A/O工艺不用内回流降低回流比的研究与实践

姚彬 张幼珍 刘至嘉
（上海松江污水处理厂）

1　概述

　　A/O工艺的传统概念是：污水中含氮化合物在曝气池O段内被氧化为硝酸盐，通过回流把含大量硝酸盐的O段出水和二沉池底泥回流到A段，利用进水中的碳源进行反硝化脱氮。其工艺简图为：

　　总氮去除率与回流比的简略计算(1)（假定含氮化合物在O段100%氧化为硝酸盐；假定硝酸盐在A段100%被反硝化去除；并忽略细菌同化合成去除的氮），其算式为：

　　η=［(Rm+Rs)·Q］/[Q+(Rm+Rs)·Q]=(Rm+Rs)/[1+(Rm+Rs)]　　　　　（1-1）
　　式中：η 系统的总氮去除率（%）
　　　　　Rm 混合液回流比（%）
　　　　　Rs 二沉池污泥回流比（%）
　　　　　Q 进水流量（m3/d）

　　由式1-1可见：要使系统的总氮去除率达到75～80%，总回流比（Rm+Rs）需达到300～400%。
　　为避免大量的底部回流对二沉池工作稳定性产生影响，传统A/O工艺均设置两套回流系统，即在设二沉池底部污泥回流（外回流）系统之外，在曝气池出口再加设混合液回流（内回流）系统。外回流回流比一般为50～100%，内回流比一般为200～300%。设备多，运行电耗大。本次研究着眼于简化A/O工艺，减少回流系统，降低回流比。

2　二沉池底泥回流率对二沉池工作影响的研究。

　　加大二沉池底泥回流率，虽出水量不变，但必然加大二沉池的进水量和排泥造成的扰动，可能对二沉池的工作稳定性产生影响。
　　在与同济大学等单位合作的《城市污水生物脱氮除磷的研究》中，曾在中试规模的二沉池中，对不同底部回流比时，二沉池SS浓度场进行了测定。（2）中试二沉池为平流式，池长6.0米，宽1.35米，有效水深1.9米，纵向两个泥斗，斗深1.0米，斗底设潜污泵排泥回流。测定时二沉池表面负荷1.23m3/m2·hr。在回流比R=1.5、2.5、3.5时，二沉池内SS的等浓度曲线见图2（a）（b）（c）。

　　由图2可见，二沉池内的等浓度曲线，虽回流比不同，但都呈水平状态，说明二沉池属成层（拥挤）沉降状态。二沉池的泥面（SS=1.0克/升）在不同回流比条件下，均在水面下0.6～0.7米处，每种回流比均运行二次，每次15天，实测出水SS均小于20mg/L，说明工作都很稳定。等浓度曲线在回流点上方有下垂现象，回流比越大，下垂越明显，说明增大回流比，仅此使回流污泥下降，无污泥紊动上翻现象。
　　以上测定结果证明，加大二沉池底部回流，即使回流比达350%，对二沉池的工作稳定性和出水SS均无影响。故A/O工艺中，只用一套回流系统，通过增加外回流来代替内回流是可行的。

3　曝气池好氧区同步反硝化作用的研究

　　上海松江污水厂的A/O曝气池，采用高浓度活性污泥法，MLSS控制在4～6克/升，MLVSS 控制在2.5～4.2克/升。好氧区在运行中经多次测定，均发现存在明显的同步反硝化现象。
　　表1和图3为某次较具代表性的曝气池好氧区分段测定结果。测点1、2、3、4分别为好氧区进口、1/3处、2/3处和出口。

表1 曝气池好氧段各点溶解性氮浓度（mg/L） 测点 1 2 3 4 有机氮 4.55 3.50 1.03 0.66 NH3-N 14.5 8.70 3.42 1.14 NO2-N 0.3 0.16 0.13 0.06 NO3-N 0.25 3.62 7.15 8.36 TKN 19.05 12.20 4.45 1.80 TN 19.60 15.98 11.73 10.22

