A2O工艺在污水处理中的优化研究

张娟

环境工程

A2O工艺在污水处理中的优化研究

张娟

（太原理工大学,山西太原030024）

结合太原市某污水厂近二年运行数据（2013～2015年），分析了改良型A2O工艺中污染物转化的空间分布规律，如COD、NH3-N、TP，定量分析了脱氮的途径和贡献比例，提出脱氮主要发生在缺氧区以及污泥前置反硝化区。通过进一步实验排除了硝化程度、回流点位置、缺氧区容积（HRT）对脱氮限制，提出内回流比、回流带入DO对反硝化效率的抑制，并通过调整内回流比使出水TN达到一级A标准。

A2O工艺；脱氮；反硝化；内回流

1 污水厂的现状分析

污水厂的现状调查和问题识别是进行诊断、工艺优化和调控的基础，必须通过实际的运行数据做支撑。通过对污水厂长期的运行数据进行分析，评价目前的处理效能和存在的问题，为后续的工艺诊断和优化提供假设和方向[1]。

1.1 污水厂的进出水水质分析

原污水处理厂按照一级B的出水标准设计，随着提标升级的要求，出水要求达到一级A标准，污水厂也增加了深度处理工艺（微絮凝过滤），主要去除部分的COD、TP和SS，但对于NH3-N和TN只能通过生化段去除[2]。表1统计分析了北区污水厂近一年以来（2012～2013年）的进出水的水质均值浓度与排放标准的比较。

表1 污水厂实验期进出水均值（mg·L-1）Tab.1Phase in and out of the water average sewage plant experiment

从表1中可以看出，进水有机物及SS远低于设计值，出水水质达到一级B的标准，要满足新的排放标准，生化出水NH3-N及TN需达到一级A标准，表中反映出水TN超标，因此强化脱氮是本实验的重要任务。

单一的进出水均值仅大致反映了总体水质情况，为进一步分析系统的稳定性、及变化趋势，需要进一步研究进出水污染物浓度概率，图1表示了进出水污染物浓度概率。

图1 进水出水水质及去除率分布Fig.1Distribution of influent water quality and removal rate

从图1中看出，进水NH3-N变化较大，高达60mg·L-1，当进水NH3-N浓度超过设计值（30mg· L-1）时，出水难以达到一级A标准，一般情况下系统硝化作用较强，如何保证波动水质下稳定是达到一级A标准的关键。从系统的进水TN分析一般小于50mg·L-1，出水TN不稳定，难保证一级A标准要求。这说明系统脱氮的限制因素，可能主要在于系统的反硝化不足或是系统硝化仍不彻底，回流中硝酸盐含量可能存在不足会导致系统脱氮的限制；另外一方面，由于回流点位于生化池2/3处，回流点处的硝化程度也许不完全，不利于硝酸盐回流，其合理性有待进一步验证；除此之外，为了全面了解脱氮的限制因素，必须还要进行全程的水质监控，根据监控指标多因素的分析脱氮限制性因素[3]。

1.2 水质分析小结

综上所述，可以得出以下结论：

（1）进水水质波动较大，系统具有一定的耐冲击能力，出水COD、SS、TP指标基本能达到一级B标准，但出水具有不稳定性。

（2）由于NH3-N、TN只能通过生化段去除，其出水指标难以达到一级A标准，强化系统脱氮是优化系统的重要任务。

（3）诊断分析脱氮的抑制主要在于系统的反硝化能力不足，提出了与回流点的位置、碳源不足等有关的假设，为下一步的诊断分析提供了方向。

（4）理论上分析碳源比例能满足脱氮要求，但是由于工艺的特点，碳源的分配有待进行优化，缺氧区可利用碳源情况是否充足有待进一步验证。

2 系统的全程监测诊断

2.1 系统硝化能力分析

根据前期分析结果，有必要结合试验进行论证前期提出的假设，影响脱氮效率的主要有两个阶段，硝化和反硝化阶段。以下对好氧段氮的转化进了试验，以判断系统的硝化程度和变化规律，验证硝化反应是否为脱氮的限制因素。从图2看出，内回流点处NH3-N浓度较低（平均1.39mg·L-1），与好氧池出水NH3-N浓度相当（0.74mg·L-1），均远低于一级A标准，初步说明回流点处的硝化反应比较完全，第三廊道对硝化反应的贡献较小；图3进一步说明了回流点处与最终好氧末端NH3-N去除率基本相当，且都硝化较完全[4]。

