分段进水多级A/O工艺研究进展

2020-06-22侯子泷KoubodeRudyAlainRonel孙海龙

工业水处理 2020年6期

侯子泷，周鑫，Koubode Rudy Alain Ronel，张琦，孙海龙，吕琳

（太原理工大学环境科学与工程学院，山西晋中030600）

氮是引起水体富营养化的重要元素〔1〕，过量的氮会影响水生态系统的稳定、再生水的回用以及饮用水的安全。传统的生物处理工艺，如缺氧/好氧（A/O）、厌氧/缺氧/好氧（A2/O）、开普敦大学工艺（UCT）、弗吉尼亚州首创工厂（VIP）工艺等，由于单一缺氧的脱氮效率难以进一步提高，其处理出水已经无法满足日益严苛的污水排放标准。此外，传统的生物脱氮工艺还存在抗冲击负荷能力弱，需要硝化液内回流和外加反硝化碳源等问题〔2〕。为了解决传统生物处理工艺脱氮效率不高的问题，自20世纪70～80年代，国外学者将分段进水方式引入到活性污泥法多级A/O工艺中，将进水负荷按不同比例分配分别进入各级缺氧段，即为活性污泥法分段进水多级A/O工艺（step-feed anoxic/oxic activated sludge process，SAOASP）〔3〕。 SAOASP 的优点在于可以充分利用碳源，污泥浓度高，脱氮效率高，无需内回流，所需池容小，运行管理方便等。21世纪初，SAOASP已被广泛应用于污水处理厂的扩建和升级改造。

1 活性污泥法分段进水多级A/O工艺

1.1 原理与特点

分段进水多级A/O工艺是在传统单点进水A/O工艺的基础上，通过增加A/O级数，同时将单点进水方式改为以一定比例进行流量分配分别进入各级缺氧区，并使污泥回流至第一缺氧区中，由此形成分段进水多级A/O工艺。典型的分段进水多级A/O生物脱氮工艺流程如图1所示。原水和回流污泥首先进入一级反应器缺氧区，反硝化菌可以充分利用原水中丰富的碳源对回流污泥中的NOx-N进行反硝化；混合液再进入一级反应器好氧池区充分硝化。反应后的混合液进入二级反应器缺氧区再次进行反硝化，同时加入一定比例的原水为缺氧区提供碳源，然后再流入好氧区，依次类推。

图1 分段进水多级A/O生物脱氮工艺流程

该工艺的特点主要包括:（1）回流污泥回流至系统首端缺氧池，系统内污泥浓度依次递减，系统内平均污泥浓度较高，污泥龄较长。（2）前一级好氧池出水直接流入下一级缺氧池进行反硝化，省去了内回流系统，工艺流程简化，操作管理方便。（3）各级好氧池为下一级缺氧池的反硝化提供能量，最大程度利用了进水中的碳源，减少了外加碳源的投放。（4）各级缺氧区反硝化出水流入本级好氧区，为硝化作用提供了碱度。（5）最终出水总氮浓度低，脱氮效率高。流量分配能够使得进入各级缺氧池的原水中的含碳有机物恰好与前一级好氧池出水硝态氮进行反硝化，在缺氧池中不产生硝态氮的积累，从而降低了出水总氮浓度。（6）分段进水A/O生物脱氮工艺易于在现有二级生化处理工艺基础上进行改造。（7）系统内平均污泥浓度高，固体停留时间长，因此池容小，基建费用低。

1.2 影响因素

1.2.1 分段数量

分段进水多级A/O工艺的本质是将多次的硝化和反硝化串联在一起。从理论上分析，多段多级A/O工艺，采用A/O交替运行的方式，使污泥中的微生物处于“饥饱”交替状态，不仅加快了有机碳源的利用，还可以最大限度地激发微生物硝化和反硝化的潜能，从而提高对总氮的去除效率。因此，工艺的反应器级数对系统脱氮效率有着重要的影响。理论脱氮效率η可以由公式（1）得出:

式中:αi——最后一段流量占总进水流量的比值；

R——污泥回流比。

假如各分段流量分配比均相同，则上式可以继续简化为公式（2）:

式中:n——分段数量。

当污泥回流比为定值时，出水总氮浓度取决于分段的数量。当最后一段分段的好氧区和缺氧区实现了完全硝化和反硝化，没有硝酸盐的剩余，η会随着分段数量n的增大而增大。但当反应器级数＞5时，分段进水A/O工艺的脱氮性能提高不再明显。考虑到工艺的技术效果和经济分析，一般采用2~5段。E.Gorgun等〔4〕对伊斯坦布尔Riva污水处理厂（处理水量1 160 000 m3/d）的处理工艺设计和运行影响进行了研究，其进水COD为271 mg/L，TKN为44 mg/L，采用2段式分段进水生物脱氮工艺，出水 TN＜10 mg/L。罗景阳等〔5〕分别采用单级A/O工艺和分段进水两级A/O工艺处理白酒废水（进水:NH4+-N 200 mg/L，COD 900 mg/L），结果表明，相比于单级A/O 工艺，分段进水两级A/O工艺出水NH4+-N、NO3--N、TN和COD均显著降低，其平均去除率分别提高了16.9%、43.2%、49.7%和8%。

1.2.2 污泥回流比

系统的理论脱氮率与污泥回流比有着显著的相关性。对于活性污泥系统，污泥回流比越大，其系统理论脱氮率也越高。过大的污泥回流比可以满足缺氧区反硝化的充分进行，但有可能引起好氧区的硝化不完全，引起NH4+-N的积累，从而降低出水水质。除此之外，过大的污泥回流比还会影响MLSS，甚至引起二沉池污泥膨胀等问题。而过小的污泥回流比不能起到污泥回流的效果。因此在实际工程应用中，为充分考虑脱氮以及平均MLSS的总效果，污泥回流比一般选择为0.5~1.5。祝贵兵等〔6〕在进水比为0.25/0.25/0.25/0.25的条件下研究了污泥回流比为25%、50%、75%和100%时，对总氮去除率以及平均MLSS的影响。结果表明，出水总氮浓度并不会随着污泥回流比的增大而一直减小，当污泥回流比为50%时，出水总氮浓度最低，平均MLSS最高。

1.2.3 流量分配比

分段进水A/O工艺是在反应器的不同阶段进水，为各级缺氧区的反硝化作用提供充足的碳源和碱度。流量分配比决定了各级缺氧区易降解的有机物含量，对反硝化菌的活性和脱氮效果有着重要的影响。G.Cao等〔7〕采用中试改良4段进水A/O工艺处理低C/N的城市污水，结果表明，当进水流量比为20∶35∶35∶10 时，脱氮效果最佳，出水 COD、NH4+-N、TN平均分别为 33.05、0.58、9.26 mg/L,其中近 74%的碳源被反硝化菌利用，16%的TN在好氧区通过同步硝化反硝化过程去除。M.Kitayam等〔8〕曾报道在生产性的分段进水A/O工艺中，当第2段进水为总进水的35%时，总氮去除率最佳，可达66%。王伟等〔9〕采用改良分段进水A/O工艺处理低C/N比（C/N<3.5）的城市生活污水，结果表明，当进水流量分配比为 6∶3∶1 时，处理效果最佳，系统出水 COD、NH4+-N、TN 分别为 45.98、0.04、17.47 mg/L。

1.2.4 A/O容积比

分段进水A/O工艺中，A/O容积比对系统脱氮效率的影响主要体现在要兼顾缺氧区和好氧区中硝化和反硝化的同时进行。如果缺氧区能把上一段好氧区产生的NOx-N完全反硝化，而好氧区又能把进水中的NH4+-N完全转化为NOx-N，则出水总氮浓度即可大大降低。因此，合理的A/O容积比有利于出水水质的提高。有研究表明，A/O容积比主要受进水水质的影响。对于可生化性较差的污水，应适当的提高A/O容积比，使缺氧区的水力停留时间增大，从而有利于提高脱氮率。王秋慧等〔10〕选用A/O容积比为0.25、0.33和0.6的3段A/O工艺进行脱氮除磷，研究表明，当A/O容积比为0.6时，处理效果最佳，TN去除率为85%，TP去除率为97.5%。A/O容积比＜0.6时，脱氮除磷效果不佳；A/O容积比＞0.6时，缺氧区出现二次释磷现象。

