A2/O工艺中试装置处理城市污水的实际效果分析
邵军峰1 ，王社平2，尹博涵 3，万琼4
（1.郑州市市政工程勘测设计研究院，河南 郑州 450046；2.西安市市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068；3.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛 266071；4.西安科技大学，陕西 西安 710054）
摘 要：通过对A2/O工艺中试装置处理城市污水1年来实际运行效果的分析表明：在A2/O中试装置厌氧区、缺氧区、好氧区水力停留时间分别为1.9、3.4、4.9h，水温为16～26℃，进水COD、TN、TP、NH3-N、SS质量浓度分别为135.5～479、 38.43～75.2、2.75～8.42、22.9～58、34～112mg/L的条件下，中试装置对COD、TN、TP、NH3-N、SS的去除率分别为84.4%、60.0%、62.2%、94.0%、80.1%。另外，笔者还对运行过程中二沉池污泥上浮、线虫大量滋生等问题进行了分析，并提出了相应的对策，可供今后同类型污水处理厂优化设计及运行管理时参考。
关键词：城市污水；A2/O工艺中试装置；脱氮除磷
中图分类号：X703.1 文献标志码：B 文章编号：1009-7767（2014）03-0000-00
Analysis of Practical Effects of A2/O Process Pilot-Plant for
Treating Municipal Sewage
Shao Junfeng，Wang Sheping，Yin Bohan，Wan Qiong
随着国家对排入水体中氮、磷污染物控制标准的提高，城市污水处理厂越来越多的采用厌氧—缺氧—好氧工艺（简称A2/O工艺），许多研究者针对该工艺本身存在的问题，如硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的不同泥龄、释磷和反硝化对碳源的竞争、各反应区的停留时间等进行了研究。通过对A2/O工艺中试试验装置对实际城市污水处理效果的分析，提出了厌氧区、缺氧区、好氧区各自的水力停留时间，并分析了二沉池中污泥上浮的原因，提出了相应的解决措施，可供城市污水处理厂运行管理人员参考。
1 材料与方法
1.1 A2/O工艺中试装置
A2/O工艺中试装置流程图如图1所示。试验装置采用不锈钢材质制成，总容积为5.15m3，有效容积为3.89m3，其中：第1、2、3格平面尺寸为0.6m×0.8m；第4、5、6格平面尺寸为0.8m×0.8m。二沉池为矩形平流式，平面尺寸为1.2m×0.8m，有效水深为1.07m，设计处理能力Q=8～10m3/d，污泥龄SRT=8～16d，水力停留时间约为2.7h。生化反应池与二沉池之间的连接管道为DN25PVC塑料管，污泥回流管为DN20PVC塑料管，剩余污泥通过蠕动泵排放。生化反应所需空气直接从第四污水处理厂生化反应池供气管道引入，管道为DN25镀锌钢管，曝气头为DN200刚棕玉微孔曝气盘，好氧区共安装3个曝气盘。来自于第四污水处理厂初沉池的出水进入储水箱，通过XKSm60-1型自吸泵提升至反应池厌氧区，回流污泥通过XKSm60-1型自吸泵提升至厌氧区，混合液通过PENGUIN-3200型潜水泵回流至缺氧区。
1.2 试验用水水质
试验装置进水为西安第四污水处理厂初沉池出水。试验期间初沉池出水主要水质指标如表1所示。
1.3 检测项目及分析方法（见表2）
1.4 试验运行工况
试验期间运行分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4种工况，运行平均水力停留时间和各区容积控制如下：
1）工况Ⅰ：如图2所示，运行时间为试验期间第1～49天，反应器总容积为3.89m3，厌氧区、缺氧区、好氧反应器体积分别为0.37、0.72、2.80m3；污水平均水力停留时间为10.2h，水力停留时间比为1:1.95:7.57。
2）工况Ⅱ：如图3所示，运行时间为试验期间第50～100天，与工况Ⅰ相比调整了反应池厌氧区、缺氧区、好氧区的体积，中试装置的第1、2格为厌氧区，第3、4格为缺氧区，第5、6格为好氧区。在此运行条件下各反应区的体积分别为0.72、1.30、1.87m3，总体积为3.89m3；污水平均水力停留时间为10.2h，水力停留时间比为1:1.80:2.60。
3）工况Ⅲ：如图4所示，运行时间为试验期间第101～313天，其在工况Ⅱ基础上对生化反应池的缺氧区和好氧区体积进行了调整，即第1、2格为厌氧区不变，第3格为缺氧区，第4格为兼性区，第5、6格为好氧区，其中厌氧区体积为0.72m3，缺氧区体积为0.37m3，兼性区体积为0.93m3，好氧区体积为1.87m3，总体积为3.89m3。兼性反应区为好氧/缺氧交替运行，反应池总水力停留时间为10.2h，厌氧区、缺氧区、好氧区水力停留时间比由兼性区所处状态决定。在第101～110天兼性池状态为曝气1h/停曝气1h；在第111～217天兼性池状态为完全曝气；在第218～238天兼性池状态为曝气2h/停曝气2h；在第239～313天兼性池状态为曝气1h/停曝气2h。
