污水處理廠改良A2O工藝脫氮條件優化研究

李濤　石林松　盛雅

摘要：為了適應日趨嚴格的污水排放標準對污水處理廠脫氮性能的新要求，在強化改良AO工藝脫氮效果的同時節省藥劑投加成本，通過批次實驗確定最佳污泥濃度范圍和乙酸鈉投加量，并進行為期35 d運行實踐。實驗結果表明：當乙酸鈉投加量一定時，隨著生物池內污泥濃度的增加，NO-N及TN的濃度逐漸下降，脫氮性能提高，當污泥質量濃度高于4.91 g/L時，NO-N及TN濃度的下降趨勢變緩;當污泥質量濃度為4.268 g/L，乙酸鈉投加量在30～180 mg/L范圍內增加時，隨著C/N值逐步增加，反硝化脫氮性能顯著增強。當乙酸鈉投加量為120 mg/L時，對應C/N值為5.05，此時TN質量濃度低于15 mg/L，可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）表1中一級A標準。運行實踐過程中控制污泥質量濃度為4～5 g/L，乙酸鈉投加量為120 mg/L，每日出水均可達標排放;通過合理投加乙酸鈉，每年可節省藥劑成本300萬元。研究成果能夠有效提高污水處理廠脫氮效率，可獲得明顯的社會效益和經濟效益，可為污水處理廠實際運行提供參考。

關鍵詞：水污染防治工程;改良AO工藝;MLSS;乙酸鈉;反硝化脫氮

中圖分類號：X703.1文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02012

Optimization of nitrogen removal conditions by modified AO process

in sewage treatment plant：Taking a sewage treatment plant in Shijiazhuang as an example

LI Tao，SHI Linsong，SHENG Ya

（Shijiazhuang Qiaoxi Sewage Treatment Plant，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

Abstract：In order to meet the new requirements for denitrification performance in sewage treatment plants due to the increasingly stringent wastewater discharge standards，and to enhance the nitrogen removal effect of the improved AO process while reducing the consumption of chemicals，batch experiments were conducted to explore the optimal mixed liquor suspended solids range and sodium acetate dosage，and then the operation practice was conducted with 35 days.According to the results of batch experiments，when the dosage of sodium acetate is constant，the concentration of NO-N and TN decreases gradually and the denitrification performance improves with the increase of mixed liquor suspended solids.The decreasing trend of NO-N and TN concentration slows down when the sludge concentration is higher than4.91 g/L.With the gradual increase of C/N，the denitrification performance is significantly enhanced when the sludge concentration is 4.268 g/L and the dosage of sodium acetate is increased from 30 to 180 mg/L.Furthermore，when the dosage of sodium acetate reaches 120 mg/L and the corresponding C/N is 5.05，the TN concentration is lower than 15 mg/L，which meets the first level A criteria specified in the Discharge Standard of Pollutants for Municipal Sewage Treatment Plant （GB 18918—2002）.In the operation practice，the mixed liquor suspended solids is 4～5 g/L，the sodium acetate dosage is 120 mg/L，and the daily effluent quality can meet the discharge standard.At the same time，by adding sodium acetate reasonably，the consumption of chemicals can be saved by 3 million yuan every year.The research results can effectively improve the nitrogen removal efficiency of sewage treatment plants，and obtain obvious social and economic benefits，which can provide guidance for the actual operation of sewage treatment plants.

