北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院广东省广州市510076
摘要：北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院广州市越秀区水荫路119号星光映景9楼邮编510076
摘要：广州狮岭污水厂存在硝化效果较好，但该厂AAO系统反硝化效果偏低，主要原因是进水中易被反硝化菌利用的碳源不足。外加工业品碳源可有效提高系统的硝化-反硝化效果，有必要从系统运行参数和外加碳源等方面进行优化改造。
关键词：生物脱氮;短程硝化-反硝化;精确曝气
1背景介绍
广州市狮岭污水厂（一期）设计总污水处理能力4.9万吨/天。2011年2月投入运行。该厂采用AAO处理工艺，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级标准的B标准和广东省地方标准《水污染物排放限值》（DB44/26-2001）第二时段一级标准两者之中较严的标准。狮岭污水厂运行目前存在的主要问题是脱氮除磷效果不佳，氮、磷整体去除率较低。
2前期工作
2.1进出水中氮元素形态分析
图1广州市狮岭污水厂进出水氮形态分布
由图1可见，狮岭厂出水中总氮的平均去除率仅40.4%，但氨氮去除率达96.9%。出水中硝酸盐氮浓度从0.23mg/L升高至9.56mg/L，占出水中总氮的68.9%。因此，狮岭厂出水总氮去除率偏低的主要原因是反硝化效果不佳导致硝酸盐积累。狮岭污水厂进水BOD5/TN的均值为3.86，大于2.86，可认为碳源基本充足。且相关性分析表明，进水COD浓度与TN和TP去除率之间均成显著正相关（置信度为99%），说明释磷和反硝化之间存在碳源竞争。
2.2外加碳源小试
针对狮岭厂AAO系统反硝化效率偏低（小于40%）的实际情况，为进一步确定是否存在反硝化碳源不足的问题，研究了外加工业品碳源乙酸钠对反硝化效果的影响。
通过小试数据可知在利用原水作为碳源的情况下，反硝化效率为49.73%，另一组在用三水合乙酸钠作为碳源的情况下反硝化效率为98.85%，实验表明在利用乙酸钠作为碳源的情况下反硝化效率显著提高。
2.3降低污泥浓度小试
小试考察了降低污泥浓度对硝化和反硝化效果的影响。实验在20升塑料桶中进行，接种污泥为狮岭污水厂AAO系统好氧区末端混合液，用相同容积的进水将接种污泥稀释一半。整个模拟实验流程分为：厌氧（1小时）→缺氧（1.5小时）→沉淀（10分钟）→好氧（6小时）→沉淀（10分钟），总反应时间为8.8小时。实验结果显示污泥浓度的改变在短期内对硝化和反硝化效果无显著影响。
2.4狮岭污水厂工艺仿真优化
利用国际通用的活性污泥数学模型ASM2d对狮岭污水处理厂进行工艺模拟，沉淀池模型应用比较成熟固体通量沉淀模型，仿真软件采用的是目前在世界范围内使用广泛GPS-X商业仿真软件。
通过仿真模拟分析可得出以下结论：（1）狮岭污水处理厂进水水质低于设计值，沿用设计运行参数，出水TP浓度无法达标；（2）狮岭污水处理厂进水的有机物和氮磷浓度均比较低，通过运行优化可在保证TN达标的前提下提高除磷效果；（3）减少系统的回流量有助于提高除磷效果，模拟结果表明在平均水质下仅保留50%的污泥回流，可实现出水氮磷同时达标；（4）TP出水浓度需小于0.5mg/L，需必要的化学除磷措施方可保证出水TP达标。
3整改思路
3.1基于进水碳源有效利用的运行优化
3.1.1溶解氧的精确控制
反硝化菌为异养型兼性厌氧菌，在无分子氧且有亚硝酸根和硝酸根离子存在的情况下，反硝化菌可利用亚硝酸根和硝酸根离子作为电子受体进行呼吸，使得硝态氮还原。对于活性污泥法，应控制缺氧区DO<0.5mg/L。
