AAO工艺在不同HRT和回流比条件下对实际污水的处理效果*

AAO工艺在不同HRT和回流比条件下对实际污水的处理效果*

刘新超1 贾 磊2 俞 勤1 何群彪3 刘志刚3
(1.同济大学 建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092； 2.上海市环境科学研究院，上海 200233；3.同济大学 城市污染控制国家工程研究中心，上海 200092)

摘要：以实际污水为对象，采用中试装置研究AAO工艺中不同水力停留时间(HRT)和回流比，发现：AAO系统在HRT为4～8 h、污泥回流比为0.5～1.0、混合液回流比为1～2、ρ(MLVSS)=800～1 300 mg/L时，系统脱氮除磷效果受降雨冲击影响较大，但对COD去除稳定。TN去除率随进水浓度及COD/TN的增加而增加，增大混合液回流比不能有效提高TN去除率；TP去除率受进水COD及回流液中浓度影响较大。实验结果表明：低碳高氮磷污水要实现氮磷同时达标，需要适当投加碳源以及混凝剂。

关键词：AAO工艺；污水；脱氮除磷

0 引 言

随着水污染程度的加剧和越来越严格的污水排放标准的实施，污水处理厂对氮磷和有机污染物等去除要求也越来越高。要同时实现脱氮除磷和有机污染物去除目的，需在反应器中的空间和时间上创造厌氧、缺氧和好氧等条件。当前已经开发并应用的工艺有厌氧/缺氧/好氧(A/A/O)工艺、序批式生物反应器(SBR)及其变种、氧化沟工艺、双循环两相生物处理工艺(BICT)、厌氧/缺氧和硝化(A/A/N)工艺等。

A/A/O工艺可以通过不同的反应条件和操作变量实现污水中COD和氮磷的同步去除[1-2]，且可以根据季节变化、排放要求和进水水质等实现多模式的灵活切换[3]，实现水质改善及运行成本的降低[4]，当前该工艺在国内应用较为广泛，研究人员也对此进行了多方面研究及优化。马艳娜等[5]采用中试规模的AAO工艺进行强化脱氮除磷，发现COD、TN、TP去除率分别可达91.5%、79.7%和65.8%，且系统运行稳定。张勇等[6]以低碳氮比生活污水为处理对象，对AAO-BAF典型双污泥系统的启动过程进行研究，认为AAO和BAF系统分别独立培养驯化污泥再连通的方式可以在58 d内完成系统启动，同时发现该系统受低温(11～15 ℃)抑制后会在短时间内恢复[7]。张为堂等[8]研究发现，当进水ρ(COD)/ρ(TN)为4～7时，AAO-BAF系统对COD、TN和正磷有较高的去除率。在选择最佳工况和工艺参数的条件下，多点进水倒置AAO适合处理低碳源的城市污水，处理效果稳定可靠[9]。深圳福永污水处理厂采用多模式AAO工艺，并采用自动反冲洗滤池过滤，出水满足GB 18918—2002的一级A标准[10]。在实际运行过程中，AAO工艺受进水负荷、水力停留时间、污泥龄、混合液回流、污泥回流比等影响较大，而我国大多污水收集系统仍采用合流制，致使污水水量和水质受雨水影响较大，直接影响AAO系统的稳定运行。本文对AAO系统在不同HRT和不同回流比条件下(尤其是雨季条件下)的处理效果进行研究，以获得不同运行条件下各自的处理效果和影响因素，根据实际的污水处理条件选择合适的运行模式，提高系统的脱氮除磷效果。

1 实验部分

1.1 实验装置及运行

实验装置采用AAO反应器，设计处理规模100 m3/h，钢板制作，工艺流程和处理单元规格分别见图1和表1。为尽可能地模拟现场运行状况，反应器放置于武汉某开发区污水中途提升泵站的集水井旁。污水经细格网去除漂浮物后由提升泵直接从集水井进入预缺氧池，然后依次通过AAO系统，进入二沉池进行泥水分离。二沉池底部剩余污泥排入污泥池中，通过水泵提升，并利用电磁流量计计量回流到预缺氧池。混合液回流泵安装在好氧池第2格后端，混合液电磁计量回流至缺氧池前端。系统调试成功后，按照表2中不同运行条件进行实验，待各工况运行稳定后取样检测。

Ⅰ—预缺氧池； Ⅱ—厌氧池； Ⅲ—缺氧池； Ⅳ—好氧池(4格)； 1—泵站来水； 2—细格栅； 3—进水提升泵； 4—出水； 5—污泥回流泵； 6—混合液回流泵； 7—排泥阀； 8—反应器搅拌机； 9—微孔曝气盘； 10—穿孔曝气管。
图1 实验工艺流程
Fig.1 Chart of the experimental process

