基于统计学的A2/O工艺脱氮效果诊断及响应面法参数优化

包文婷，董文明，王维红，肖飞，张维

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

A2/O工艺作为同步脱氮除磷工艺，具有厌氧、缺氧、好氧三功能区分区设置、交替运行的特点，可人为控制三段的水力停留时间及运行参数[1]，满足不同微生物菌群的生存、反应条件，达到较好的脱氮除磷效果[2]。本研究基于新疆某污水处理厂的提标改造A2/O工艺，生活污水与工业废水的占比分别是70%和30%，因进水水质、水量波动较大，使实际处理负荷偏离设计工况，TN去除率偏低且不稳定，影响出水水质[3]。通过统计学方法对污水厂进出水水质、微生物活性、污泥龄、溶解氧大小、回流比等控制因素的相关性分析，再利用响应面法给出优化调控策略，以期挖掘A2/O工艺脱氮除磷潜质。

1 污水处理厂概况

1.1 工程概况

该污水处理厂一期工程采用水解酸化+改进SBR工艺，设计处理规模为3.0万m3/d，出水水质达到GB 18918—2002一级B标准要求[4]。根据环保要求，对一期工程进行了提标改造，提标采用工艺为“预处理+A2/O池+二沉池+反硝化生物滤池+高密沉淀池+接触消毒池”，出水水质要求达到一级A排放标准。

1.2 工艺流程

提标工艺设计主要是在原先水解酸化+改进SBR池基础上，改造扩建为厌氧-缺氧-好氧池，其中厌氧池、缺氧池设有机械搅拌装置，好氧池底部设有曝气盘曝气。在二沉池后新增设了反硝化深度滤床，填充石英砂滤料，投入乙酸钠为碳源。高效沉淀池中投入混凝剂聚合氯化铝(PAC)及絮凝剂聚丙烯酰胺(PAM)。提标改造后工艺流程见图1。

图1 污水处理厂工艺流程Fig.1 Process flow of sewage treatment plant

1.3 进、出水水质

该厂设计与实际进、出水水质指标见表1。

表1 污水处理厂设计进出水水质与实际运行指标Table 1 Design of inlet and outlet water quality and actual operation indexes of sewage treatment plant

1.4 分析项目及测定方法

2 结果与讨论

2.1 进水C/N对TN去除效果影响

由图2可知，进水碳氮比(C/N)在2月变化较大，于2～10之间波动，分布比例为：2～4之间占28%，4～7占59%，7～10占13%，平均为5；3月C/N相对稳定，2～4之间占61%，4～7占26%，7～8占13%，平均为4。处于改造项目试运行阶段，进水水质不稳定。在2月7日及13日2 d，去除率仅为42.46%，44.26%，出水TN浓度33.12 mg/L，21.34 mg/L。但由图2可知，当进水C/N增大或者减小时，TN的去除率并未呈现出很大的关联性，与大多数研究结果不同：TN的去除率会随着进水C/N的值升高而升高[6]。且2、3月C/N平均值接近，均大于4。分析认为，该污水处理厂进水碳源较为充足，已满足大多时段脱氮所需要求，进水C/N不是该厂脱氮的主要影响因素。

图2 C/N与TN去除率Fig.2 C/N and TN removal rate

2.2 微生物活性对TN去除效果影响

活性污泥微生物是活性污泥法处理系统的“中央处理器”。对于污水处理厂来说，在混合液内保持一定数量的活性污泥微生物是维持系统正常运行的首要因素。而工业废水作为污水厂冲击负荷的重要来源，具有污染物成分复杂，且难降解物质及有毒物质多的特性，会对活性污泥微生物的活性产生一定的抑制影响。使得活性污泥失活，对污染物的去除效率降低，影响出水水质。

2.2.1 混合液悬浮固体浓度(MLSS)对TN去除效果影响 该厂2、3月的混合液悬浮固体浓度(MLSS)范围分别在1 700～4 500 mg/L、3 480～5 700 mg/L。分布比例分别为：1 700～3 500 mg/L之间占59%，10%；3 500～4 500 mg/L占41%，25%；4 500～5 700 mg/L占0，65%，平均为2 842 ，4 781 mg/L。

由图3可知，MLSS与出水TN浓度有着鲜明的反相关关系。即随着MLSS的增大，出水TN浓度逐渐减小。2月低MLSS条件下，系统出水TN浓度范围在8.90～44.63 mg/L，平均23.85 mg/L，出水TN浓度大于15 mg/L占83%；3月高MLSS条件下，出水TN浓度在1.13～17.38 mg/L，平均6.59 mg/L，出水TN达标率高达94%。分析认为，缺氧阶段可有效利用的总碳源量(包括外碳源和部分储存在微生物体内在厌氧区被转化为聚-β-羟基链烷酸酯(PHAs)的内源碳)及缺氧区的硝态氮量会制约A2/O工艺脱氮。理论上，提高MLSS可降低污泥负荷，缓冲工业废水占比较大造成的污泥失活现象，同时增加了利用内源碳进行反硝化脱氮的细菌数量。随着泥龄的延长，这部分细菌逐渐生长成为优势菌种，使得出水TN浓度稳定维持在达标范围。