图2 好氧段氨氮的全程变化Fig.2Variation of ammonia nitrogen in aerobic section

图3 好氧段全程氨氮的去除率Fig.3Removal rate of ammonia nitrogen in aerobic

为了进一步证实以上结论，结合硝酸盐浓度进行了综合对比分析（如图4），硝化反应主要发生在第一廊道，到回流点处时，硝化反应基本完全，表现为大量的氨氮浓度的降低及硝酸盐、总氮浓度的升高。

图4 好氧段氨氮的全程变化Fig.4Variation of ammonia nitrogen in aerobic section

图5好氧段全程氨氮的去除率Fig.5Removal rate of ammonia nitrogen in aerobic

图5 也反映了回流点处之后的第三廊道对硝化的贡献仅为0.5%，因此，系统的硝化能力十分好，在目前的工况条件下，硝化反应不是脱氮的限制因素，回流点位置对硝化效果的影响极小。因此，脱氮问题诊断有待对其他区域如缺氧的反硝化的抑制条件进行诊断分析，同时，硝化效果较好的原因也有待证实，便于为后期的工艺优化和调控基础[5]。

2.2 工艺系统全程COD的监测和分析

为了了解分析基本指标的全程转化规律，找出其中的原因和应对策略是后期调控的基础数据。COD的去除包括厌氧磷释放消耗、缺氧反硝化消耗、好氧段氧化分解消耗。图6、7反映了缺氧区和厌氧区中COD的消耗情况，厌氧区COD消耗量和去除率高于缺氧区，特别是后期，结合厌氧释磷量和脱氮反硝化程度分析，也说明了厌氧区磷的大量释放与其COD的消耗量密切相关，这也证实了碳源对于脱氮和除磷的影响。从此数据分析，对于北区污水厂的优化运行调控中，特别是对强化脱氮的优化，碳源的优化利用将是重要的内容[6]。

图6 厌氧、缺氧COD的消耗量Fig.6Anaerobic and anoxic COD consumption

图7 厌氧、缺氧段COD的去除率Fig.7Removal rate of COD in anaerobic and anoxic section

从图7中可以看出，由于厌氧、缺氧消耗大量碳源，进入好氧区COD浓度不高（100mg·L-1作用），为了进一步分析COD在好氧的变化情况，对好氧段的COD的全程监测结果见图7。从图，中看出COD的降解在沿着空间变化降解率比较均匀，不同廊道对COD降解的贡献见图9。由于COD降解与氨氮硝化的对比关系由图8列出。COD的降解及NH3-N的硝化规律与传统文献报道不太一致，传统理论认为好氧段进行碳化和硝化过程中，首先异氧菌易于利用溶解氧首先进行碳化，异养菌相对于硝化反应的自养菌具有竞争优势，一般好氧段前期容易发生碳化反应，而到后期则主要以硝化反应为主。分析其原因主要有：

（1）进入好氧段COD的浓度已经很低（约100mg·L-1）异养菌在竞争中由于缺氧碳源而处于不利地位；

（2）由于北区厂存在一些工业废水，在缺氧和好氧段消耗了大量易降解的COD，而到好氧段时主要为难降解COD，因此COD的去除率也不高，且较为均匀；

（3）由于COD浓度低，在好氧段前端的DO也比较高，达到2mg·L-1，这与传统的前端DO高很多，而这为自养菌的生长和竞争提供了极有利的条件，因此自养菌大量繁殖而硝化反应大量发生。

