分段進(jìn)水多級A/O工藝研究進(jìn)展

侯子瀧，周 鑫，Koubode Rudy Alain Ronel，張 琦，孫海龍，呂 琳

（太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西晉中030600）

氮是引起水體富營養(yǎng)化的重要元素〔1〕，過量的氮會影響水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、再生水的回用以及飲用水的安全。傳統(tǒng)的生物處理工藝，如缺氧/好氧（A/O）、厭氧/缺氧/好氧（A2/O）、開普敦大學(xué)工藝（UCT）、弗吉尼亞州首創(chuàng)工廠（VIP）工藝等，由于單一缺氧的脫氮效率難以進(jìn)一步提高，其處理出水已經(jīng)無法滿足日益嚴(yán)苛的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，傳統(tǒng)的生物脫氮工藝還存在抗沖擊負(fù)荷能力弱，需要硝化液內(nèi)回流和外加反硝化碳源等問題〔2〕。為了解決傳統(tǒng)生物處理工藝脫氮效率不高的問題，自20世紀(jì)70～80年代，國外學(xué)者將分段進(jìn)水方式引入到活性污泥法多級A/O工藝中，將進(jìn)水負(fù)荷按不同比例分配分別進(jìn)入各級缺氧段，即為活性污泥法分段進(jìn)水多級A/O工 藝 （step-feed anoxic/oxic activated sludge process，SAOASP）〔3〕。 SAOASP 的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用碳源，污泥濃度高，脫氮效率高，無需內(nèi)回流，所需池容小，運(yùn)行管理方便等。21世紀(jì)初，SAOASP已被廣泛應(yīng)用于污水處理廠的擴(kuò)建和升級改造。

1 活性污泥法分段進(jìn)水多級A/O工藝

1.1 原理與特點(diǎn)

分段進(jìn)水多級A/O工藝是在傳統(tǒng)單點(diǎn)進(jìn)水A/O工藝的基礎(chǔ)上，通過增加A/O級數(shù)，同時(shí)將單點(diǎn)進(jìn)水方式改為以一定比例進(jìn)行流量分配分別進(jìn)入各級缺氧區(qū)，并使污泥回流至第一缺氧區(qū)中，由此形成分段進(jìn)水多級A/O工藝。典型的分段進(jìn)水多級A/O生物脫氮工藝流程如圖1所示。原水和回流污泥首先進(jìn)入一級反應(yīng)器缺氧區(qū)，反硝化菌可以充分利用原水中豐富的碳源對回流污泥中的NOx-N進(jìn)行反硝化；混合液再進(jìn)入一級反應(yīng)器好氧池區(qū)充分硝化。反應(yīng)后的混合液進(jìn)入二級反應(yīng)器缺氧區(qū)再次進(jìn)行反硝化，同時(shí)加入一定比例的原水為缺氧區(qū)提供碳源，然后再流入好氧區(qū)，依次類推。

圖1 分段進(jìn)水多級A/O生物脫氮工藝流程

該工藝的特點(diǎn)主要包括:（1）回流污泥回流至系統(tǒng)首端缺氧池，系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度依次遞減，系統(tǒng)內(nèi)平均污泥濃度較高，污泥齡較長。（2）前一級好氧池出水直接流入下一級缺氧池進(jìn)行反硝化，省去了內(nèi)回流系統(tǒng)，工藝流程簡化，操作管理方便。（3）各級好氧池為下一級缺氧池的反硝化提供能量，最大程度利用了進(jìn)水中的碳源，減少了外加碳源的投放。（4）各級缺氧區(qū)反硝化出水流入本級好氧區(qū)，為硝化作用提供了堿度。（5）最終出水總氮濃度低，脫氮效率高。流量分配能夠使得進(jìn)入各級缺氧池的原水中的含碳有機(jī)物恰好與前一級好氧池出水硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化，在缺氧池中不產(chǎn)生硝態(tài)氮的積累，從而降低了出水總氮濃度。（6）分段進(jìn)水A/O生物脫氮工藝易于在現(xiàn)有二級生化處理工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。（7）系統(tǒng)內(nèi)平均污泥濃度高，固體停留時(shí)間長，因此池容小，基建費(fèi)用低。

