A2/O工艺处理城镇污水的脱氮除磷性能研究

刘 遥 张东方 张文俊

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

0 引言

在城镇化的发展进程中，城镇居民生活生产消耗了大量的淡水，污水排放量也与日俱增，排放的污水中不可避免地出现氮磷含量超标现象，如不加预处理，这些无机化学物质是水体中藻类繁殖的必须营养物质，使藻类增殖迅速，水体出现富营养化，藻类消耗了水体中的氧气，并释放有害物质，导致水体环境的恶化，因此在城市基础设施建设中，为了保证处理厂净化后水体含氮磷量满足相关的规范要求，提高水体的耐受度，需要对污水处理的脱氮除磷工艺进行合理设置[1]。污水处理厂是一个复杂的系统，涉及的工艺环节很多，在传统的污水处理工艺中，对脱氮除磷的方式主要采用生物脱氮和生物除磷，不仅效率低下，而且工序上矛盾导致了除磷效果不佳，出水水质不达标，增加了二次处理的成本[2]。目前，对城市污水脱氮除磷工艺的研究成为水生态环保中的研究热点，通过工艺的调整或者优化提高污水脱氮除磷效率具有十分重要的作用[3]。

1 污水处理厂设计概况

合肥市某污水处理厂二期工程位于合肥市蜀山区西部新城南部，为半地下污水处理厂1座，土建规模10万吨/天，设备安装规模5万吨/天，地块规划性质为公用设施用地。为有效提高区域污水处理能力，缩短城郊与市区的水环境差异，改善城郊居民的用水问题，根据区域总体规划要求，修建污水处理厂主要收集区域内生活污水和工业废水，污水处理厂的总覆盖服务面积达到31.57 km2。污水处理厂设计污水进水水质以及处理净化后出水水质的指标要求见表1和表2。

表1 设计污水进水水质指标

2 城镇污水的总体处理方案及脱氮除磷A2/O处理工艺

2.1 城镇污水的总体处理方案

在一般的城镇污水二级处理工艺中，由于污水处理规模与城市相比较小，处理水体多为生活污水，且水体中的氮磷含量较高，受到处理工艺的影响，对污水中的BOD5、CODCr和SS能够达到较好的去除效果，但是对水体中氮磷含量处理深度交浅，却难以取得良好的去除效果，这是因为这些处理工艺依赖于传统的生物硝化菌的硝化作用脱氮、微生物聚磷菌的吸磷聚合作用除磷，处理效率较低，经过大量的实践表明，传统的污水处理厂只能对剩余污泥中进行脱氮除磷处理，对氮元素的消除率基本维持在10%～20%，而对磷元素的消除率基本维持在12%～19%，与脱氮除磷目标相去甚远，使污水处理厂排水中仍含有大量的氮磷元素[4-5]。为此，要达到表2中的各项出水水质指标要求，在污水处理过程中应采用深度的脱氮除磷处理工艺，通过调节排污泥量，以增加生物硝化菌、聚磷菌的活性，提高污泥回流比，提高硝化作用效率，实现稳定的脱氮和除磷效果，因此经过综合分析，该研究水区深度脱氮除磷方法采用A2O+沉淀池+高密度沉淀池+深床滤池+次氯酸钠消毒工艺，具体的污水处理流程如图1所示。

表2 设计处理净化后出水水质指标

图1中污水处理整体过程如下：污水处理厂覆盖服务区域内的市政管网对居民生活污水以及工厂废水进行收集，通过污水管道输送污水处理厂进水管道总口，通过水体的自流效果流经粗格栅进入进水泵房，设置粗格栅的目的是对进口污水中的漂浮物、大块体杂物、污泥等进行截流滤除，过滤直径最小达到2 cm，以保护水泵等污水处理设备；随后采用水泵对泵房内的水体提升至曝气沉淀池，在进入曝气沉淀池之前，同样地需要设置一道西格栅以滤除水体中的细小悬浮物，过滤直径最小达到5 mm[6]；经过2次过滤的污水需要进行曝气除臭，其处理方法是将污水放入曝气沉砂池内，并在沉砂池的顶部布置有螺旋风机，不断地对旋转螺旋风机将臭气抽排，同时将污水不断地沿着水池的长度方向进行运输，使水流在垂直方向和横向方向均产生了曝气过程，在曝气沉淀池内，污水中的大分子油脂被有效去除；随后，污水经过电磁流量计测量水体体积，污水随管道运输至生物池，进行A2/O处理工序，在厌氧区内进行硝化反应，在缺氧区内进行反硝化反应，达到氮化物的消除，然后将，将脱氮后的污水运输至曝气好氧区，进行硝化反应、脱磷及去除化学需氧量COD、有机污染物、NH4-N等；在推流器的作用下，污水混合液从生物池进入二沉池，进一步固液分离，对池内污泥进行刮刷，池内上部清液流动至高密度沉淀池，去除SS和磷；高密度沉淀池处理后的污水进入中间泵房，经过提升水泵输送至反硝化滤池，通过投加乙酸钠保证了反硝化过程的高效，污水进入砂滤池进行过滤，并进行反硝化反应实现水体脱氮[5]。过滤后的污水流入消毒池，向池内加入消毒粉或者采用紫外线消毒的方法进行消毒，处理完成后将净化水自流至综合泵房；最后通过市政中水泵组将净化后水体提升接入市政中水管网中，或通过尾水泵组提升排至地表河流。

