简介： 改变传统活性污泥法的运行方式，使其成为AO工艺或连续流间隙曝气工艺，具备生物除磷脱氮功能。经两种工艺处理后出水NH3-N＜3mg/L；TP、TN去除率分别为72%和80%。适用于老污水处理厂的改造和新建污水厂的设计。
关键字：AO工艺 连续流间隙曝气 生物除磷脱氮
1 传统工艺低负荷运行除磷脱氮的限度
由于传统工艺运行的污水厂没有深度净化功能，也没有更多资金新建大规模污水处理厂，因此对老厂原工艺进行改进，使其成为AO或连续流间隙曝气工艺是十分必要的。
常规的活性污泥法采用的污泥负荷为0.2～0.3kgBOD5/(kgMLSS·d)，曝气 池活性污泥浓度控制在2～3g/L之间，泥龄维持在4～5d以内。由于泥龄短，活性污泥中硝化菌的增殖速率小于其随剩余污泥排出的速率，因而常规活性污泥法在满负荷的条件下，氨氮去除率低，一般仅为20%～30%。
为使按常规法设计的污水厂获得满意的硝化效果，必须减小污泥负荷，提高污泥泥龄。在不增加曝气池容积的前提下，可采用的办法就是提高曝气池污泥浓度。为了达到这一目标，要保证做到以下两点：一是活性污泥具有良好的沉降性能；二是曝气系统具有足够的供氧能力 。
为了改善污泥的沉降性能，可采用超越初沉池的办法，这样进水中悬浮颗粒可能成为细菌絮凝的核心。
某污水处理厂采用超越初沉池的低负荷活性污泥法，严格控制曝气池溶解氧(前段1.1mg/L，中段1.6mg/L，后段2.8mg/L)，运行结果表明，BOD5的去除很好，出水平均值＜10mg/L，去除率达95.4%；NH3-N硝化相当完全，出水为0.1mg/L，硝化率为99.6%；氮磷的去除情况见表1。
| 工艺 | BOD3/TN | BOD5/TP | TN（mg/L) | TP(mg/L) | 有机氯（mg/L) | ||||||
| 流入 | 流入 | 流入 | 流出 | 去除率 （%） | 流入 | 流出 | 去除率 （%） | 流入 | 流出 | 去除率 （%） | |
| 传统工艺 | 4.1 | 19.1 | 50.8 | 21.8 | 57.0 | 11.1 | 5.6 | 49.3 | 23.6 | 1.6 | 93.3 |
| AO工艺 | 4.3 | 26.7 | 60.0 | 12.0 | 80.0 | 9.6 | 2.7 | 72.0 | 29.1 | 3.6 | 87.6 |
| 连续流间隙曝气 | 4.4 | 31.2 | 33.9 | 9.3 | 72.5 | 5.3 | 1.3 | 74.6 | 12.1 | 1.8 | 84.9 |
超越初沉池，提高曝气池污泥浓度的运行结果表明，硝化的效果相当好，氨氮去除率达99%，但出水的总氮在20mg/L以上，去除效果还不是很理想。
某污水厂设计处理能力27 000 m3/d，实际水量为15 000m3/d，进水中很大部分为工业废水。超越初沉池低负荷活性污泥法运行数据表明，在平均水温为26.6 ℃，MLSS为4.98 g/L，SVI为50.5 mL/g时，COD、BOD5的去除率达90%以上，出水NH3-N为3.0mg/L，硝化率为85.3%，当BOD5/TN为4.4时，总氮去除率为48.5%。
总之，低负荷传统活性污泥法除磷脱氮的量是很有限的。为了进一步提高总氮去除率，可充分利用传统工艺的现有设施和设备，对工艺进行切实可行的改进，使之成为高浓度活性污泥AO工艺，使氮、磷的去除提高到一定水平。
2 低负荷AO工艺
利用传统工艺的全部设施，关闭曝气池前1/3段空气管，安装搅拌机，保持原来的回流方式和回流比，变传统工艺为缺氧—好氧(AO)工艺。运行参数见表2。