1.2.5 进水C/N

进水C/N对生物脱氮工艺的总氮去除率以及外加碳源的投加量有着重要的影响。在生物反硝化脱氮过程中，反硝化细菌利用有机物作为碳源和电子供体，将NOx-N最终转化为N2等去除。在高C/N的条件下，进水中丰富的碳源使缺氧区反硝化得以彻底进行，剩余的有机物可在好氧区被去除；对低C/N而言，由于反硝化不能进行彻底，使得NOx-N逐渐积累，最终影响到总氮去除率。通常，根据最后一段的剩余NOx-N量来确定碳源物质投加量〔11〕。因此，合适的C/N是提高脱氮效率的必要条件。吴淑云等〔12〕对分段进水生物脱氮工艺的脱氮率进行了探讨，结果表明，在各段等比例进水的条件下，当C/N（COD恒定为300 mg/L）为6、8.25和10时，系统脱氮率分别为80.1%、79.8%和81.3%；在流量分配系数为2.5∶3∶4的条件下，当C/N（NH4+-N恒定为38 mg/L）为10.5、13和17.5时，总氮去除率分别为92.4%、93.8%和96.4%。

1.2.6 DO

在分段进水多级A/O工艺中，由于缺氧区与好氧区的频繁交替，好氧区携带的DO对下一级缺氧区的反硝化作用会产生一定的影响。在满足硝化和去除有机碳的前提下，最大限度地降低DO含量，既可以为反硝化提供一个良好的缺氧环境，实现SND作用协同脱氮，又可以降低能耗。Jingbo Guo等〔13〕的研究表明，在2段A/O生物膜工艺中，采用较低DO的反应器的启动比采用高DO更快，而且系统在较低的DO下，COD、NH4+-N去除效率更高，抗冲击负荷能力也较强。王伟等〔14〕进行了溶解氧对分段进水生物脱氮工艺的影响研究，其设置了0.9、0.6、0.4、0.3 m3/h 4组曝气量，相应的好氧区DO分别为2.8、1.7、0.8、0.5 mg/L。研究表明，在好氧区 DO 为 0.5 mg/L左右的低氧条件下，通过对系统进行适当控制，可以取得较好的硝化效果，氨氮去除率可达98%以上。另外，由于低曝气量下混合液从好氧区到缺氧区携带的DO量减少，并且在好氧区发生了同步硝化反硝化作用，使得TN去除效果明显优于高曝气量的情况。

1.2.7 HRT

HRT是指污水在反应器内的平均停留时间，其反映了水中污染物与微生物的接触反应时间，同时也决定了系统的处理规模和抗冲击负荷能力。Bing Wang等〔15〕采用分段进水4级A/O生物膜反应器处理城市废水，结果表明，当HRT为8 h时，对COD、NH4+-N和TN的平均去除率分别为87.1%、97.8%和86.4%，并在反应器中实现了同步硝化反硝化进程。陈杰云〔16〕研究了HRT对分段进水3级A/O生物膜反应器去除废水污染物的影响，研究表明，当HRT分别为 4、6、8、10、12 h 时，TN 去除率分别为 40.43%、55.56%、70%、80.1%和81.4%，HRT从4h上升到10h的过程中，系统的TN去除率得到显著提升；继续增加HRT，对系统的TN去除率提升程度不高。因此，无论在实验研究还是实际工程应用中，将HRT控制在8～10 h，可以获得较好的脱氮效果。

1.2.8 SRT

SRT是活性污泥法工艺中的重要控制参数，它会影响反应器内生物种群结构和生物活性，从而影响系统的脱氮除磷性能。孙月鹏等〔17〕在SRT分别为169 d和7 d的条件下运行分段进水多级A/O反应器，结果表明，当进水COD为200 mg/L，NH4+-N为39.6 mg/L时，TN去除率分别可达到76.5%和74.2%。王社平等〔18〕采用分段进水A/O脱氮工艺处理城市污水，结果表明，在HRT为7.5 h，SRT为 15 d时，COD、NH4+-N和 TN去除率分别为 93%、95.8%和68.5%；反应器中的平均污泥浓度比单级A/O工艺提高约30%以上。

1.2.9 MLSS

对于分段进水工艺，原水多点投配可导致MLSS沿池长呈梯度分布，前段MLSS较高，可以增加污染物去除效能，末段MLSS较低，有利于二沉池泥水分离及后续污泥处理。A.M.Nasab等〔19〕在对改进型分段进水A2O工艺的脱氮除碳性能的研究中发现，反应器内平均MLSS达到5.5 g/L，远高于一般传统A2O工艺污泥浓度。然而，过高的MLSS会导致系统沉降性能差和二沉池负荷过高，从而可能引起污泥膨胀和污泥难以沉降等问题。

