污水处理厂改良A2O工艺脱氮条件优化研究

李涛　石林松　盛雅

摘要：為了适应日趋严格的污水排放标准对污水处理厂脱氮性能的新要求，在强化改良AO工艺脱氮效果的同时节省药剂投加成本，通过批次实验确定最佳污泥浓度范围和乙酸钠投加量，并进行为期35 d运行实践。实验结果表明：当乙酸钠投加量一定时，随着生物池内污泥浓度的增加，NO-N及TN的浓度逐渐下降，脱氮性能提高，当污泥质量浓度高于4.91 g/L时，NO-N及TN浓度的下降趋势变缓;当污泥质量浓度为4.268 g/L，乙酸钠投加量在30～180 mg/L范围内增加时，随着C/N值逐步增加，反硝化脱氮性能显著增强。当乙酸钠投加量为120 mg/L时，对应C/N值为5.05，此时TN质量浓度低于15 mg/L，可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）表1中一级A标准。运行实践过程中控制污泥质量浓度为4～5 g/L，乙酸钠投加量为120 mg/L，每日出水均可达标排放;通过合理投加乙酸钠，每年可节省药剂成本300万元。研究成果能够有效提高污水处理厂脱氮效率，可获得明显的社会效益和经济效益，可为污水处理厂实际运行提供参考。

关键词：水污染防治工程;改良AO工艺;MLSS;乙酸钠;反硝化脱氮

中图分类号：X703.1文献标识码：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2022yx02012

Optimization of nitrogen removal conditions by modified AO process

in sewage treatment plant：Taking a sewage treatment plant in Shijiazhuang as an example

LI Tao，SHI Linsong，SHENG Ya

（Shijiazhuang Qiaoxi Sewage Treatment Plant，Shijiazhuang，Hebei 050000，China）

Abstract：In order to meet the new requirements for denitrification performance in sewage treatment plants due to the increasingly stringent wastewater discharge standards，and to enhance the nitrogen removal effect of the improved AO process while reducing the consumption of chemicals，batch experiments were conducted to explore the optimal mixed liquor suspended solids range and sodium acetate dosage，and then the operation practice was conducted with 35 days.According to the results of batch experiments，when the dosage of sodium acetate is constant，the concentration of NO-N and TN decreases gradually and the denitrification performance improves with the increase of mixed liquor suspended solids.The decreasing trend of NO-N and TN concentration slows down when the sludge concentration is higher than4.91 g/L.With the gradual increase of C/N，the denitrification performance is significantly enhanced when the sludge concentration is 4.268 g/L and the dosage of sodium acetate is increased from 30 to 180 mg/L.Furthermore，when the dosage of sodium acetate reaches 120 mg/L and the corresponding C/N is 5.05，the TN concentration is lower than 15 mg/L，which meets the first level A criteria specified in the Discharge Standard of Pollutants for Municipal Sewage Treatment Plant （GB 18918—2002）.In the operation practice，the mixed liquor suspended solids is 4～5 g/L，the sodium acetate dosage is 120 mg/L，and the daily effluent quality can meet the discharge standard.At the same time，by adding sodium acetate reasonably，the consumption of chemicals can be saved by 3 million yuan every year.The research results can effectively improve the nitrogen removal efficiency of sewage treatment plants，and obtain obvious social and economic benefits，which can provide guidance for the actual operation of sewage treatment plants.