1.2 影響因素

1.2.1 分段數(shù)量

分段進(jìn)水多級A/O工藝的本質(zhì)是將多次的硝化和反硝化串聯(lián)在一起。從理論上分析，多段多級A/O工藝，采用A/O交替運(yùn)行的方式，使污泥中的微生物處于“饑飽”交替狀態(tài)，不僅加快了有機(jī)碳源的利用，還可以最大限度地激發(fā)微生物硝化和反硝化的潛能，從而提高對總氮的去除效率。因此，工藝的反應(yīng)器級數(shù)對系統(tǒng)脫氮效率有著重要的影響。理論脫氮效率η可以由公式（1）得出:

式中:αi——最后一段流量占總進(jìn)水流量的比值；

R——污泥回流比。

假如各分段流量分配比均相同，則上式可以繼續(xù)簡化為公式（2）:

式中:n——分段數(shù)量。

當(dāng)污泥回流比為定值時(shí)，出水總氮濃度取決于分段的數(shù)量。當(dāng)最后一段分段的好氧區(qū)和缺氧區(qū)實(shí)現(xiàn)了完全硝化和反硝化，沒有硝酸鹽的剩余，η會隨著分段數(shù)量n的增大而增大。但當(dāng)反應(yīng)器級數(shù)＞5時(shí)，分段進(jìn)水A/O工藝的脫氮性能提高不再明顯。考慮到工藝的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)分析，一般采用2~5段。E.Gorgun等〔4〕對伊斯坦布爾Riva污水處理廠（處理水量1 160 000 m3/d）的處理工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行影響進(jìn)行了研究，其進(jìn)水COD為271 mg/L，TKN為44 mg/L，采用2段式分段進(jìn)水生物脫氮工藝，出水 TN＜10 mg/L。羅景陽等〔5〕分別采用單級A/O工藝和分段進(jìn)水兩級A/O工藝處理白酒廢水（進(jìn)水:NH4+-N 200 mg/L，COD 900 mg/L），結(jié)果表明，相比于單級A/O 工藝，分段進(jìn)水兩級A/O工藝出水NH4+-N、NO3--N、TN和COD均顯著降低，其平均去除率分別提高了16.9%、43.2%、49.7%和8%。

1.2.2 污泥回流比

系統(tǒng)的理論脫氮率與污泥回流比有著顯著的相關(guān)性。對于活性污泥系統(tǒng)，污泥回流比越大，其系統(tǒng)理論脫氮率也越高。過大的污泥回流比可以滿足缺氧區(qū)反硝化的充分進(jìn)行，但有可能引起好氧區(qū)的硝化不完全，引起NH4+-N的積累，從而降低出水水質(zhì)。除此之外，過大的污泥回流比還會影響MLSS，甚至引起二沉池污泥膨脹等問題。而過小的污泥回流比不能起到污泥回流的效果。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，為充分考慮脫氮以及平均MLSS的總效果，污泥回流比一般選擇為0.5~1.5。祝貴兵等〔6〕在進(jìn)水比為0.25/0.25/0.25/0.25的條件下研究了污泥回流比為25%、50%、75%和100%時(shí)，對總氮去除率以及平均MLSS的影響。結(jié)果表明，出水總氮濃度并不會隨著污泥回流比的增大而一直減小，當(dāng)污泥回流比為50%時(shí)，出水總氮濃度最低，平均MLSS最高。

