AAO 处理小城镇污水的工艺优化措施

杨方灿 ，郭飞宇 ，王若飞

(1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.中交路桥南方工程有限公司，北京 101121）

1 引言

当前世界上拥有最多数量小镇的国家是中国，但是，和小镇相关的污水排放问题逐渐成为影响我国生态环最为关键的原因之一。同时，小镇污水问题最为严重的地区要属我国西南地区，这些地区的污水水质存在水量大、水质波动问题多以及污水氮磷含量高等特点。而西南地区小城镇污染物加工排放厂，因为受到厂区规模与投入资金的影响，工艺不具备稳定的运行能力，抵抗有毒物质影响的水平有限。具体表现出低温造成脱氮除磷效率低、污水处理受到农药等化学品的冲击及影响、污泥处理率低等。调研发现，西南地区已建成的小型污水处理厂多数采用AAO 工艺，但同一工艺在处理相似水质的小城镇污水时，处理性能的差异化较为显著，尤其是氮磷的去除率。在对工艺设计参数和运行参数进行统计分析后发现，工艺参数是影响处理系统运行效能及稳定性的控制性因素。显然，AAO 工艺的处理性能可通过工艺优化进行调控，以解决处理效能的不稳定性，保证出水水质的达标排放。为此，依照当下西南地区普遍实行的污水处理办法，也就是以AAO 污水处理工艺为重点研究目标，同时结合脱氮除磷等基本机理，针对影响AAO 工艺脱氮除磷作用和效率相关影响因素进行研究分析，并提出了基于回流比的工艺优化措施。本次分析能够为推动AAO 工艺处理污染物水平稳定性不断发展带来一定参考，以形成西南地区小城镇污水厂稳定运行的技术体系。

2 AAO 工艺脱氮除磷原理

对于AAO 工艺而言，主要涉及好氧、厌氧以及缺氧等脱碳除磷工序，上述工艺均属于一类同步水除磷工艺技术，该工艺最早由美国研究开发。此工艺的作用原理建立在生物脱氮和生物除磷【1，2】基础上，因此，运行 AAO 工艺具有良好的脱氮除磷能力。

2.1 脱氮原理

微生物对污水内含氮物质的去除主要通过2 个途径：一是微生物利用污水中的含氮物质通过同化作用合成蛋白质等生命物质，用于自身的生长和繁殖，该途径可去除原污水总氮量（TN）的4%～5%；二是通过氨化、硝化和反硝化过程去除，而该途径是污水中氮去除的主要方式。其中，污水中的含氮物质首先在有氧或无氧环境中，借助氨化菌作用进而将有机氮进行转换，获得氨态氮【3】。进而将污水投放至好痒容器里，在亚硝化菌参与下，氨氮发生反应，进而获得硝酰基（NOH）、羟胺（NH2OH）以及亚硝酸氮等产物，接下来一步便是酮硝酸菌进行化学反应，进而获得硝酸盐氮最后，经由内回流，将回流到缺氧反应器中，反硝化菌此异氧兼性厌氧菌处于缺氧环境中将当作电子受体，将有机碳当作电子供体。再经由生成反硝化，获取有机氮化合物产物，以此充当菌体构成部分的同时，通过异化来反硝化，把以及还原成氮气，最后完成从污水成分里去除含氮物质的模板。可见，生物脱氮可有效去除废水中的氮而不发生二次污染，特别是对含量低于200mg/L 的废水处理具备应用价值，但其受温度的影响较大，低温时脱氮效率不高。

2.2 除磷原理

针对厌氧环境下，对于聚磷微生物则存在释磷特性，当此种微生物处于好氧或者是缺氧等环境中，能够具备十分良好的吸磷特性【5】。即便是在严格缺氧状态下，此种微生物也能够采取聚磷以及释磷反应所形成的能量，继续生命活动，然而处于好氧（缺氧）状态时，聚磷菌利用分解自胞内所含糖原的方式提供还原力，将O2充当最终电子受体，可氧化磷酸化作用下获得产物ATP（三磷酸腺苷），此反应所形成能量满足聚磷菌于好氧期间生长、糖原与聚磷菌合成、聚磷菌自身所需，同时摄取自外界环境的磷数量高于其生理所需，会通过聚合磷形式存储于菌体内，使得处于好氧或缺氧环境中，污水中磷含量显著下滑，从而出现高磷污染污泥，并及时将污泥清理出系统之中，以达到除磷目的。

