A2/O-BAF工艺短程硝化模式下反硝化除磷技术在处理低C/N城市污水中的效能

阚子建

（中海油天津化工研究设计院有限公司 ，天津 300450）

0 引言

为了进一步提高城市低C/N 比例污水中的碳磷去除效率，应充分应用碳源，使其在除磷除氮工艺流程中更有效地发挥作用。A2/O-BAF 工艺短程硝化模式是常见的城市污水处理工艺流程，得到了广泛应用并证实了其良好的除氮效果，而结合短程硝化模式应用的基本特点，以亚硝态氮作为受体[1]，采用反硝化除磷工艺，可充分解决传统城市污水处理工艺中碳源不足的问题，尤其是我国低C/N 比城市污水在进行除磷的过程中，对碳氮的要求更高，因此采用该工艺方法发挥A2/O 工艺的作用及时去除有机物氮和磷，同时发挥BAF 工艺的优点，使两者结合，弥补各自的缺陷，有效提高低C/N城市污水的系统脱氮除磷效率。该模式属于短程硝化模式，在短程硝化模式后使硝化反应直接进入反硝化过程，因此属于高经济、高能效的脱氮技术[2]。该研究基于A2/O-BAF 工艺短程硝化模式研究反硝化除磷技术在除磷低C/N 比例城市污水中的能效情况，希望通过该文的研究能够为城市低C/N 类型的污水处理提供更先进更科学的工艺，使城市污水处理达到良好的除氮除磷效果，符合节能减排、经济绿化的发展要求和方向。

1 A2/O-BAF 工艺技术分析

A2/O 工艺流程中包括厌氧池、缺氧池、好氧池以及沉淀池，其中，原水在经过厌氧池的过程中可有效去除BOD释放磷元素，并使废水氨化，然后进入缺氧池，在该工艺流程中通过搅拌释放氮气可起到脱氮、释放磷元素以及吸磷去除BOD 的作用[3]，然后进入好氧池，通过进一步硝化吸磷去除BOD，最后进入沉淀池沉淀。同时在好氧池所获得的硝化液回流再次进入缺氧池进行循环除磷。该工艺中的除磷是通过沉淀池沉淀后的污泥反复进入经过厌氧、缺氧、好氧环境进行脱磷和吸磷，然而采用该工艺的除磷效率较低[4]。

BAF 工艺常应用于污水的深度除磷中，该工艺是一种除磷负荷较高、占地较小、出水水质稳定的二级除磷技术。在应用的过程中，其生物除磷效果不好，需要通过化学辅助进行除磷。基于上述2 种工艺的基本原理和优势，将2种污水处理工艺结合，形成A2/O-BAF 工艺短程硝化模式。在A2/O 工艺水力停留的时间较短，水中聚磷菌则可以有效分解有机物，仅溶解磷，但是不发生硝化反应，有利于聚磷菌大量地繁殖生长，在厌氧缺氧环境中有良好的除磷效果，可以有效地脱磷。

2 A2/O-BAF 工艺在短程硝化模式下的反硝化除磷低C/N 城市污水效能分析

2.1 试验装置

该研究探索在A2/O-BAF 工艺短程硝化模式的反硝化除磷技术处理低C/N 城市污水效能，所用的A2/O-BAF 工艺试验装置主要包括A2/O 反应器，二沉池以及BAF 串联连接器。在进行设置的过程中对A2/O 反应器中的 HRT 设置为10 h，溶剂设置为1 ∶3 ∶1，具体的试验装置流程如图1 所示。其中A2/O 阶段总体容积为60 L，A1~2 号为厌氧阶段，设置反应容积为12 L，其主要作用就是发挥厌氧吸磷去除COD 的功能，A3~8 号为缺氧阶段，设置反应溶剂为36 L，可实现反硝化除磷功能，O1~2 号为好氧阶段，设置反应容积为12 L，主要功能是发挥好氧、吸磷、吹脱氮气的作用。BAF 反应器中设置直径为0.1 m、高度为2.4 m、有效容积为18 L。在装置内填入75%的改性聚乙烯原料，主要实现短程硝化功能。在试验过程中对A2/O的污泥控制时间为15 天，当二沉池中存在含磷和有机物的污泥后及时排出，排出的污泥可经过回流装置再次进入厌氧氮A1 格。在BAF 装置中设置硝化液回流装置，其出水中的硝化液可回流至缺氧段A3 格。