1.2.3 流量分配比

分段進(jìn)水A/O工藝是在反應(yīng)器的不同階段進(jìn)水，為各級缺氧區(qū)的反硝化作用提供充足的碳源和堿度。流量分配比決定了各級缺氧區(qū)易降解的有機(jī)物含量，對反硝化菌的活性和脫氮效果有著重要的影響。G.Cao等〔7〕采用中試改良4段進(jìn)水A/O工藝處理低C/N的城市污水，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水流量比為20∶35∶35∶10 時(shí)，脫氮效果最佳，出水 COD、NH4+-N、TN平均分別為 33.05、0.58、9.26 mg/L,其中近 74%的碳源被反硝化菌利用，16%的TN在好氧區(qū)通過同步硝化反硝化過程去除。M.Kitayam等〔8〕曾報(bào)道在生產(chǎn)性的分段進(jìn)水A/O工藝中，當(dāng)?shù)?段進(jìn)水為總進(jìn)水的35%時(shí)，總氮去除率最佳，可達(dá)66%。王偉等〔9〕采用改良分段進(jìn)水A/O工藝處理低C/N比（C/N<3.5）的城市生活污水，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水流量分配比為 6∶3∶1 時(shí)，處理效果最佳，系統(tǒng)出水 COD、NH4+-N、TN 分別為 45.98、0.04、17.47 mg/L。

1.2.4 A/O容積比

分段進(jìn)水A/O工藝中，A/O容積比對系統(tǒng)脫氮效率的影響主要體現(xiàn)在要兼顧缺氧區(qū)和好氧區(qū)中硝化和反硝化的同時(shí)進(jìn)行。如果缺氧區(qū)能把上一段好氧區(qū)產(chǎn)生的NOx-N完全反硝化，而好氧區(qū)又能把進(jìn)水中的NH4+-N完全轉(zhuǎn)化為NOx-N，則出水總氮濃度即可大大降低。因此，合理的A/O容積比有利于出水水質(zhì)的提高。有研究表明，A/O容積比主要受進(jìn)水水質(zhì)的影響。對于可生化性較差的污水，應(yīng)適當(dāng)?shù)奶岣逜/O容積比，使缺氧區(qū)的水力停留時(shí)間增大，從而有利于提高脫氮率。王秋慧等〔10〕選用A/O容積比為0.25、0.33和0.6的3段A/O工藝進(jìn)行脫氮除磷，研究表明，當(dāng)A/O容積比為0.6時(shí)，處理效果最佳，TN去除率為85%，TP去除率為97.5%。A/O容積比＜0.6時(shí)，脫氮除磷效果不佳；A/O容積比＞0.6時(shí)，缺氧區(qū)出現(xiàn)二次釋磷現(xiàn)象。

1.2.5 進(jìn)水C/N

進(jìn)水C/N對生物脫氮工藝的總氮去除率以及外加碳源的投加量有著重要的影響。在生物反硝化脫氮過程中，反硝化細(xì)菌利用有機(jī)物作為碳源和電子供體，將NOx-N最終轉(zhuǎn)化為N2等去除。在高C/N的條件下，進(jìn)水中豐富的碳源使缺氧區(qū)反硝化得以徹底進(jìn)行，剩余的有機(jī)物可在好氧區(qū)被去除；對低C/N而言，由于反硝化不能進(jìn)行徹底，使得NOx-N逐漸積累，最終影響到總氮去除率。通常，根據(jù)最后一段的剩余NOx-N量來確定碳源物質(zhì)投加量〔11〕。因此，合適的C/N是提高脫氮效率的必要條件。吳淑云等〔12〕對分段進(jìn)水生物脫氮工藝的脫氮率進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，在各段等比例進(jìn)水的條件下，當(dāng)C/N（COD恒定為300 mg/L）為6、8.25和10時(shí)，系統(tǒng)脫氮率分別為80.1%、79.8%和81.3%；在流量分配系數(shù)為2.5∶3∶4的條件下，當(dāng)C/N（NH4+-N恒定為38 mg/L）為10.5、13和17.5時(shí)，總氮去除率分別為92.4%、93.8%和96.4%。