| 工艺 | 气温 （℃） | 回流比 （%） | 水力停留时间 （h） | 泥龄 （d） | 容积负荷 （kgBOD5/m3.d) | 污泥负荷 （kgBOD5/(KGMLSS.d) | 污泥浓度 （g/L) | SVI (mL/g) |
| 传统工艺 | 17.3 | 106 | 8 | 14.3 | 0.601 | 0.102 | 6.53 | 68.0 |
| AO工艺 | 15.3 | 100 | 8 | 8.2 | 0.738 | 0.133 | 5.79 | 68.5 |
| 连续流间隙曝气 | 17.4 | 190 | 15 | 11.6 | 0.230 | 0.042 | 6.51 | 49.3 |
与常规意义的AO法不同之处在于，本工艺不设内回流装置，仅设污泥回流系统，工艺流程如图1所示。
在运行中采用了两种容积比，缺氧：好氧为1：1或1：3。由表3可见，1：1的情况总氮去除率略高于1:3的情况，但并无明显的优势。缺氧区容积的设定首先应保证系统 在COD、BOD5、NH3-N、SS等方面有良好的去除率，故本工艺的1：3容积比是合适的， 污泥回流比为80%～100%。
该工艺进水COD、BOD5平均值为543和246mg/L，出水平均值为47和17mg/L，去除率分别达到91.3%和93.1%，进水NH3-N为30.2mg/L，出水为0.5mg/L，硝化率为98.2%，TN和TP的降解指标见表1。
AO工艺对总氮的去除已大为改善，出水TN在12mg/L左右，去除率达80%，TP的去除尚未达到较好水平，但相对于进水的9.6 mg/L，出水已有很大程度的降低，如果辅以其他方式的除磷，AO工艺是一种适合于老厂改进的方案。
3 连续流间隙曝气工艺
众所周知，SBR法中间歇曝气的方法有较好的去除氮磷能力。对于按传统活性污泥法设计的污水厂，不可能按SBR法运行。一是不可能间断进水，二是不可能从曝气池出水。因此，保留高浓度活性污泥法运行中已有的经验，只把连续曝气改为分时段曝气，保持正常流量的进出水，就可把这个改进后的工艺称为连续流间隙曝气工艺。
某污水处理厂设计能力27000m3/d，实际水量为15000m3/d，由于水量负荷低，故减少曝气量，缩短曝气时间，连续运转的鼓风机轮流给两组曝气池充氧，8h为一周期，运行参数见表2。
在生产性试验的运行期间，进行了三个不同工况的研究，其运行参数和结果见表3。
| 参数 | 工况A | 工况B | 工况C | |
| HRT(h) | 14.7 | 10.9 | 9.2 | |
| 曝气时间（h/d) | 12（每次4h） | 15（每次5h） | 15（每次5h） | |
| 非曝气时间（h/d) | 12(每次4h） | 9（每次3h） | 9（每次3h） | |
| MLSS（g/L) | 6.51 | 6.67 | 6.92 | |
| SVI(mL/g) | 49.3 | 46.7 | 45.6 | |
| COD污泥负荷[kgCOD/(kgMLSS.d) | 0.083 | 0.112 | 0.202 | |
| BOD5污泥负荷[kgBOD5/(kgMLSS.d) | 0.042 | 0.056 | 0.074 | |
| 气温（℃） | 16.5 | 14.7 | ||
| COD(mg/L) | 进水 | 329.3 | 340.1 | 535.2 |
| 出水 | 47.8 | 38.6 | 49.2 | |
| 去除率% | 85.5 | 88.7 | 90.8 | |
| BOD5(mg/L) | 进水 | 164.5 | 169.5 | 194.9 |
| 出水 | 14.0 | 13.8 | 15.2 | |
| 去除率% | 91.5 | 91.9 | 92.2 | |