表1 AAO反应器规格
Table 1 Scales of AAO reactor

序号单元名称规格有效容积/m3备注1预缺氧池1.0m×0.7m×3.0m(有效水深)2.1带搅拌机2厌氧池1.94m×1.0m×3.0m(有效水深)5.8带搅拌机3缺氧池2.0m×1.0m×3.0m(有效水深)6.0带搅拌机4好氧池7.9m×1.0m×3.0m(有效水深)23.7前3格底部设微孔曝气盘,其中第3格设搅拌机,第4格设曝气管5二沉池?2.85m×2.0m(有效水深)12.75带泥斗6污泥池1.0m×1.0m×1.69m(有效水深)1.69带泥斗,配污泥泵

表2 AAO系统不同运行工况
Table 2 Different operation conditions of AAO system

工况条件工况Ⅰ工况Ⅱ工况Ⅲ工况Ⅳ工况Ⅴ试验时间5月24日—6月15日6月16—7月16日7月17日—8月16日8月17日—9月11日9月12日—10月1日取样时间6月5日—6月14日6月23日—7月16日7月25日—8月16日8月28日—9月11日9月22日—9月29日进水量平均值/(m3·h-1)4.674.676.298.336.24平均污泥回流比1.01.00.80.50.8平均混合液回流比2.01.01.51.01.5HRT/h8.08.06.04.56.0平均SVI/(mL·g-1)50.242.334.444.470.6系统总泥龄/d44.755.226.116.317.7

注：1)运行期间反应器内水温为21.6～28.1 ℃。2)系统预缺氧池ρ(DO)为0.12～0.15 mg/L；厌氧池ρ(DO)为0.09～0.13 mg/L；缺氧池ρ(DO)为0.1～0.15 mg/L；好氧池ρ(DO)为0.6～7.8 mg/L。

1.2 实验进水

实验进水直接取自集水井，该区排水体制为合流制，因此水质受雨水影响较大。

1.3 分析方法

除直接测定DO、水温、MLSS、MLVSS、SS外，样品取出后先用中速定性滤纸过滤，然后再经0.45WX型混合纤维素微孔滤膜抽滤后测定。其中DO、水温采用德国Oxi330i型便携式DO测定仪测定，pH采用WTW pH 330i型pH计测定，其他项目按照《水和废水监测分析方法(第四版)》国家标准方法测定。

2 结果与讨论

AAO系统在不同水力停留时间和回流比的处理效果及活性污泥浓度变化分别如图2和图3所示。由图2a可以看出：不同工况下，尽管进水COD波动较大，但AAO系统出水ρ(COD)基本在30 mg/L以下，且去除效果稳定。系统受降雨、沉淀池流态等影响导致出水SS浓度都比较高，说明此实验条件下单靠自然沉降难以满足一级A排放标准。另外，该实验系统除工况Ⅴ对TP有较高的去除率外，其他运行条件受进水水量水质、混合液回流比、降雨等影响，氮、磷的去除效果相对较差。

a—COD、SS；；
图2 不同运行条件下的污染物变化
Fig.2 Changes of pollutants in different operation conditions for AAO process

△ MLSS； ▲ MLVSS； ☆ 排污量；雨天。
图3 不同工况条件下活性污泥浓度变化
Fig.3 Concentration changes of activated sludge in different operation conditions

工况Ⅰ时受降雨影响，进水ρ(COD)、ρ(TP)和等突然降低，但系统不能及时调整曝气量，导致DO变化较大，活性污泥结构松散，出水较高(图2b)。回流污泥带入厌氧池的增多，进水ρ(COD)/ρ(TP)为34.6，小于生物同步实现脱氮除磷所需的比值(41～48)[11]，因此有时会出现出水磷高于进水的现象(图2c)。该阶段较低的有机负荷(0.20 kg/(kg·d))和长泥龄(44.7d)，使得系统对氨氮的去除效果明显(图2b)。进水ρ(COD)/ρ(TN)为3.4，虽高于理论生物脱氮所需值2.86，但小于实际所需的比值3.5～4.0，因此TN去除率并不高，仅为40%左右[12]。

将混合液回流改为1.0，以减小工况 Ⅰ 中的影响(工况Ⅱ)。由于该时间段内降雨明显，致使进水浓度降低，尽管污泥龄达到55d，但内源呼吸消耗明显，难以维持较高浓度的ρ(MLVSS)(平均800 mg/L)，其ρ(MLVSS)/ρ(MLSS)仅为33%，硝化效果较差，氨氮去除率只有44%(图2b)。此段时间内ρ(COD)/ρ(TN)比值高达4.0，单从碳源来说可以满足生物脱氮需求，但受限于污泥浓度，系统TN去除率只有21%。本阶段回流混合液中硝酸盐浓度对释磷影响变小，其除磷效果要高于工况Ⅰ(图3)，但因ρ(COD)/ρ(TP)较低， TP去除率仅为18%。