Keywords： water pollution control engineering;improved AO process;MLSS;sodium acetate;denitrification and nitrogen removal

随着城镇污水厂污染物排放标准的日趋严格，总氮（total nitrogen，TN）浓度（一般为质量浓度，下同）成为限制污水处理厂出水稳定达标的重要因素，而TN超标的风险主要是由出水中的NO-N所贡献的[1]。据统计，利用硝化和反硝化原理的传统AO工艺及各种改良的AO工艺是中国城镇污水处理厂中应用最广泛的生物脱氮工艺[2-4]，其处理量约占全国城镇污水厂设计总规模的1/3。改良AO工艺中，生物池缺氧段微生物的主要功能是通过反硝化反应去除绝大部分NO-N，在此过程中需外源投加大量碳源，由此污水厂承担着巨大的药剂成本。因此提高该段反硝化的脱氮性能、节约药剂成本尤为重要[5-6]。

影响反硝化脱氮性能的主要因素是反硝化菌的数量，即污泥浓度（mixed liquor suspended solids，MLSS;一般为质量浓度，下同），MLSS浓度越高所含反硝化菌的数量也越多，脱氮效果越好[7-8]。除MLSS外，碳源投加量即C/N（碳和氮的总质量浓度之比，一般用C/N表示）也是影响反硝化过程脱氮性能的主要因素[9-10]。住房和城乡建设部“全国城镇污水處理信息系统”的数据显示，C/N值低是中国城镇污水处理厂的普遍性问题，当C/N值小于3时，进水碳源不足[11]。因此，为确保出水TN稳定达标排放，优化MLSS及碳源投加量是提高生物池反硝化脱氮性能、节约药剂成本的有效手段。

本研究通过模拟生物池缺氧段微生物反硝化环境运行状况，对反硝化脱氮性能影响的主要因素MLSS及乙酸钠投加量进行了优化，以期探索合理的运行参数，指导污水处理厂运行实践。

1污水处理厂概况

石家庄市某污水处理厂二期工程处理能力为20万m/d，生物处理单元采用改良AO工艺，即厌氧—缺氧—好氧—缺氧—好氧工艺，是通过利用不同的空间进行硝化和反硝化反应，对污水中的氮进行去除，工艺流程图如图1所示[12]。其中生物池设计MLSS浓度为2～3 g/L，外加碳源乙酸钠设计投加量（质量浓度，下同）为150 mg/L。该污水处理厂进水TN，NHN和COD的质量浓度（以下简称浓度，下同）分别在20～100 mg/L，10～60 mg/L，65～300 mg/L范围内波动，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）表1中一级A标准（以下简称排放标准），即TN浓度小于15 mg/L，NHN浓度小于5 mg/L，COD浓度小于50 mg/L。

2材料与方法

2.1实验材料

接种污泥取自该污水处理厂生物池第一好氧段出口的活性污泥，静置沉淀30 min后取上清液备用，底部污泥用磷酸盐缓冲液清洗3次，以消除残余NON和溶解性有机物对后续实验的影响。

批次实验装置为ZR4-6混凝实验搅拌机（深圳市中润水工业技术发展有限公司提供），其中烧杯的有效容积为1 000 mL。为达到缺氧环境，实验过程中将搅拌转速设为30 r/min，控制氧气的溶入。

2.2实验方法

2.2.1MLSS对反硝化脱氮性能影响的实验设计

在有效体积为1 000 mL的烧杯中进行批次实验，考察不同浓度MLSS对反硝化脱氮性能的影响。各实验组接种不同体积的活性污泥，并用上清液定容至1 L，接种污泥MLSS浓度分别为1.88，3.11，3.87，4.91，6.08，6.94 g/L，相应命名为实验组M1，M2，M3，M4，M5，M6，具体如表1所示。向各实验组投加128 mg乙酸钠（以纯乙酸钠计，参考设计值），开启实验装置搅拌器1 h，测定反应前后COD，TN，NON，NHN的浓度变化。

