关键词: A/O工艺;生活污水;无动力污泥回流;脱氮

                   随着城镇化发展和居民生活水平逐步提高，村镇地区用水量及污水排放量均呈逐年增加趋势。相对于城市污水较高的收集和处理率，我国建制镇和乡的污水治理相对滞后，大量村镇生活污水未经处理直接排放，严重影响了村镇人居环境和居民身体健康.而随着村镇人居环境整治步伐加快和国家相关环保政策陆续颁布实施，村镇污水处理设施建设正在快速推进中。当前，对于处理规模属于百吨级或千吨级的村镇污水处理场站，总氮仍被作为一个主要的污染物控制指标。污水处理中传统的生物脱氮工艺包括A/O、A2/O、短程硝化反硝化和厌氧氨氧化等工艺。相对于其他工艺，A/O 具有流程简单、构筑物少、基建费用节省、运行费用低、易于操作维护等特点，被认为是最简单的生物脱氮工艺，近年来被广泛应用于城市污水和工业废水处理,以及污水处理厂提标改造.笔者以A/O工艺作为生化反应的主体工艺，同时借鉴三相分离器的设计,将斜管沉淀池和三相分离器在空间上优化组合后作为好氧区后端的固液分离区，通过将缺氧区、好氧区和固液分离区合理集成为一体化设备，在一个反应器内同时实现除碳脱氮、泥水分离和无动力污泥回流。中试实验以实际生活污水为处理对象，考察不同运行条件下的除污效果，旨在为村镇生活污水治理提供技术和设备支撑。

                 1 材料与方法

                   1.1 实验装置

                     中试实验装置采用 4 mm 碳钢板制作，工艺流程如图 1 所示。实验装置由缺氧区、好氧区和固液分离区 3 部分组成，采用一体化合建式（如图 2 所 示），设计处理量130 m3/d。其中，缺氧区尺寸为2 015mm×2 015 mm×5 700 mm，有效容积21.5 m3；好氧区尺寸为 2 900 mm×2 900 mm×5 700 mm，有效容积32.5 m3。固液分离区采用模块化集成安装于好氧区，上部为斜管沉淀池结构，下部为三相分离器结构，以使泥水分离的同时，污泥无动力回流至好氧区。缺氧区采用桨式搅拌机搅拌，好氧区采用 Ф215 mm盘式微孔曝气器曝气。格栅调节池中生活污水经提升泵提升进入中试实验装置缺氧区处理后，由底部连通管进入好氧区，好氧区中设有硝化液回流管，利用潜污泵将硝化液从好氧区回流至缺氧区进水端。

                 好氧区泥水混合液经导流槽进入固液分离区中进行泥水分离，污泥自回流至好氧区中，处理后的清水通过固液分离区上部集水堰排至设备外，污泥通过设备底部穿孔排泥管定期排出。

                  1.2 实验水质

                 实验用水取自十堰市某城镇污水处理厂格栅调节池出水，实验期间进水水质和设计出水标准见表1。 

                   1.3 实验方法

                   实验于 2019 年 9 月～2020 年 1 月进行，为期 4个月，共分为 3 个阶段。其中 S 为污泥接种和设备启动阶段；Ⅰ为进水水温在 12 ℃以上运行阶段；Ⅱ为进水水温降至12 ℃以下后，适当增大气水比和硝化液回流比的运行阶段。各实验阶段工艺条件设置见表2。

                    实验主要对比了不同进水水温、气水比和硝化液回流比条件下中试实验装置对生活污水的处理效果。实验期间，对中试实验装置进出水COD、NH3-N、TN、TP和SS进行了检测，同时对进出水和生化区内的NO3--N、DO、水温和MLSS进行了监测。 

                    1.4 分析方法

                     COD 采用重铬酸钾法测定，NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法测定，TN 采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定，NO3--N 采用紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定，SS和MLSS采用重量法测定，DO 和水温通过便携式溶解氧仪（Hach，HQ30d）测定。

                   2 结果与讨论

                    2.1 对COD的去除效果

                     实验期间进出水 COD 的变化及去除率如图 3 所示。可以看出，阶段Ⅰ进水COD为110～463 mg/L，出水为 15～35 mg/L，去除率为 82.78%～95.12%；阶 段Ⅱ进水 COD 为 185～385 mg/L ，出水为 27～37mg/L ，去除率为85.41%～91.17%。阶段Ⅱ进水水温降低以及气水比提高后，出水 COD 略有增加（出水COD平均值由25 mg/L 增至33 mg/L），COD去除率略微降低（去除率平均值由91.92%降下至89.00%），原因为水温降低以及曝气量提高后，污泥略有膨胀，导致出水悬浮物增多，设备对COD的去除能力随之下降，但整个实验阶段出水 COD 保持在 50 mg/L 以 下，可达到一级A标准，说明中试实验装置对水质冲击和水温变化有较好的适应能力。