图1 试验装置流程图

2.2 试验步骤

所有污泥来自实验室A2/O 反应器，经检测COD 去除率达到78%，氢和正磷酸盐去除率为80%以上。在短程硝化启动阶段，先进行污泥驯化，所用人工配水pH 值为7.5~8.0，游离态氨浓度为99mg/L~102mg/L，亚硝态氮浓度为0.09mg/L~0.22mg/L，硝态氮浓度为0.31~0.44，FeCI3·6H2O 浓度为0.03g/L，硫酸镁浓度为0.09g/L，氯化锰浓度为0.24g/L，NiCl2浓度为0.06g/L，Na2MoO4浓度为0.06g/L。进入A2/O-BAF 阶段以后，采用城市居民区生活污水作为样本。对样本水质进行检测，其中COD 含量为181.06mg/L~279.29mg/L，游离态氨含量为45.02mg/L~61.87mg/L，亚硝态氮含量小于1mg/L，硝态氮含量小于2mg/L，TN 的含量为47.6mg/L~67.4mg/L，正磷酸盐含量为4.07mg/L~6.71mg/L，C/N 比为2.7~5.87，水质温度为12℃~25℃，pH值为7.3~7.6。

2.3 试验运行工艺调节

在BAF 启动阶段进行短程硝化反应的过程中，通过人工配水对所选污泥进行驯化，充分体现ABO 的优势，达到短程硝化的目的。

在A2/O-BAF 联合反应阶段，所用污水样本为城市实际污水，对BAF 硝化液回流情况进行调整，使R的比例由0%增至200%，进一步调整曝气量、耗氧、缺氧、曝气时间以及水力停留时间，在BAF 阶段能够形成稳定的亚硝态氮，BAF硝化液回流比由0%增至200%的运行时间以及各方案参数见表1。

表1 BAF 硝化液回流比由0%增至200%的A2/O-BAF 运行方案参数

2.4 检测方法

在进行检测的过程中采用快速密闭催化消解法检测COD 含量，采用分光光度法检测游离态氨、亚硝态氮、硝态氮、TN 含量、正磷酸盐含量，运用在线监测仪对温度、pH值、DO 进行监测。

2.5 计算方法

2.5.1 亚硝积累率计算方法

亚硝积累率计算方法为进出水亚硝态氮浓度差与进出水压硝酸跟离子浓度差与硝态氮浓度差之和的比例[5]，如公式（1）所示。

2.5.2 BAF 阶段的按氧化贡献率

计算BAF 阶段的氨氧化贡献率时按照试验方案设计的硝化液回流比为0%~200%，分别计算在A2/O 进水出水以及BAF 出水中的游离态氨浓度，单位为mg/L，计算方法如公式（2）所示。

2.5.3 反硝化除磷效率

反硝化除磷效率在计算的过程中选择污泥回流比为100%，硝化液回流比为0%~200%，分别计算在A2/O 厌氧出水缺水的环境下及好氧出水中的正磷酸盐浓度，计算方法如公式（3）所示。

2.5.4 反硝化除磷菌比例

反硝化除磷菌比例在计算的过程中按照已有研究者划分的三种不同电子受体除磷菌方法，接单纯以氧气作为电子受体的除磷菌，以氧气+硝态氮为电子受体的除磷菌、以氧气+硝态氮+亚硝态氮为电子受体的除磷菌三种模式进行计算[5]。

3 研究结果

研究结果如下：1）在短程硝化BAF 启动阶段，其初始亚硝态氮从第1 天的7.6 mg/L 增至15 天的43.57 mg/L，亚硝态氮就在第11 天稳定为4 mg/L，亚硝清除率则由62.48%升至93.07%，顺利完成了短程硝化BAF 启动。在该过程中，采用间歇性的BAF 模式有利于实现AOB 的富集，抑制亚硝化细菌的产生。2）短程硝化BAF 稳定阶段，其A2/O 阶段的平均净水游离态氨浓度为53.34 mg/L，当R为50%~200%通过间歇性的曝气，同时缩短盈利停留时间至 3 h，在短程硝化的过程中显示硝态氮浓度低于1.0 mg/L，亚销稳定在95%以上，小明半程硝化阶段有效地积累亚硝态氮，使反硝化除磷阶段的电子受体来源稳定。3）A2/O-BAF 串联运行阶段，在R=0%的情况下初期BAF 阶段的游离态氨浓度波动较大，后期逐渐稳定，显示硝化细菌有效适应了水质变化情况，在R由50%升至200%的这段时间，游离态氨浓度由7.71 mg/L 降至1.01 mg/L，游离态氨去除率由84.48%升至98.06%。在A2/O-BAF 阶段的净水TN 变化效果显著， TN 的去除率达到18.82%~76.81%，在该过程中对A2/O 阶段的有限碳源用于反硝化和吸磷，而在A2/O-BAF 阶段进一步发挥反硝化除磷菌作用，达到一碳两用的目的，提高了TN 资源利用效率，达到了良好的 TN 去除效果。4）在A2/O-BAF 阶段，其COD 的去除效率较高，处于厌氧段内的COD 去除比例由45.93%升至70.65%，而缺氧段的COD 去除率仅为10%~14%。在A2/O-BAF 工艺中其A2/O 阶段不进行硝化反应，因此形成良好的厌氧环境，虽然缺氧但是有利于反硝化除磷。在A2/O-BAF 工艺中净净水正磷酸盐浓度为4 mg/L~7 mg/L， 及除磷主要体现在A2/O 的好氧段，当硝化液回流比例由50%升至200%以后， A3 格子中的硝态氮浓度为0.4 mg/L以下，表明在缺氧情况下存在少量亚酸根离子时容易出现缺氧心灵现象，使正磷酸盐浓度呈现下降的趋势。当R为150%~200%时， DPR 效率达到70%以上，说明以亚硝态氮为电子受体的反硝化除磷成为该工艺中的重要除磷方式。