Keywords： water pollution control engineering;improved AO process;MLSS;sodium acetate;denitrification and nitrogen removal

隨著城鎮污水廠污染物排放標準的日趨嚴格，總氮（total nitrogen，TN）濃度（一般為質量濃度，下同）成為限制污水處理廠出水穩定達標的重要因素，而TN超標的風險主要是由出水中的NO-N所貢獻的[1]。據統計，利用硝化和反硝化原理的傳統AO工藝及各種改良的AO工藝是中國城鎮污水處理廠中應用最廣泛的生物脫氮工藝[2-4]，其處理量約占全國城鎮污水廠設計總規模的1/3。改良AO工藝中，生物池缺氧段微生物的主要功能是通過反硝化反應去除絕大部分NO-N，在此過程中需外源投加大量碳源，由此污水廠承擔著巨大的藥劑成本。因此提高該段反硝化的脫氮性能、節約藥劑成本尤為重要[5-6]。

影響反硝化脫氮性能的主要因素是反硝化菌的數量，即污泥濃度（mixed liquor suspended solids，MLSS;一般為質量濃度，下同），MLSS濃度越高所含反硝化菌的數量也越多，脫氮效果越好[7-8]。除MLSS外，碳源投加量即C/N（碳和氮的總質量濃度之比，一般用C/N表示）也是影響反硝化過程脫氮性能的主要因素[9-10]。住房和城鄉建設部“全國城鎮污水處理信息系統”的數據顯示，C/N值低是中國城鎮污水處理廠的普遍性問題，當C/N值小于3時，進水碳源不足[11]。因此，為確保出水TN穩定達標排放，優化MLSS及碳源投加量是提高生物池反硝化脫氮性能、節約藥劑成本的有效手段。

本研究通過模擬生物池缺氧段微生物反硝化環境運行狀況，對反硝化脫氮性能影響的主要因素MLSS及乙酸鈉投加量進行了優化，以期探索合理的運行參數，指導污水處理廠運行實踐。

1污水處理廠概況

石家莊市某污水處理廠二期工程處理能力為20萬m/d，生物處理單元采用改良AO工藝，即厭氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧工藝，是通過利用不同的空間進行硝化和反硝化反應，對污水中的氮進行去除，工藝流程圖如圖1所示[12]。其中生物池設計MLSS濃度為2～3 g/L，外加碳源乙酸鈉設計投加量（質量濃度，下同）為150 mg/L。該污水處理廠進水TN，NHN和COD的質量濃度（以下簡稱濃度，下同）分別在20～100 mg/L，10～60 mg/L，65～300?mg/L范圍內波動，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）表1中一級A標準（以下簡稱排放標準），即TN濃度小于15 mg/L，NHN濃度小于5 mg/L，COD濃度小于50 mg/L。

2材料與方法

2.1實驗材料

接種污泥取自該污水處理廠生物池第一好氧段出口的活性污泥，靜置沉淀30 min后取上清液備用，底部污泥用磷酸鹽緩沖液清洗3次，以消除殘余NON和溶解性有機物對后續實驗的影響。

批次實驗裝置為ZR4-6混凝實驗攪拌機（深圳市中潤水工業技術發展有限公司提供），其中燒杯的有效容積為1 000 mL。為達到缺氧環境，實驗過程中將攪拌轉速設為30 r/min，控制氧氣的溶入。

2.2實驗方法

2.2.1MLSS對反硝化脫氮性能影響的實驗設計

在有效體積為1 000 mL的燒杯中進行批次實驗，考察不同濃度MLSS對反硝化脫氮性能的影響。各實驗組接種不同體積的活性污泥，并用上清液定容至1 L，接種污泥MLSS濃度分別為1.88，3.11，3.87，4.91，6.08，6.94 g/L，相應命名為實驗組M1，M2，M3，M4，M5，M6，具體如表1所示。向各實驗組投加128 mg乙酸鈉（以純乙酸鈉計，參考設計值），開啟實驗裝置攪拌器1 h，測定反應前后COD，TN，NON，NHN的濃度變化。

