【中国工程院院士、北京工业大学环境学科首席教授 彭永臻 】城市污水处理脱氮除磷工艺技术与案例分析

中国工程院院士、北京工业大学环境学科首席教授 彭永臻

一、生物脱氮除磷是经济有效的方法

环境污染和水体富营养化问题的尖锐化迫使越来越多的国家和地区制定严格的氮磷排放标准，这也使污水脱氮除磷技术一度成为污水处理领域的热点和难点。除磷方面，可以通过生物法除磷和化学法除磷;脱氮方面，生物脱氮是目前最经济和有效的方法。混凝沉淀不能去除NH4+和NO3-，微滤、超滤、纳滤膜也不能去除NH4+和NO3-。对于城市污水处理来说，总氮达标是关键和难点，生物脱氮是唯一的方法。

二、传统A/O脱氮除磷工艺存在的问题

几种污水生物脱氮除磷工艺对比见图1。传统的A/O脱氮除磷工艺(图2)存在两个问题：一是出水总氮浓度(含NH4+、NOX--N)和回流液总氮相同;二是出水的总氮浓度(TN)高。

图1 几种污水生物脱氮除磷工艺对比

图2 传统A/O脱氮除磷工艺

三、分段进水A2/O工艺的理论与技术

分段进水A2/O深度脱氮除磷工艺流程图见图3。分段进水A2/O深度脱氮除磷工艺的特点：不需要硝化液内回流，只需污泥回流;不需要外加碳源就可满足一级A的排放标准，特别是TN的达标;只有在要求深度脱氮除磷时才需要外加碳源。

分段进水A2/O工艺的优势：氮磷去除率高;最大程度利用原水碳源;抗冲击负荷，减小二沉池固体负荷;防止丝状菌污泥膨胀;原污水处理厂更新改造简单。

图3 分段进水A2/O深度脱氮除磷工艺

在北京高碑店污水处理厂作了中试。

1. 试验研究与过程控制

试验装置主反应器有效容积340 L。

竖流式二沉池容积为88 L，采用中心进水、周边三角堰出水方式。

进水水质见表1，去除率见表2

表1 北京高碑店污水处理厂进水

表2 去除率

2. 分段进水脱氮除磷工艺类型和技术特点

分段进水脱氮除磷工艺的工艺方式有：四段式A/O分段进水脱氮除磷工艺、A2/O分段进水工艺和改良UCT分段进水深度脱氮除磷工艺。技术特点主要体现在以下三个方面：

• 分段进水脱氮除磷工艺类型可以在不外加碳源的情况下，处理城市污水，出水达到一级A排放标准，特别是出水TN达标。

• 易实现深度脱氮除磷。仅在分段进水工艺曝气池中投加少量碳源和混凝沉淀剂，即可实现深度脱氮除磷，出水TN≦5mg/L，TP≦0.3mg/L。

• 简单易行，利于推广应用。既可用于新建污水处理厂又适合老厂升级改造。在曝气池中增加隔段;变为分段进水。还可省去硝化液内回流。最重要的是：无需增设其他处理设施。

四、A2/O-BAF同步脱氮除磷工艺与技术

1. 研究背景和意义

目前，低碳氮比污水越来越普遍，传统脱氮除磷工艺的问题更加突出。AAO 中存在的主要矛盾是由于碳源缺乏引起的，而低C/N 比污水目前在我国十分常见，城市污水厂脱氮除磷面临着污水中碳源短缺的问题。传统A2O脱氮除磷工艺的难于克服的缺点：生物脱氮的前提是完成充分的硝化，需要长污泥龄;生物除磷的前提是有较多剩余污泥，需要短污泥龄;仅通过运行控制，脱氮除磷不能同时达到最佳。

2. AAO-BAF工艺简介及深度脱氮除磷的试验研究

AAO-BAF工艺流程图见图4。深度脱氮除磷的试验研究：技术参数见表3，稳定运行时污染物的去除率见图5;稳定运行时一个典型周期内污染物的变化见图6。

图4 AAO-BAF工艺流程图

表3 A2O和BAF联合工艺的技术参数

图5 稳定运行时污染物的去除率

图6 稳定运行时一个典型周期内污染物的变化图

进水TN=76.8 mg/L，TN平均去除率81.2%

进水TP=5.4 mg/L，TP平均去除率90.3%

平均出水分别为：TN≤ 13.2mg/L，TP ≤ 0.23mg/L

A2O-BAF工艺低温下COD的去除规律：负荷为0.316KgCOD/KgMLSS/d，COD的平均去除率为86.2%。

厌氧段PAOs的释磷过程、缺氧段的反硝化都消耗了大部分可生物降解有机物，厌氧段和缺氧段出水的COD值分别为91.77 mg/L和48.08 mg/L。

好氧段COD没有明显的变化，但在BAF中COD的去除率仅为2.52%。

低温(14-15℃)时AAO-BAF深度脱氮除磷性能：缺氧吸磷率91%，好氧吸磷率9%;在低碳氮比条件下反硝化除磷是该工艺除磷的主要方式。

3. A2O-BAF工艺的优点

• 硝化和除磷分别在两个污泥龄不同的系统中进行，而且回流污泥中，无硝态氮可以使厌氧释磷更充分，达到同时高效脱氮除磷的目的。

• 该工艺为反硝化除磷菌提供一个适宜的环境，反硝化除磷将是其除磷的主要形式，这就可以节省碳源，更有利于处理低C/N污水。

• 反硝化除磷过程去除了大量有机物，在好氧段停留时间只有1.8h，再加上BAF的停留时间2.5h，总好氧曝气时间只有4.3h。

• 由于有机物和悬浮物质大多都在A2O中被去除，这有利于BAF中硝化作用的进行，同时可以延长BAF的反冲洗时间。

• 进入二沉池的混合液中，很少有硝态氮，无二沉池污泥上浮现象。

五、分段进水A2/O达一级A的升级改造案例——青岛城阳污水处理厂改造

传统A2/O工艺存在的问题：(1)硝化不完全;(2)冬季温度较低时，出水NH4+-N很难控制在5mg/L以下;(3)反硝化不完全;(4)TN去除率较低，平均值仅为27%;(5)除磷效果较差;(6)出水总磷偏高，平均值为1.9mg/L;(7)进水中有机碳源没有充分利用;(8)大量DO进入缺氧池，破坏了缺氧环境，脱氮效率较低。(9)搅拌效果不佳，搅拌机功率偏小，缺氧区有明显的泥水分离界面;(10)好氧池和缺氧池的隔墙过水通道断面太大，存在返混现象。

三段进水A2/O工艺的改造见图7，改造后出水达一级A排放标准。升级改造后的特点和优势：没增加附属构筑物，没增加总水力停留时间;正常情况下，无外加碳源即可达到一级A标准;强化了缺氧反硝化过程，减少了好氧时间，提高了TN去除率;投加悬浮填料增加了生物量和硝化细菌，强化了硝化过程;减少了曝气时间和电耗。

迄今为止，这是中国环保产业协会评出的唯一一项城市污水处理达一级A标准的示范工程。国家环保产品质量监督检验中心检验报告见表4。

图7 三段进水A2/O工艺的改造流程图

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