从好氧段COD的变化规律，诊断出好氧段DO的粗放型供应存在浪费和不经济的情况，通过COD和NH3-N的转化可以为系统溶解氧的优化和动态控制提供基础，也是溶解氧控制的重要依据。

图8 好氧段不同段COD的变化Fig.8Variation of COD in different sections of aerobic

图9 好氧段不同段对COD的贡献Fig.9Contribution of different segments of aerobic section to COD

2.3 系统反硝化的诊断和调控

由于前期的诊断和分析结论表明脱氮的限制因素在于反硝化过程、而不在于硝化。根据此结论，分析抑制反硝化的因素主要包括内回流比、缺氧区容积（HRT）、可利用碳源、进水总氮浓度、温度，还包括环境条件如ORP、DO、pH值等因素。从上述的运行参数来看，目前工艺运行的参数温度、pH值、ORP等都满足反硝化的要求，其中进水浓度的影响必须依靠调控其他参数使其达标；而前期的碳源分析从表观的C/N比情况能满足反硝化要求，但需要对分点配水进行优化。因此，改善反硝化的最主要途径还包括：反硝化区的容积（HRT）及内回流比[7]。

2.3.1 反硝化区的容积（HRT）的影响为了验证缺氧区容积（HRT）对反硝化的影响，试验将原好氧区第一廊道改成缺氧区以增加缺氧区的容积，新增缺氧区停止曝气、改用搅拌器搅拌防止污泥沉淀，新增缺氧区停留时间约1.5h，则原停留时间约2.2～3.4h，则增加缺氧区后总缺氧HRT为3.7～4.9h。

图10对比了新增缺氧区与原缺氧区，反硝化出水硝酸盐的浓度，进水为同批次进水，由此可见，新增缺氧区出水与原缺氧区出水硝酸盐浓度几乎相等，说明新增缺氧区（HRT）对反硝化的影响极小。

图10 增加缺氧区容积对反硝化的影响Fig.10Effect of increasing anoxic area volume on denitrification

图11 缺氧区HRT对反硝化影响Fig.11Effect of HRT on denitrification in anoxic area

为了说明回流比的影响，分别对回流比100%及200%时增加缺氧区容积进行了对比，同样说明新增缺氧区容积对其反硝化影响较小。为深入说明缺氧区HRT对反硝化的影响，图11分析了反硝化出水硝酸盐浓度与HRT的对比。

从图11中看出，缺氧区HRT对出水硝酸盐的并无直接关系。分析原有主要可能在于原有缺氧区的HRT已经能满足反硝化的要求，原有缺氧区HRT一般在2.2～3.4h，平均为3h，在此温度下（20～30℃），基本能满足反硝化的要求。因此，推测现有的设计池容能够满足缺氧反硝化的要求，不论是回流比100%还是200%，

2.3.2 内回流比对反硝化的影响污水脱氮途径是通过将好氧段硝化的硝酸盐还原成N2去除TN，因为内回流比决定了缺氧区反硝化硝酸盐的量，回流比是脱氮的重要因素。过高的回流比会造成系统能耗的浪费，过低的回流比不能满足反硝化脱氮的要求，下面分析了100%和200%回流比下对反硝化的影响。

图12表示了在HRT=3h时，回流比的变化对反硝化的影响。

图12 回流比对反硝化的影响（HRT 3h）Fig.12Effect of reflux ratio on denitrification（HRT 3h）

从图12中看出，增大回流比至200%时，出水TN明显降低，达到一级A标准，TN的去除率由65.2%提高至73.7%。当回流比由200%调整至100%时，系统出水TN略有增加，TN的去除率呈下降趋势，TN去除率由75.8%降低至67.3%。因此，增加系统的内回流比，能够提高缺氧区反硝化能力，是调控脱氮的重要途径。

