A2/O工藝處理城鎮污水的脫氮除磷性能研究

劉 遙 張東方 張文俊

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

在城鎮化的發展進程中，城鎮居民生活生產消耗了大量的淡水，污水排放量也與日俱增，排放的污水中不可避免地出現氮磷含量超標現象，如不加預處理，這些無機化學物質是水體中藻類繁殖的必須營養物質，使藻類增殖迅速，水體出現富營養化，藻類消耗了水體中的氧氣，并釋放有害物質，導致水體環境的惡化，因此在城市基礎設施建設中，為了保證處理廠凈化后水體含氮磷量滿足相關的規范要求，提高水體的耐受度，需要對污水處理的脫氮除磷工藝進行合理設置[1]。污水處理廠是一個復雜的系統，涉及的工藝環節很多，在傳統的污水處理工藝中，對脫氮除磷的方式主要采用生物脫氮和生物除磷，不僅效率低下，而且工序上矛盾導致了除磷效果不佳，出水水質不達標，增加了二次處理的成本[2]。目前，對城市污水脫氮除磷工藝的研究成為水生態環保中的研究熱點，通過工藝的調整或者優化提高污水脫氮除磷效率具有十分重要的作用[3]。

1 污水處理廠設計概況

合肥市某污水處理廠二期工程位于合肥市蜀山區西部新城南部，為半地下污水處理廠1座，土建規模10萬噸/天，設備安裝規模5萬噸/天，地塊規劃性質為公用設施用地。為有效提高區域污水處理能力，縮短城郊與市區的水環境差異，改善城郊居民的用水問題，根據區域總體規劃要求，修建污水處理廠主要收集區域內生活污水和工業廢水，污水處理廠的總覆蓋服務面積達到31.57 km2。污水處理廠設計污水進水水質以及處理凈化后出水水質的指標要求見表1和表2。

表1 設計污水進水水質指標

2 城鎮污水的總體處理方案及脫氮除磷A2/O處理工藝

2.1 城鎮污水的總體處理方案

在一般的城鎮污水二級處理工藝中，由于污水處理規模與城市相比較小，處理水體多為生活污水，且水體中的氮磷含量較高，受到處理工藝的影響，對污水中的BOD5、CODCr和SS能夠達到較好的去除效果，但是對水體中氮磷含量處理深度交淺，卻難以取得良好的去除效果，這是因為這些處理工藝依賴于傳統的生物硝化菌的硝化作用脫氮、微生物聚磷菌的吸磷聚合作用除磷，處理效率較低，經過大量的實踐表明，傳統的污水處理廠只能對剩余污泥中進行脫氮除磷處理，對氮元素的消除率基本維持在10%～20%，而對磷元素的消除率基本維持在12%～19%，與脫氮除磷目標相去甚遠，使污水處理廠排水中仍含有大量的氮磷元素[4-5]。為此，要達到表2中的各項出水水質指標要求，在污水處理過程中應采用深度的脫氮除磷處理工藝，通過調節排污泥量，以增加生物硝化菌、聚磷菌的活性，提高污泥回流比，提高硝化作用效率，實現穩定的脫氮和除磷效果，因此經過綜合分析，該研究水區深度脫氮除磷方法采用A2O+沉淀池+高密度沉淀池+深床濾池+次氯酸鈉消毒工藝，具體的污水處理流程如圖1所示。

表2 設計處理凈化后出水水質指標

圖1中污水處理整體過程如下：污水處理廠覆蓋服務區域內的市政管網對居民生活污水以及工廠廢水進行收集，通過污水管道輸送污水處理廠進水管道總口，通過水體的自流效果流經粗格柵進入進水泵房，設置粗格柵的目的是對進口污水中的漂浮物、大塊體雜物、污泥等進行截流濾除，過濾直徑最小達到2 cm，以保護水泵等污水處理設備；隨后采用水泵對泵房內的水體提升至曝氣沉淀池，在進入曝氣沉淀池之前，同樣地需要設置一道西格柵以濾除水體中的細小懸浮物，過濾直徑最小達到5 mm[6]；經過2次過濾的污水需要進行曝氣除臭，其處理方法是將污水放入曝氣沉砂池內，并在沉砂池的頂部布置有螺旋風機，不斷地對旋轉螺旋風機將臭氣抽排，同時將污水不斷地沿著水池的長度方向進行運輸，使水流在垂直方向和橫向方向均產生了曝氣過程，在曝氣沉淀池內，污水中的大分子油脂被有效去除；隨后，污水經過電磁流量計測量水體體積，污水隨管道運輸至生物池，進行A2/O處理工序，在厭氧區內進行硝化反應，在缺氧區內進行反硝化反應，達到氮化物的消除，然后將，將脫氮后的污水運輸至曝氣好氧區，進行硝化反應、脫磷及去除化學需氧量COD、有機污染物、NH4-N等；在推流器的作用下，污水混合液從生物池進入二沉池，進一步固液分離，對池內污泥進行刮刷，池內上部清液流動至高密度沉淀池，去除SS和磷；高密度沉淀池處理后的污水進入中間泵房，經過提升水泵輸送至反硝化濾池，通過投加乙酸鈉保證了反硝化過程的高效，污水進入砂濾池進行過濾，并進行反硝化反應實現水體脫氮[5]。過濾后的污水流入消毒池，向池內加入消毒粉或者采用紫外線消毒的方法進行消毒，處理完成后將凈化水自流至綜合泵房；最后通過市政中水泵組將凈化后水體提升接入市政中水管網中，或通過尾水泵組提升排至地表河流。

