AB工艺的运行原理与特性

出　　自：《中国给水排水》 2002年第9期第40页
发表时间： 2002-9

郑兴灿

(中国市政工程华北设计院)

一、前言

　　目前，AB法在欧洲已经得到广泛应用，到1987年止，已经有22家AB法污水处理厂投产，21家在建设和规划中。近年来，国内有关单位也对AB法进行了研究，并取得了一些成果，实践证明该工艺是近代污水处理技术中的一项新发展。AB工艺由A级曝气池、中间沉淀池、B级曝气池和最终沉淀池组成。AB工艺的主要特征是:
　　1.A级污泥负荷很高，B级污泥负荷较低。
　　2.A级和B级的微生物群体特性明显不同，并通过互不相关的两套回流系统严格分开。
　　3.不设一沉池，使A级成为一个开放性的生物动力学系统。
　　4.A级可以根据污水组分的不同实行好氧或缺氧运行。

AB工艺的典型设计参数　表1

二、AB工艺的运行机理

1.A级对BOD、COD和SS的去除
　　实际上AB工艺是由城市排水管网和污水处理厂构成的处理系统。城市居民连续不断地排泄细菌，其中约5-10%的细菌能在好氧/兼性厌氧条件下存活和增殖。在排水管网中发生细菌的增殖、适应和选择等生物学过程，使原污水中出现生命力旺盛、能适应原污水环境的微生物群落。因此，城市污水实质上是污染物和微生物群体的共存体。在AB工艺的A级中充分利用了原污水中存在的生物动力学潜力。泰安市污水处理试验中观测到的现象表明，A级对BOD和COD的去除不是以细菌的快速增殖降解作用为主，而是以细菌的絮凝吸附作用为主。静态试验表明原污水中存在大量已适应原污水的微生物，这些微生物具有自发絮凝性。当它们进入A级曝气池后，在A级内原有菌胶团的诱导促进下很快絮凝在一起，絮凝物结构与菌胶团类似，絮凝的同时絮凝物与原有的菌胶团结合在一起，成为A级污泥的组成部分，并具有较强的吸附能力和极好的沉降性能。被絮凝的微生物量与A级污泥浓度有关，污泥浓度低于1g/L时，絮凝效果差。与絮凝吸附发生的同时，微生物出现程度有限的增殖，这种增殖可能与A级污泥的促絮凝作用(或物质)的产生有关。根据泰安市污水处理试验，进水中以SS形式表达的微生物量按150mg/L计，A级出水微生物量为70mg/L。那么A级中由进水微生物形成的污泥浓度Xi可按下式计算:
　　Xi=Q△SQ c /V
式中:Q——进水流量；
　　Q c ——A级的泥龄；
　　△S——A级截留的微生物量；
　　V——A级曝气池体积。
　　将各项数据代入上式:
　　Xi=4L/h×80mg/L×10h/2L =1600mg/L。
　　A级的实际污泥浓度为2000mg/L，也就是说A级污泥中进水微生物占80%左右，仅20%左右由增殖作用产生。因此，A级中絮凝去除占A级BOD去除的65%左右，吸附和增殖导致的去除约占35%。增殖作用去除的BOD基本上是溶解性BOD。
2.A级对难降解物质的去除
　　当进水是城市生活污水与工业废水的混合水或只是工业废水时，污水中往往含有许多难降解物质，比如多环芳香族的化合物、卤代烃。若完全用好氧方法处理，不仅消耗大量氧气，而且BOD去除往往达不到所要求的指标。当进水中难降解物质含量高时，A级实行缺氧运行，在这种情况下，A级中的一部分微生物能通过厌氧消化和不完全氧化等方式把BOD 5 检测不出、COD可以检测出的难降解有机物转化成BOD 5 易检出的易降解有机物，这种转化在好氧条件下往往难以实现。
3.A级的抗冲击负荷能力
　　A级中的微生物群体对有机污染物和毒物的冲击负荷有显著的缓冲能力，冲击负荷停止后A级能很快地恢复正常，因此A级的存在使进水水质的变化、污染物和有毒物质的冲击负荷不影响后续工艺的稳定运转。
　　A级的抗冲击负荷能力除了与吸附作用有关外，还与下面两种生物学过程密切相关。