2 SAOASP应用现状及工艺改良

2.1 国内外应用现状

E.Gorgun等〔4〕通过使用数学模型对伊斯坦布尔Riva污水处理厂的污水进行模拟仿真和参数优化，结果发现，采用2段式分段进水，出水TN<10 mg/L；并且随着段数的增多，出水TN含量也随之降低。Newtown Creek污水处理厂改造工程采取简单的分段进水活性污泥法，在曝气池的进水点关闭鼓风机，形成缺氧环境，不用混合液回流即可达到较好的脱氮效果。1997年1月到1998年6月的运行结果表明，BOD5、SS、TN 去除率分别达到 82%～86%、84%～89%和76%～85%〔20〕。新加坡樟宜水厂采用5段分段进水A/O工艺，在好氧区很好地实现了部分硝化和亚硝酸盐积累，其中好氧氨氧化率平均为72.2%，亚硝酸盐积累率平均为76.0%。于莉芳〔21〕采用分段进水4级A/O脱氮除磷工艺对西安城市生活污水进行了中试试验研究，近1 a的运行结果表明，该工艺脱氮效率高，运行效果良好。表1总结了SAOASP在国内外城市污水处理厂的应用情况。

2.2 活性污泥法分段进水多级A/O改良工艺

为了进一步提高脱氮除磷效率，在实际的工程应用中，可将分段进水多级A/O工艺与其他工艺如开普敦大学工艺（UCT）、序批式活性污泥法（SBR）、循环式活性污泥法（CAST）、膜生物反应器（MBR）等进行耦合，从而形成活性污泥法分段进水多级A/O改良工艺。

表1 分段进水多级A/O工艺在国内外城市污水厂应用情况

SAOASP+UCT设置了前置厌氧区，缺氧区的硝化液返回到厌氧区，除磷效果显著提高。SAOASP+SBR采用间歇曝气的方式运行，占地面积小，运行费用低，对于高氨氮和高COD废水具有较高的去除效率。SAOASP+CAST通过设置前置生物选择器，使硝化液回流，增设填料等既防止了污泥膨胀，又提高了耐冲击负荷能力和脱氮性能。SAOASP+MBR通过在好氧池内设置膜组件，提高了活性污泥浓度，延长了SRT，降低了出水COD、TN和SS的浓度。

目前，活性污泥法分段进水多级A/O改良工艺已经被应用于生活污水、市政污水、工业废水、合成废水以及畜禽粪便废水的处理中，相对于传统的SAOASP，活性污泥法分段进水多级A/O改良工艺对COD、NH4+-N、TN的去除率均有提高，其应用情况见表2。

表2 活性污泥法分段进水多级A/O改良工艺应用情况

3 生物膜法分段进水多级A/O工艺

到目前为止，分段进水大多应用于活性污泥法中，但由于活性污泥法本身存在的诸多弊端，研究者将分段进水A/O工艺应用到生物膜法中，主要包括移动床生物膜反应器（MBBR）、生物接触氧化（BCO）、生物转盘（RBC）、曝气生物滤池（BAF）及生物流化床（FB）等，两者结合形成生物膜法分段进水A/O工艺（step-feed anoxic/oxic biofilm process，SAOBP）。该工艺兼备分段进水和生物膜法工艺优势，不仅可以充分利用碳源和碱度，而且微生物量相对比较丰富，生物量大，硝化效果好，抗冲击负荷能力和处理能力强。

SAOBP+MBBR通过向好氧区投加轻质可移动的悬浮填料，提高了反应池的生物量和生物种类，从而提高了废水处理效果。SAOBP+BCO通过向活性污泥池添加弹性组合填料，并通过底部曝气对污水进行充氧，使污染物与填料上的微生物充分接触反应，使污水净化效果得到提升。SAOBP+RBC利用转盘的转动，使转盘上的微生物处于缺氧/好氧交替的状态，有效实现了对有机物的降解和氮的去除，其常用于灌溉污水、禽畜废水、江河湖水的人工强化处理。SAOBP+BAF将填料固定在反应池中，并在好氧区设置曝气装置进行充分曝气，从而增大了单位时间内生物膜同废水的接触面积和充分供氧。SAOBP+FB向反应池投加了比表面积大的小颗粒载体，并通过高速水流和气流使载体呈现流化状态，从而提高了池中的生物量，进而提升了系统的处理效果。表3总结了生物膜法分段进水多级A/O工艺研究现状。