SFA/O工艺的处理容量及脱氮性能研究*

王伟，王明刚，王彦龙，张鑫，刘丽娜，潘伟英，邵纯红

环境工程

SFA/O工艺的处理容量及脱氮性能研究*

王伟1，王明刚2，王彦龙2，张鑫1，刘丽娜1，潘伟英1，邵纯红1

（1.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150050；2.哈尔滨中浦市政环境工程有限公司，黑龙江哈尔滨150090）

首先，通过理论分析对A/O工艺及SFA/O工艺的处理容量进行分析，对两种工艺的脱氮性能进行评价。在此基础上，在高C/N和低C/N下，通过试验验证两种工艺的脱氮性能及污泥沉降性能。结果表明，SFA/O工艺在与传统A/O工艺相比，无论在处理效果及长期运行的可行性上，均存在明显优势。SFA/O可作为一种深度脱氮工艺可应用到大中小型污水处理工程。

A/O；多点进水A/O；脱氮效率

随着社会与经济的发展，水体富营养化问题日益严重。而研究表明，N-P是引起水体富营养化的主要原因[1，2]。因此，大部分的新建与改建污水处理厂，要求采用脱氮除磷工艺，以避免受纳水体产生富营养化问题，降低其使用功能。前置反硝化A/O工艺是众多的脱N除P工艺的一种，它具有结构简单，容易利用原水碳源，对原有污水处理设施容易进行改造等优点[3，4]，曾一度被广泛使用。但由于受到内循环等因素的限制，该工艺的总氮去除效率并不十分理想。而多段进水A/O工艺（Step-feed A/O，简称SFA/O）是将多点进水、多点曝气和前置反硝化的结合起来的一种新型处理工艺。它的主要优点是系统负荷均匀，能够充分利用原水碳源，无需硝酸盐氮内循环设施并节省内循环所需的能量，但SFA/O工艺的结构与传统A/O相比相对复杂[5,6]。

本研究首先通过理论分析对A/O工艺及SFA/O工艺的处理容量进行分析，进而采用试验验证两种工艺的脱氮性能，并通过对污泥沉降性能等的考察，比较SFA/O工艺在处理效果及长期运行的可行性上与传统A/O工艺相比，是否存在优势。

1 理论分析

1.1 传统A/O工艺与SFA/O工艺的处理容量

SFA/O工艺中，污水由多点分散进入反应区，一定程度上降低了进水对回流污泥的稀释作用，因而，各段污泥浓度呈现梯度分布。在二沉池的固体负荷相同的情况下，与传统A/O工艺相比，SFA/O工艺的污泥储量通常更大，处理容量也更大。假设反应区总体积不变，那么二沉池的固体负荷就决定了系统的总处理容量。这里，首先假设传统A/O工艺和SFA/O工艺系统的反应容积与进入二沉池固体负荷相同，在理论上对比传统A/O工艺与SFA/O工艺的处理容量，同时也通过理论分析，确定SFA/O工艺优化的分段段数和污泥回流比。

图5所示的键合图模型中可知，所有的感性元件（电感）I都为微分因果关系，根据图5及第二章所介绍的由键合图模型推导数学方程可以得到：

假设条件：（1）反应池内生物体无生长；（2）二沉池出水的悬浮固体浓度低，且可忽略；（3）忽略进水悬浮固体浓度。对SFA/O工艺进行固体平衡，那么SFA/O工艺第i段的固体浓度可由式（1）确定。

在二沉池固体负荷一定的情况下，SFA/O工艺的最大处理容量与系统分段数、进水流量比、污泥回流比以及各段体积有关。假设系统各段进水量相等、各段反应区体积相等，那么，在不同的污泥回流比下，反应系统的最大处理容量与系统的分段段数具有一定的相关关系。如果分段数n=1时系统的总处理容量为100%，那么分段数不同的反应系统相对于n=1（与A/O模式相同）时的总处理容量的百分比可由图1来表示。

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式中Xi：反应器第i段的悬浮固体浓度；n：反应器分段段数；i：第i段；R：污泥回流比；Vi：第i段反应体积。

图1 不同回流比下，系统的段数与系统处理容量的相关关系Fig.1Relationship of stage number and the treatment capacity under the different returned active sludge ratios

