多模式AAO系统处理城市污水的冬季运行优化研究*

顾晓丹 黄 勇 丁永伟 黄继会 尤 岚 王 伟 张 俊 陈芳芳

(1.苏州科技大学环境科学与工程学院，江苏 苏州 215009；2.苏州市水务集团，江苏 苏州 215001；3.苏州市排水有限公司，江苏 苏州 215001)

我国城市污水处理厂的运行受季节影响显著，季节性影响主要体现在水温及进水水量水质的季节性波动[1-3]。大量污水处理厂的运行数据和研究表明，冬季低温导致生物活性降低，出水氨氮、TN浓度偏高[4-5]，[6]2429。延长泥龄(SRT)、增加曝气量是污水处理厂冬季普遍采取的调控策略。然而，过长的SRT影响生物除磷效率；曝气过度影响反硝化脱氮。

活性污泥数学模型已逐渐成为一种工程工具在工艺调控中得到应用。BioWIN软件的核心是ASDM模型，该模型起源于综合各种活性污泥动力学模型的Barker/Dold模型。与广泛采用的ASM2d模型相比，ASDM模型除可模拟碳、氮、磷的去除过程，还能模拟pH平衡、厌氧消化、厌氧氨氧化、气体转移过程[7]，[8]20。取代ASM2d模型中的一步硝化，ASDM模型将两步硝化作为插入模型描述生物硝化过程。ASDM模型可追踪50个模型组分和60多个物理、化学、生物反应，拥有246个模型参数(包括动力学参数和化学计量学系数)[9]。基于世界上数百座生产性城市污水处理厂的观测数据，ASDM模型提供了较符合实际的模型参数缺省值。目前，BioWIN软件在污水处理厂模拟、优化改造中得到广泛的应用，如智利污水处理厂的动态运行[10]、高碑店污水处理厂脱氮效果改造工程[8]22、F.Wayne Hill污水处理厂节能工程[11]等。

针对城市污水处理厂冬季运行的普遍问题，为充分发挥系统脱氮除磷能力，采用模型模拟结合现场试验对苏州某污水处理厂多模式AAO系统进行研究，以期获得冬季低温条件下多模式AAO系统处理生活污水高效运行的控制策略。

1 材料与方法

1.1 多模式AAO工艺

污水处理厂原水经曝气沉砂后进入多模式AAO系统。单组AAO工艺分3个廊道，每个廊道长72.0 m、宽14.0 m、有效水深7.5 m。每个廊道设4个挡墙，将廊道平均分成5个完全混合反应池。第1个廊道为非曝气池，即厌/缺氧1～5；后两个廊道底部安装了曝气头，第2个廊道即厌/好氧6、7和好氧8～10，第3个廊道即好氧11～15。系统设有3个进水点，位于厌/缺氧1、3、5；设有4个内回流点，位于厌/缺氧1、3、5和厌/好氧7；设1个外回流点，位于厌/缺氧1。第3个廊道后二沉池采用平流式沉淀池，共设4组，每组长37.7 m、宽8.6 m、有效水深2.9 m，表面负荷为1.1 m3/(m2·h)。

采用两组多模式AAO系统并行运行，单组处理规模3×104m3/d。多模式AAO系统运行控制灵活，可根据进水条件和处理要求，在AAO工艺(厌/缺氧1、3进水流量比3∶7，打开厌/缺氧3内回流)、倒置AAO工艺(厌/缺氧1、3进水流量比7∶3，打开厌/缺氧1内回流)、改良型AAO工艺(厌/缺氧1、3、5进水流量比2∶3∶5，打开厌/缺氧5内回流)模式之间切换。

冬季平均水温14 ℃，水力停留时间(HRT)15.6 h，SRT控制在20 d左右，污泥回流比为63%，混合液回流比为250%，好氧区DO控制在1～3 mg/L。

1.2 原水水质

该厂主要接纳生活污水，冬季进水水质数据见表1。冬季进水BOD5/COD均值0.47，进水可生化性较好；BOD5/TN均值为3.6，其比值最低为2.3，最高为6.9，原水中的碳源基本能满足生物脱氮需求；BOD5/TP均值41.7，原水中的碳源可满足生物除磷需求。

表1 苏州某污水处理厂冬季进水水质Table 1 Influent quality of a sewage plant in Suzhou in winter

结合物化试验[12-13]和模型校准结果，该厂冬季进水COD组分见表2。SS为0.27表明进水中可直接被异养微生物吸收利用的COD组分高于BioWIN中的推荐值(0.16)。荷兰21个污水处理厂进水COD组分表征结果[14]表明，SS为0.09～0.42。SI以进入系统相同的浓度随出水排出系统[15]。因此，采用二沉池出水经0.45 μm膜过滤后测得的COD浓度作为进水SI组分。通过试验测得，该厂进水SI为0.07，略高于BioWIN推荐值，但与国际水协会(IWA)的建议值(0.05～0.10)[16]一致。由于污水处理厂服务区域有雨、污管道混接现象，降雨径流携带大量的颗粒物渗入污水管网，导致该厂进水XI为0.20，高于BioWIN推荐值。

