物總量(以 BOD 計)可用式(1)計算［10］，理論計算時忽略微生物細胞死亡及反硝化除磷等對碳源的影響。劉玉杰［11］研究表明對于A/A/O工藝，缺氧反硝化除磷現象很微弱，理論計算值相當于忽略微生物細胞死亡對碳源的影響。

其中:C為反硝化過程中有機物需要量(以BOD 計)，mg/L；

DO為污水中溶解氧濃度，mg/L。

根據該污水處理廠的監測數據發現，BOD/COD約0.35，亞硝酸鹽濃度較低，可以忽略不計，因此可用式(2)來計算。

其中:C為反硝化過程中有機物需要量(以COD 計)，mg/L；

DO為污水中溶解氧濃度，mg/L。

在污水廠實際運行的工況條件下，若回流液DO濃度控制在0.5mg/L以下，當內回流控制在200%時，污泥回流控制在100%，可節約進水碳源12～23mg/L(以COD計)；當回流比控制在400%時，污泥回流液控制在100%，可節約進水碳源26～49mg/L(以COD計)。單純從脫氮的角度對比，本試驗在不投加任何外加碳源的情況下系統對TN的去除要優于該廠實際脫氮效果。Plosz等［12］的試驗結果證實，在進水中易生物降解碳源相對較少的情況下，缺氧區氧的存在對反硝化速率有非常大的影響，會導致反硝化速率顯著降低。該廠好氧區末端DO濃度高達3～5mg/L，過度曝氣不僅造成能耗浪費，還降低系統的反硝化速率，造成外加碳源的內耗。

綜合分析，要實現系統較好的脫氮效果，好氧區的平均DO值最好控制在1.0～2.0mg/L。在這個范圍內，可滿足系統硝化的同時，有利于系統的反硝化效率。同時在好氧區末端設置非曝氣區，可以有效地降低回流至缺氧區的硝化液中的溶氧值，提高脫氮效率。非曝氣區的設置可以有效防止系統二沉池中反硝化帶來的污泥上浮問題，但應注意最終外排水DO值的問題，應設置后曝氣段，以防止外排水過低的溶氧對環境水體的影響。

2.4 DO濃度對系統生物除磷的影響

圖7是在不同DO濃度運行條件下系統對TP的去除情況。

圖7 不同DO條件下系統TP的處理效果Fig.7 Treatment Effect of TP under Different DO Conditions

由圖7可知當DO濃度控制在2.2～1.0mg/L時，隨著DO濃度的降低，TP的去除效果出現明顯的下降趨勢，系統 TP去除率從77.8%下降至58.4%，平均出水濃度由0.67mg/L上升至0.94mg/L。當系統DO濃度控制在0.6mg/L時，前期由于硝化作用受到抑制，反硝化脫氮對碳源的需求下降，系統TP的去除率大幅上升，去除率由58.4%陡升至95%，后因系統硝化作用的恢復，開始逐漸下降。而該污水處理廠運行期間進水TP平均濃度為2.96mg/L，經化學除磷后出水 TP平均濃度為0.31mg/L，但二沉池后未經化學除磷出水TP平均濃度高達2.72mg/L。從除磷的效果分析可知，中試運行也高于實際污水處理廠運行效果。本研究發現，當系統碳源不足時，低C/N比城鎮生活污水對于A/A/O工藝來說，由于其特殊的工藝流程，脫氮對碳源的競爭強于除磷，要想滿足系統出水穩定達標，首先必須解決系統脫氮的問題；其次聚磷菌好氧吸磷對DO值的需求要低于系統硝化對DO值的要求。

3 結論

(1)當好氧區的平均DO濃度從2.2mg/L降低至1.0mg/L時，改良A/A/O系統對COD的去除效果不受影響，平均去除率為89.1%。

(2)DO濃度對系統脫氮有重要影響。維持系統好氧區平均DO為1.0～2.2mg/L，同時在好氧區末端設置非曝氣區，可以有效地保證缺氧區的缺氧環境以及降低回流至缺氧區的硝化液中DO值，提高系統脫氮效率，防止系統碳源的內耗。

(3)當系統碳源不足時，A/A/O工藝的脫氮對碳源的競爭強于除磷，聚磷菌好氧吸磷對DO值的需求要低于系統硝化對DO值的需求。綜合分析，對于A/A/O工藝DO的控制，應優先考慮脫氮的需求。

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