AAO 處理小城鎮(zhèn)污水的工藝優(yōu)化措施

楊方燦 ，郭飛宇 ，王若飛

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027；2.中交路橋南方工程有限公司，北京 101121）

1 引言

當(dāng)前世界上擁有最多數(shù)量小鎮(zhèn)的國家是中國，但是，和小鎮(zhèn)相關(guān)的污水排放問題逐漸成為影響我國生態(tài)環(huán)最為關(guān)鍵的原因之一。同時，小鎮(zhèn)污水問題最為嚴(yán)重的地區(qū)要屬我國西南地區(qū)，這些地區(qū)的污水水質(zhì)存在水量大、水質(zhì)波動問題多以及污水氮磷含量高等特點(diǎn)。而西南地區(qū)小城鎮(zhèn)污染物加工排放廠，因?yàn)槭艿綇S區(qū)規(guī)模與投入資金的影響，工藝不具備穩(wěn)定的運(yùn)行能力，抵抗有毒物質(zhì)影響的水平有限。具體表現(xiàn)出低溫造成脫氮除磷效率低、污水處理受到農(nóng)藥等化學(xué)品的沖擊及影響、污泥處理率低等。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西南地區(qū)已建成的小型污水處理廠多數(shù)采用AAO 工藝，但同一工藝在處理相似水質(zhì)的小城鎮(zhèn)污水時，處理性能的差異化較為顯著，尤其是氮磷的去除率。在對工藝設(shè)計參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)是影響處理系統(tǒng)運(yùn)行效能及穩(wěn)定性的控制性因素。顯然，AAO 工藝的處理性能可通過工藝優(yōu)化進(jìn)行調(diào)控，以解決處理效能的不穩(wěn)定性，保證出水水質(zhì)的達(dá)標(biāo)排放。為此，依照當(dāng)下西南地區(qū)普遍實(shí)行的污水處理辦法，也就是以AAO 污水處理工藝為重點(diǎn)研究目標(biāo)，同時結(jié)合脫氮除磷等基本機(jī)理，針對影響AAO 工藝脫氮除磷作用和效率相關(guān)影響因素進(jìn)行研究分析，并提出了基于回流比的工藝優(yōu)化措施。本次分析能夠?yàn)橥苿覣AO 工藝處理污染物水平穩(wěn)定性不斷發(fā)展帶來一定參考，以形成西南地區(qū)小城鎮(zhèn)污水廠穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)體系。

2 AAO 工藝脫氮除磷原理

對于AAO 工藝而言，主要涉及好氧、厭氧以及缺氧等脫碳除磷工序，上述工藝均屬于一類同步水除磷工藝技術(shù)，該工藝最早由美國研究開發(fā)。此工藝的作用原理建立在生物脫氮和生物除磷【1，2】基礎(chǔ)上，因此，運(yùn)行 AAO 工藝具有良好的脫氮除磷能力。

2.1 脫氮原理

微生物對污水內(nèi)含氮物質(zhì)的去除主要通過2 個途徑：一是微生物利用污水中的含氮物質(zhì)通過同化作用合成蛋白質(zhì)等生命物質(zhì)，用于自身的生長和繁殖，該途徑可去除原污水總氮量（TN）的4%～5%；二是通過氨化、硝化和反硝化過程去除，而該途徑是污水中氮去除的主要方式。其中，污水中的含氮物質(zhì)首先在有氧或無氧環(huán)境中，借助氨化菌作用進(jìn)而將有機(jī)氮進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得氨態(tài)氮【3】。進(jìn)而將污水投放至好癢容器里，在亞硝化菌參與下，氨氮發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而獲得硝酰基（NOH）、羥胺（NH2OH）以及亞硝酸氮等產(chǎn)物，接下來一步便是酮硝酸菌進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而獲得硝酸鹽氮最后，經(jīng)由內(nèi)回流，將回流到缺氧反應(yīng)器中，反硝化菌此異氧兼性厭氧菌處于缺氧環(huán)境中將當(dāng)作電子受體，將有機(jī)碳當(dāng)作電子供體。再經(jīng)由生成反硝化，獲取有機(jī)氮化合物產(chǎn)物，以此充當(dāng)菌體構(gòu)成部分的同時，通過異化來反硝化，把以及還原成氮?dú)?，最后完成從污水成分里去除含氮物質(zhì)的模板?？梢姡锩摰捎行コ龔U水中的氮而不發(fā)生二次污染，特別是對含量低于200mg/L 的廢水處理具備應(yīng)用價值，但其受溫度的影響較大，低溫時脫氮效率不高。