表2 苏州某污水处理厂冬季进水COD组分Table 2 Influent COD composition of a sewage plant in Suzhou in winter

1.3 模型构建

1.3.1 模型框架构建

以BioWIN软件为平台，ASDM模型描述生物碳、氮、磷的去除过程，Takacs一维模型描述二沉池固液分离过程。由于多模式AAO系统不存在厌氧消化过程，运行条件的设置不会激发ASDM模型中厌氧消化反应的发生。ASDM中活性污泥模型包含的反应过程如下：普通异养菌的生长和衰减；氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的生长和衰减；聚磷菌的生长和衰减；亚硝酸盐和硝酸盐的同化反硝化。

依据多模式AAO系统流程，采用5个非曝气完全混合反应池和10个曝气完全混合反应池串联模拟多模式AAO系统运行特征，通过分离器实现进水和内回流的调控。

1.3.2 模型校准

温度对微生物生长和衰减速率有重要影响，其影响由对温度敏感的参数通过Arrhenius方程进行转化。冬季运行设置模式下，选择两组历史数据(2017年12月至2018年2月，2019年12月)分别进行模型的校准和验证。

灵敏度分析[17]表明，动力学参数和化学计量学系数对COD、TP无影响或灵敏度低；对氨氮的灵敏度依次为氨氧化菌最大比生长速率>异养菌产率系数>氨氧化菌衰减速率>聚磷菌产率系数，对TN的灵敏度依次为氨氧化菌最大比生长速率>异养菌产率系数>聚磷菌产率系数，其中氨氧化菌最大比生长速率对氨氮、TN的灵敏度均最高，其余属于中等灵敏度水平。

模拟结果表明，将氨氧化菌最大比生长速率校准为0.7 d-1时，冬季出水氨氮模拟值和实测值误差<1 mg/L。针对不同市政进水的活性污泥系统，氨氧化菌最大比生长速率的波动范围为0.2～1.0 d-1。

通过调整进水COD组分(见表2)和氨氧化菌最大比生长速率，出水COD、氨氮、TN、TP拟合绝对误差≤1 mg/L，生物池污泥质量浓度(MLSS)拟合相对误差<10%(见表3)；主要出水水质变化趋势拟合基本一致(见图1)。模型校准和验证结果理想。

表3 模型校准结果Table 3 Calibrated results of the model

图1 模型验证结果Fig.1 Validation results of the model

2 结果与讨论

2.1 对出水水质的影响

2.1.1 COD去除

在冬季低温条件下，进水COD为150～527 mg/L，平均约320 mg/L，3种模式的出水COD为19～38 mg/L(见图2)，稳定达到《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB32/ 1072—2018)。由于3种模式的曝气强度相同、好氧停留时间一致，因此3种模式获得了相近的有机物降解效果。

图2 多模式AAO系统对COD的去除效果Fig.2 COD removal effect of multimode AAO process

2.1.2 硝化性能

硝化菌作为一种自养微生物，受SRT影响显著[18]。3种模式出水氨氮随SRT的升高而降低(见图3)。当SRT从10 d增大到14 d，3种模式出水氨氮从约25 mg/L降低到约5 mg/L；当SRT从18 d继续增大到20 d，对3种模式出水氨氮影响不大。当SRT>16 d时，3种模式出水氨氮基本能满足DB32/ 1072—2018。相同的SRT控制下，倒置AAO模式出水氨氮略低，改良型AAO模式出水氨氮相对最高。通过适当延长系统SRT，生物池MLSS增大，提高硝化菌总量，同时维持系统内一定的DO，保证低温条件下系统硝化能力的稳定。过长的SRT不仅对控制出水氨氮无意义，而且会造成系统内生物量过多，曝气量消耗过大；曝气设备供氧能力有限，可能造成微生物生长所需的DO不足，出水氨氮浓度升高。

图3 多模式AAO系统出水氨氮、MLSS随SRT的变化Fig.3 The change of ammonia nitrogen in effluent and MLSS of multimode AAO process with SRT

2.1.3 反硝化性能

反硝化过程主要发生在缺氧区和好氧区内局部缺氧环境。影响反硝化作用的因素[19]主要有：(1)水温，低温影响反硝化菌的活性；(2)碳源，反硝化菌利用污水中的易降解有机物作为碳源及电子供体；(3)内回流量，影响反硝化菌可还原的硝酸盐总量；(4)缺氧区容积，影响反硝化菌在缺氧段的HRT。