图13中反映了HRT=4.5h时，内回流比对反硝化的影响。

图13 回流比对反硝化影响（HRT4.5h）Fig.13Effect of reflux ratio on denitrification（HRT 4.5h）

尽管增大内回流比至200%能提高反硝化能力，但反硝化的完全程度有待验证，便于调控最佳的回流比，充分发挥反硝化区的能力。图14表示了不同回流比反硝化完全程度，主要通过缺氧区出水的硝酸盐判断反硝化是否完全，那么，从图中看出，当R=100%时，缺氧区出口硝酸盐浓度较低（＜1mg·L-1），说明反硝化相对较完全，当R=200%时，缺氧区出口硝酸盐浓度一般为2～6mg·L-1，明显高于R=100%，说明增大回流比后，系统中仍存在大量未进行反硝化的硝酸盐，缺氧区反硝化并不完全。因此，R=200%时，内回流过剩，系统最佳的回流比介于100%～200%之间，具体的优化有待进行试验。

图14 不同回流比下反硝化完全程度Fig.14Denitrification degree under different reflux ratio

3 系统脱氮途径的贡献分析

改良型A2O工艺中，为解决回流污泥中存在的硝酸盐对除磷系统的影响，在厌氧区前设置有前置污泥反硝化区，HRT为0.5h，原进水中约有20%原水直接进入污泥反硝化区提供反硝化碳源。

3.1 脱氮效能的评价

从系统中氮的去除途径来看，TN的去除主要包括3个途径：（1）缺氧区反硝化；（2）前置污泥反硝化区反硝化；（3）好氧区存在的同步硝化反硝化。其中前两个途径为主要途径，为了深入分析限制脱氮的因素，需对每个环节进行深入分析，分析出存在的问题和限制因素，为工艺调控提供依据。为了更客观的反映各阶段的脱氮贡献，需对各区域的脱氮能力进行定量分析，建议评价方法如下：

实际去除率，以前置反硝化区为例：

定量分析，以缺氧区为例：

式中Q：流量；C：污染物浓度；r：污泥回流比；R：内回流比；角标数字：各单元取样点。

3.2 脱氮效能的定量分析

根据脱氮效能评价指标，图15分别表示了硝酸盐及TN的实际去除量和去除率（R=200%）。硝酸盐平均去除量106kg·d-1，实际去除率23.3%；TN平均去除量476kg·d-1，实际去除率31%。尽管增大回流比会提高硝酸盐的去除总量，但缺氧区反硝化的实际去除率并不高，反硝化仍存在抑制。

图15缺氧区脱氮的定量分析FIG.15Quantitative analysis of nitrogen removal in anoxic area

图16 反映了污泥前置反硝化区硝酸盐及TN的实际去除量和去除率（r=65%左右）。

从图16中看出，硝酸盐平均去除量132kg·d-1，实际去除率81.5%，TN平均去除量210kg·d-1，实际去除率44.5%。前置反硝化区对硝酸盐和TN的去除量十分大，同时硝酸盐的实际去除率较高，反硝化较完全。因此，前置反硝化区是系统脱氮最主要的途径之一。

图16 污泥前置反硝化区脱氮的定量分析FIG.16quantitative analysis of denitrification in sludge pre denitrification zone

A2O工艺中厌氧区主要为除磷设计，考虑到实际控制条件的差异，也存在硝酸盐的去除，主要可能存在缺氧环境导致反硝化脱氮，另一种可能在厌氧区中存在反硝化除磷菌，因此，仍对厌氧区进行了脱氮贡献的定量分析[8]，如图17。