1.2.6 DO

在分段進(jìn)水多級A/O工藝中，由于缺氧區(qū)與好氧區(qū)的頻繁交替，好氧區(qū)攜帶的DO對下一級缺氧區(qū)的反硝化作用會產(chǎn)生一定的影響。在滿足硝化和去除有機(jī)碳的前提下，最大限度地降低DO含量，既可以為反硝化提供一個(gè)良好的缺氧環(huán)境，實(shí)現(xiàn)SND作用協(xié)同脫氮，又可以降低能耗。Jingbo Guo等〔13〕的研究表明，在2段A/O生物膜工藝中，采用較低DO的反應(yīng)器的啟動比采用高DO更快，而且系統(tǒng)在較低的DO下，COD、NH4+-N去除效率更高，抗沖擊負(fù)荷能力也較強(qiáng)。王偉等〔14〕進(jìn)行了溶解氧對分段進(jìn)水生物脫氮工藝的影響研究，其設(shè)置了0.9、0.6、0.4、0.3 m3/h 4組曝氣量，相應(yīng)的好氧區(qū)DO分別為2.8、1.7、0.8、0.5 mg/L。研究表明，在好氧區(qū) DO 為 0.5 mg/L左右的低氧條件下，通過對系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)控制，可以取得較好的硝化效果，氨氮去除率可達(dá)98%以上。另外，由于低曝氣量下混合液從好氧區(qū)到缺氧區(qū)攜帶的DO量減少，并且在好氧區(qū)發(fā)生了同步硝化反硝化作用，使得TN去除效果明顯優(yōu)于高曝氣量的情況。

1.2.7 HRT

HRT是指污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時(shí)間，其反映了水中污染物與微生物的接觸反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也決定了系統(tǒng)的處理規(guī)模和抗沖擊負(fù)荷能力。Bing Wang等〔15〕采用分段進(jìn)水4級A/O生物膜反應(yīng)器處理城市廢水，結(jié)果表明，當(dāng)HRT為8 h時(shí)，對COD、NH4+-N和TN的平均去除率分別為87.1%、97.8%和86.4%，并在反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化進(jìn)程。陳杰云〔16〕研究了HRT對分段進(jìn)水3級A/O生物膜反應(yīng)器去除廢水污染物的影響，研究表明，當(dāng)HRT分別為 4、6、8、10、12 h 時(shí)，TN 去除率分別為 40.43%、55.56%、70%、80.1%和81.4%，HRT從4h上升到10h的過程中，系統(tǒng)的TN去除率得到顯著提升；繼續(xù)增加HRT，對系統(tǒng)的TN去除率提升程度不高。因此，無論在實(shí)驗(yàn)研究還是實(shí)際工程應(yīng)用中，將HRT控制在8～10 h，可以獲得較好的脫氮效果。

1.2.8 SRT

SRT是活性污泥法工藝中的重要控制參數(shù)，它會影響反應(yīng)器內(nèi)生物種群結(jié)構(gòu)和生物活性，從而影響系統(tǒng)的脫氮除磷性能。孫月鵬等〔17〕在SRT分別為169 d和7 d的條件下運(yùn)行分段進(jìn)水多級A/O反應(yīng)器，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水COD為200 mg/L，NH4+-N為39.6 mg/L時(shí)，TN去除率分別可達(dá)到76.5%和74.2%。王社平等〔18〕采用分段進(jìn)水A/O脫氮工藝處理城市污水，結(jié)果表明，在HRT為7.5 h，SRT為 15 d時(shí)，COD、NH4+-N和 TN去除率分別為 93%、95.8%和68.5%；反應(yīng)器中的平均污泥濃度比單級A/O工藝提高約30%以上。