                     2.2 对NH3-N的去除效果

                     实验期间进出水 NH3-N的变化及去除率如图 4所示。可以看出，阶段Ⅰ进水NH3-N质量浓度为15.1 ～33.4 mg/L，出水质量浓度为 0.1～4.3 mg/L，去除率为 83.47%～99.58%；阶段Ⅱ进水 NH3-N 质量浓度为 16.1～30.2 mg/L，出水质量浓度为1.0～6.8 mg/L， 去除率为 77.48%～95.38%。阶段Ⅱ进水水温降至12 ℃以下，增大气水比后，出水 NH3-N 质量浓度略有增加，原因为水温降低导致硝化菌活性减弱，NH3-N 去除率降低。阶段Ⅰ出水 NH3-N 质量浓度稳定在 5 mg/L 以下，阶段Ⅱ出水 NH3-N 质量浓度稳定在8 mg/L以下，均能达到一级A标准。

                    2.3 对TN的去除效果

                     实验期间进出水 TN 的变化及去除率如图 5 所 示。可以看出，阶段Ⅰ进水 TN 质量浓度为 22～42mg/L，出 水 质 量 浓 度 为 10～15 mg/L，去 除 率 为51.85%～68.75%；阶段Ⅱ进水 TN 质量浓度为 25～39 mg/L，出水质量浓度为 10～15 mg/L，去除率为55.17%～65.79%。阶段Ⅱ进水水温降至12 ℃以下后，将硝化液回流比从200%提高至220%，TN去除效果仅略微降低（出水TN质量浓度平均值由13 mg/L升 至 14 mg/L，去除率平均值由 63.49% 降至 60.03%），出水TN质量浓度仍能稳定在15 mg/L以下，达到一级A排放标准。

                        2.4 NO3--N的变化

                        实验期间进出水和生化单元中 NO3--N 的质量浓度如图6所示。可以看出，阶段Ⅰ缺氧区NO3--N质量浓度为 0.8～5.5 mg/L（平均值 3.2 mg/L），出水NO3--N质量浓度4.5～11.5 mg/L（平均值7.9 mg/L）；阶段Ⅱ水温降至12 ℃以下，硝化液回流比提至220% 后，缺氧区 NO3--N 质量浓度为 1.9～4.4 mg/L（平均值 3.1 mg/L），出水 NO3--N 质量浓度 5.9～8.6 mg/L（平均值 7.2 mg/L），表明缺氧区内的反硝化作用较为完全，出水 TN 可达到一级 A 排放标准。实验期间出水NO3--N的质量浓度仍较高，表明中试实验装置的脱氮能力仍可进一步提高。一方面，可通过改变好氧池硝化液收集回流方式，将更多的NO3--N回流至缺氧区中；另一方面，在出水 TN 超标的情况下，可考虑在缺氧区补加碳源，从而进一步提高 TN的去除率。

                       2.5 对TP的去除效果

                         实验期间进出水 TP 的变化及去除率如图 7 所 示。阶段 I实验装置污泥龄维持在 16～20 d，阶段Ⅱ实验装置污泥龄提至 21～25 d。从图 7 可以看出，阶段Ⅰ进水 TP 质量浓度为 3.30～7.30 mg/L，出水质量浓度为0.30～0.87 mg/L，去除率87.75%～91.88%；阶段Ⅱ进水 TP 质量浓度为 3.50～7.20 mg/L，出水质量 浓 度 为 0.60～0.97 mg/L，去 除 率 为 82.56%～87.39%，实验期间出水 TP 质量浓度不能稳定在 0.5mg/L以下。阶段Ⅱ进水水温降至12 ℃以下后，出水TP 质量浓度明显增加（出水 TP 质量浓度平均值由0.59 mg/L 升至 0.78 mg/L），TP 去除率也相应下降（TP去除率平均值由90.50%降至85.19%）。分析原因为阶段Ⅱ曝气强度增大后，污泥略有膨胀，出水悬浮物增加，部分 TP 附着在悬浮物上随出水流出；同时为维持实验装置内必要的污泥浓度，阶段Ⅱ反应器污泥龄增大，导致部分TP不能及时排出。在实际项目应用中，可考虑在该处理装置后端增设混凝沉淀单元，并根据装置处理出水情况投加化学药剂辅助除磷。此外，中试实验装置基于 A/O 工艺进行设计，以脱氮为主。中试实验装置处理出水TP质量浓度虽不能稳定在 0.5 mg/L 以下，但仍表现出较好的除磷效果。分析原因可能为中试实验装置A池在实际运行中形成了垂直分区的缺氧-厌氧功能区（上部为缺氧区，下部为厌氧区），实际形成了以倒置 A2/O工艺为基础的运行模式。倒置 A2/O 工艺有利于提高缺氧池对碳源的利用率，提升系统反硝化脱氮能力，同时避免了硝酸盐对厌氧环境的不利影响，增加好氧池的吸磷动力，从而有利于系统除磷效率的提高.