2.2 除磷原理

針對厭氧環(huán)境下，對于聚磷微生物則存在釋磷特性，當(dāng)此種微生物處于好氧或者是缺氧等環(huán)境中，能夠具備十分良好的吸磷特性【5】。即便是在嚴(yán)格缺氧狀態(tài)下，此種微生物也能夠采取聚磷以及釋磷反應(yīng)所形成的能量，繼續(xù)生命活動，然而處于好氧（缺氧）狀態(tài)時，聚磷菌利用分解自胞內(nèi)所含糖原的方式提供還原力，將O2充當(dāng)最終電子受體，可氧化磷酸化作用下獲得產(chǎn)物ATP（三磷酸腺苷），此反應(yīng)所形成能量滿足聚磷菌于好氧期間生長、糖原與聚磷菌合成、聚磷菌自身所需，同時攝取自外界環(huán)境的磷數(shù)量高于其生理所需，會通過聚合磷形式存儲于菌體內(nèi)，使得處于好氧或缺氧環(huán)境中，污水中磷含量顯著下滑，從而出現(xiàn)高磷污染污泥，并及時將污泥清理出系統(tǒng)之中，以達(dá)到除磷目的。

3 AAO 工藝脫氮除磷影響因素

3.1 碳源

在脫氮除磷期間，碳源的消耗以反硝化、異養(yǎng)菌、釋磷等為主。而碳源內(nèi)易降解的部分，尤其注意到揮發(fā)酸的濃度將顯著作用于前兩者的反應(yīng)速率。其他碳源諸如乳酸、丁酸、戊酸等，以及葡萄糖等非VFA 同樣存在由PAOs 吸收的情況，然而通過大多研究顯示，非VFA 僅在生成為乙酸或丙酸以后，微生物才可以進(jìn)一步使用它。所以，乙酸還有丙酸屬于不可或缺的部分。由于有機(jī)質(zhì)含量過高可促進(jìn)異養(yǎng)細(xì)菌在好氧硝化段的生長，進(jìn)而抑制硝化細(xì)菌生長，硝化功能將會下滑，所以，施加太多的碳源將會削弱系統(tǒng)的脫氮性能。當(dāng)且僅當(dāng)進(jìn)水BOD5/TP 的值處于20～30 時，出水中磷的濃度才可以低于1.0mg/L。主要原因在于一旦BOD5/TP 超過15 的范圍，基質(zhì)濃度此時可以有效滿足聚磷菌生長所需。

3.2 pH

在微生物生長繁殖方面，pH 發(fā)揮著關(guān)鍵作用。適宜酸堿度（7.0～8.0）是維持反硝化系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵指標(biāo)。pH 處于7.5 時反硝化達(dá)到最佳，而pH 不足6.5 或者超過9.0 后，亞硝酸鹽還原酶處于受抑制狀態(tài)，這時系統(tǒng)的脫氮能力會明顯下滑。pH 還作用于AAO 作用過程中厭氧釋磷的概率，經(jīng)研究證實(shí)，若酸堿度處于5.5～8.5，厭氧釋磷菌釋磷水平還有乙酸吸收的比重會表現(xiàn)為線性相關(guān)，處于pH 較高狀態(tài)下，除磷能力同樣得到提升。如果pH 由7.0 減小到6.5，系統(tǒng)除磷比重將會由99.9%下滑至14%，系統(tǒng)除磷水平迅速衰弱，系統(tǒng)最優(yōu)pH 處于 7.0～8.0。

3.3 溫度

溫度充當(dāng)了關(guān)鍵的生態(tài)因子，適宜的溫度會提升微生物的活性。處于活性污泥內(nèi)部，微生物的最佳溫度保持在10～45℃范圍，一般來說，最低和最高溫各自保持15℃與35℃才可以確保AAO 系統(tǒng)無誤運(yùn)轉(zhuǎn)。處于10～30℃范圍內(nèi)反硝化速率達(dá)到頂峰，同時將跟隨溫度的增加而加快。溫度利用阻礙酶催效果推移，以及阻礙基質(zhì)擴(kuò)散運(yùn)動進(jìn)而給AAO 系統(tǒng)帶來負(fù)面的作用。低溫給AAO 系統(tǒng)內(nèi)微生物帶來的不利方面表現(xiàn)為：削弱微生物的內(nèi)源代謝，影響種群構(gòu)成、細(xì)胞繁殖、絮狀結(jié)構(gòu)、吸附水平、沉降功能還有曝氣池中氧的轉(zhuǎn)移效率等方面。

3.4 污泥齡

污泥停留時間（SRT）對微生物的生長速率存在顯著影響。經(jīng)研究證實(shí)，通過使系統(tǒng)污泥齡下降，能夠提高除磷效率，而延遲系統(tǒng)污泥齡時，污泥含磷量則逐漸下降。若污泥齡太長，在有機(jī)質(zhì)不足的環(huán)境中存在出現(xiàn)“自溶”現(xiàn)象的可能性，削弱了除磷效率。另外，污泥齡不足將不利于硝化細(xì)菌的增長，出水包含的氨氮還有COD 會無法滿足要求。一般來說，面向生物除磷工藝，處于3.5～7d 的污泥齡最佳。硝化菌表現(xiàn)出的底速繁殖還有世代時間相對長的特性，屬于一類優(yōu)質(zhì)的專性自養(yǎng)型好氧菌的顯著特點(diǎn)。