工况Ⅰ和Ⅱ中进水COD都较低，为考察低碳高氮磷城市污水在短HRT下的处理效果，将系统总HRT由8.0 h缩短为6.0 h，同时混合液回流比和污泥回流比分别改为1.5和0.8(工况Ⅲ)。由于该阶段也有较多降雨，系统受降雨影响也较大。实验发现，当较大降雨使进水ρ(TN)低于10 mg/L时，此时ρ(COD)也较低，用于反硝化的碳源较少，系统对TN、TP的去除效果也较低，加上排泥不规律，甚至出现出水增高的现象(图2c)。

继续提高进水量缩短HRT至4.5 h，同时调整污泥回流比和混合液回流比分别为0.5和1.0(工况Ⅳ)。该阶段降雨较少，进水ρ(COD)有所升高，此时SRT为16 d，但ρ(MLVSS)维持在1 200 mg/L左右，系统硝化效果较好(图2b)。由于ρ(COD)/ρ(TN)值可达3.9，因此TN去除效果明显好于其他工况。但受回流硝酸盐的影响，该阶段对TP的去除率仍然较低(图2c)。

受降雨影响，系统进水浓度降低，上述4个工况对TP去除效果都不理想，随着降雨频率和强度的降低，实验进水COD逐渐升高(工况Ⅴ，与降雨影响较大的工况Ⅲ作对比)。该阶段无降雨(图3)，ρ(COD)明显升高，在一定程度上导致异养菌与硝化菌争夺DO和生存空间，硝化效果较差，但反硝化效果好于工况Ⅲ，ρ(COD)/ρ(TN)值达4.0，TN的去除率有所提高。同时，混合液回流中较低，为厌氧释磷创造了较好的条件，加上排泥稳定， TP的去除效率提高(图2c)，生物除磷率达到76%。

综上所述，在进水ρ(COD)<200>ρ(COD)/ρ(TN)<>ρ(MLVSS)在800～1 500 mg/L，有机负荷在0.2～0.5 kg/(kg·d)时，AAO运行模式各工况对COD都有较好的去除效果，受进水COD、HRT、回流比等影响较小。系统脱氮效果主要受进水有机物的影响，当进水ρ(COD)/ρ(TKN)<>ρ(COD)增加有利于提高AAO脱氮效果；仅增大混合液回流比对脱氮率的提高贡献不大。混合液中对生物除磷影响明显，当进水ρ(COD)为低于2.0 mg/L时，出水TP可低于1.0 mg/L。因此要提高低碳高氮磷污水处理效果，需要适当投加碳源以及混凝剂。

3 结 论

1)AAO系统在HRT=4～8 h，污泥回流比为0.5～1.0，混合液回流比为1～2，ρ(MLVSS)=800～1 300 mg/L，进水ρ(COD)<200>ρ(COD)/ρ(TN)<>ρ(MLVSS)为800～1 500 mg/L时，COD负荷和TN负荷分别小于0.5，0.10 kg/(kg·d)时，系统对COD去除稳定；TN去除率随进水ρ(COD)及COD/TN的增加而增加； TP去除率受进水ρ(COD)及回流液中影响较大，因此混合液回流不宜过大。

2)在低有机物进水情况下，增大混合液回流比不能有效提高脱氮效果，但可以提高系统的抗冲击负荷能力。

3)整个系统受雨水冲击影响较大，因此在雨期应增大进水量以提高系统有机负荷。

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TREATMENT EFFECTS OF ACTUAL SEWAGE BY ANAEROBIC/ANOXIC/AEROBIC PROCESS IN DIFFERENT HRT AND REFLUX RATIO CONDITIONS

LIU Xin-chao1, JIA Lei2, YU Qin1, HE Qun-biao3, LIU Zhi-gang3
(1.Tongji Architectural Design (Group) Co., Ltd, Shanghai 200092, China; 2.Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China; 3.National Engineering Research Center for Urban Pollution Control, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：Using a pilot equipment to treat actual sewage, the treatment effects of AAO process was studied in different HRT and reflux ration conditions. The result showed that when HRT=4～8 h,ρ(MLVSS)=800～1 300 mg/L, and the sludge and mixed liquid reflux ratio was 0.5～1.0 and 1～2, respectively, the denitrifying and phosphorus removal of AAO system were affected obviously by rainfall, but COD removal was stable. Influent COD and COD/TN were higher, the more TN removal could be attained. Increasing the reflux ratio of mixture could not enhanced TN removal when the influent COD was low. Influent COD andconcentrationin reflux had a great influence to TP removal rate. Thus, coagulants and exogenous carbon sources were need to add for achieving the discharge standard of nitrogen and phosphorous when using AAO process to treat wastewater with low carbon and high nitrogen and phosphorous contents.

Keywords：anaerobic/anoxic/aerobic process; sewage; denitrifying and phosphorus removal

*国家水专项课题(2013ZX07314-003-02)。

收稿日期：2016-05-16

DOI：10.13205/j.hjgc.201701011

第一作者：刘新超(1971-)，男，高级工程师，博士，主要从事污水处理工艺的设计及研究工作。

通信作者：刘志刚，男，博士，主要从事污水、污泥处理处置研究工作。[e-mail]