由图1可以看出，系统处理容量受污泥回流比的影响较大。当系统具有相同的分段数，污泥回流比降低，系统总处理容量提高。这表明，二沉池的设计尺寸对SFA/O工艺系统经济性的影响较大。而相同的污泥回流比条件下，分段数增加，总处理容量提高。但是，当分段数大于5时，系统每增加一段，其总的处理容量增加量逐渐变小。因此，考虑系统的运行复杂程度以及基建投资，SFA/O工艺系统的分段数应小于5段。综合考虑系统的运行操作难度、总的处理容量以及稳定性等因素，一般情况下，SFA/O工艺的分段数为3～4段。

1.2 SFA/O工艺脱氮效率的理论分析

SFA/O工艺中，各段好氧区将原水中的氨氮氧化为硝酸盐氮，硝酸盐混合液进入下一段的缺氧区，经过反硝化反应并被还原为N2。各段缺氧区进入的污水中的碳源，恰恰可以为这种反硝化提供所需的碳源。缺氧与好氧交替布置的形式，省去了硝态氮内循环设施。如果进入各好氧区的氨氮能够被完全氧化成硝酸盐氮，进入各缺氧区的的硝酸盐氮能够被完全还原，那么，系统最后一段的进水量及原水中氮污染物的浓度便决定了SFA/O工艺的总氮去除率。设定系统无硝态氮内循环设施，对SFA/O工艺进行总氮的物料衡算，得到式（2）与（3）。

其中Q：总进水流量，m3·d-1;α：最后一段进水流量/总进水流量；R：污泥回流比；SNO3，eff：出水硝酸盐氮浓度，g·m-3;STKN，inf：进水总凯氏氮浓度，g·m-3;

因此，SFA/O工艺的理论脱氮效率为：

由式（4）可知，α越小，系统脱氮率越高。值得注意的是，公式（4）的推导过程中，假设系统各反应段的硝化反应和反硝化反应均彻底完成。实际工程中，水质不尽相同，且受到各种环境因素的影响，硝化反应和反硝化反应也不一定能够彻底完成，因此，还需根据实际的水质情况，确定合适的工艺参数，以确保处理性能稳定。

2 材料与方法

2.1 装置及试验方案

试验所采用的A/O工艺系统和SFA/O工艺系统，规模相同且同时运行。两个反应器的有效容积均为65L，反应器内部由若干格室组成。试验期间，系统的总水力停留时间（HRT）均控制在10h，固体停留时间（SRT）为15d，总进水量均为156L·d-1。好氧区的溶解氧浓度控制为2～3mg·L-1，系统末端MLSS为3000±200mg·L-1。A/O系统反应器共由多个隔室组成，缺氧/好氧体积比均为2∶3，SFA/O系统分为4段，各段体积相同，且缺氧/好氧区体积比为2∶3。

图2为传统A/O工艺系统结构。

图2 缺氧/好氧（A/O）工艺装置结构图Fig.2Schematic diagram of anoxic/oxic process（A/O）

按碳源充足（COD/TKN=8.8～9.4）与碳源不足（COD/TKN=3.5～4.2），整个试验分为两个阶段。由于采用的实际生活污水水质波动较大，因此，为保证试验结果具有可比性，试验过程在原水中投加一定量的乙醇和NH4Cl，保证原水水质相对稳定。阶段A：进水COD浓度维持在350±20mg·L-1，进水TKN浓度维持在40±5mg·L-1；阶段B：进水COD浓度维持在200±20mg·L-1，进水TKN浓度维持在50± 5mg·L-1。对A/O与SFA/O工艺进行分析，A/O工艺在进水C/N一定，好氧区溶解氧浓度足够大，且硝化完成的情况下，内循比的大小决定反硝化效率的高低，内循环比过小，回流的硝酸盐氮的总量不足，无法充分利用缺氧区的反硝化容量；而内循环比过大，必将携带大量的溶解氧到缺氧区，破坏缺氧环境，使得反硝化效率降低。而在SFA/O工艺中，在进水C/N一定且各段硝化完全的情况下，缺氧区的反硝化容量，则取决于系统的流量分配比。因此，本研究中，两个系统的污泥回流比均控制在50%不变；对于A/O工艺，采用不同的内循环回流比，而对于SFA/O工艺则采用不同的进水流量比，具体运行参数见表1。

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图34 段进水SFA/O工艺装置结构图Fig.3Schematic diagram of four-stages SFA/O（step-feed A/ O）process

