污泥雙回流-AOA工藝在北方城鎮污水處理中的應用研究

摘 要：污泥雙回流-AOA是國際領先的城市污水節能降碳技術，在南方地區得到了較好的應用和推廣，在北方城鎮污水廠還沒有得到大規模應用，本文以北方某城鎮污水廠為依托，建立了基于污泥雙回流-AOA工藝的中試系統來處理低C/N城鎮污水，處理規模為120m3/d，在無外加碳源投加的情況下，考察了該工藝對COD、氨氮、總氮和總磷的處理效果，在系統連續運行27d后，排除60%的剩余污泥，并對污泥濃度進行連續監測。結果表明，在無外碳源投加的情況下，污泥雙回流-AOA工藝處理北方低C/N城鎮污水仍然具有較好的污染物去除效果和較低的剩余污泥產量。

關鍵詞：AOA；C/N；城鎮污水；污泥雙回流

中圖分類號：X 703" " 文獻標志碼：A

當前大多數的城鎮污水處理廠采用高能耗的技術，不僅帶來間接的碳排放，還增加了能源消耗和運行成本[1]。主要存在以下3個問題。1）用電量大。從能耗來看，我國城鎮污水處理廠平均電耗約0.48kWh/m3，其中鼓風機為第一大耗電設備[2]，耗電量超過50%。2）碳源消耗大。北方城鎮污水的C/N比較低，在處理過程中需要加入甲醇、葡萄糖等外源碳將污水中的NO3--N全部還原為N2，增加了污水處理成本，而且增加了污泥的產量。3）污泥產量大。預計到2025年，我國含水率80%的污泥年產量將達到1.6億t。但是調研結果顯示，我國污水處理廠所產生的污泥有70%沒有得到妥善處理。

污泥雙回流-AOA是北京工業大學彭永臻院士團隊首創的國際領先的城市污水節能降碳技術，在海南、廣東等地得到了廣泛應用且效果良好。AOA新技術將缺氧區后置，污水依次流經厭氧-好氧-缺氧（A-O-A）生物反應池，TN去除效率顯著提高[3]。與傳統的A2/O、A/O工藝相比[4]，該工藝外碳源投入量少、污泥產量低、能耗明顯降低，提高了比內源反硝化速率且實現了深度去氮的目標[5]。本文研究污泥雙回流-AOA工藝在不加碳源的情況下處理北方低C/N城鎮污水，并研究了系統的剩余污泥產生情況，以期對污泥雙回流-AOA工藝在北方低C/N城鎮污水處理上的工程應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 中試裝置及運行方式

AOA工藝中試裝置系統如圖1所示。中試裝置由AOA生化池和二沉池2個主體反應器組成。AOA生化池為長方形反應池，依次劃分為厭氧區、好氧區、缺氧區。該裝置工藝流程如下：潛污泵將污水處理廠細格柵出水輸送到本中試裝置系統，依次流經生化池的厭氧區、好氧區、缺氧區，生化池出水進入二沉池，泥水分離后，上清液排出，沉淀污泥分2路回流到AOA生化池，一路回流到厭氧區前端（第一污泥回流），一路回流到缺氧區前端（第二污泥回流）。

1.2 試驗水質與接種污泥

本研究中使用的污水來自北方某城鎮污水處理廠細格柵出水，水質特征包括COD、NH4+-N、TN、TP，水質特征值范圍見表1。其中，污水平均C/N為4.22（試驗用的污泥來自該污水處理廠生化池）。

1.3 試驗方法

從污泥雙回流-AOA系統進水和出水處取水樣，用15μm～25μm的濾紙過濾后進行水質指標檢測。試驗的主要方法如下。1）在本中試裝置啟動初期，引入污水處理廠細格柵出水作為原水，并投加該污水處理廠生化池污泥，系統運行期間無外碳源投加，無剩余污泥排放，監測生化池進出水各項指標。2）系統連續運行27d后，排除剩余污泥的60%，無外碳源投加，無剩余污泥排放，第一污泥回流100%，第二污泥回流200%，系統繼續運行15d，在此過程中，監測生化池進出水各項指標及好氧區污泥濃度，系統進水量為5m3/h，HRT為15h。

1.4 分析方法

COD、NH4+-N、TN、TP均采用美國哈希（HACH）快速測定儀法，MLSS（混合液懸浮固體濃度）采用質量法，DO、溫度采用美國哈希在線監測儀監測。

2 結果與討論

2.1 對污染物的去除效果

2.1.1 對COD的去除效果

本試驗對COD的去除效果如圖2所示。進水COD平均為176mg/L，出水COD平均為28mg/L，平均去除率為84.11%，去除效果良好。COD的去除主要發生在生物池的厭氧區，城鎮生活污水中的COD絕大部分為可生物降解的溶解態COD，厭氧段，在厭氧菌的作用下，發生水解酸化，生成易被微生物利用的有機揮發酸VFA，厭氧菌同化吸收VFA，儲存于細胞內，為后續合成自身物質做準備。在生物池的缺氧段也會有部分COD被去除，缺氧段主要發生反硝化細菌的反硝化脫氮作用，反硝化細菌屬于異養菌，反硝化作用的進行需要消耗外部碳源。