　　(1)微生物突变
　　活性污泥中的任何细菌群体都能以各种各样的方式对环境变化作出反应。新环境形成的初期，不适应新环境的细菌死亡，随后从系统中消失。与此同时，新环境为其它细菌的优势增殖提供了有利条件。适应性细菌的重要来源是突变，致突变物质能导致突变，即遗传物质发生变化。这些突变中仅千分之一是能存活的正突变，其余都是致死突变。考虑到A级内活性污泥中细菌数量很高，在每一人口当量中每日出现7.5×10 5 个正突变是可能的。除X射线和Y射线外，亚硝酸盐等化学物质也是诱变物质。污水中普遍存在的酸、碱和有毒物质的长期影响也能诱发突变。突变为活性污泥适应新环境、降解难降解物质提供了生物遗传学基础。而A级污泥对毒物的抗性则来源于:
　　(2)质粒的转移
　　在医疗方面，质粒转移往往造成抗药性基因的迅速传播，从而造成医疗困难，AB工艺中的A级环境特别有利于质粒的转移。质粒是环形的DNA分子，它们不受染色体支配，能侵入菌体并利用菌体的复制系统自我复制增殖。质粒普遍携带抗性基因，有的质粒还携带一般细菌不具备的特殊基因，如降解PCB的基因。众多的质粒构成了细菌的抗性基因库和降解特殊有机物的基因库。在选择性工艺环境中(如冲击负荷)，质粒的抗毒性基因和降解特殊物质基因赋予细菌明显的优势。在正常的细胞分裂中，质粒能传给子细胞。质粒还能通过接合作用以携质粒细菌转移到无质粒细菌内，接合过程不受细菌种属和质粒来源的限制，A级中高密度悬浮细菌的存在对接合有利。在A级中占优势地位的肠道细菌的接合过程需花费1.5-2.0h。假设A级泥龄为8h，那么在A级微生物中至少能发生4次接合，在此期间约10%的细菌受到质粒侵入。质粒在活性污泥中的传播，提高了活性污泥对环境变化、特别是化学变化的抗性。对污水处理厂(特别是工业废水处理厂)来说，处理效果和工艺稳定性的好坏与质粒的存在与否密切相关。
4.AB工艺与氮、磷去除
　　由于水体富营养化和水资源短缺问题日益严重；许多污水必须经过除磷脱氮处理，然后排入水体或回用。如果用其它工艺取代AB工艺的B级，可以使AB工艺具有深度处理效果。
　　(1)具有脱氮功能的AB工艺
　　在这类工艺中，B级由好氧工艺变成前置反硝化工艺(例如缺氧/好氧工艺)。
　　A级对氮和有机物的去除比常规机械处理高许多倍，明显改善了B级的硝化条件，使B级污泥中硝化菌比例明显提高，硝化速率随之大幅度提高，曝气区体积可以相应降低。对反硝化来说，可以通过改变A级的污泥负荷和运行方式调节A级的去除率，使反硝化所需的BOD 5 /TN比值(3左右)得到最优调节。试验结果表明B级污泥中，反硝化菌比例比常规生物脱氮系统的污泥高，反硝化率高2~3倍，例如，ARAkrefeld污水处理厂的B级污泥在无外加碳源的情况下反硝化速率为6.3mgNO 3 -N/gMLSS·h。由于具脱氮功能的AB工艺硝化和反硝化速率高，工艺总体积比常规生物脱氮工艺节省20%左右。
　　(2)具有除磷功能的AB工艺
　　由于污泥含磷量较高，排泥量大，A级能去除进水总磷的20~50%。如果把B级换成厌氧/好氧(A/O)除磷工艺，工艺终沉出水的磷浓度将很低(0.5mg/L以下)。也可以在B级中增设化学法除磷。前者的投资费用比普通活性污泥法低10%左右，后者则高5~20%。前者的运行费用比普通活性污泥法低10~20%，后者则高10%以上。
　　(3)AB工艺与生物除磷脱氮工艺的结合
　　泰安市污水处理厂将采用这类工艺，工艺流程由A级加生物除磷脱氮工艺(如A/A/C改良工艺)构成。对原污水水质波动大，BOD 5 和BOD 5 /TN比值高的污水来说，这类工艺不但能保证处理效果达到要求，而且工艺稳定性高、节能效果明显。