当内回流比从200%逐渐增大到350%，3种模式出水TN逐渐下降(见图4)，说明随内回流比的升高，反硝化去除的氮量逐渐增加。内回流比对出水TN的影响主要受硝酸盐氮浓度调控。随着内回流比的升高，缺氧段末端硝酸盐氮呈升高趋势。当内回流比≤250%时，3种模式缺氧段末端硝酸盐氮<0.5 mg/L，说明缺氧段反硝化彻底；当内回流比增大到300%，改良型AAO模式缺氧段末端硝酸盐氮超过0.5 mg/L，回流的硝酸盐氮量逐渐超出了缺氧段的反硝化能力。

图4 多模式AAO系统出水TN、缺氧段末端硝酸盐氮随内回流比的变化Fig.4 The change of effluent TN，nitrate in anoxic terminal with internal reflux ratio in multimode AAO process

3种模式下，TN去除效果有较大的差别。在内回流比和其他运行条件一致的情况下，出水TN依次为倒置AAO模式AAO模式>改良型AAO模式。

当碳源相对充足时，以缺氧段末端硝酸盐氮为监控指标，通过提高内回流比提升脱氮效能；在反硝化不完全的情况下，通过提高缺氧段HRT进一步提升脱氮能力。

2.1.4 TP去除

试验期间，进水TP为2.4～6.4 mg/L，平均为4.0 mg/L，3种模式出水TP在0.2～0.3 mg/L波动(见图5)，稳定达到DB32/ 1072—2018。

图5 多模式AAO系统对TP的去除效果Fig.5 TP removal effect of multimode AAO process

研究表明，温度对吸磷、释磷速率影响不大；同时低温不利于聚糖菌生长[6]2433，聚磷菌可充分利用污水中的底物进行释磷、吸磷。由于厌氧区HRT充足，聚磷菌将厌氧区内的易降解COD转化成聚β羟基烷酸(PHA)，因此3种模式下，系统内都存在明显的释磷、吸磷过程(见图6)，保证了冬季稳定的除磷效果。低温条件下，硝化过程不会产生大量的硝酸盐带入厌氧区，引起反硝化菌和聚磷菌的竞争，因此冬季3种模式获得理想的除磷效果。

图6 多模式AAO系统沿程溶解性磷酸盐变化情况Fig.6 The change of soluble phosphate along the path of multimode AAO process

2.2 优选模式的运行优化

为保证冬季出水氨氮、TN稳定达标，选择倒置AAO模式、SRT=16 d、内回流比为300%作为优化工况。优化后，倒置AAO模式出水氨氮、TN、TP分别稳定在3.8、10.4、0.3 mg/L以下(见图7)，满足DB32/ 1072—2018。工况优化前后，在有机物去除率基本不变的情况下，出水氨氮、TN、TP平均值分别降低了4.8、3.0、0.2 mg/L。

图7 冬季工况优化前后系统出水水质的对比Fig.7 Comparison of effluent quality between the optimal operation condition and the original operation condition in winter

结合现场沿程采样分析，采用优化工况，在倒置AAO系统各反应区内，沿水流方向，COD、氨氮、硝酸盐氮、溶解性磷酸盐的变化见图8。受回流污泥及混合液的稀释作用影响，系统首端的COD、氨氮迅速降低。回流的混合液携带硝酸盐氮进入厌/缺氧1，但受进水稀释作用，厌/缺氧1内硝酸盐氮略升高。反硝化菌利用进水中易降解有机物进行反硝化，消耗有机物同时去除了硝酸盐氮，因此COD、硝酸盐氮在厌/缺氧1、2中呈下降趋势，厌/缺氧2内已无硝酸盐氮，说明反硝化彻底。在厌/缺氧1～5，溶解性磷酸盐从6.4 mg/L逐渐上升到13.7 mg/L，由于反硝化彻底，聚磷菌和反硝化菌之间不存在碳源竞争，释磷现象明显。在厌/好氧6、7和好氧8～12，异养微生物降解有机物，COD逐渐降低；同时发生硝化反应，氨氮逐渐降低，硝酸盐氮逐渐升高；聚磷菌好氧吸磷导致溶解性磷酸盐逐渐降低，到好氧11，水中溶解性磷酸盐已基本转移到聚磷菌体内。因此，硝化和吸磷过程主要发生在好氧段沿程。好氧段末端(好氧13～15)，氨氮、硝酸盐氮呈下降趋势，溶解性磷酸盐浓度不变。在运行控制过程中，为避免回流混合液携带过多DO，好氧段末端DO控制在0.3 mg/L左右。研究表明，当DO<0.8 mg/L，可发生同步硝化反硝化(SND)[20]，因此好氧末端可能发生了SND。

图8 最优工况下污染物的沿程变化情况Fig.8 The change of pollutant concentration along the path under the optimal condition

3 结 论

(1) 针对冬季污水处理厂脱氮性能差的现状，通过多模式AAO系统3种模式对比发现，倒置AAO模式出水氨氮、TN明显低于AAO和改良型AAO模式。

(2) 采用倒置AAO模式、SRT=16 d、内回流比为300%，冬季出水水质可满足DB32/ 1072—2018。