                     2.6 对SS的去除效果

                     实验期间中试实验装置进出水 SS 的变化及去除率如图8所示。可以看出，阶段Ⅰ进水SS质量浓度为 226～530 mg/L，出水质量浓度 9～26 mg/L，去除率为 93.81%～98.06%；阶段Ⅱ进水 SS 质量浓度为194～405 mg/L，出 水 为 18～34 mg/L，去 除 率 为88.89%～91.60%，出水 SS 不能稳定在 10 mg/L 以 下。阶段Ⅱ进水水温降至12 ℃以下后，出水SS质量浓度略有增加（出水 SS 平均值由 16 mg/L 升至 27mg/L），SS 去除率也相应下降（SS 去除率平均值由95.84% 降至 90.59%）。分析原因为阶段Ⅱ曝气强度增大后，污泥略有膨胀，导致出水悬浮物增加。在实际项目应用中，可考虑在该处理装置后端增设混凝沉淀单元，并投加化学药剂，在进行化学辅助除磷的同时进一步去除悬浮物。

                     2.7 污泥质量浓度的变化

                     实验期间中试实验装置中生化区MLSS的变化如图 9 所示。可以看出，阶段Ⅰ缺氧区 MLSS 质量浓度为 3 302～4 310 mg/L（平均值 3 732 mg/L），好氧区MLSS为5 034～6 454 mg/L（平均值5 521 mg/L）；阶段Ⅱ实验装置污泥龄从 16～20 d 提高至 21～25 d 后，缺氧区 MLSS 为 3 310～3 692mg/L（平均值 3414 mg/L），好氧区 MLSS 为 4 704～5 008 mg/L（平均值 4 868 mg/L）。阶段Ⅱ进水水温降至 12℃以下后，生化区污泥浓度有所降低，原因为水温降低后微生物活性及增殖能力减弱［8］。因此在冬季运行时，为维持装置的正常运行，需采取增大曝气量和延长污泥龄等措施，维持装置内微生物的活性及总量。

                   2.8 DO和水温的变化

                   DO对生化区中微生物的活性起到重要影响.好氧区的 DO 取决于气水比，适宜的气水比能使好氧区内污泥完全处于悬浮状态，利于好氧菌的生长。缺氧区的 DO 取决于搅拌机转速，适宜的搅拌机转速在保持污泥悬浮的同时，也为兼性菌提供了良好的生存环境。阶段Ⅰ进水 DO质量浓度为 0.13～1.06mg/L，缺氧区DO质量浓度为0.20～0.42 mg/L，好氧区DO质量浓度为0.96～1.32 mg/L；阶段Ⅱ水温降至12 ℃以下后，将中试实验装置好氧区的气水比从3： 1～4：1 提高至 3.5：1～4.5：1 后，进水 DO 质量浓度为 0.27～0.84 mg/L，缺氧区 DO 质量浓度为 0.33～ 0.49 mg/L，好氧区DO质量浓度为1.36～1.69 mg/L。

                     好氧区内 DO 的平均值由阶段Ⅰ的 1.08 mg/L 升至1.48 mg/L，装置内的硝化作用得以正常进行。水温是影响硝化和反硝化速率的重要因素。阶段Ⅰ进水水温为 12.2～21.3 ℃，缺氧区水温为 12.2 ～21.5 ℃，好氧区水温为 12.1～21.5 ℃；阶段Ⅱ进水水温为 10.6～11.9 ℃，缺氧区水温为 9.0～11.8 ℃，好氧区水温为 8.7～11.7 ℃，水温降低后，采取了增大气水比、延长污泥龄和提高硝化液回流比等措施，保证装置内生化作用的正常运行。在实际工程应用中，为应对水温降低带来的不利影响，除采取上述措施外，还可通过适当延长水力停留时间来保证系统的稳定运行。

                        3 结 论

                         进水水温 12.2～21.3 ℃，处理水量为 130 m3/d，中试实验装置缺氧区水力停留时间 4.0 h，好氧区水力停留时间 6.0 h，气水比 3：1～4：1，硝化液回流比200%，固液分离单元表面负荷 1.5 m3（/ m2·h），系统出水COD 、NH3-N和TN均能稳定达到一级A标准。

                    进水水温 10.6～11.9 ℃，中试实验装置的水力停留时间和固液分离单元表面负荷不变，气水比提至 3.5：1～4.5：1，硝化液回流比提至 220%，系统出水COD、NH3-N和TN亦能稳定达到一级A标准。

                    斜管沉淀池和三相分离器组成的固液分离区能起到良好的泥水分离效果，同时无动力污泥回流能够将中试实验装置中好氧区的 MLSS 维持在 4 700mg/L 以上，缺氧区的 MLSS 维持在 3 300 mg/L 以 上，保证稳定的脱氮效果。在实际工程应用中，可考虑在该装置后端增设混凝沉淀单元，从而强化对TP和SS的去除。

                    原标题：基于A/O工艺的高效污水处理装置中试研究

                    原作者：林 明，刘 雷，左 晶，王 磊，毛克威，梅立永