| NH3-N(mg/L) | 进水 | 20.2 | 21.4 | 20.7 |
| 出水 | 2.9 | 3.5 | 4.1 | |
| 去除率% | 85.6 | 83.6 | 80.2 | |
| TN(mg/L) | 进水 | 36.3 | 37.6 | 39.8 |
| 出水 | 9.7 | 10.8 | 10.2 | |
| 去除率% | 73.3 | 71.3 | 74.4 | |
由表3可见，这三个工况的运行情况都很好，用于老厂的改造是完全可行的。出水COD和BOD5与工艺改进前相似，硝化率相似，TN、TP出水浓度大为降低，去除率达到72.5% 和74.6%，由于氮、磷的去除消耗了碳源，因而工艺改进前后BOD5、COD的去除机理不同。
活性污泥镜检发现，菌胶团密实，在团状结构中有不透光的核心。钟虫及采盖虫成株茂盛，数量极其多，很难发现游动型的后生动物如轮虫等。污泥指数小、污泥沉降性能好的原因 在于：①间隙曝气方式抑制了游动型后生动物的生长，菌胶团密实；②因超越初沉池，入流惰性物质与污泥絮体结合在一起，增加了污泥的体积质量；③保持50%以上的高回流比，污泥新鲜，利于沉降。
当气温下降至4 ℃左右，BOD5、COD的降解几乎没受影响，但硝化水平下降，出水NH3-N上升至7.6mg/L，去除率下降至68%，总磷的去除率下降至63.2%。
连续流间隙曝气工艺中，曝气时有机物部分被好氧微生物分解利用，部分由兼性微生物作糖元贮存；NH3-N被硝化杆菌最终氧化为NO3--N；溶解性磷盐被聚磷菌吸收。不曝气时，溶解氧被迅速消耗掉，开始了反硝化，入流带来的有机物以及被贮存的糖元作电 子供体在 反硝化菌的作用下还原NO3--N为N2；聚磷菌把低分子有机酸变为贮存在体内的PHB，并释放PO43-；活性污泥充分发挥其网捕和吸附功能，“过滤”污染物。
4 几种工艺氮的去除途径分析
氮的最终去除途径是生成N2或转化入污泥。假设实际消耗的碱度包括入流NH3-N硝化和有机氮氨化再硝化两部分，那么由NH3-N硝化的计算碱度与实际消耗碱度之差可以 推算出有机氮硝化消耗的碱度，从而推算出有机氮通过N2和污泥途径去除的量，确定总氮两种去除途径所占比例。各种工艺的计算结果如表4所示。
| 工艺 | △TN（mg/L) 流入-流出 | 有机氮（mg/L) 流入-流出 | 计算耗碱度（mg/L,CaCO3)计 | 实际耗碱度（mg/L) | N2途径（mg/L) | 污泥途径 （mg/L) | N2/△TN | 污泥途径/△TN |
| 传统工艺 | 29.0 | 22.0 | 163.0 | 215.0 | 21.6 | 7.4 | 74.5% | 25.5% |
| AO工艺 | 47.7 | 25.5 | 136.4 | 196.0 | 37.9 | 8.8 | 79.4% | 18.4% |
| 连续流间隙曝气 | 26.7 | 13.3 | 79.1 | 83.5 | 13.8 | 12.1 | 51.7% | 45.3% |
连续流间隙曝气工艺通过污泥途径去除的氮最多，因而该工艺脱氮对BOD5/TN的要求最低。
5 结论
① 传统活性污泥法经过较为简单的工艺改进后，具备了良好的生物除磷脱氮功能。
② 工艺改进后，可节省部分用于曝气的费用，但要求曝气系统有更好的供氧能力，即供氧速率高。
③ 由于城市污水中可被利用的有机物在保证脱氮(反硝化)之后所剩无几，若要确保出水总磷小于1mg/L，有必要增加辅助除磷措施，如在进二沉池前加药剂等。
④ 连续流间隙曝气工艺由污泥途径去除的氮远高于AO工艺，故间隙曝气工艺的脱氮对有机 物依赖性更小。
参考文献：
[1］ Schonberger R. Wat Sci Tech, 1990,22(7.8):45-51.