试验用水为住宅小区的实际生活污水:原水CODCr=235～280mg·L-1，BOD5=110～150mg·L-1，进水总凯氏氮（TKN）浓度为48～52mg·L-1，-N=44～55mg· L-1，-N=0.08～0.19mg·L-1-N=0.05～1.42mg· L-1；试验期间控制进水CODCr/TKN比为3，5，7，9，11和13。

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污水经进水蠕动泵由反应器第1缺氧格室进入系统，出水管路设置内循环回流泵，将硝酸盐氮混合液回流至系统首端的缺氧格室，回流污泥经回流污泥泵输送到第1缺氧格室。

表1 试验方案与运行参数（%）Tab.1Design and operational parameters of experiment

2.2 试验水质

右边图引入面向对象类的继承，子类中省略父字段及方法，主类中子类调用父类中字段及方法，其图解描述(代码模块化)。见图5。

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主体反应区按体积平均分为4段，每段有效容积16.25L。各段均设置一个缺氧格室和一个好氧隔室，缺氧隔室的有效容积6.5L，好氧隔室的有效容积9.75L。原水分别在各段的缺氧格室进入系统。回流污泥经污泥回流泵回流到第1段的缺氧格室，系统无内循环设施。

2.3 分析方法

MLSS，CODCr，BOD5，N-N，NON，NO-N等，采用国家标准方法[7]；TKN由德国Behr总凯氏氮测定仪测定；温度，DO，pH值采用德国WTW340i在线测定仪测定。

图3为4段进水SFA/O装置结构图。

3 系统性能比较

3.1 脱氮性能

图4为不同工况下，A/O与SFA/O工艺的TN去除效率。

由此可见，无论是卫生管理部门还是医院都要从仁爱和技术能力两个不同维度出发对医生进行激励和管理，努力提升患者尤其是门诊患者对医生的信任水平。在仁爱维度上，医生要更加注重在门诊接诊过程中自身接诊态度的改善和医患沟通技巧的提升，充分考虑门诊患者的需求，把患者的利益放在第一位；在技术能力上，医技水平是医生的基础，医生在努力提升自身专业能力的同时，要充分利用自己所学到的医学知识给患者制定合理的治疗方案帮助患者恢复健康。尤其是对待问诊时间有限的门诊患者，准确利用自己的专业知识在短时间内了解更多的病情帮他们找到病因，治好急病，减少痛苦，增强门诊患者对医生的信任水平。

图4 不同工况下，A/O与SFA/O工艺TN去除效率Fig.4TN removal efficiency of A/O and SFA/O process under different conditions

由图4可以看出，SFA/O工艺的TN去除效率受流量分配比的影响较大。而对于A/O，尽管TN去除效率决定于内循环比，但随着内循环增大，TN去除率增长的幅度却降低；TN去除率并非与R/（R+1）呈现一一对应关系；在工况A，在内循环比为300%时，A/O工艺系统的总氮去除率最高，为79.4%；而在工况B，当内循环设定为200%时，获得最高的总氮去除效率，为60.2%。这说明，对于A/O工艺，一定范围内提高内循环比可以提高TN去除效率，但不能无限制的提高内循环比。较高的内循环比，会导致由好氧区到缺氧区溶解氧携带量的大幅度增加，破坏缺氧环境，进而降低反硝化速率，浪费碳源，并导致系统TN去除率的降低。对于SFA/O工艺，两种工况下，系统最大的TN去除效率分别为88.4%和70.8%，均明显高于传统的A/O工艺，这充分体现了SFA/O工艺在提高脱氮效率上具有较为明显的优势。

3.2 对污泥沉降性能的影响

图5是整个试验阶段，两个系统的污泥沉降性能的比较。

图5 不同工况下，系统污泥体积指数的变化Fig.5 Variations of sludge volume index（SVI）under different operation conditions