1.2.9 MLSS

對于分段進(jìn)水工藝，原水多點(diǎn)投配可導(dǎo)致MLSS沿池長呈梯度分布，前段MLSS較高，可以增加污染物去除效能，末段MLSS較低，有利于二沉池泥水分離及后續(xù)污泥處理。A.M.Nasab等〔19〕在對改進(jìn)型分段進(jìn)水A2O工藝的脫氮除碳性能的研究中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器內(nèi)平均MLSS達(dá)到5.5 g/L，遠(yuǎn)高于一般傳統(tǒng)A2O工藝污泥濃度。然而，過高的MLSS會導(dǎo)致系統(tǒng)沉降性能差和二沉池負(fù)荷過高，從而可能引起污泥膨脹和污泥難以沉降等問題。

2 SAOASP應(yīng)用現(xiàn)狀及工藝改良

2.1 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

E.Gorgun等〔4〕通過使用數(shù)學(xué)模型對伊斯坦布爾Riva污水處理廠的污水進(jìn)行模擬仿真和參數(shù)優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用2段式分段進(jìn)水，出水TN<10 mg/L；并且隨著段數(shù)的增多，出水TN含量也隨之降低。Newtown Creek污水處理廠改造工程采取簡單的分段進(jìn)水活性污泥法，在曝氣池的進(jìn)水點(diǎn)關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)，形成缺氧環(huán)境，不用混合液回流即可達(dá)到較好的脫氮效果。1997年1月到1998年6月的運(yùn)行結(jié)果表明，BOD5、SS、TN 去除率分別達(dá)到 82%～86%、84%～89%和76%～85%〔20〕。新加坡樟宜水廠采用5段分段進(jìn)水A/O工藝，在好氧區(qū)很好地實(shí)現(xiàn)了部分硝化和亞硝酸鹽積累，其中好氧氨氧化率平均為72.2%，亞硝酸鹽積累率平均為76.0%。于莉芳〔21〕采用分段進(jìn)水4級A/O脫氮除磷工藝對西安城市生活污水進(jìn)行了中試試驗(yàn)研究，近1 a的運(yùn)行結(jié)果表明，該工藝脫氮效率高，運(yùn)行效果良好。表1總結(jié)了SAOASP在國內(nèi)外城市污水處理廠的應(yīng)用情況。

2.2 活性污泥法分段進(jìn)水多級A/O改良工藝

為了進(jìn)一步提高脫氮除磷效率，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可將分段進(jìn)水多級A/O工藝與其他工藝如開普敦大學(xué)工藝（UCT）、序批式活性污泥法（SBR）、循環(huán)式活性污泥法（CAST）、膜生物反應(yīng)器（MBR）等進(jìn)行耦合，從而形成活性污泥法分段進(jìn)水多級A/O改良工藝。

表1 分段進(jìn)水多級A/O工藝在國內(nèi)外城市污水廠應(yīng)用情況

SAOASP+UCT設(shè)置了前置厭氧區(qū)，缺氧區(qū)的硝化液返回到厭氧區(qū)，除磷效果顯著提高。SAOASP+SBR采用間歇曝氣的方式運(yùn)行，占地面積小，運(yùn)行費(fèi)用低，對于高氨氮和高COD廢水具有較高的去除效率。SAOASP+CAST通過設(shè)置前置生物選擇器，使硝化液回流，增設(shè)填料等既防止了污泥膨脹，又提高了耐沖擊負(fù)荷能力和脫氮性能。SAOASP+MBR通過在好氧池內(nèi)設(shè)置膜組件，提高了活性污泥濃度，延長了SRT，降低了出水COD、TN和SS的濃度。

目前，活性污泥法分段進(jìn)水多級A/O改良工藝已經(jīng)被應(yīng)用于生活污水、市政污水、工業(yè)廢水、合成廢水以及畜禽糞便廢水的處理中，相對于傳統(tǒng)的SAOASP，活性污泥法分段進(jìn)水多級A/O改良工藝對COD、NH4+-N、TN的去除率均有提高，其應(yīng)用情況見表2。