图3 MLSS、出水TP与出水TN关系Fig.3 Relationship between MLSS，effluent TP and effluent TN

SVI值能够反映活性污泥的絮凝、沉降性能。经计算，2月SVI值介于67.3～83.3 mL/g之间，现场观察发现，污泥细碎，颜色发黑，显示活性不好；而3月SVI值介于80～97.7 mL/g之间，污泥呈絮状、褐色，活性良好。这说明2月曝气池中混合液浓度低，污泥处于不成熟期，沉淀性能差、微生物不活跃，未能培育出大量的自养硝化菌，从而造成出水TN不达标。3月出水TN浓度低，脱氮效果好，原因在于3月污泥浓度高，污泥TN负荷率0.018 kg TN/(kg MLSS·d)低于2月0.028 kg TN/(kg MLSS·d)。表明A2/O工艺在提高MLSS并稳定运行后，可达到高效脱氮。

2.2.2 混合液悬浮固体浓度(MLSS)对TP去除效果影响 一般认为，生物除磷的过程是聚磷菌在厌氧条件下释放磷，在好氧条件下吸收磷，最终将水中的磷转入污泥体中，通过排放剩余污泥将磷从水中去除的。

由图3可知，2月生物除磷总体效果优于3月：2月在进水TP浓度(均值6.68 mg/L)略高于3月(均值5.88 mg/L)的情形下，反而出水TP浓度更低，去除率更高(2、3月TP去除率均值分别为97.96%，95.22%；达标率100%，87%)。由于2月较低MLSS条件下，细菌世代周期短(污泥龄(SRT)均值8.3 d)，系统产生的剩余污泥量多，使得除磷效果较3月(污泥龄(SRT)均值10.7 d)轻微提升，但后者整体上仍能满足设计排放标准。这是因为在缺氧段反硝化异养菌和反硝化聚磷菌都会以硝酸盐为电子受体，争夺碳源，完成各自的脱氮或除磷任务。2月污泥龄较短，致使硝化菌来不及生长，流失率大于增殖率。与此同时，世代周期短的聚磷菌(PAOs)占了上风，得以高效完成除磷过程。这也提示，调节混合液回流中的硝酸盐含量可以平衡这两种细菌的分工合作，强化脱氮除磷。

综上分析，2月MLSS较低，需要采取延长污泥龄、提高污泥回流比等措施加以提高。

2.2.2.1 延长污泥龄(SRT)

(1)

2月曝气池每日平均进水量14 906 m3，污泥混合液浓度X=2 842 mg/L，剩余污泥浓度Xw=15 845 mg/L，每天排放剩余污泥量Qw=324 m3/d，得出Vc=8.3 d。剩余污泥浓度及排放的剩余污泥量较高，导致SRT较短，小于10 d。而硝化菌作为自养性好氧细菌，繁殖速度慢，一般SRT需要10～20 d，此种情况下，好氧池中的硝化菌不能富集成为优势菌种，硝化反应不彻底。

工艺调控应减少剩余污泥排放量，延长SRT，使硝化菌在曝气池中大量繁衍成为优势种属。控制SRT不小于10 d，则剩余污泥排放量最少需要减至267 m3/d。如此运行，将加快活性污泥在曝气池中的指数增长，提高污泥活性及沉降性能。

2.2.2.2 提高污泥回流比(R) 每日从二沉池回流的剩余污泥可增加曝气池的污泥浓度及活性。污泥回流比(R)过大，携带的溶解氧(DO)会给缺氧反硝化单元带来负担；R太小，二沉池中的活性污泥停留时间太长，又容易发生反硝化导致污泥上浮。合适的R，可增加曝气池的污泥浓度，利于好氧反应进行。2、3月R分别为22%，53%。从沉淀、出水，观察3月未发现污泥上浮现象，说明R较为合适。由此，应提高R至50%～60%，逐步增加曝气池中MLSS，后保持其在3 500～5 500 mg/L，可稳定达标。

2.3 好/缺氧区溶解氧(DO)对TN去除效果影响

溶解氧(DO)是废水中有机物去除以及硝化作用进行的重要调控因素，控制DO在合适的范围是系统脱氮的关键。DO过低不利于有机物的传质，即曝气池内微生物、有机质和DO混合均匀；DO过高则会破坏缺氧、厌氧环境，使反硝化作用受到限制[7]。

2.3.1 好/缺氧区DO对TN去除效果影响 由 图4a可知，2、3月好氧区DO浓度分别为3.2～5.1 mg/L 和3.1～4.7 mg/L，平均浓度分别达到4.5 mg/L和4 mg/L。2、3月缺氧区DO浓度为0～2.5 mg/L，0～0.8 mg/L，平均0.6 mg/L，0.1 mg/L。2月DO浓度普遍较高，但DO最大为5.1 mg/L时，出水TN浓度为44.54 mg/L，去除率仅69.28%，并不达标。反观3月较小的DO为3.2 mg/L时，出水TN浓度为2.94 mg/L，去除率高达96.92%，达到一级A排放标准。好、缺氧区DO与出水TN浓度有着鲜明的相关关系。