图5 中可以看出，在工况A，两个系统的污泥体积指数（SVI）值均呈上升趋势。在工况A-4，A/O工艺的SVI值甚至高于200mL·g-1，镜检发现较多的丝状菌。分析工况A系统SVI值不断上升原因的SVI认为，A阶段为调整系统进水C/N比，在原水中投加了较多的乙醇，乙醇属于易降解有机物，其导致了丝状菌的大量繁殖。然而，相同的运行条件下，SFA/O工艺系统的SVI值却明显低于A/O系统。分析认为，在SFA/O系统，缺氧/好氧交替布置，缺氧环境本身对丝状菌具有一定的淘洗作用，加之缺氧区较高的负荷，更进一步抑制了丝状菌的大量繁殖。对于工况B，由于原水中易降解有机物的投加量的降低，A/O和SFA/O系统的污泥沉降性能均得到一定程度的改善，SVI值均呈现较为明显的下降趋势，镜检发现，丝状菌的数量也大为减少。

将研究成果应用在牛庄洼陷的牛871井区，取得良好的钻探效果，依据精细勘探井位部署方案，共完钻探井5口，开发井7口，12口井全部在沙三中、下钻遇油层，成功率100%；对已完钻的12口井试油试采，10口井获工业油流，大大提高了岩性油藏的勘探效益。

4 结论

在理论上对SFA/O工艺与传统A/O工艺的处理容量进行分析，结果表明，SFA/O工艺相比于传统A/O工艺具有明显的优势。当污泥回流比为50%时，理论上，SFA/O工艺在不设置内循环的情况下，却获得了高于85%的TN去除效率，而传统A/O工艺却只能达到40%的TN去除效率。而对于A/O工艺，在污泥回流比为50%的条件下，如要达到80%的TN去除效率，理论上需要设置350%的内循环比。

实验室小试结果也证实，SFA/O工艺的氮去除性能明显优于传统A/O工艺。高C/N和低C/N条件下，SFA/O工艺均表现出了良好的氮去除性能，且无需设置内循环设施。对工艺运行的稳定性，尤其是污泥沉降性能方面进行考察，结果表明SFA/O工艺可有效地控制污泥膨胀的发生。在受到易降解基质的影响而发生污泥膨胀的情况下，SFA/O系统内丝状菌污泥膨胀的进程明显慢于A/O系统，而在膨胀的恢复过程中，SFA/O工艺系统污泥容积指数的下降速率却明显高于A/O工艺，SFA/O系统具有更好的运行稳定性。

［1］郑兴灿,李亚新.污水除磷脱氮技术［M］.北京：中国建筑工业出版社,1998.

［2］Metcalf&Eddy,Inc.Wastewater EngineeringTreatment and Reuse［M］.清华大学出版社,2003.

［3］马勇,彭永臻.城市污水处理系统运行及过程控制［M］.北京:科学出版社,2007.

［4］Ma Y,PengYZ,WangSY,et al.FuzzyControl ofNitrate Recirculation and External Carbon Addition in A/O Nitrogen Removal Process［J］.Journal of Chinese Chemical Engineering,2005,13（2）: 244-249.

［5］L.Larrea,A.Larrea,E.Ayesa,et al.Development and Verification of Design and Operation Criteria for the Step Feed Process with Nitrogen Removal［J］.Wat.Sci.Tech.,2001,43（1）:261-268.

［6］葛士建,彭永臻.连续流分段进水工艺生物脱氮除磷技术分析及优化控制［J］.环境科学学报,2009,29（12）:2465-2470.

［7］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.北京:中国环境科学出版社，2006.

Study on the treatment capacity and nitrogen removal performance of SFA/O process*

WANG Wei1，WANG Ming-gang2，WANG Yan-long2，ZHANG Xin1，LIU Li-na1，PAN Wei-ying1，SHAO Chun-hong1
（1.Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China；2.Harbin Zhongpu Civil and Environmental Engineering Co.，Ltd.，Harbin 150090，China）

To compare the nitrogen removal efficiency,the theoretical method was adopted to analye the treatment capacity between A/O process and SFA/O process.Based on the theoretical analysis,the nitrogen removal efficiency and sludge settlement performance under the higher C/N ratio and lower C/N ratio was investigated respectively.The results showed that either the treatment efficiency or the feasibility of long-term operation,SFA/O process shows a strong advantage compare to A/O process.As a deep nitrogen removal process,SFA/O process can be used to wastewater treatment plant with large,medium and small scale.

A/O；step-feed A/O；nitrogen removal efficiency

X703.1

A

1002-1124（2014）04-0026-04

2014-01-21

黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划（1251G053）作者简介：王伟（1979-），女，副教授，博士.主要从事污水生物、化学处理及过程控制研究。