关于某污水处理厂处理工艺改造及改造后AO工艺强化脱氮的研究

郝 屹

北京市自来水集团檀州自来水有限责任公司 北京 101500

1 工程概况

北京市某郊区污水处理厂于1991年正式投入运行，一直采用水解酸化+活性污泥法工艺处理该区域城镇生活污水及工业开发区部分工业废水，设计日处理能力为4.5万吨，实际处理量为4万吨/日。经处理后的水直接排入厂区外河道，用于补充景观用水。排放水水质需达到《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11-890-2012）中表2 A标准规定的限值。

随着该区经济社会的发展，尤其是区域面积的扩大和工业企业数量的增加，上游污水排放量、污染物浓度升高，以及工业废水比例增加、水质波动大等原因，该污水处理厂排放水氨氮、总氮指标无法达到排放限值，造成超标排放。

针对该厂出水水质无法满足目前北京市环保排放要求的问题，根据实地情况（不对工艺构筑物进行新、改、扩建），提出在控制原水水质的条件下，对该厂污水处理工艺进行脱氮工艺改造：将污水厂原水解池改造为缺氧段，与现有曝气池形成 A/O 工艺，通过增加填料和合理配水，在有限的池容下提高系统脱氮能力，使其出水水质满足排放要求。

2 污水厂原处理工艺特点

该污水处理厂设计污水处理工艺为水解酸化+活性污泥法处理工艺，其中在水解酸化阶段，主要是利用水解菌和产酸菌，将大分子或不溶性物质水解成低分子的可溶性有机物，将大分子和难降解的有机物降解为小分子有机物，以提高污水的可生化性，为后续处理创造有利条件。而后续曝气池、二沉池和污泥回流构成了传统活性污泥法处理工艺。该工艺能够大幅去除污水中呈溶解性的有机物，氮、磷去除率低，只能去除细菌细胞生理上的需要而摄取的氮、磷数量，因此难以达到排放标准。

3 AO工艺

AO工艺即缺氧（厌氧）-好氧工艺，根据A池功能不同可以分为：缺氧-好氧（anoxic/oxic）脱氮工艺和厌氧—好氧（anaerobic/oxic）除磷工艺。该污水处理厂将原处理工艺改造为缺氧-好氧脱氮工艺，工艺流程为：污水经过粗、细格栅和初沉池处理后的预处理，进入A池（缺氧池），硝化液同时回流进入A池，此时反硝化菌将硝酸盐氮经反硝化作用生成氮气，以达到污水中氮元素的去除。经A池处理后的出水进入O池（好氧池），O池主要进行硝化作用，生成硝酸盐氮[1]。处理工艺具有污泥回流系统，可使不同的菌群在缺氧好氧交替环境下生存繁殖，有利于防止污泥膨胀。AO工艺流程图，如图1所示。

图1 AO工艺流程图

AO工艺受水力停留时间、硝化液回流比、污泥浓度和泥龄等因素影响，相对其他处理工艺来说，AO工艺相对比较简单。同时，AO工艺具有占地面积小、能耗低、节省药剂和管理方便等优点，因此广泛应用于城镇污水处理中。

4 改造前后处理工艺情况

4.1 改造前

污水经过格栅去除粗大物后由水泵提升至水力筛， 水力筛去除大块悬浮物，为以后污泥和污水的处理运输创造良好的条件。格栅和水力筛截留下来的垃圾外运至垃圾场。污水流经沉砂池去除污水中的砂，截留的砂经干化后外运。经沉砂池后的污水进入水解池，在其中去除有机物和悬浮物及进行水解处理。经水解处理后的污水，进入曝气池进行好氧处理，再经二沉池沉淀后上清液外排。

该污水处理厂建厂时间较早，各项出水指标分别是按照《污水综合排放标准》 （GB 8978-1988）和《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）设计，采用水解—好氧生物处理工艺，该工艺能大幅去除污水中呈胶体态、溶解态的有机污染物，使经处理后的外排水 CODcr、BOD5和SS 达标，但对污水中氮的去除率很低，外排水氨氮部分超标。

4.2 改造后

该污水处理厂经改造后，形成 A/O 工艺。即上游来水通过提升泵房进入沉砂池，沉砂池出水部分进入一期缺氧池（由一期水解池改造），部分进入二期缺氧池（由二期水解池改造）。缺氧池出水进入后续曝气池，经处理后进入二沉池并最终将上清液外排。由于进水 COD 及氨氮高，为了保障出水效果，在 A 池及 O 池均投加高效填料，增加污泥浓度。

5 A/O工艺实际运行脱氮效果研究

该工程于2016年底完成，改造后进行了一段时间的调试，现主要对2017年3月中至2018年1月底近十个月运行过程中，系统对NH4+-N、TN的去除效果进行简要分析和研究。

5.1 对NH4+-N去除效果分析

图2 AO段对NH4+-N去除效果

图2为系统AO段对NH4+-N的去除效果，可知，AO段进水N H4+-N 浓度范围为8 ～4 0 m g/L，平均浓度为23.26 mg/L。经AO段处理后，二沉池出水NH4+-N浓度范围为0.095～1.86 mg/L，平均浓度为0.331 mg/L。AO工艺对NH4+-N的去除率为91.01～99.55%，平均去除率为98.56%。