3 AAO 工艺脱氮除磷影响因素

3.1 碳源

在脱氮除磷期间，碳源的消耗以反硝化、异养菌、释磷等为主。而碳源内易降解的部分，尤其注意到挥发酸的浓度将显著作用于前两者的反应速率。其他碳源诸如乳酸、丁酸、戊酸等，以及葡萄糖等非VFA 同样存在由PAOs 吸收的情况，然而通过大多研究显示，非VFA 仅在生成为乙酸或丙酸以后，微生物才可以进一步使用它。所以，乙酸还有丙酸属于不可或缺的部分。由于有机质含量过高可促进异养细菌在好氧硝化段的生长，进而抑制硝化细菌生长，硝化功能将会下滑，所以，施加太多的碳源将会削弱系统的脱氮性能。当且仅当进水BOD5/TP 的值处于20～30 时，出水中磷的浓度才可以低于1.0mg/L。主要原因在于一旦BOD5/TP 超过15 的范围，基质浓度此时可以有效满足聚磷菌生长所需。

3.2 pH

在微生物生长繁殖方面，pH 发挥着关键作用。适宜酸碱度（7.0～8.0）是维持反硝化系统常规运转的关键指标。pH 处于7.5 时反硝化达到最佳，而pH 不足6.5 或者超过9.0 后，亚硝酸盐还原酶处于受抑制状态，这时系统的脱氮能力会明显下滑。pH 还作用于AAO 作用过程中厌氧释磷的概率，经研究证实，若酸碱度处于5.5～8.5，厌氧释磷菌释磷水平还有乙酸吸收的比重会表现为线性相关，处于pH 较高状态下，除磷能力同样得到提升。如果pH 由7.0 减小到6.5，系统除磷比重将会由99.9%下滑至14%，系统除磷水平迅速衰弱，系统最优pH 处于 7.0～8.0。

3.3 温度

温度充当了关键的生态因子，适宜的温度会提升微生物的活性。处于活性污泥内部，微生物的最佳温度保持在10～45℃范围，一般来说，最低和最高温各自保持15℃与35℃才可以确保AAO 系统无误运转。处于10～30℃范围内反硝化速率达到顶峰，同时将跟随温度的增加而加快。温度利用阻碍酶催效果推移，以及阻碍基质扩散运动进而给AAO 系统带来负面的作用。低温给AAO 系统内微生物带来的不利方面表现为：削弱微生物的内源代谢，影响种群构成、细胞繁殖、絮状结构、吸附水平、沉降功能还有曝气池中氧的转移效率等方面。

3.4 污泥龄

污泥停留时间（SRT）对微生物的生长速率存在显著影响。经研究证实，通过使系统污泥龄下降，能够提高除磷效率，而延迟系统污泥龄时，污泥含磷量则逐渐下降。若污泥龄太长，在有机质不足的环境中存在出现“自溶”现象的可能性，削弱了除磷效率。另外，污泥龄不足将不利于硝化细菌的增长，出水包含的氨氮还有COD 会无法满足要求。一般来说，面向生物除磷工艺，处于3.5～7d 的污泥龄最佳。硝化菌表现出的底速繁殖还有世代时间相对长的特性，属于一类优质的专性自养型好氧菌的显著特点。

3.5 水力停留时间（HRT）

通常状态下，增加AAO 工艺厌氧区的水力停留时间（HRT）会造成磷的二次释放，另一方面，增加好氧区的HRT会造成细胞能源的降低，引发磷菌竞争力的衰减，将聚糖菌推向优势一方。有学者提出，处于厌氧区，最优的HRT 是通过挥发性脂肪酸的吸收速度以及发酵快慢形成的；在好氧区最优的HRT 是通过厌氧状态下细胞内部产生的能源物质的多少，还有预估磷元素的出水浓度来作用的。面向城市污水的AAO 工艺来说，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。然而北方地区由于冬季气温不足等因素，反硝化的HRT 将提升至2～3h，硝化的HRT 会提升至 5～6h。

3.6 溶解氧（DO）

面向AAO 工艺来说，把握溶解氧（DO）在水内的含量在好氧微生物生长调控中发挥关键作用。若DO 充分，能够促进好氧微生物活力提升，而DO 不足则对微生物生长规律存在破坏性。在好氧硝化作用进行期间，DO 含量应保持在2.0～3.0mg/L，溶解氧含量高于要求将不利于控制曝气的运行成本，同时，也将导致微生物代谢程度的提升，由营养供应滞后而引发的自身氧化。

4 AAO 工艺优化途径

为实现AAO 工艺运行期间稳定实行高效的脱氮除磷，内回流比和外回流比的合理设置尤为重要。而在污水厂实际操作中，利用好氧池的分段控氧手法，能够完成DO 的优化供给，随后落实污水中污染物全面降解，与此同时，确保实现脱氮除磷，以及缩小能耗的效果。