2.1.2 對NH4+-N的去除效果

本試驗對NH4+-N的去除效果如圖3所示，進水NH4+-N平均為37.21mg/L，出水NH4+-N平均為2.49mg/L，平均去除率為93.48%，去除效果較優。在城市污水和工業廢水中，氮主要以有機態或氨氮的形式存在。有機氮包括蛋白質和尿素，在氨化菌的作用下，分解轉化為氨氮，一部分氨氮發生同化作用，被細菌合成自身組成物質，而另一部分氨氮則通過硝化作用轉化為硝酸鹽氮。硝化作用是由專門的自養微生物分2個階段進行的生物過程：亞硝化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，硝化細菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽氮，硝化作用主要發生在生物池的好氧區。

2.1.3 對TN的去除效果

本試驗對TN的去除效果如圖4所示，進水TN平均為38.01mg/L，出水TN平均為8.36mg/L，平均去除率為78.26%，去除效果良好。總氮的去除主要依靠缺氧段的反硝化作用，反硝化作用是指反硝化細菌在缺氧條件下還原硝酸鹽并產生氮氣的過程。生物脫氮是通過硝化細菌和反硝化細菌的聯合作用去除污水中的含氮污染物。反硝化作用是缺氧反應（無氧氣，但有氧化態氮），需要提供電子供體，電子供體一般為原水中可生物降解的有機物，傳統的A2/O、A/O工藝需要在缺氧段投加外碳源，而污泥雙回流AOA工藝不需要投加外碳源，主要依靠內源反硝化，增加的第二污泥回流將二沉池底部污泥厭氧發酵產生的易利用碳源輸送至缺氧區，有利于反硝化的進行。

2.1.4 對TP的去除效果

本試驗對TP的去除效果如圖5所示，進水TN平均為3.76mg/L，出水TN平均為0.26mg/L，平均去除率為92.73%，TP的去除率比較高。在生物除磷過程中，總的流程是原水中的磷進入細菌細胞，然后以剩余污泥的形式排放到系統外。聚磷菌PAO可以在厭氧和好氧交替的環境中，將磷以多聚磷酸鹽的形式吸收、匯集在細胞內。在厭氧段，聚磷菌利用釋放正磷酸鹽獲得的能量吸收乙酸和糖原，合成聚羥基脂肪酸酯（PHB）并儲存于細胞內，聚磷菌中的PHB將隨著多聚磷酸鹽減少而增加。在好氧段，聚磷菌體內儲存的PHB被代謝掉，為新細胞的生長提供能量和碳源，PHB代謝所提供的能量形成了多聚磷酸鍵，使可溶性正磷酸鹽被重新吸收并以多聚磷酸鹽的形式進入細菌體內。聚磷菌在厭氧階段充分釋磷，在好氧階段重新吸磷，這是磷被去除的原因。

2.2 污泥濃度影響分析

在排泥前，系統的污泥濃度較高，由于無外加碳源，進水COD無法滿足系統內大量微生物生長代謝的需求，大批微生物因碳源不足而死亡，菌膠團解體，生物池液面上漂浮大量“死泥”，不利于泥水分離。說明在無外加碳源的情況下，需要降低污泥濃度，以減少生物池液面上難以沉降的懸浮物。在系統連續運行27d后，排除60%的剩余污泥，此時，好氧區污泥濃度約為3010mg/L，進水中的COD能夠滿足系統內微生物生長代謝需求，微生物開始增殖，污泥濃度增加，如圖6所示，在14d運行期內，污泥濃度平均增加量為182mg/L·d，即每噸進水約產出114g剩余污泥，遠遠少于傳統A2/O、A/O工藝的剩余污泥產量。

3 結語

本研究使用北方某城鎮污水處理廠細格柵出水，利用污泥雙回流-AOA工藝進行處理，通過連續試驗得到COD、NH4+-N、TN和TP的平均去處效果分別為84.11%、93.48%、78.26%、92.73%，整體效果較好，說明了污泥雙回流-AOA工藝在北方城鎮污水廠具有推廣價值。

在系統連續運行27d后，排除60%的剩余污泥，對污泥濃度進行連續監測發現，在無外碳源投加的情況下，污泥雙回流-AOA工藝每噸進水剩余污泥產量僅為114g，遠遠低于傳統A2/O、A/O工藝的剩余污泥產量，該工藝在降低污泥產量方面具有明顯優勢。

參考文獻

[1]于金旗，孫磊，劉然彬，等.污水處理廠減污降碳技術探討[J].水處理技術，2024，50（4）：18-25.

[2]李莉.城鎮污水處理廠電耗與節能措施分析[J].中國資源綜合利用，2024，42（1）：175-197.

[3]姚曉琰，李凌云，薛曉飛，等.污泥雙回流-AOA中試系統處理低C/N城鎮污水的脫氮除磷性能[J].環境工程學報，2023，17（8）：2524-2533.

[4]王剛，袁林江，王茹，等.A2/O回流污泥快速啟動厭氧氨氧化及其動力學特征[J].中國給水排水，2023，39（9）：1-9.

[5]高歆婕，許載周，彭永臻，等.污泥雙回流-厭氧/好氧/缺氧強化內源反硝化深度脫氮[J].化工學報，2022，73（11）：5098-5105.