注：表中有机氮浓度由（TKN）－（NH3-N）计得
TN由（TKN）+（NO2-N）+ （NO3-N）计得
其他数据为混合液过滤后实测

　　测定时，总进水口TKN为54.2mg/L，总进水量39300m3/d，回流比为116%，好氧段水力停留时间10.9小时，曝气池MLSS 5.2克/升，泥龄20天左右。
　　由表2和图3可见，经缺氧段的反硝化作用，进入好氧段时，硝酸盐浓度仅0.25mg/L。污水中的氮主要是以氨氮和有机氮形式进入好氧段，在好氧段中被氧化和硝化，故浓度逐渐下降，同时硝酸盐明显上升，出口处达8.36mg/L。
　　按传统观念，在好氧段中，除微生物细胞合成之外，总氮不会明显变化。实测结果是：总氮TN浓度在好氧段内出现了明显的下降。由进口19.6mg/L下降到出口10.22mg/L。按泥龄和排泥量计算，由细胞合成随剩余污泥排出的氮量，使好氧段的总氮降低4.41mg/L。其差额19.6-10.22-4.41=4.97mg/L的氮只能是通过同步反硝化作用从污水中逸出，进入大气。同步反硝化去除的氮占进入好氧段总氮的25.3%。好氧段氮平衡见图4。

表2 上海松江污水处理厂脱氮运转水质汇总表 年/月 日处理水量(m³/d) 平均回流比(%) BOD₅ COD_cr TKN NH₃-N NO₂^--N NO₃^--N TN 曝气池
MLSS
(mg/L) 进水 出水 进水 出水 进水 出水 进水 出水 进水 出水 进水 出水 进水 出水 00/3 38600 118 372±224 15.0±6.6 1045±590 57.4±12.0 76.5 4.4 20.7±4.4 3.1±3.8 0.03±0.02 0.06±0.06 1.3±0.4 8.2±2.2 77.8 12.7 3972±814 00/4 37100 123 344±160 16.1±6.3 1035±589 73.9±11.5 58.9 9.2 25.6±3.5 8.7±4.9 0.04±0.02 0.08±0.03 1.2±1.1 4.5±3.2 60.1 13.8 4629±578 00/5 33300 137 223±105 4.5±10.4 556±320 62.0±26.5 51.7 11.1 27.4±6.0 110.6±13.6 0.04±0.03 0.34±0.31 2.0±2.6 8.0±4.1 53.7 19.4 63891±613 00/6 34900 131 199±70 8.0±5.3 617±352 51.4±23.6 60.8 2.2 21.5±3.5 1.5±1.0 0.05±0.03 0.13±0.07 1.6±2.7 8.9±1.2 62.5 11.2 5785±905 00/7 34300 133 211±57 8.5±5.2 756±283 56.6±17.4 64.5 2.2 22.4±3.4 1.5±1.1 0.02±0.03 0.08±0.07 0.9±0.1 9.1±1.3 65.5 11.4 1967±485 00/8 38950 117 212±83 8.4±5.2 803±337 51.1±19.5 61.2 2.0 20.4±4.9 1.1±0.9 0.03±0.01 0.02±0.01 0.5±0.5 10.3±1.5 61.7 12.3 4396±575 00/9 37000 123 189±61 9.7±3.8 609±376 49.1±13.7 55.8 1.4 19.9±3.4 0.9±0.6 0.01±0.03 0.04±0.03 1.0±0.7 9.4±1.8 56.8 10.8 4049±510 00/10 38300 119 163±49 8.1±4.4 373±107 54.0±15.7 46.3 1.5 19.7±2.8 0.9±0.6 0.03±0.03 0.09±0.08 1.6±1.1 8.3±2.1 47.8 9.9 4434±411 00/11 37600 121 177±81 8.7±6.8 465±169 53.8±16.3 45.1 1.4 20.9±4.3 0.8±0.5 0.02±0.02 0.02±0.02 1.2±0.5 9.1±1.1 46.3 10.5 4825±403 00/12 39850 115 202±89 9.5±6.2 575±334 50.6±13.9 44.7 1.7 19.6±5.1 1.2±1.1 0.04±0.03 0.05±0.04 1.4±1.2 9.3±2.9 46.1 11.0 4487±682 01/01 37500 122 236±54 10.5±4.9 767±283 57.5±14.1 65.2 2.0 19.8±4.4 1.4±0.9 0.09±0.07 0.06±0.02 0.9±0.5 10.0±1.9 66.2 12.1 4401±430 01/02 38650 118 291±131 11.7±5.7 1014±565 51.5±15.0 54.8 7.1 21.0±4.7 6.0±3.9 0.06±0.03 0.06±0.02 1.7±2.6 5.5±2.2 56.5 12.7 5092±636