2.2.2乙酸鈉投加量對反硝化脫氮性能影響的實驗設計

在有效體積為1 000 mL的燒杯中進行批次實驗，探究投加不同濃度乙酸鈉引起C/N變化后對于反硝化脫氮性能的影響。根據MLSS對反硝化脫氮性能影響的批次實驗所確定的最佳MLSS濃度，各實驗組接種相同量的活性污泥，用上清液定容至1 L，并投加30～180 mg/L乙酸鈉，以30 mg/L梯度遞增，分別命名為實驗組C1，C2，C3，C4，C5，C6，對應COD濃度分別為54.1，69.6，91.5，123.2，138.5，151.6?mg/L，其所對應C/N值分別2.22，2.85，3.75，5.05，5.68，6.21，具體見表2。開啟實驗裝置攪拌器1 h，測定反應前后TN，NO-N，NH-N的濃度變化。

2.2.3工藝優化運行實踐

根據上述批次實驗所得到的優化結果，以最佳的MLSS濃度及乙酸鈉投加量指導污水處理廠實際運行實踐35 d。運行實踐階段每日監測生物池MLSS濃度及進、出水的TN，NH-N，COD的濃度變化。

2.3分析方法

取污泥混合液，采用重量法測定MLSS濃度[13]，再靜置沉淀后取上清液，分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、紫外分光光度法、納氏試劑分光光度法、重鉻酸鉀法測定TN，NO-N，NH-N，COD的濃度 [14]。

3結果與討論

3.1MLSS對反硝化脫氮性能的影響

批次實驗選取6個MLSS濃度（見表1），在TN濃度為19.7 mg/L，NO-N濃度為16.0 mg/L，NH-N濃度為0.33 mg/L的初始條件下，考察不同MLSS濃度對反硝化脫氮性能的影響，結果如圖2所示。

由圖2可看出，MLSS濃度為1.88～4.91 g/L時，隨著MLSS濃度增加，NO-N濃度呈顯著下降趨勢;當MLSS濃度高于4.91 mg/L時，NO-N濃度下降趨勢變緩。實驗過程中NH-N濃度無明顯變化，且TN變化趨勢與NO-N變化趨勢相同，這是由于反硝化作用是在缺氧條件下反硝化菌將NO-N還原為N的脫氮過程，因此該實驗過程中，NH-N濃度并無明顯變化;同時由于上述原因，在不考慮有機氮的情況下，TN變化趨勢應與NO-N變化趨勢相同。

決定反硝化速率的主要因素之一是反硝化菌的數量，而隨著污泥濃度的增加有效地提高了系統內的反硝化菌的濃度，因此可促進反硝化脫氮性能的提高。當MLSS濃度為4.91 mg/L時，TN濃度下降至6.5 mg/L，NO-N濃度下降至2.43 mg/L。有學者認為，系統污泥濃度的過度升高會抑制反硝化過程[15]，同時較高的污泥濃度會造成污泥老化[16-17]，嚴重時會影響出水指標。并且，保證好氧氧化效果的前提下，隨著生物池污泥濃度的增加需要增加曝氣量，這又會造成設備負荷及能耗的增加。因此，本實驗確定最佳MLSS濃度為4～5 g/L，這樣既能保證脫氮性能，又能減少污泥老化問題及控制成本。

3.2乙酸鈉投加量對反硝化脫氮性能的影響

乙酸鈉為低分子有機酸鹽，容易被微生物利用，已有研究表明以乙酸鈉為有機碳源時，反硝化反應具有最大的比反硝化速率[18-21]，因此本實驗選擇乙酸鈉作為外加碳源。各實驗組MLSS濃度均為4.268?g/L，投加30～180 mg/L不同濃度的乙酸鈉（見表2），在TN濃度為24.4 mg/L，NO-N濃度為19.4 mg/L，NH-N濃度為0.28 mg/L的初始條件下，考察不同乙酸鈉投加量對反硝化脫氮性能的影響，結果如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著乙酸鈉投加量的增加，C/N值逐步增加，NO-N及TN濃度呈顯著下降趨勢。當乙酸鈉投加量為150 mg/L，對應C/N值為5.68時，TN濃度下降趨勢變緩。張淼等[22]發現利用乙酸鈉為碳源，當C/N=2時，由于內碳源利用速率低，導致出水NO-N濃度變高，反硝化脫氮進程受限，不充足的碳源難以滿足完全反硝化的需求。袁怡等[23]發現以乙酸鈉為碳源，當C/N≥3.5時，NO-N積累量顯著下降，有利于全程反硝化。如圖3所示，當乙酸鈉投加量為120 mg/L時，C/N值為5.05，經反硝化脫氮后TN濃度低于15 mg/L，達到城鎮污水排放一級A標準。