(2)

图4 好/缺氧区DO与TN及系统其它去除率Fig.4 Removal rate of TN with DO in aerobic and anoxic zone and other removal rates of the systema.TN去除率；b.系统其它去除率

2.3.2 调控建议 适当地降低好氧区DO浓度，可以减少好氧区异养菌氧化碳源，避免有机物过度氧化，同时为反硝化过程提供电子供体，降低额外投加碳源的成本，一定程度上提高了TN的去除效果[8]。侯荣荣等在研究不同DO对脱氮的影响时也得出相同结论，发现DO在3.5～4.0 mg/L比在4.0～4.5 mg/L TN去除性能好[7]。

2.4 除磷系统对TN去除效果影响

2月进水TP均值6.68 mg/L，TP去除率97.96%，出水TN均值23.85 mg/L；3月进水TP均值 5.88 mg/L，TP去除率95.22%，出水TN均值 6.59 mg/L。进水TP与出水TN变化有一定联系。如上所述，在缺氧阶段PAOs与硝化菌会竞争碳源，影响反硝化脱氮。另有研究表明，在强化生物除磷(EBPR)系统中存在一种与聚磷菌(PAOs)代谢过程相近的细菌-聚糖菌(GAOs)[10]。部分观点认为，此种菌在EBPR系统中大量分布但对除磷效果不明显，且GAOs会同PAOs在厌氧段对碳源进行争夺，致使除磷效果变差[11]。进一步研究发现，GAOs分支中存在部分具有反硝化功能的细菌——反硝化聚糖菌(DGAOs)。该种细菌可以在厌氧阶段摄取碳源，缺氧阶段以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体反硝化脱氮。

研究发现，较高的C/P利于DGAOs的生长，正常情况下需要C/P≥50。此外，pH对脱氮除磷有着至关重要的作用，通过影响生化反应中酶的活性从而影响对氮、磷的去除。Gang等[12]通过系列间歇实验研究pH(6.5～8.5)对厌氧代谢的影响，发现较高的pH(7.5～8.5)有利于对磷的去除。Filipe等[13]通过建立GAOs在厌氧条件下摄取乙酸的代谢模型，实验得出pH在6.5～7.0比在7.5～8.5时更易发生糖原降解以及乙酸吸收。这说明，较低的pH(至少≤7.5)时，在EBPR系统中DGAOs较PAOs更有利于对碳源的竞争。同时，Whang等[14]研究发现，将SRT从3 d增加到5 d时，GAOs的竞争优势增强。因此，适当提高SRT可以使GAOs较PAOs对碳源更具有竞争优势。

由监测数据，该污水处理厂2、3月C/P均值都为50，SRT为8.3，10.7 d。2月进水pH为7.42～7.61，均值7.51；3月进水pH为6.09～7.62，均值7.23。发现3月运行参数满足DGAOs富集条件，推测3月生化反应池中pH及SRT等有利条件使得存在于(EBPR)系统中的DGAOs成为优势菌种，利于反硝化过程中脱氮，但这后续还要进一步跟踪检测。

2.5 统计学分析及响应面优化出水TN

2.5.1 统计学分析 经上分析，出水TN浓度受到微生物活性、运行参数、环境条件等多因素及其之间的交互影响，现通过SPSS 25.0软件进行相关性分析进一步检验确定主要影响因子。经K-S检验，出水TN不服从正态分布，因此采用Spearman系数计算相关性，结果见表2。

表2 出水TN与其他参数之间的相关性(Spearman系数)Table 2 The correlation between outlet TN and other parameters(Spearman coefficient)

表2对出水TN分析结果证实了以上分析找出的2月出水TN异常原因，与MLSS、SVI、SRT、R、进出水TP、pH、好/缺氧区DO、r相关度高。因此，以上因素分析是可信的。

2.5.2 响应面分析法优化 结合上述因素分析，选取出水TN为响应值，MLSS、SVI、SRT、R、pH、好/缺氧区DO、r为影响因素。采用Design Expert 12软件中Box-Behnken模型进行试验设计并优化参数[15]。模型方差分析见表3。

表3 方差分析结果Table 3 Analysis of variance results

3 结论

(1)由监测数据及现场观察分析，该污水处理厂2月出水TN不达标原因为微生物活性不够、污泥龄短、污泥回流比较小、进水pH偏高，好氧区DO浓度较高，且混合液回流比大，有机物过度氧化，硝化液中夹带过多溶解氧，回流至缺氧池，使得氧分子代替硝态氮竞争碳源，影响反硝化菌生长繁殖，抑制反硝化脱氮。

(2)优化的脱氮最佳工艺条件为：MLSS 3 266～5 405 mg/L，SVI 69.8～97.7 mL/g，SRT 10.4～19.3 d，R 40%～60%，pH 7～7.5，好氧区DO 3.2～4.1 mg/L，缺氧区DO 0～0.6 mg/L，r 175%～200%。在此最优条件下，出水TN浓度为1.04～14.98 mg/L。