图1 污水处理厂水区工艺流程图

2.2 城镇污水的脱氮除磷A2/O处理工艺

目前，在污水处理中应用较为广泛的脱氮除磷工艺为A2/O处理工艺，它的工艺成熟的较高，能够保证污水处理工程中各项工序的运行稳定，且在多年的工程实践中积累了较多的运行经验，基本能够满足出水水质的要求，尽管如此，在A2/O污水处理工艺仍存在一定的问题，也存在一定的缺陷，例如在回流污泥中存在的硝酸盐，使反硝化菌增殖快速，抑制了聚磷菌的获得碳源的能力，延缓了释放磷的速率，因此传统A2/O污水处理工艺在脱氮效果上尚有较大的提升空间，以应对日益严格的排水要求[7]。因此，有必要对传统A2/O污水处理工艺进行调整和优化，在该基础上提出多段A2/O污水处理工艺，以增加二级生物处理的生物脱氮能力。

在A2/O的发展史上，改良型的Bardenpho工艺具有更好的脱氮除磷能力。污水经过首段的厌氧缺氧过程，完成了一大部分的生物脱氮除磷过程，此时的出水中的TN已得到一定程度的降低，并且主要以NO3-N的形式存在，随后低浓度的硝化液全部进入缺氧段，进行完全反硝化，得到无硝酸盐的出水。后缺氧段完全利用的是内源反硝化，利用MLVSS自身内源呼吸，利用NO3-N作为电子受体完成反硝化过程[8]。

在前段A2/O过程中，为提高污水可降解性，在前端设置水解区，提高有机污染物的去除，并为厌氧段提供更多的易降解有机物。缺氧区的反硝化过程对碳源的需求是保证生物脱氮的重要环节，为此，在前段增加进水点，通过引入原水补充碳源，保证反硝化过程顺利进行。好氧段通过调整曝气量、进水分配比例，控制溶解氧浓度、有机污染物负荷，维持好氧段的同步硝化反硝化过程，提高系统的生物脱氮效率。多段A2/O污水处理工艺如图2所示。

图2 多段A2O污水处理工艺

4 A2/O处理工艺的脱氮除磷性能

为研究多段A2/O污水处理工艺的脱氮处理性能，对合肥市某污水处理厂二期工程中的总进水口和总排水口的水样进行取样分析，观测水体中的总氮含量TN和总磷TN含量的变化，观测时长为80d，取样频率为1周1次，结果如图3所示。

从图3（a）中可以看出，在采用多段A2/O污水处理工艺处理前，进水口的污水总氮含量TN含量随着时间的变化呈现不同程度的剧烈变化，但其TN质量浓度的变化范围位于20 mg/L～50 mg/L，满足表1中设计进水总氮含量TN不超过50 mg/L的要求，而经过段A2/O污水处理工艺深度脱氮处理后，水体中的总氮质量浓度大幅度降低，变化区间为0 mg/L～10 mg/L，满足表2中约束性出水总氮含量TN指标（巢湖流域地标DB34/2710—2016）不超过10 mg/L的要求。从图3（b）中可以看出，在采用多段A2/O污水处理工艺处理前，进水口的污水总磷含量TP质量浓度的变化范围位于3.5 mg/L～6.0 mg/L，满足表1中设计进水总磷含量TP不超过6 mg/L的要求，而经过段A2/O污水处理工艺深度除磷处理后，水体中的总磷质量浓度大幅度降低，变化区间位于0.1 mg/L～0.3 mg/L，满足表2中约束性出水总磷含量TP指标（巢湖流域地标DB34/2710—2016）不超过0.3 mg/L的要求。

对多段A2/O污水处理工艺的脱氮除磷效率进行研究，对厌氧区活性污泥中的磷酸根质量浓度进行观测，结果如图4所示。从图4中可以看出，随着时间的增加，磷酸根的质量浓度呈对数增加的趋势，而释磷速率呈现线形增加后对数降低的趋势。对比缺氧区和好氧区的吸磷速率进行对比，结果如图5所示。从图5中可以看出，随着时间增加，好氧区和缺氧区的吸磷速率均呈现对数降低的趋势，且好氧区的吸吸磷速率比缺氧区的吸磷速率略大。

图4 多段A2O污水处理工艺中厌氧区除磷速率曲线

图5 多段A2O污水处理工艺中好氧区与缺氧区吸磷速率曲线

5 结论

以合肥市某污水处理厂二期工程污水处理为研究对象，污水处理厂的整体污水处理工艺进行研究，提出多段A2/O污水处理工艺，得到以下3个结论：1）在采用多段A2/O污水处理工艺处理前，进水口的污水总氮含量TN随着时间变化呈现不同程度地变化，经过段A2/O污水处理工艺深度脱氮处理后，水体中的总氮质量浓度大幅度降低，变化区间0 mg/L～10 mg/L，满足表2中约束性出水总氮含量TN指标要求。2）在采用多段A2/O污水处理工艺处理前，进水口的污水总磷含量TP质量浓度的变化范围位于3.5 mg/L～6.0 mg/L，经过段A2/O污水处理工艺深度除磷处理后，水体中的总磷质量浓度大幅度降低，变化区间位于0.1 mg/L～0.3 mg/L，满足表2中约束性出水总磷含量TP指标要求。3）随着时间的增加，磷酸根的质量浓度呈对数增加的趋势，而释磷速率呈现线形增加后对数降低的趋势；将缺氧区和好氧区的吸磷速率进行对比，结果表明，随着时间的增加，好氧区和缺氧区的吸磷速率均呈现对数降低的趋势，且好氧区的吸磷速率比缺氧区的吸磷速率略大。