2.2.2乙酸钠投加量对反硝化脱氮性能影响的实验设计

在有效体积为1 000 mL的烧杯中进行批次实验，探究投加不同浓度乙酸钠引起C/N变化后对于反硝化脱氮性能的影响。根据MLSS对反硝化脱氮性能影响的批次实验所确定的最佳MLSS浓度，各实验组接种相同量的活性污泥，用上清液定容至1 L，并投加30～180 mg/L乙酸钠，以30 mg/L梯度递增，分别命名为实验组C1，C2，C3，C4，C5，C6，对应COD浓度分别为54.1，69.6，91.5，123.2，138.5，151.6 mg/L，其所对应C/N值分别2.22，2.85，3.75，5.05，5.68，6.21，具体见表2。开启实验装置搅拌器1 h，测定反应前后TN，NO-N，NH-N的浓度变化。

2.2.3工艺优化运行实践

根据上述批次实验所得到的优化结果，以最佳的MLSS浓度及乙酸钠投加量指导污水处理厂实际运行实践35 d。运行实践阶段每日监测生物池MLSS浓度及进、出水的TN，NH-N，COD的浓度变化。

2.3分析方法

取污泥混合液，采用重量法测定MLSS浓度[13]，再静置沉淀后取上清液，分别采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、紫外分光光度法、纳氏试剂分光光度法、重铬酸钾法测定TN，NO-N，NH-N，COD的浓度 [14]。

3结果与讨论

3.1MLSS对反硝化脱氮性能的影响

批次实验选取6个MLSS浓度（见表1），在TN浓度为19.7 mg/L，NO-N浓度为16.0 mg/L，NH-N浓度为0.33 mg/L的初始条件下，考察不同MLSS浓度对反硝化脱氮性能的影响，结果如图2所示。

由图2可看出，MLSS浓度为1.88～4.91 g/L时，随着MLSS浓度增加，NO-N浓度呈显著下降趋势;当MLSS浓度高于4.91 mg/L时，NO-N浓度下降趋势变缓。实验过程中NH-N浓度无明显变化，且TN变化趋势与NO-N变化趋势相同，这是由于反硝化作用是在缺氧条件下反硝化菌将NO-N还原为N的脱氮过程，因此该实验过程中，NH-N浓度并无明显变化;同时由于上述原因，在不考虑有机氮的情况下，TN变化趋势应与NO-N变化趋势相同。

决定反硝化速率的主要因素之一是反硝化菌的数量，而随着污泥浓度的增加有效地提高了系统内的反硝化菌的浓度，因此可促进反硝化脱氮性能的提高。当MLSS浓度为4.91 mg/L时，TN浓度下降至6.5 mg/L，NO-N浓度下降至2.43 mg/L。有学者认为，系统污泥浓度的过度升高会抑制反硝化过程[15]，同时较高的污泥浓度会造成污泥老化[16-17]，严重时会影响出水指标。并且，保证好氧氧化效果的前提下，随着生物池污泥浓度的增加需要增加曝气量，这又会造成设备负荷及能耗的增加。因此，本实验确定最佳MLSS浓度为4～5 g/L，这样既能保证脱氮性能，又能减少污泥老化问题及控制成本。

3.2乙酸钠投加量对反硝化脱氮性能的影响

乙酸钠为低分子有機酸盐，容易被微生物利用，已有研究表明以乙酸钠为有机碳源时，反硝化反应具有最大的比反硝化速率[18-21]，因此本实验选择乙酸钠作为外加碳源。各实验组MLSS浓度均为4.268 g/L，投加30～180 mg/L不同浓度的乙酸钠（见表2），在TN浓度为24.4 mg/L，NO-N浓度为19.4 mg/L，NH-N浓度为0.28 mg/L的初始条件下，考察不同乙酸钠投加量对反硝化脱氮性能的影响，结果如图3所示。

由图3可以看出，随着乙酸钠投加量的增加，C/N值逐步增加，NO-N及TN浓度呈显著下降趋势。当乙酸钠投加量为150 mg/L，对应C/N值为5.68时，TN浓度下降趋势变缓。张淼等[22]发现利用乙酸钠为碳源，当C/N=2时，由于内碳源利用速率低，导致出水NO-N浓度变高，反硝化脱氮进程受限，不充足的碳源难以满足完全反硝化的需求。袁怡等[23]发现以乙酸钠为碳源，当C/N≥3.5时，NO-N积累量显著下降，有利于全程反硝化。如图3所示，当乙酸钠投加量为120 mg/L时，C/N值为5.05，经反硝化脱氮后TN浓度低于15 mg/L，达到城镇污水排放一级A标准。