4）工况Ⅳ：反应池每格功能与工况Ⅱ相同，如图3所示。运行时间为试验期间第314～380天，主要是发现中试装置运行了一段时间后，由于反应池之间的连接管管径偏小，容易堵塞，导致水流不畅，因此，将池子之间的连接管由DN25变为DN65。同时，调整了反应池厌氧区、缺氧区、好氧区的体积，在此运行条件下各反应区的体积分别为0.69、1.25、1.80m3，总体积为3.74m3，污水总水力停留时间为9.6h，水力停留时间比约为1:1.91:2.59。
2 污染物去除效果分析
2.1 COD去除效果分析
图5为中试装置进出水COD质量浓度的变化情况及去除率。由图可知，在工况Ⅰ运行条件下，进水COD质量浓度为167.8～253.7 mg/L，平均值为212.2mg/L，出水COD质量浓度平均值为28.4mg/L，平均去除率为89.27%，出水达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准的要求。这主要是由于好氧区水力停留时间长达7.4h，且进水温度在20℃以上，而去除率与温度变化成正相关关系，因此温度升高有利于提高COD的去除率[2 ]。
在工况Ⅱ运行条件下，进水COD质量浓度为135.5～268.1mg/L，平均值为222.5mg/L，出水COD质量浓度平均值为35.1mg/L，平均去除率为84.39%，出水达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准的要求。此工况下好氧区水力停留时间为4.9h，温度在17℃以上，去除率比工况Ⅰ稍微降低，主要是由于好氧区水力停留时间比工况Ⅰ短，但出水水质仍远好于排放标准要求。
在工况Ⅲ运行条件下，水温为11～17℃，进水COD质量浓度为179.0～479.0mg/L，波动较大，平均值为258.7 mg/L，出水COD质量浓度平均值为58.2 mg/L，平均去除率为77.5%。去除率下降的主要原因是进水COD质量浓度变大，且水温较低，同时，在此运行工况下把好氧区的一部分设置成了兼性反应区（好氧/缺氧交替运行，根据出水氨氮和硝态氮情况进行缺氧和好氧环境调整）。由于好氧区反应时间得不到及时的调整，使得出水COD质量浓度较高，但出水水质达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级B标准的要求。
2.2 TN和NH3-N去除效果分析
中试装置对TN、NH3-N的去除效果如图6、7所示。在工况Ⅰ运行条件下，进水TN、NH3-N质量浓度分别为47.7～75.1mg/L和34.2～39.1mg/L，出水TN、NH3-N质量浓度平均值分别为22.0 mg/L和0.73 mg/L，平均去除率分别为59.2%和98.0%。
在工况Ⅱ运行条件下，进水TN、NH3-N质量浓度分别为38.4～71.3mg/L和22.9～47.5mg/L，波动较大，出水TN、NH3-N质量浓度平均值分别为20 mg/L和2.3 mg/L，平均去除率分别为60.0%和94.0%，出水TN达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级B标准的要求。NH3-N的硝化反应在好氧区进行，而硝化功能的强弱直接影响着缺氧区的反硝化效果，因此NH3-N的硝化率也是衡量中试装置脱氮功能的一个重要指标。工况Ⅰ和Ⅱ对NH3-N的平均去除率在90%以上，出水NH3-N质量浓度平均值在5mg/L以下，达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A标准的要求。从图6可以看出，工况Ⅱ比工况Ⅰ对TN的平均去除率高，这是由于对TN去除起主要作用的是反硝化程度，工况Ⅰ缺氧区停留时间为1.9h，工况Ⅱ缺氧区停留时间为3.4h，后者停留时间相对较长，反硝化相对更充分，所以工况Ⅱ对TN去除效果相对较好，即缺氧区的停留时间长短对反硝化影响较大，是反应区设计和运行控制的主要参数之一。但是两种工况对TN的去除效果并不好，原因是A2/O中缺氧区在厌氧区的后面，反硝化在碳源分配上居不利地位，因而影响了系统的脱氮效果[3]。另外，由于该中试装置有一段时间出现污泥上浮，造成二沉池的沉淀效果不稳定，出水SS值增高。
在工况Ⅲ运行条件下，进水TN、NH3-N质量浓度分别为49.4～73.7mg/L和35.3～53.7mg/L，出水TN、NH3-N质量浓度平均值分别为26.2 mg/L和7.1 mg/L，平均去除率分别为54.3%和86.9%。工况Ⅲ对TN的去除效果更差，主要是由于温度降低（最低接近12℃），对硝化效果影响较大，引起出水中NH3-N质量浓度偏高，同时缺氧池部分改为兼性曝气池，造成反硝化时间减少，影响了反硝化效果。