圖1 污水處理廠水區工藝流程圖

2.2 城鎮污水的脫氮除磷A2/O處理工藝

目前，在污水處理中應用較為廣泛的脫氮除磷工藝為A2/O處理工藝，它的工藝成熟的較高，能夠保證污水處理工程中各項工序的運行穩定，且在多年的工程實踐中積累了較多的運行經驗，基本能夠滿足出水水質的要求，盡管如此，在A2/O污水處理工藝仍存在一定的問題，也存在一定的缺陷，例如在回流污泥中存在的硝酸鹽，使反硝化菌增殖快速，抑制了聚磷菌的獲得碳源的能力，延緩了釋放磷的速率，因此傳統A2/O污水處理工藝在脫氮效果上尚有較大的提升空間，以應對日益嚴格的排水要求[7]。因此，有必要對傳統A2/O污水處理工藝進行調整和優化，在該基礎上提出多段A2/O污水處理工藝，以增加二級生物處理的生物脫氮能力。

在A2/O的發展史上，改良型的Bardenpho工藝具有更好的脫氮除磷能力。污水經過首段的厭氧缺氧過程，完成了一大部分的生物脫氮除磷過程，此時的出水中的TN已得到一定程度的降低，并且主要以NO3-N的形式存在，隨后低濃度的硝化液全部進入缺氧段，進行完全反硝化，得到無硝酸鹽的出水。后缺氧段完全利用的是內源反硝化，利用MLVSS自身內源呼吸，利用NO3-N作為電子受體完成反硝化過程[8]。

在前段A2/O過程中，為提高污水可降解性，在前端設置水解區，提高有機污染物的去除，并為厭氧段提供更多的易降解有機物。缺氧區的反硝化過程對碳源的需求是保證生物脫氮的重要環節，為此，在前段增加進水點，通過引入原水補充碳源，保證反硝化過程順利進行。好氧段通過調整曝氣量、進水分配比例，控制溶解氧濃度、有機污染物負荷，維持好氧段的同步硝化反硝化過程，提高系統的生物脫氮效率。多段A2/O污水處理工藝如圖2所示。

圖2 多段A2O污水處理工藝

4 A2/O處理工藝的脫氮除磷性能

為研究多段A2/O污水處理工藝的脫氮處理性能，對合肥市某污水處理廠二期工程中的總進水口和總排水口的水樣進行取樣分析，觀測水體中的總氮含量TN和總磷TN含量的變化，觀測時長為80d，取樣頻率為1周1次，結果如圖3所示。

從圖3（a）中可以看出，在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總氮含量TN含量隨著時間的變化呈現不同程度的劇烈變化，但其TN質量濃度的變化范圍位于20 mg/L～50 mg/L，滿足表1中設計進水總氮含量TN不超過50 mg/L的要求，而經過段A2/O污水處理工藝深度脫氮處理后，水體中的總氮質量濃度大幅度降低，變化區間為0 mg/L～10 mg/L，滿足表2中約束性出水總氮含量TN指標（巢湖流域地標DB34/2710—2016）不超過10 mg/L的要求。從圖3（b）中可以看出，在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總磷含量TP質量濃度的變化范圍位于3.5 mg/L～6.0 mg/L，滿足表1中設計進水總磷含量TP不超過6 mg/L的要求，而經過段A2/O污水處理工藝深度除磷處理后，水體中的總磷質量濃度大幅度降低，變化區間位于0.1 mg/L～0.3 mg/L，滿足表2中約束性出水總磷含量TP指標（巢湖流域地標DB34/2710—2016）不超過0.3 mg/L的要求。

對多段A2/O污水處理工藝的脫氮除磷效率進行研究，對厭氧區活性污泥中的磷酸根質量濃度進行觀測，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著時間的增加，磷酸根的質量濃度呈對數增加的趨勢，而釋磷速率呈現線形增加后對數降低的趨勢。對比缺氧區和好氧區的吸磷速率進行對比，結果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著時間增加，好氧區和缺氧區的吸磷速率均呈現對數降低的趨勢，且好氧區的吸吸磷速率比缺氧區的吸磷速率略大。

圖4 多段A2O污水處理工藝中厭氧區除磷速率曲線

圖5 多段A2O污水處理工藝中好氧區與缺氧區吸磷速率曲線

5 結論

以合肥市某污水處理廠二期工程污水處理為研究對象，污水處理廠的整體污水處理工藝進行研究，提出多段A2/O污水處理工藝，得到以下3個結論：1）在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總氮含量TN隨著時間變化呈現不同程度地變化，經過段A2/O污水處理工藝深度脫氮處理后，水體中的總氮質量濃度大幅度降低，變化區間0 mg/L～10 mg/L，滿足表2中約束性出水總氮含量TN指標要求。2）在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總磷含量TP質量濃度的變化范圍位于3.5 mg/L～6.0 mg/L，經過段A2/O污水處理工藝深度除磷處理后，水體中的總磷質量濃度大幅度降低，變化區間位于0.1 mg/L～0.3 mg/L，滿足表2中約束性出水總磷含量TP指標要求。3）隨著時間的增加，磷酸根的質量濃度呈對數增加的趨勢，而釋磷速率呈現線形增加后對數降低的趨勢；將缺氧區和好氧區的吸磷速率進行對比，結果表明，隨著時間的增加，好氧區和缺氧區的吸磷速率均呈現對數降低的趨勢，且好氧區的吸磷速率比缺氧區的吸磷速率略大。