3.3工藝優化運行實踐效果分析

控制生物池MLSS濃度為4～5 g/L，乙酸鈉投加量為120 mg/L，探究生物池實際運行情況。每日對生物池進、出水水質進行監測，進、出水的TN，NH-N，COD濃度分析如圖4所示。

由圖4可以看出，在工藝優化運行期間，每日出水中TN，NH-N，COD均滿足排放標準。圖4 a）中，每日出水TN濃度均低于15 mg/L，可滿足排放標準的要求;在第15天時，進水TN濃度高達98.1 mg/L，出水TN濃度為10.9 mg/L，表明生物池可以耐受高濃度TN沖擊負荷，脫氮性能優良。由圖4 b）可看出，出水NH-N濃度均控制在0.5?mg/L以下，遠低于排放標準的5 mg/L;在第9天時，進水NH-N濃度為56.0 mg/L，出水濃度降低至0.27 mg/L;在第9～16天時，進水中持續含有較高濃度NH-N，而出水NH-N濃度都降低至0.3 mg/L以下，NH-N去除效果顯著。由圖4 c）可知，每日出水COD濃度均降至20 mg/L以下，可滿足排放標準中50 mg/L的要求;在第4天和第11天時，進水COD濃度分別為273.4，268.8 mg/L，出水COD濃度分別降至13.0，8.33 mg/L，COD去除效果顯著。

通過上述批次實驗及實際生產運行實踐，將生物池MLSS濃度2～3 g/L提高至4 g/L時，乙酸鈉使用量可由150 mg/L減少到120 mg/L，出水脫氮效果穩定且達標。每日污水處理能力為20萬m/d，每日節約乙酸鈉使用量6 t，約合人民幣1萬元，每年可節省300萬元藥劑費，經濟效益明顯。由于生物池污泥濃度提高，為保證生物池溶解氧含量，鼓風機負荷相應提高，耗電量略有增加，相比乙酸鈉的節約量，鼓風機耗電量的增加對生產運行成本的影響基本可以忽略不計。

4結語

本文通過模擬改良AO工藝生物池缺氧段微生物反硝化脫氮過程，考察不同MLSS濃度及乙酸鈉投加量對其脫氮性能的影響，探索合理的運行參數指導污水廠運行實踐。

1）當乙酸鈉投加量一定時，隨著系統內MLSS濃度的增加，NO-N及TN的濃度逐漸下降，脫氮性能提高，當MLSS濃度高于4.91 g/L時NO-N及TN的濃度下降趨勢變緩。考慮曝氣設備負荷、電耗以及污泥老化等因素，宜將污泥濃度控制在4～5 g/L。

2）當MLSS濃度為4.268 g/L時，隨著乙酸鈉投加量的增加，C/N值逐步增加，反硝化脫氮性能顯著增強。當乙酸鈉投加量為120 mg/L時，C/N值為5.05，此時TN濃度低于15 mg/L，達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）表1中一級A標準。

3）根據批次實驗結果，確定了運行條件為MLSS濃度為4～5 g/L，乙酸鈉投加量為120 mg/L，并指導運行實踐35 d，出水的TN，NH-N，COD濃度均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）表1中一級A標準，每年可節省300萬元藥劑費，經濟效益顯著。