4 讨论

我国城市污水的除磷技术普遍存在因碳源不足而效率低的问题，在城市低C/N 比例污水处理的过程中存在氮磷去除不充分的现象。硝化除磷技术充分发挥亚硝态氮和硝态氮作为电子受体的作用，在同步脱氮除磷的过程中继续发挥碳离子的作用，使其能够“一碳两用”，既可以降低曝气量，使其达到30%，同时也可以有效降低污泥产量，使其达到50%。如果继续进行脱氮，就会由于硝化菌和除磷数量不匹配而导致其中的亚硝态氮和硝态氮不稳定，为了在短程硝化的基础上采用反硝化除磷工艺，在反硝化除磷的过程中以亚硝态氮电子受体在缺氧条件下吸磷，可降低碳源的消耗量，也可以降低25%的曝气量，以保证短程硝化中的亚硝态氮得到稳定供应，同时也能保证压硝态氮电子受体在反硝化除磷过程中发挥除磷富集的作用，提高低C/N 比例城市污水中的除氮除磷效果。

A2/O 工艺是在20 世纪40 年代开发出来的脱氮工艺，后期经历了不断地研究，有效解决了该工艺过程中脱氮不足的问题，完成了现阶段的A2/O 工艺流程，A2/O 除磷工艺在应用的过程中将厌氧、缺氧、好氧作为一个整体，有效缩短了水力停留的时间，减少了除磷工艺所用的占地面积，而在厌氧缺氧好氧交替应用的情况下不容易发生污泥膨胀，并有效杜绝了丝状菌大量增殖，能够实现脱氮除磷功能，但是污泥中的含磷浓度相对较高。随着BAF 工艺的广泛应用，其工进水平也在不断提升，在滤池中的滤料性能方面不断地优化，进而产生多种BAF 工艺类型[6]。采用该工艺在进行污水处理的过程中具有流程简单、设施设备应用较少以及无污泥膨胀等优势，同时生物膜上的生物量较高，具有良好的去污除磷效果，能够有效除去污水中的有机物和氨氮元素。BAF 工艺主要包括颗粒生物填料床、爆气系统以及反冲系统，最主要的作用是通过生化反应和过滤作用去除污水中的污染物。它所应用到的颗粒状生物滤料可有效附着具有高浓度的微生物薄膜，因此在污水经过的过程中可通过微生物进行氧化分解，使污水通过过滤吸收氧化，在新陈代谢的过程中针对水中的污染物进行降解，在生物滤池中存在的污泥通过定期冲洗的方式进行排除。结合两者优势，在A2/O-BAF 工艺短程硝化模式下，在A2/O 工艺阶段将污水中易降解有机物转化成VFAs，对回流污泥中存在的聚磷菌则在体内进行分解，释放出的能量可以拱聚磷菌在厌氧环境下继续生成，而另一部分能量则通过聚磷菌主动吸收VFAs，由反硝化菌利用回流硝化液对有机物进行反硝化脱氮，最后在反硝化过程中通过回流污水中的硝态氮作为受体再一次吸磷。尤其是对城市低C/N 比的生活污水，在进行除磷的过程中A2/O 阶段可以给反硝化除磷菌提供良好的环境，使反硝化阶段成为主要的除磷方式，同时有效节约了碳源，保证了后期除磷工艺的顺利开展。

5 结论

该研究结果表明，A2/O-BAF工艺采用反硝化除磷技术进行低C/N 比城市污水处理，在硝化液回流比例为200%的情况下，COD、TN、游离态氨以及正磷酸盐的去除效率分别达到85.26%、76.81%、98.06%以及93.78%，体现了良好的去除效果，在短程硝化反应的过程中通过调节间歇性曝气以及硝化液回流比例，能维持良好的亚硝态氮积累量。在反硝化除磷阶段，当R等于200%时，亚硝态氮电子受体率较高，在反硝化除磷过程中发挥了重要作用。