3.5 水力停留時間（HRT）

通常狀態(tài)下，增加AAO 工藝厭氧區(qū)的水力停留時間（HRT）會造成磷的二次釋放，另一方面，增加好氧區(qū)的HRT會造成細(xì)胞能源的降低，引發(fā)磷菌競爭力的衰減，將聚糖菌推向優(yōu)勢一方。有學(xué)者提出，處于厭氧區(qū)，最優(yōu)的HRT 是通過揮發(fā)性脂肪酸的吸收速度以及發(fā)酵快慢形成的；在好氧區(qū)最優(yōu)的HRT 是通過厭氧狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)部產(chǎn)生的能源物質(zhì)的多少，還有預(yù)估磷元素的出水濃度來作用的。面向城市污水的AAO 工藝來說，夏季的反硝化HRT 通常保持在1～2h，而硝化HRT 通常保持在3～4h。然而北方地區(qū)由于冬季氣溫不足等因素，反硝化的HRT 將提升至2～3h，硝化的HRT 會提升至 5～6h。

3.6 溶解氧（DO）

面向AAO 工藝來說，把握溶解氧（DO）在水內(nèi)的含量在好氧微生物生長調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用。若DO 充分，能夠促進(jìn)好氧微生物活力提升，而DO 不足則對微生物生長規(guī)律存在破壞性。在好氧硝化作用進(jìn)行期間，DO 含量應(yīng)保持在2.0～3.0mg/L，溶解氧含量高于要求將不利于控制曝氣的運(yùn)行成本，同時，也將導(dǎo)致微生物代謝程度的提升，由營養(yǎng)供應(yīng)滯后而引發(fā)的自身氧化。

4 AAO 工藝優(yōu)化途徑

為實(shí)現(xiàn)AAO 工藝運(yùn)行期間穩(wěn)定實(shí)行高效的脫氮除磷，內(nèi)回流比和外回流比的合理設(shè)置尤為重要。而在污水廠實(shí)際操作中，利用好氧池的分段控氧手法，能夠完成DO 的優(yōu)化供給，隨后落實(shí)污水中污染物全面降解，與此同時，確保實(shí)現(xiàn)脫氮除磷，以及縮小能耗的效果。

4.1 COD 去除效果

在AAO 系統(tǒng)啟動過程中，常規(guī)設(shè)置下反應(yīng)效果一切正常。然而處于反應(yīng)器運(yùn)行起步時，因?yàn)榉磻?yīng)器所含微生物活性不足，面向水質(zhì)的抗沖擊程度有限，所以出水水質(zhì)存在波動，尤其是AAO 系統(tǒng)里厭氧段出水COD 穩(wěn)定性較差，伴隨系統(tǒng)運(yùn)行時間的推移，還有系統(tǒng)所含微生物活性的不斷加強(qiáng)，厭氧池、缺氧區(qū)還有好氧區(qū)等每一部分出水COD 濃度朝著穩(wěn)定過渡。污泥回流能夠推動AAO 系統(tǒng)生物量的平穩(wěn)，不顯著的外回流比將引發(fā)反應(yīng)池中污泥濃度下滑，生化反應(yīng)速率減緩。當(dāng)內(nèi)回流比發(fā)生改變情況下，對于去除COD 產(chǎn)生的影響相對偏小，其主要原因在于AAO 工藝能夠借助好氧段異養(yǎng)菌本身具有的降解功能，并且聚磷菌在釋磷期間處于嚴(yán)格厭氧環(huán)境能夠針對有機(jī)物進(jìn)行利用，同時在嚴(yán)格缺氧狀態(tài)下，反硝化菌能夠針對有機(jī)物進(jìn)行降解以實(shí)現(xiàn)COD 的去除，并受污泥量和有機(jī)物可生化性所影響，而內(nèi)回流比對其影響并不顯著。