在優化改良后的AO工藝脫氮運行條件下，污水處理廠的脫氮性能得到提高的同時降低了藥劑成本。但是，本研究只針對改良AO工藝中反硝化階段的運行條件進行了優化，并未優化硝化階段的運行條件。因此，在今后的研究中會優化硝化階段的MLSS及曝氣量，以期探索更合理的運行條件，達到既能保證較高脫氮性能又能降低能耗的目的。

參考文獻/References：

[1]韋政，楊燕梅，翁蕊，等.高排放標準下我國城鎮污水廠A/O工藝升級改造研究進展[J].華東師范大學學報（自然科學版），2021（4）：55-63.WEI Zheng，YANG Yanmei，WENG Rui，et al.A review of the upgrading technology for the A/O process of municipal wastewater treatment plants under high discharge standards in China[J].Journal of East China Normal University（Natural Science），2021（4）：55-63.

[2]陶美彤，王艷青，張蕾.AO生物接觸氧化法污水處理技術研究進展[J].農業災害研究，2021，11（1）：150-152.TAO Meitong，WANG Yanqing，ZHANG Lei.Research progress of AO biological contact oxidation wastewater treatment technology[J].Journal of Agricultural Catastrophology，2021，11（1）：150-152.

[3]楊洋.城市污水廠A/O工藝效能優化與應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.YANG Yang.Efficiency Optimization and Application Research of A/O Process in Municipal Wastewater Treatment Plant[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2013.

[4]王瓊，龐雪玲，史彥偉，等.改良A/O工藝處理生活污水的脫氮除磷效果[J].中國給水排水，2018，34（23）：100-104.WANG Qiong，PANG Xueling，SHI Yanwei，et al.Nitrogen and phosphorus removal in domestic sewage by modified A/O process[J].China Water & Wastewater，2018，34（23）：100-104.

[5]任潔，顧國維，楊海真.改良型A/O工藝處理城市污水的中試研究[J].給水排水，2000，26（6）：7-10.REN Jie，GU Guowei，YANG Haizhen.Pilot plant research on improved A/O process treating urban wastewater[J].Water & Wastewater Engineering，2000，26（6）：7-10.

[6]彭黨聰.水污染控制工程[M].北京：冶金工業出版社，2010.

[7]宋忠喜，劉志強，楊志生.污泥濃度、pH、NO-N對反亞硝化脫氮的影響[J].天津理工大學學報，2007（5）：25-28.SONG Zhongxi，LIU Zhiqiang，YANG Zhisheng.Effects of MLSS、pH、NO-N on denitritification[J].Journal of Tianjin University of Technology，2007（5）：25-28.

[8]王少坡，彭永臻，王淑瑩，等.溫度和污泥濃度對短程內源反硝化脫氮的影響[J].環境科學與技術，2005，28（4）：85-86.WANG Shaopo，PENG Yongzhen，WANG Shuying，et al.Effects of temperature and MLSS on endogenous denitrification via nitrite[J].Environmental Science and Technology，2005，28（4）：85-86.

[9]蔣柱武，張仲航，陳禮洪，等.反硝化生物膜濾池脫氮影響因素分析[J].中國給水排水，2019，35（7）：101-106.JIANG Zhuwu，ZHANG Zhonghang，CHEN Lihong，et al.Analysis?of influencing factors of nitrogen removal in a denitrification biological filter[J].China Water & Wastewater，2019，35（7）：101-106.

[10]達方華，陳茂林，徐樂中，等.反硝化濾池深度脫氮處理影響因素研究進展[J].廣東化工，2019，46（6）：108-111.DA Fanghua，CHEN Maolin，XU Lezhong，et al.Study on influencing?factors of denitrification in denitrification filter[J].Guangdong Chemical Industry，2019，46（6）：108-111.

[11]李弘義.碳源投加量和污泥運行參數對污水脫氮效率的影響研究[J].海河水利，2020（3）：45-48.LI Hongyi.Study on the impacts of carbon source dosage and sludge operation parameters on sewage denitrification efficiency[J].Haihe Water Resources，2020（3）：45-48.