表2 活性污泥法分段進(jìn)水多級A/O改良工藝應(yīng)用情況

3 生物膜法分段進(jìn)水多級A/O工藝

到目前為止，分段進(jìn)水大多應(yīng)用于活性污泥法中，但由于活性污泥法本身存在的諸多弊端，研究者將分段進(jìn)水A/O工藝應(yīng)用到生物膜法中，主要包括移動床生物膜反應(yīng)器（MBBR）、生物接觸氧化（BCO）、生物轉(zhuǎn)盤（RBC）、曝氣生物濾池（BAF）及生物流化床（FB）等，兩者結(jié)合形成生物膜法分段進(jìn)水A/O工藝（step-feed anoxic/oxic biofilm process，SAOBP）。該工藝兼?zhèn)浞侄芜M(jìn)水和生物膜法工藝優(yōu)勢，不僅可以充分利用碳源和堿度，而且微生物量相對比較豐富，生物量大，硝化效果好，抗沖擊負(fù)荷能力和處理能力強(qiáng)。

SAOBP+MBBR通過向好氧區(qū)投加輕質(zhì)可移動的懸浮填料，提高了反應(yīng)池的生物量和生物種類，從而提高了廢水處理效果。SAOBP+BCO通過向活性污泥池添加彈性組合填料，并通過底部曝氣對污水進(jìn)行充氧，使污染物與填料上的微生物充分接觸反應(yīng)，使污水凈化效果得到提升。SAOBP+RBC利用轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)盤上的微生物處于缺氧/好氧交替的狀態(tài)，有效實(shí)現(xiàn)了對有機(jī)物的降解和氮的去除，其常用于灌溉污水、禽畜廢水、江河湖水的人工強(qiáng)化處理。SAOBP+BAF將填料固定在反應(yīng)池中，并在好氧區(qū)設(shè)置曝氣裝置進(jìn)行充分曝氣，從而增大了單位時(shí)間內(nèi)生物膜同廢水的接觸面積和充分供氧。SAOBP+FB向反應(yīng)池投加了比表面積大的小顆粒載體，并通過高速水流和氣流使載體呈現(xiàn)流化狀態(tài)，從而提高了池中的生物量，進(jìn)而提升了系統(tǒng)的處理效果。表3總結(jié)了生物膜法分段進(jìn)水多級A/O工藝研究現(xiàn)狀。

表3 生物膜法分段進(jìn)水多級A/O工藝研究現(xiàn)狀

4 結(jié)語與展望

分段進(jìn)水多級A/O工藝是近年來國外開發(fā)的新技術(shù)，該技術(shù)脫氮效率高，微生物量豐富，耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)，適用于新老污水處理廠的擴(kuò)建與改造。針對分段進(jìn)水多級A/O工藝目前存在的問題，未來應(yīng)在以下幾方面進(jìn)行重點(diǎn)研究:

（1）進(jìn)一步研究分段進(jìn)水對于多級A/O工藝的碳源和氧量分配理論，建立相關(guān)模型與動力學(xué)對該工藝流量分配進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化；研究分段進(jìn)水所導(dǎo)致的進(jìn)水負(fù)荷對工藝穩(wěn)定性的影響。

（2）研究低溫高負(fù)荷條件下分段進(jìn)水多級A/O工藝對廢水的脫氮效能。

（3）研究和開發(fā)具有同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化及反硝化除磷等脫氮除磷功能的新型分段進(jìn)水多級A/O工藝。

（4）開發(fā)新型低成本的一體化生物膜法分段進(jìn)水多級A/O工藝，節(jié)省占地面積，降低運(yùn)行成本。

（5）研究該工藝對高濃度有機(jī)含氮廢水，特別是難降解廢水的脫氮、有機(jī)物去除機(jī)制。