3.3工艺优化运行实践效果分析

控制生物池MLSS浓度为4～5 g/L，乙酸钠投加量为120 mg/L，探究生物池实际运行情况。每日对生物池进、出水水质进行监测，进、出水的TN，NH-N，COD浓度分析如图4所示。

由图4可以看出，在工艺优化运行期间，每日出水中TN，NH-N，COD均满足排放标准。图4 a）中，每日出水TN浓度均低于15 mg/L，可满足排放标准的要求;在第15天时，进水TN浓度高达98.1 mg/L，出水TN浓度为10.9 mg/L，表明生物池可以耐受高浓度TN冲击负荷，脱氮性能优良。由图4 b）可看出，出水NH-N浓度均控制在0.5 mg/L以下，远低于排放标准的5 mg/L;在第9天时，进水NH-N浓度为56.0 mg/L，出水浓度降低至0.27 mg/L;在第9～16天时，进水中持续含有较高浓度NH-N，而出水NH-N浓度都降低至0.3 mg/L以下，NH-N去除效果显著。由图4 c）可知，每日出水COD浓度均降至20 mg/L以下，可满足排放标准中50 mg/L的要求;在第4天和第11天时，进水COD浓度分别为273.4，268.8 mg/L，出水COD浓度分别降至13.0，8.33 mg/L，COD去除效果显著。

通过上述批次实验及实际生产运行实践，将生物池MLSS浓度2～3 g/L提高至4 g/L时，乙酸钠使用量可由150 mg/L减少到120 mg/L，出水脱氮效果稳定且达标。每日污水处理能力为20万m/d，每日节约乙酸钠使用量6 t，约合人民币1万元，每年可节省300万元药剂费，经济效益明显。由于生物池污泥浓度提高，为保证生物池溶解氧含量，鼓风机负荷相应提高，耗电量略有增加，相比乙酸钠的节约量，鼓风机耗电量的增加对生产运行成本的影响基本可以忽略不计。

4结语

本文通过模拟改良AO工艺生物池缺氧段微生物反硝化脱氮过程，考察不同MLSS浓度及乙酸钠投加量对其脱氮性能的影响，探索合理的运行参数指导污水厂运行实践。

1）当乙酸钠投加量一定时，随着系统内MLSS浓度的增加，NO-N及TN的浓度逐渐下降，脱氮性能提高，当MLSS浓度高于4.91 g/L时NO-N及TN的浓度下降趋势变缓。考虑曝气设备负荷、电耗以及污泥老化等因素，宜将污泥浓度控制在4～5 g/L。

2）当MLSS浓度为4.268 g/L时，随着乙酸钠投加量的增加，C/N值逐步增加，反硝化脱氮性能显著增强。当乙酸钠投加量为120 mg/L时，C/N值为5.05，此时TN浓度低于15 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）表1中一级A标准。

3）根据批次实验结果，确定了运行条件为MLSS浓度为4～5 g/L，乙酸钠投加量为120 mg/L，并指导运行实践35 d，出水的TN，NH-N，COD浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）表1中一级A标准，每年可节省300万元药剂费，经济效益显著。

在优化改良后的AO工艺脱氮运行条件下，污水处理厂的脱氮性能得到提高的同时降低了药剂成本。但是，本研究只针对改良AO工艺中反硝化阶段的运行条件进行了优化，并未优化硝化阶段的运行条件。因此，在今后的研究中会优化硝化阶段的MLSS及曝气量，以期探索更合理的运行条件，达到既能保证较高脱氮性能又能降低能耗的目的。

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