4.2 脫氮效果

AAO 工藝運(yùn)行期間，若混合液回流比太低，可使得缺氧池所含量缺乏，無法充分完成反硝化作用，不能實(shí)現(xiàn)理想的系統(tǒng)脫氮性能。在內(nèi)回流比增加下，TN 去除率也有所回升。分析表明，AAO 工藝進(jìn)行時內(nèi)回流比的增加可以顯著減小系統(tǒng)出水中還有的濃度，同時優(yōu)化TN 去除效率，然而內(nèi)回流比的增加將隨之帶動運(yùn)行成本的增加，其推薦200%的內(nèi)回流比的穩(wěn)定對AAO 工藝的高效運(yùn)行至關(guān)重要。當(dāng)處理低濃度（BOD/TN=3 且BOD/TP=26）污水時，內(nèi)回流比不足會引發(fā)出水中還有TP 濃度的增加。而當(dāng)回流比太高，好氧末段的DO 會與混合液一同到達(dá)缺氧段，從而不利于反硝化推進(jìn)，而且造成更大的運(yùn)行能耗。除此以外，分析表明，AAO 系統(tǒng)需要把控較突出的內(nèi)回流比來推動脫氮效率，但這種內(nèi)回流比會加大系統(tǒng)耗能。有學(xué)者提出，如果內(nèi)回流比不足200%，AAO 系統(tǒng)面向TN 去除效率與回流比呈現(xiàn)出線性正相關(guān)的關(guān)聯(lián)，倘若內(nèi)回流比高于200%，由去除效率來看，TN 在這一方面表現(xiàn)出的提升不顯著，倘若在內(nèi)回流比高于300%條件下，此時TN 去除率則保持一定。事實(shí)上，在實(shí)際工程里面，在設(shè)定內(nèi)回流比時需要結(jié)合水質(zhì)條件來進(jìn)行考慮，一般選取的比例是200%，此回流比除了能夠滿足低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下系統(tǒng)對于脫氮方面的基本需求，同時也具有一定經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。此外，當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷較高時，內(nèi)回流比也應(yīng)有所提升。

4.3 除磷效果

AAO 系統(tǒng)在啟動階段往往呈現(xiàn)出TP 去除效果伴隨運(yùn)行時間推移而不斷提升，能夠表明，處理系統(tǒng)內(nèi)生物除磷水平的提高需歷經(jīng)較長時間。特別是內(nèi)回流比波動之初，AAO 系統(tǒng)的除磷效率無法立即得到優(yōu)化，僅在AAO 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)處于平穩(wěn)后系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)顯著的除磷效果。在啟動期，厭氧段TP 含量偏高，并造成系統(tǒng)出水TP 也相對偏高。這主要是由于啟動初期系統(tǒng)中聚磷菌含量少，且聚磷菌吸收磷性能較差，而此時主要基于微生物自身發(fā)展完成面向磷的去除。伴隨反應(yīng)器運(yùn)行時間的推移，厭氧池中TP 成分不斷增加，而當(dāng)厭氧段出水TP 超過進(jìn)水濃度時，代表聚磷菌已慢慢成為優(yōu)勢菌種，并發(fā)揮一定的聚磷作用，使系統(tǒng)出水中TP 的濃度出現(xiàn)下降。當(dāng)厭氧池中TP 濃度達(dá)到25mg/L 以上時，可使聚磷菌功能基本穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)除磷的穩(wěn)定化。雖然內(nèi)回流比并不會直接對AAO 系統(tǒng)除磷效能產(chǎn)生影響。但內(nèi)回流比的變化將對反硝化期間的脫氮效能產(chǎn)生直接影響，造成通過外回流向厭氧段回流的量出現(xiàn)顯著差別，從而能夠?qū)捬踽屃自斐捎绊懀⒆钤缬绊懙较到y(tǒng)整體除磷效率。

5 結(jié)論及研究展望

即便AAO 工藝可能滿足同步脫氮除磷，然而因?yàn)樗νＡ魰r間、碳源、污泥齡、pH、DO 以及溫度等因素的影響而呈現(xiàn)出處理效能的不穩(wěn)定。雖可通過調(diào)整回流比來進(jìn)行優(yōu)化，但該工藝因污泥量和混合液回流比增加的有限性，脫氮除磷效能難以進(jìn)一步提高；同時，厭氧區(qū)存在反硝化菌與聚磷菌對碳源的競爭關(guān)系，也會在一定程度上影響脫氮除磷效能。今后可在如下幾個方面開展研究，以提高AAO 工藝的脫氮除磷性能。

1）合理分配好氧區(qū)、厭氧區(qū)以及缺氧區(qū)污泥齡。結(jié)合現(xiàn)有研究報告，如若缺氧期和厭氧期污泥量相比總污泥總量高出40%情況下，能夠獲得較高除磷效率，然而同樣將使得反硝化反應(yīng)受阻；反之，如果加強(qiáng)反硝化能力，除磷功效就將下滑。

2）溶解氧的優(yōu)化把控。溶解氧在厭氧段、缺氧段和好氧段的分布會直接作用于污水處理情況及投入成本，為避免沉淀池內(nèi)的污泥釋磷，應(yīng)當(dāng)確保沉淀池中污水所含的溶解氧濃度，然而太充足的溶解氧將與污泥一同回流至缺氧段，所以會不利于反效果過程。