三、AB工艺的技术经济分析及其在我国应用的可能性

　　试验和生产性实践已经证实A级能去除40~50%，甚至70%的BOD 5 和10-30%的总氮，使工艺过程耗氧量减少30-40%，总运行费用下降20%左右，基建投资降低15-20%，处理效果优于常规工艺，具有良好的经济效益和环境效益。
　　具有高级处理功能的AB工艺与其它高级处理工艺相比，有节能、工艺稳定性高等优点。A级的设置为后续工艺提供了强有力的保护和支持。泰它市污水处理试验结果表明，当BOD 5 /TN和BOD 5 值偏高时，其生物除磷脱氮功能的AB工艺与单纯生物除磷脱氮工艺相比，运转费用下降20%左右，BOD、COD、SS、TN和TP的去除率分别高于96%、90%、95%、80%和96%。进水BOD 5 /TN比值偏低时，为了避免碳能源不足，原污水可直接进入生物除磷脱氮工艺，保证出水水质达到要求。
由于A级污泥主要由进水补充和接种，并且泥龄很短，因此A级污泥不需要培养和驯化过程，A级的停与转，可以随时进行并很快进入正常状态，不影响处理效果。管理上不存在困难。
　　A级节能的另一方面是A级污泥产率高、污泥有机物含量高达65%以上，产气率和产气量也必然增加。沼气用于发电和供热能使污水处理厂的能源得到部分自给。
1.超负荷污水处理厂的改造
　　我国污水处理厂的建设速度远远达不到实际需要。处理厂往往超负荷运行，造成一系列问题。如果把它们改成AB工艺就能较大幅度提高污水处理厂的处理能力。德国和奥地利的生产性实践已经证明此法行之有效，改造投资极小，经济效益显著。只要把原沉砂池硝加改动，成为A级曝气池，初沉池作为中间沉淀池，再装一套回流系统即可。
2.AB工艺与新厂建设
　　目前，我国建设大型污水处理厂，往往因资金严重不足，而必须分期进行，下面是一个较理想的分期实施方案:
　　第一期:机械处理(一级)
　　第二期:具有半生物效应的机械处理，即AB工艺的A级(一级半)
　　第三期:二级处理和部分硝化(AB工艺)
　　第四期:高级生物处理(高级AB工艺)
　　在该实施方案中，先建高速率的A级处理特别适合我国国情，因它能缓和建设资金严重不足问题，并能使大量污水得到处理。这是因为A级去除率虽然只有60%左右，但处理单位BOD 5 的费用很低，低于普通活性污泥法的一半，基建投资也低于普通活性污泥法的一半。待资金充足时，很容易续建B级。
3.AB工艺的设计要点
　　A级正常运行的必要条件是原污水中必须有足够的已经适应该污水的微生物。在城市污水中，这些微生物基本上来自人类排泄物。由于A级的去除效率高低与进水微生物量直接相关，因此A级之前不宜设置初沉池。在工业废水和某些城市污水中，已经适应污水环境的微生物浓度很低或微生物絮凝性很差，A级效率明显下降。对这类污水来说，不宜采用AB工艺。
　　为了充分利用絮凝性和吸附效应，保证A级高效运行，A级停留时间最好控制在25~30 分钟，停留时间增加反而不利。A级的最佳污泥负荷是3-4kgBOD 5 /kgNLSS·d。污泥浓度过低或过高对A级运行均不利，控制在2-2.5g/L效果较佳。泥龄的控制取决于污水特性和A级的污泥浓度，在A级中污泥浓度基本上与泥龄成正比关系，最佳泥龄控制应通过试验或生产实践求得。
　　A级污泥沉降性能极佳，SVI值低于50，因此中间沉淀池水力停留时间，可控制在1.5h以内，污泥回流比控制在70%以内。
B级的设计与常规方法相同，必须注意的是，设计B级时，进水水质应采用A级出水水质；设计高级AB工艺时，应保证B级进水的BOD 5 /TN比值≥3。对BOD 5 /TN在3左右的污水来说，设置A级对生物除磷脱氮不利，不宜采用高级AB工艺(物理或化学法除磷除氮例外)。
在国内，污泥处置是一个令人头痛的问题。由于AB工艺产泥量大，合理解决污泥处置问题，有助于AB工艺的推广应用。也就是说污泥问题是AB工艺推广应用的主要障碍。

四、结语

　　AB工艺在国外已经有较成熟的经验，但我国的污水特性和水质环境与国外明显不同，既使在国内，各地的情况也相差较大，因此有必要深入研究AB工艺，开发出适合不同污水水质和不同处理要求的AB工艺和设计参数，使这种高效低能耗、建厂投资小的污水处理方法在我国的污水处理事业中充分发挥作用。

主要参考文献

〔1〕泰安市城市污水处理研究报告1989中国市政工程华北设计院
〔2〕Prof.Dr.lng.Dr.h.C.Botho Bohnke:DADAB~VERFAHRENIUR BIOLOG1SCHEN ABWASSER~REINIGUNG AACHEN 1987(上接43页)
〔3〕Bёhnke,B.; The Adsorption-Biooxidation Process IFAT 1987.
〔4〕Bёhnke,b.;Pinnekamp:Denitrifisation Expreicecd With Operational Plant.
〔5〕Bōhnke,B.；Grünebaun,T.:Bological Systens for the phaded Constraction of Sowage Treatment Plant.
〔6〕李成江、郑兴灿:城市污水生物除磷脱氮(A/A/O)技术的中试研究。中国土木工程学会第四届年会论文集1988 中国铁道出版社。