生物脱氮技术在城市污水处理中的应用及工艺优化

张海军，王荣钢，杨大卫，康彦涛，邢浩然

(中国电子工程设计院有限公司，北京 100142)

随着改革开放带来的经济发展和城镇化建设，我国居民生活水平有了明显的改善，伴随城镇化进程不断推进随之而来的问题就是许多城市的污水、排水设备和设施不够完善，导致当地的水污染情况严重。城市的生活废水中含有大量的氮、磷有机物，会造成水体的富营养化。水体的富营养化会使水中的藻类植物过度生长，使得水中的生物缺氧导致死亡。另一方面，当这些富营养化的水再次利用的时候也会因为水体富营养化促进储水设备中的微生物繁殖，造成微生物腐蚀，导致堵塞输水管道和储水设备，还会影响热效率。因此，目前亟待解决的问题就是如何经济、有效地降低污水中的氮、磷等有机物。在对废水进行脱氮处理方面，有传统的物化脱氮法，还有生物脱氮处理技术。传统的物化脱氮处理方法起效快，作用时间短，脱氮率高；但缺点是工业成本较高，而且还会对水体造成再次污染。生物脱氮法因为其低成本和无二次污染，被认为是目前废水脱氮处理的最有发展前途的方法。本文拟采用生物脱氮处理技术中的A/O工艺法处理废水厂污水，在反硝化系统中确保一定数量的微生物接种，使得厌氧池中的厌氧菌可以达到最佳状态来获得更好的脱氮除磷效果。采用A/O工艺的处理方法不仅可以提升脱氮除磷的效率，同时还减少一套回流系统以减少处理成本。

1 生物脱氮法处理污水处理厂的废水

1.1 污水处理厂污水的来源与成分

城市生活污水指的是在整个城镇范围内的生活污水，工程废水和地表污染水。生活污水的源头主要是由城镇居民家庭，以及企业单位、大型商场、初高中和普通高校等等用水。城镇生活污水的主要污染源包括有机、无机污染物，以及病毒和细菌。因为经济、科技的快速发展使得我国的工业也有了翻天覆地变化，这也导致工厂企业废水的总量越来越大，废水成分越来越复杂，处理起来也越来越困难。所以，污水处理一直被国家所重视，还对我国的中大型污水处理厂的排放标准作出了明确的规定，具体如表1所示。

表1 污水处理厂排入地表水体的水污染物排放限值Tab.1 Discharge limits of water pollutants discharged into surface water bodies from sewage treatment plants

废水中氮、磷含量超标会造成水体的富营养化，导致水中溶解氧的浓度过低，造成赤潮现象和水体的黑臭现象。简单的生物法脱氮技术已经不能有效地解决赤潮现象和水体黑臭，所以必须发展无机物和有机物共同去除的生物处理技术，即对废水处理厂的废水进行硝化处理和反硝化处理。随着废水处理技术的不断发展，现在已经研究出了很多种废水脱氮办法，可以更好地解决废水中氮磷含量超标的问题。在污水处理厂处理废水时,选择合适的脱氮除磷技术可以更好地降低工业成本。

1.2 根据污水处理厂污水特点选取生物填料

各地的污水处理厂一般都处在城市的边缘，随着城镇化的不断推进和工业的发展，自来水用量的增加，生活污水也不断地增加，传统的污水处理厂的废水处理技术已经不能满足现有的城市规划需求和生态环境需求。因此，必须要对传统的污水处理技术进行升级。本文在传统生物处理技术的基础上，结合现阶段污水处理厂废水现状，提出了一种新的脱氮除磷效果更好废水处理技术。工程造价相对低，结合污水处理厂的实际情况，实现了污水的二次利用。

本文对污水处理厂的初步改造工作是采用卡鲁塞尔氧化沟技术。因为每天城市所产生的污水量很大，而且每天的废水质量也有很大的波动，特别是当氮的含量较高时，系统没办法正常的运行，所以必须对废水进行水质处理。新工艺下的水质指标如表2所示。

表2 污水处理厂进出水水质设计指标Tab.2 Design indexes of water quality of inlet and outlet of sewage treatment plant mg/L

1.3 生物法脱氮技术

生物法脱氮技术就是在微生物的作用下，通过复杂的氧化-还原反应将废水中的有机氨氮转化为氮气的过程。本文中采用的生物法脱氮技术流程如图1所示。

图1 生物法脱氮技术处理工艺Fig.1 Treatment process of biological denitrification technology

图2为本文改进后的生物脱氮技术工艺流程。

图2 改进生物脱氮技术工艺流程Fig.2 Improved process flow of biological denitrification technology

由图2可知，改进后的工艺分别为硝化细菌和反硝化细菌提供了合适的反应条件，减少了2种细菌在反应条件上产生冲突的情况，提高了生物脱氮技术的脱氮除磷效率。从图2还可以看出，虚线框内的工艺是倒置 A/O处理工艺，在倒置 A/O处理工艺中，厌氧区可以选择聚磷菌。聚磷菌可以在厌氧区聚集碳的同时释放磷，这可以进一步加速厌氧池磷的吸收。采用本工艺处理的废水，不仅可以有效地去除废水中的氮、磷等，还可以使污水处理厂的出水水质达到三级处理标准。

2 A2 /O处理技术的原理和影响因素分析

A/O处理技术又称为厌氧-缺氧-好氧技术，该污水处理技术可以实现同步的脱氮除磷效果。在污水处理厂实际工作环境中，污水首先进入厌氧池和回流的污泥反应，兼性厌氧菌分解反应污水中的大分子有机物，同时回流污泥带来的聚磷菌开始工作并释放出磷。在缺氧反应池中，反硝化细菌将污水中的有机物作为碳源，将回流的混合溶液中带来足够的硝酸根离子和亚硝酸根离子，并还原为无污染的清洁氮气释放到空气中。整个A/O处理技术的反应过程简单，可控性强，总水力停留时间也短；3种反应池的轮流运行限制了丝状菌的生长，可以控制污泥的膨胀效果。而且在A/O工艺运行之中不需要额外的填料，相对于其他物化处理技术成本较低，减少了污水处理厂的工程投入。