图17 厌氧区对硝酸盐的去除Fig.17removal of nitrate in anaerobic zone

图18 不同区域对脱氮贡献率Fig.18Contribution rate of nitrogen removal in different areas

从图18中看出，厌氧区对硝酸盐的去除贡献较小，平均为19kg·d-1。

由于好氧区同步硝化反硝化比例较小，暂不做脱氮定量分析，因此，脱氮贡献主要发生在前置反硝化区、厌氧区、缺氧区。图18反映了不同区域的脱氮贡献，系统对于氮的去除主要发生在前置反硝化区（42%）及缺氧区（51%），而厌氧区对于脱氮的贡献较小（7%）。

从以上脱氮定量分析来看，尽管缺氧区对氮的去除总量较大，去除率较低，而污泥反硝化区对氮的去除率远高于缺氧区。前置反硝化区的反硝化较完全，而缺氧区反硝化并不完全，这可能与工艺系统的控制有关，主要体现在宏观指标上，如DO、ORP、pH值、T等。为进一步分析其原因，需对其环境控制条件进行分析。

4 结论

通过本次试验研究可以得到以下结论：

（1）缺氧区HRT（2.3～3.4h）对反硝化脱氮效率影响较小，新增缺氧区（HRT＞1h）对强化脱氮影响较小，停留时间不是影响脱氮的主要因素；

（2）R=100%时，缺氧反硝化较完全，R增大至200%时，有利于提高脱氮效率，但反硝化不完全，回流比成为限制脱氮重要因素；

（3）前置污泥反硝化区对NO-3实际去除率＞81.5%，反硝化较完全，缺氧区反硝化效率较低，反硝化不完全；

（4）定量分析表明，前置反硝化脱氮贡献约占42%，缺氧区占51%，厌氧区占7%；

（5）缺氧区的环境条件DO及碳源成为影响反硝化效率的重要因素。

排除了硝化程度、回流点位置、缺氧区容积（HRT）对脱氮限制，提出内回流比、回流带入DO对反硝化效率的抑制，并通过调整内回流比使出水TN达到一级A标准。

［1］中华人民共和国环境保护部.2014年中国环境状况公报[G]. 2014.

［2］张杰.水资源、水环境与城市污水再生回用［J］.给水排水.1998，24（8）:1-4.

［3］San D M,Azanza R V,Villanoy C L,et al.Eutrophic waters,algal bloom and fish kill in fish farming areas in Bolinao,Pangasinan, Philip pines［J］.Mar Pollut Bull,2008,57（6-12）:295-301.

［4］杨勇，王玉明，等.我国城镇污水处理厂建设及运行现状分析［J］.给水排水,2011,37（8）:35-39.

［5］CaoG.H.,Huang,Y.Theproblems and the solutions of conventional biologicalnitrogen and phosphorus removal processes［J］.Water Trest.Technol,2009,25（3）：102-106.

［6］邵林广.南方城市污水厂实际运行水质远小于设计值的原因及其对策［J］.给水排水,1999,25（2）:11-13.

［7］李海深，郭春莉.湘潭河东污水处理工程的技术经济分析［J］.科技信息，2009，（7）:720-722.

［8］Zanetti,Letizia.Progress in real-time control applied to biological nitrogenremovalfromwastewater.Ashort-review［J］.Desalin-ation. 2012,286:1-7.

Research on optimization in A2O process in wastewater treatment

ZHANG Juan
（Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

According to the nearly two years of taiyuan city sewage plant operation data（2013～2015）,the transformation of pollutants in improved type A2O process space distribution,such as COD,ammonia nitrogen,TP,were analyzed.The way and contribution proportion of nitrogen were quantitative analyzed.Nitrogen remoual mainly happens in the anoxic zone and sludge lead denitrifying region.Through further experiment ruled out the degree of nitration,reflux point location,anoxic zone volume（HRT）on nitrogen limitation,reflux ratio and reflux into the DO for inhibition of denitrification efficiency,and by adjusting the reflux ratio the effluent TN reach level reached A standard.

A2O process;nitrogen;denitrification;internal reflux.

X703.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170243

2016-12-14

张娟（1983-），女，汉，山西太原，硕士研究生，研究方向：环境工程水污染控制。