3.1.2调整污泥龄
AAO系统中硝化细菌繁殖速度慢，世代周期较长，过短的污泥龄会使系统中硝化细菌过量外排而影响其硝化功能。反硝化菌为异养菌，在无分子氧且有亚硝酸根和硝酸根离子存在的情况下，反硝化菌可利用有机碳源为电子供体进行呼吸，使得硝态氮还原。因此，AAO系统的反硝化效果与反硝化菌所能获取的有机碳源密切相关。延长污泥龄可在保证硝化效果且不外加碳源的前提下，为反硝化菌获取更多碳源创造有利条件。
3.1.3短程硝化-反硝化运行条件优化
短程硝化-反硝化比全程硝化-反硝化减少了NO2-到NO3-和NO3-到NO2-两步反应，这使得短程硝化反硝化生物脱氮具有以下优点：⑴节约供氧量25%；⑵在反硝化阶段可以节省碳源40%，在C/N比一定的情况下提高了TN的去除率，并可以节省投碱量；⑶由于亚硝化菌世代周期比硝化菌短，控制在亚硝化阶段可以提高硝化反应速度和微生物的浓度，缩短硝化反应的时间，进而减少反应器的容积；⑷短程硝化反硝化反应过程在硝化过程中可以减少产泥25%~34%，在反硝化过程中可以减少产泥约50%。前期通过小试发现，外加工业品碳源可有效提高狮岭污水厂的反硝化效果，说明该厂进水中可有效利用的碳源缺乏，因此如能尽量实现短程硝化-反硝化的环境条件，可以有效解决进水碳源缺乏的问题，并进一步节能降耗。
短程-硝化反硝化的实现受温度、pH值、DO和污泥龄等多重因素影响，在实际运行中需根据实际环境条件进行可控调节。有研究表明，只有当反应器温度超过28℃时，短程硝化-反硝化过程能较稳定地进行。由于广州市夏季时间长，当平均温度较高时，配合其他工艺参数的调节，可在一定程度上实现短程硝化-反硝化。适当提高AAO系统的pH值有利于短程硝化-反硝化的实现，当采用化学除磷措施时，也有助于除磷效率的提升。狮岭厂的进水pH值平均在7.2左右，出水pH值平均约为6.3，要实现pH值的较大提升有一定难度，因此对现行AAO系统的改造，可增加pH值自动监测和调控系统，但不宜优先考虑。低DO条件下亚硝酸菌对DO的亲和力比硝酸菌强，可通过控制DO使硝化过程只进行到氨氮氧化为亚硝态氮阶段，达到一定程度上的短程硝化-反硝化。因此，精确控制DO与前述措施的目标一致，应作为狮岭污水厂对现行AAO系统改造的重点考虑方向。尽管如此，由于受多因素影响，短程硝化-反硝化的实现需要考虑环境条件的变化。
3.1.4工程改造建议
由于亚硝化反应和硝化反应均是好氧过程，而亚硝酸菌的世代周期比硝化菌的世代周期短，因此合理分配厌氧、缺氧和好氧区水力停留时间（HRT），如增加缺氧区的HRT，适当减少好氧区的HRT，也对提高狮岭污水厂AAO系统脱氮除磷效果有利。综合考虑DO的影响及缺氧、好氧区合理分配的因素，对于狮岭污水厂现有AAO生化池的改造，可适当减少好氧池末端的曝气头造成部分缺氧。考虑到广州市旱季时狮岭污水厂进水氮磷浓度偏高的情况，可在好氧池前端设置缺氧缓冲区，旱季或进水中氮磷浓度偏高时，作为缺氧区使用，而夏季脱氮除磷效果较好时，作为好氧区使用，在一定程度上实现AAO系统厌氧、缺氧和好氧区水力停留时间的重新分配。
3.2外加碳源
通过优化工艺运行参数，在适当条件下，如夏季进水氮磷浓度较低时，可在充分利用现有进水碳源基础上实现系统脱氮除磷效果的强化。但由于进水水质的波动及环境条件的改变，有时仅通过工艺运行优化，难以确保反硝化良好、出水总氮和总磷的稳定达标，因此，需要考虑外加碳源的获取、投加方式与系统改造。对于外加碳源，目前可考虑通过乙酸、乙酸钠、葡糖糖等工业品及易降解碳源充足的工业废水等两种方式获取，实际应用时应根据反硝化效果、经济成本及对系统的影响等角度综合考虑，选择适当的外加碳源及投加方式。