在污水处理厂实际工作中，当污泥浓度较高的时候，消耗的资金相对于普通情况较高，为了减少资本消耗，反硝化反应中应提供更多的碳源。当A/O处理技术中回流工艺调整为外回流体积的30%～65%的时候，二沉池混合硝化液回曝气沉砂池的比例可以达到 15%～35%，TN的去除率也可以到达60%以上，出水的品质达到了国家一级A的标准。而在降解、脱氮和除磷3个氧化-还原反应中，影响反应的因素就有很多，而且各个影响因素之间的关联程度也十分复杂，所以就要求在实际的污水处理时，要想达到稳定的处理效果，必须对各因素灵活调整。下面是需要注意的几点；

(1)污水中的有机物对脱氮除磷都有很大的影响，因有机物中碳源是脱氮除磷反应过程中必不可少的元素，所以为达到最佳的污水处理效果，必须要充分利用污水中的碳源，让其发挥最大功效；

(2)在A/O处理技术中各反应阶段细菌生长和繁殖的物质基础是回流污泥中的微生物。当污水中有机物浓度高，就利于异养细菌的生长和繁殖，这样会造成自养细菌不能夺取更多的溶解氧，导致生长繁殖速度缓慢；好氧细菌的生长也不能顺利进行，这样微生物的硝化反应速度就会下降；

(3)A/O处理技术中混合液回流是影响硝化反应的主要因素，泥龄取决于硝化细菌出现的时间。以前的研究表明硝化细菌的生长速度决定了硝化细菌的出现时间，并且硝化细菌的生长速度受温度的影响。当温度较高时，硝化细菌的生长速率可以达到B级；当气温低于0 ℃时，硝化速率下降到较高的水平，其根据经验公式可以计算：

=(1 +)

式中：为硝化细菌的生长速率；为温度；为总脱氮率。从式中可以看出硝化细菌的生长速率随温度的增大而增大。但考虑到过多的泥龄还会导致回流污泥中的磷二次释放，所以A/O处理技术中泥龄一般要小于20 d。

除了上述提到的几个A/O处理技术的影响因素，在污水处理厂实际工况下还有很多要考虑到的外界因素的影响。为了达到最佳的脱氮、除磷效果，必须要灵活掌握工艺，还要及时调整参数以达到污水处理的标准。

3 A2 /O处理技术实际工况研究

本研究采用A/O处理技术，需要处理的废水选自某地实际污水处理厂的一沉池，同时也会设置二沉池。好氧池到缺氧池的回流比设置为200%，二沉池到厌氧池前段的污泥回流比分别设置为30%和50%，此工艺流程的试运行周期为7 d。因为在实验的过程中需要考虑接种污泥的生长繁殖情况还有接种污泥对系统造成的负荷，所以在实验过程中需要设置污泥回流体积分数为100%, 还要使得DO的质量浓度在好氧段为3 ～ 4 mg/L。

污水中的溶解氧浓度对反硝化作用和硝化作用都有很大的影响，污水中的溶解氧浓度可以通过改变供氧量去改变整个的反应速率还有氮的负荷。图3给出了具体的函数关系——氮浓度和供氧量函数关系曲线。

图3 氮浓度和供氧量函数关系曲线Fig. 3 The relationship curve between nitrogen concentration and oxygen supply

由图3可知，当氨态氮的浓度增加，供氧量也随着其增加而增加，整个反应的反硝化速率也会随之增加。在普化期，当氨态氮的浓度处于较低水平的时候，可以选择提高脱硝率，这样可以达到节约成本的目的。

本实验A/O处理技术的工艺参数设置为；水力停留时间(HRT)为 8.5 h，厌氧阶段和缺氧阶段都设置为2 h，好氧阶段的时间和有机负荷分别为6 h和0.15，厌氧阶段的有机负荷设置为0.07，厌氧阶段、缺氧阶段和好氧阶段的溶解氧含量分别设置为0.2、0.5和2 mg/L。根据上述的工艺参数运行A/O处理技术7 d，获得的各项试验参数如表3所示。

表3 A2 /O处理技术实验氮磷数据Tab.3 Nitrogen and phosphorus data with A2 /O treatment technology

由表3可知，在污水处理厂废水A/O工艺处理过程中，废水的进水各元素的含量波动不大，所以每天的进水情况相差不大，较为稳定。这样就利于A/O处理技术工艺参数的选择和控制，脱氮、除磷都可以有明显的效果。

由表3的7 d平均值可知，本实验A/O工艺的脱氮率约为85.7%，除磷率约为62.7%，可以看出脱氮率要明显地高于除磷率。对于M/O而言，当好氧阶段时间设置为2 h时，只要保证水中的溶解氧含量充足，废水中的氨氮大部分都可以完成硝化反应。本实验结果表明，在生物法脱氮、除磷工艺中，应当把脱氮作为首要目标；同时，活性污泥对生物法脱氮技术也十分重要，活性污泥一定程度上可以减少污水在生物池中的停留时间。

4 结语

本实验采用A/O处理技术处理后的废水脱氮率约为85.7%，除磷率约为62.7%。未来的生物法脱氮技术还需要关注有机物碳源的问题，虽然外碳源可以有效地提高脱氮、除磷效果，但会增加运行成本和对整个系统的负荷。所以亟待解决的一个问题就是如何提高碳源含量的同时还要降低污水处理厂废水处理的工业成本。