4.1 COD 去除效果

在AAO 系统启动过程中，常规设置下反应效果一切正常。然而处于反应器运行起步时，因为反应器所含微生物活性不足，面向水质的抗冲击程度有限，所以出水水质存在波动，尤其是AAO 系统里厌氧段出水COD 稳定性较差，伴随系统运行时间的推移，还有系统所含微生物活性的不断加强，厌氧池、缺氧区还有好氧区等每一部分出水COD 浓度朝着稳定过渡。污泥回流能够推动AAO 系统生物量的平稳，不显著的外回流比将引发反应池中污泥浓度下滑，生化反应速率减缓。当内回流比发生改变情况下，对于去除COD 产生的影响相对偏小，其主要原因在于AAO 工艺能够借助好氧段异养菌本身具有的降解功能，并且聚磷菌在释磷期间处于严格厌氧环境能够针对有机物进行利用，同时在严格缺氧状态下，反硝化菌能够针对有机物进行降解以实现COD 的去除，并受污泥量和有机物可生化性所影响，而内回流比对其影响并不显著。

4.2 脱氮效果

AAO 工艺运行期间，若混合液回流比太低，可使得缺氧池所含量缺乏，无法充分完成反硝化作用，不能实现理想的系统脱氮性能。在内回流比增加下，TN 去除率也有所回升。分析表明，AAO 工艺进行时内回流比的增加可以显著减小系统出水中还有的浓度，同时优化TN 去除效率，然而内回流比的增加将随之带动运行成本的增加，其推荐200%的内回流比的稳定对AAO 工艺的高效运行至关重要。当处理低浓度（BOD/TN=3 且BOD/TP=26）污水时，内回流比不足会引发出水中还有TP 浓度的增加。而当回流比太高，好氧末段的DO 会与混合液一同到达缺氧段，从而不利于反硝化推进，而且造成更大的运行能耗。除此以外，分析表明，AAO 系统需要把控较突出的内回流比来推动脱氮效率，但这种内回流比会加大系统耗能。有学者提出，如果内回流比不足200%，AAO 系统面向TN 去除效率与回流比呈现出线性正相关的关联，倘若内回流比高于200%，由去除效率来看，TN 在这一方面表现出的提升不显著，倘若在内回流比高于300%条件下，此时TN 去除率则保持一定。事实上，在实际工程里面，在设定内回流比时需要结合水质条件来进行考虑，一般选取的比例是200%，此回流比除了能够满足低负荷运转状态下系统对于脱氮方面的基本需求，同时也具有一定经济效应。此外，当进水负荷较高时，内回流比也应有所提升。

4.3 除磷效果

AAO 系统在启动阶段往往呈现出TP 去除效果伴随运行时间推移而不断提升，能够表明，处理系统内生物除磷水平的提高需历经较长时间。特别是内回流比波动之初，AAO 系统的除磷效率无法立即得到优化，仅在AAO 系统运转处于平稳后系统可以实现显著的除磷效果。在启动期，厌氧段TP 含量偏高，并造成系统出水TP 也相对偏高。这主要是由于启动初期系统中聚磷菌含量少，且聚磷菌吸收磷性能较差，而此时主要基于微生物自身发展完成面向磷的去除。伴随反应器运行时间的推移，厌氧池中TP 成分不断增加，而当厌氧段出水TP 超过进水浓度时，代表聚磷菌已慢慢成为优势菌种，并发挥一定的聚磷作用，使系统出水中TP 的浓度出现下降。当厌氧池中TP 浓度达到25mg/L 以上时，可使聚磷菌功能基本稳定，实现除磷的稳定化。虽然内回流比并不会直接对AAO 系统除磷效能产生影响。但内回流比的变化将对反硝化期间的脱氮效能产生直接影响，造成通过外回流向厌氧段回流的量出现显著差别，从而能够对厌氧释磷造成影响，并最早影响到系统整体除磷效率。

5 结论及研究展望

即便AAO 工艺可能满足同步脱氮除磷，然而因为水力停留时间、碳源、污泥龄、pH、DO 以及温度等因素的影响而呈现出处理效能的不稳定。虽可通过调整回流比来进行优化，但该工艺因污泥量和混合液回流比增加的有限性，脱氮除磷效能难以进一步提高；同时，厌氧区存在反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争关系，也会在一定程度上影响脱氮除磷效能。今后可在如下几个方面开展研究，以提高AAO 工艺的脱氮除磷性能。

1）合理分配好氧区、厌氧区以及缺氧区污泥龄。结合现有研究报告，如若缺氧期和厌氧期污泥量相比总污泥总量高出40%情况下，能够获得较高除磷效率，然而同样将使得反硝化反应受阻；反之，如果加强反硝化能力，除磷功效就将下滑。

2）溶解氧的优化把控。溶解氧在厌氧段、缺氧段和好氧段的分布会直接作用于污水处理情况及投入成本，为避免沉淀池内的污泥释磷，应当确保沉淀池中污水所含的溶解氧浓度，然而太充足的溶解氧将与污泥一同回流至缺氧段，所以会不利于反效果过程。