2.3 TP去除效果分析
A2/O工艺生物除磷的原理是在厌氧条件下，细菌利用体内聚磷酸盐作为能源快速吸收小分子有机物，并以PHB和其他聚羟基酸（PHAs）的形式储存起来，同时将聚磷酸盐分解产生的溶解性磷酸盐释放出来。在好氧条件下，细菌以PHAs为能源进行生长，并摄取废水中溶解性磷酸盐，以聚磷酸盐的形式储存起来。由于摄取的磷比释放的磷要多，从而提供了一种在生物体内浓缩磷的机制，并通过剩余污泥排放来去除磷[4]。
中试装置对TP的去除效果如图8所示。从图中可以看出，试验期间进水TP波动较大，进水TP质量浓度为2.75～7.02 mg/L，平均值为4.47mg/L。在工况Ⅰ运行条件下，出水TP质量浓度平均值为2.83 mg/L，超出排放标准的要求，分析认为主要是由于厌氧区水力停留时间过短（仅1h左右）所致。厌氧区释磷最大值为6.72 mg/L，有时几乎不释磷，TP不能有效地通过生物强化去除，而主要依靠生物自身增长合成来去除，因此TP的去除率仅为33.8%。
在工况Ⅱ和Ⅲ运行条件下，厌氧区水力停留时间调整为1.9h，厌氧释磷效果明显增强，最大释磷量达到16.7 mg/L。出水PO43--P质量浓度平均值为0.69 mg/L，平均去除率达97%以上，出水最低质量浓度为0.6 mg/L；出水TP质量浓度平均值为1.4 mg/L，平均去除率达62.2%，远高于工况Ⅰ运行时的去除率，即厌氧区水力停留时间对释磷效果有较大影响，是生物除磷系统设计和运行控制的主要参数之一。但运行不稳定，主要原因是在运行期间，中试装置二沉池沉淀效果不理想，有时会出现污泥上浮现象，造成出水SS和TP质量浓度升高，但生物强化除磷效果好，出水中PO43--P质量浓度低。
2.4 SS的去除效果
图9为进出水SS质量浓度及去除率的变化情况。从图中可以看出，进水SS波动较大，监测期间进水SS质量浓度在45～577mg/L之间，平均值为174mg/L。有时中试装置二沉池有污泥上浮现象，造成出水SS质量浓度较大，高达221mg/L，超过进水SS的质量浓度。污泥浓度经过调整后出水SS最低值为10mg/L，平均值为18 mg/L，平均去除率为80.1%，出水SS达到了GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级B标准的要求。
3 实际运行中出现的问题与对策
1）二沉池出现污泥上浮现象。浮泥呈黑褐色，镜检结果显示丝状菌并不多，因此丝状菌并不是引起污泥上浮的主要原因。分析认为，由于活性污泥在二沉池底部停留时间过长，同时缺氧池反硝化效果较差，出水中硝态氮质量浓度较高，污泥浮在二沉池表面，阻止氮气逸出造成污泥层不断变厚。通过加大二沉池排泥量，缩短污泥在二沉池的停留时间，同时加强缺氧池的反硝化能力，逐步恢复了正常运行[5]。
2）污水中有大量线虫滋生。中试装置运行过程中，活性污泥镜检发现有大量的线虫滋生，且活性污泥颜色发黑，致使反应器运行状态不佳。好氧区线虫大量消耗水中的DO，造成硝化效果不佳，出水中含有一定量的NH3-N和NO2--N。因此，通过加强排泥来去除线虫，会造成反应器中污泥质量浓度的降低，此时应通过投加初沉污泥来维持反应器中的污泥质量浓度。
4 结论
1）通过对A2/O中试装置对实际污水厂初沉池出水处理效果的分析表明：A2/O工艺运行稳定，对水质、水量有较好的抗负荷冲击能力；在厌氧区、缺氧区和好氧区的水力停留时间分别为1.9、3.4、4.9h条件下，其对COD、TN、TP、NH3-N、SS的去除率分别为84.4%、60.0%、62.2%、94.0%、80.1%。
2）厌氧区和缺氧区的水力停留时间对A2/O工艺脱氮除磷效果有较大影响，通过采用实际城市污水进行试验研究，结果表明：厌氧区和缺氧区的水力停留时间应控制在2.0h和3.5h左右，此结论可作为同类型污水处理厂设计和运行时参考。
3）通过减少二沉池的污泥停留时间和加强缺氧池的反硝化能力能很好地抑制由反硝化引起的二沉池中污泥的上浮；由于运行不当引起的反应器中大量线虫的滋生，可以通过加强排泥和投加初沉污泥得以消除。
参考文献：
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[5]王社平，邵军峰，万琼，等.A2/O工艺中二沉池污泥上浮的原因与对策[J].中国给水排水，2010，26（13）：43-45，49.
收稿日期：2013-12-11
基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07317-002-003）
作者简介：邵军峰，男，初级工程师，硕士，主要从事市政工程设计工作。
注：本文刊载于《市政技术》2014年第3期，第132页至第136页。