[12]路娜，李濤，李偉，等.改良A2/O工藝在城市污水中的應用[J].河北工業科技，2012，29（3）：176-179.LU Na，LI Tao，LI Wei，et al.Application of improved A/O process in treatment of municipal sewage[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2012，29（3）：176-179.

[13]羅曉，鄭向陽，趙叢叢，等.A/O工藝中污泥濃度對微生物群落結構的影響[J].中國環境科學，2018，38（1）：275-283.LUO Xiao，ZHENG Xiangyang，ZHAO Congcong，et al.Effects of sludge concentration on microbial community structure in A/O process[J].China Environmental Science，2018，38（1）：275-283.

[14]國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法[M].第4版.北京：中國環境科學出版社，2002.

[15]萬太寅，蔣倓.市政污水處理廠A/O工藝中高、低污泥濃度與除磷脫氮效果的研究[J].環境與發展，2018，30（9）：118-119.WAN Taiyin，JIANG Tan.Wastewater treatment in AO effect of nitrogen removal and phosphorus removal with MLSS on high or low[J].Environment and Development，2018，30（9）：118-119.

[16]陸秋萍，李海勤，劉華，等.污泥膨脹的原因分析及調整實例[J].工業用水與廢水，2019，50（6）：43-46.LU Qiuping，LI Haiqin，LIU Hua，et al.Cause analysis and adjustment?case of sludge bulking[J].Industrial Water & Wastewater，2019，50（6）：43-46.

[17]王先武.廢水處理中A/O工藝污泥上浮產生的原因及處理措施[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40（13）：229-230.

[18]殷芳芳，王淑瑩，昂雪野，等.碳源類型對低溫條件下生物反硝化的影響[J].環境科學，2009，30（1）：108-113.YIN Fangfang，WANG Shuying，ANG Xueye，et al.Effects of carbon source types on denitrification performance at low temperature[J].Environmental Science，2009，30（1）：108-113.

[19]馬勇，彭永臻，王淑瑩.不同外碳源對污泥反硝化特性的影響[J].北京工業大學學報，2009，35（6）：820-824.MA Yong，PENG Yongzhen，WANG Shuying.Sludge denitrification characteristics with different external carbon source[J].Journal of Beijing University of Technology，2009，35（6）：820-824.

[20]胡小宇.外加碳源在脫氮除磷中的應用研究[D].綿陽：西南科技大學，2020.HU Xiaoyu.Study on the Application of Additional Carbon Source for the Removal of Nitrogen and Phosphorus[D].Mianyang：Southwest University of Science and Technology，2020.

[21]趙俊娜.乙酸鈉碳源和鐵鹽除磷劑對活性污泥系統的影響[J].河北工業科技，2021，38（6）：494-499.ZHAO Junna.Effects of sodium acetate carbon source and iron salt phosphorus removal agent on activated sludge system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2021，38（6）：494-499.

[22]張淼，朱晨杰，范亞駿，等.進水C/N比對部分反硝化過程亞硝態氮積累和微生物特性的影響[J/OL].中國環境科學，2021：1-9[2021-10-19].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=ZGHJ2021092700V&DbName=CAPJ2021.ZHANG Miao，ZHU Chenjie，FAN Yajun，et al.Effect of influent C/N rations on nitrite accumulation and microbial community in the partial denitrification process[J/OL].China Environmental Science，2021：1-9[2021-10-19].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx？FileName=ZGHJ2021092700-V&DbName=CAPJ2021.

[23]袁怡，黃勇，鄧慧萍，等.C/N比對反硝化過程中亞硝酸鹽積累的影響分析[J].環境科學，2013，34（4）：1416-1420.YUAN Yi，HUANG Yong，DENG Huiping，et al.Effect of C/N?ratio on nitrite accumulation during denitrification process[J].Environmental Science，2013，34（4）：1416-1420.