AO工艺中O池（好氧池）中生存有大量的硝化菌群，经过硝化作用将氨氮硝化为硝酸盐氮，实现了污水中氨氮的去除。好氧池采用微孔底曝曝气方式，溶解氧量控制在3～5 mg/L。AO段对氨氮的去除效率较高，二沉池出水氨氮含量远低于国家一级A排放标准。

5.2 对TN的去除效果分析

图3 系统对TN去除效果

图3为系统对TN的去除效果，可知在该时期内，系统进水TN浓度范围为54.1～141.7 mg/L，平均浓度为77.26 mg/L。经处理后，外排水TN浓度为5.2～35.62 mg/L，平均浓度为19.01 mg/L。工艺对TN的平均去除率为75.53%。其中，4月中旬至10月底期间，系统水温绝大多数位于20 ℃以上，活性污泥微生物活性较好。此阶段处理后外排水TN平均浓度为14.68 mg/L，低于国家一级A标准。

5.3 外加碳源强化脱氮的研究

5.3.1 外加碳源的研究

针对城镇污水处理厂工艺系统中碳氮比普遍较低导致传统生物脱氮工艺不能达标的问题，进行外加碳源投加强化脱氮效果的研究具有重大意义。在不大幅度改变传统工艺设施的前提下，通过投加碳源方式能够有效提高系统脱氮能力，快速完成污水处理厂提标改造工作。

5.3.2 乙酸钠强化脱氮试验研究

该污水处理厂进水COD为400-550mg/L，进水TN为60-150mg/L，COD/TN小于7，不满足反硝化需要，故采用外加乙酸钠溶液为碳源的方式，以达到促进缺氧池的反硝化作用，实现系统强化脱氮目的。

（1）投加量计算[2]

外加碳源投加点设置在A池（缺氧池）进水口处，投加量折算后为26mgCOD/L。

碳源投加量计算：Cm=5N

其中：Cm为必须投加的外部碳源量（以COD计），mg/L ;5为反硝化1kg硝态氮需要外部碳源量（以COD计）;N为需要用外部碳源反硝化去除的氮量，mg/L。

以本工程为例，工艺日处理量40000m3/d，出水TN20mg/L，TN标准排放浓度15 mg/L。

N=20-15=5 mg/L

Cm=5N=5*5=25 mg/L

碳源日投加量=25mg/L × 40000m3/d=1t

选用乙酸钠为外加碳源，其COD当量为0.68kgCOD/kg，乙酸钠量为：1*0.68=0.68t/d

购置乙酸钠浓度为30%，日投加量为0.68/0.3A=2.27t

（2）外加碳源对脱氨效果的影响

图4 加药前后NO3--N的去除量

由图4可知，未投加碳源时，缺氧池对NO3--N的去除量均值为3.06mg/L；投加碳源后，对NO3--N的去除量均值为8.07mg/L。因此，在投加25 mgCOD/L的乙酸钠作碳源后，缺氧池对NO3--N的去除量增加了5.01mg/L，提升了163.73%。缺氧池投加碳源，提高了反硝化能力，系统脱氮能力有所提升，为系统出水能够达标排放的有力支撑。

5.4 污泥回流对脱氮的影响

反硝化过程是指在微生物作用下将水体中的氮素转化为氮气去除的过程，因此，反硝化作用是污水脱氮的关键步骤。为了强化工艺系统的脱氮能力，需要将二沉池硝化液回流至缺氧池，并通过调节回流量（比）来强化缺氧池的反硝化能力。

图5 水解反硝化段对NO3--N去除效果

由图5可知，工艺进水NO3--N均值为2.39 mg/L，二沉池回流液中NO3--N浓度均值为21.76 mg/L。各阶段回流比折算后，缺氧池进水NO3--N浓度均值为12.77 mg/L。经缺氧池反硝化处理后，缺氧池出水中NO3--N浓度均值为1.52 mg/L，本工艺段对NO3--N的去除率平均可达87.91%。

图6 不同回流比下NO3--N的去除效率

通过分段调节二沉池出水（硝化液）对水解池回流的比例，可以不断强化缺氧池的反硝化能力。由图6可知，本试验段一共分为四段，回流比分别设定为75%、100%、120%和150%。回流比为75%、100%、120%和150%时，缺氧池对硝态氮的去除效率均值分别对应37.18 g/h、40.08 g/h、44.17 g/h和66.6 g/h。分析得出，随着回流比的增加，缺氧池对硝态氮的去除效率逐渐增强，系统脱氮能力得到提升。经过一段时间的观察发现，在该过程中，反硝化能力也受到温度和污泥浓度的影响。

6 结论

该污水处理厂经过脱氮工艺改造后，在进水污染物不严重超标的情况下，通过外加碳源、调整回流比等手段，工艺系统对氨氮、总氮的去除效果明显提升，在4月至10月温度相对较高的时期，出厂水基本达标排放，达到了工艺升级提标改造的目的。