注：表内TN值为（TKN）+（NO2-N）+（NO3-N）值之和。TKN因数据较少，只计均值。
其余数据均由每日监测数据统计而得。

　　好氧段的同步反硝化作用在中德合作《城市污水生物脱氮除磷的研究》中曾多次发现和利用，并应用该原理进行了《低氧曝气污水脱氮》的课题研究。（3）原理解释是：微观活性污泥颗粒，外层是好氧微生物，而内层因氧传递的浓度梯度的作用出现低氧或缺氧层。硝酸盐在污泥颗粒的内层部分被反硝化。产生同步反硝化的条件是：活性污泥浓度较高，溶解氧在2mg/L以下。
同步反硝化在A/O工艺中具有重要意义。由图4的氮平衡图可见，进入好氧段的TN，经排泥带出和同步反硝化逸出，去除了将近一半。好氧段出水的硝酸盐浓度比传统理论降低了近一半，故回流比可大大减小。以本次测定的结果为例，回流比仅116%，氮的总去除率（不计二沉池中的反硝化）（54.2-10.2）/54.2=81.2%，出水TN 10.22mg/L，优于GB8978-1996一级排放标准（TN不大于15 mg/L）的指标。同样，充分发挥好氧区的同步反硝化作用，可大大减少A/A/O工艺中硝酸盐对厌氧释磷的影响，回流比也可相应减小。

4　实际运转结果

　　上海松江污水厂二期工程，A/O曝气池容积25000m3，其中缺氧段占25%。二沉池为四座直径35米的幅流式沉淀池。只设二沉池底泥回流，无混合液回流系统。
　　进水水质较浓，特别是接纳了部分禽畜场污水，TKN和有机氮较高。2000年全年的运转结果汇总于表2。
　　长期生产运转实践证明，A/O系统只用二沉池底泥回流，回流比115～140%，虽进水浓度较高，出水水质仍较好（2000年5月份因设备调整运行不正常），BOD5去除率95%左右，出水CODcr小于60，出水总氮小于15，优于排放标准。总氮去除率80%左右。运行也较稳定。

5　结论

　　通过试验和长期生产运转证明：
　　（1）A/O工艺不用混合液回流（内回流），只用外回流，通过二沉池底泥回流来完成全部回流，对二沉池工作的稳定性无影响。故A/O工艺设施可简化。
　　（2）控制曝气池DO和MLSS，充分发挥好氧区同步反硝化作用，A/O工艺的回流比可降低到120～150%，从而降低污水厂的运行费用。
　　（3）同步反硝化的机理和条件值得进一步研究和利用。

参考文献

　　1 钱易 米祥友.“现代废水处理新技术”，中国科技出版社
　　2 毕学军 刘至嘉等。《城市污水生物脱氮除磷A/A/O工艺中试研究》 同济大学-达姆斯达特大学学术交流会论文集，1997年
　　3 朱晓军 高廷耀等.《低氧活性污泥法脱氮除磷工艺生产性研究》 同济大学-达姆斯达特大学学术交流会论文集，1997年