从AAO工艺发展史到设计条件和计算思路

AAO工艺在市政和工业废水处理中应用，从网络上查到的数据来看，排行第二，有位前辈称它为万能工艺（可细品），无论设计者怎么去优化和变种，万变不离其宗。既然聊，就得从历史发展角度去认识它，重温一下。

一、AAO工艺发展史

1954年，Wuhrmann提出了（如下图）单污泥生物脱氮工艺，在好氧(硝化)区之后设置缺氧区(即后置反硝化区)，工艺过程不外加任何电子供体，主要依靠来自好氧区的剩余有机物和活性污泥内源呼吸过程为生物反硝化提供所需的能量。如果前端的生物硝化是完全的，那么碳源有机物也几乎被氧化殆尽，能用于反硝化的电子供体只能来源于活性污泥的内源代谢。

 

研究者采用多种方法对Wuhrmann工艺进行改进，其中包括部分进水超越好氧区进入后置缺氧池，或者在后置缺氧区直接投加甲醇等外碳源，为缺氧区的反硝化过程提供额外电子供体。1962年，Ludzack和Ettinger 改变 Wuhrmann工艺的缺氧区和好氧区顺序，提出Ludzack-Ettinger工艺（如下图），进水有机物先进入前置缺氧区，为污泥回流硝态氮的反硝化过程提供电子供体，其总氮去除率主要决定于污泥回流比和缺氧区反硝化能力。

 

1973年，Barnard对Ludzack-Ettinger工艺做了改进，提出MLE工艺（如下图），增加好氧区到缺氧区的混合液回流，以增强反硝化能力，提高脱氮率。缺氧区接受了来自进水的易生物降解COD，基质浓度提高，反硝化速率增大，缺氧区的池容可以相应减小，还可以通过内回流比的改变，控制硝酸盐的去除率。

 

James Barnard是污水生物除磷脱氮工艺的开创者。为达到比两段和三段工艺更理想的生物脱氮效果，1974年他在南非开发了Bardenpho工艺，并很快应用于工程设计。（如下图）该工艺由缺氧、好氧、缺氧、好氧等4个区段组成，硝化混合液从第一好氧区回流到第一缺氧区，回流比为进水流量的400%左右，回流液中含有大量的硝酸盐。在第一缺氧区进水有机物分解代谢过程中，硝酸盐被异化还原为氮气，然后混合液进入第一好氧硝化区，完成剩余有机物的降解，NH-N的氧化和磷的吸收等生物学过程。在第二缺氧段，反硝化菌通过内源呼吸作用，进一步去除残余的硝态氮。第二好氧区为混合液提供短暂的曝气时间，提高溶解氧浓度，保障二沉池的稳定运行，避免反硝化浮泥。

 

在采用Bardenpho工艺的污水处理厂运行过程中，Barnard发现 Bardenpho工艺在某些时段意外地出现了非常明显的生物除磷现象，而另外一些时段则不出现。经过实地调查研究后，Barnard认识到回流液中的硝酸盐对生物除磷效果有非常不利的影响，并在1976年进一步提出改良Bar-denpho工艺流程（如下图），也就是在Bardenpho工艺的前端增设一个厌氧区。

 

进水和来自二沉池的回流污泥在厌氧区混合，硝酸盐得到消除的情况下，聚磷菌(PAOs)吸收和储存低分子有机酸，同时释放出磷酸盐。然后混合液进入第一缺氧区，与来自第一好氧区含有大量硝酸盐的回流液混合，混合液回流率一般为平均进水流量的2~5倍。在第一缺氧区内完成大部分硝酸盐的反硝化之后，再进入第一好氧区，完成NH-N的硝化和磷酸盐的过量吸收。部分混合液回流到第一缺氧区，其余部分进入后续的第二个缺氧区，进一步去除硝酸盐，然后进人第二好氧区(再曝气区)，最后到达二沉池。第二好氧区主要用于防止后续工艺过程出现厌氧状态，避免污泥中的磷酸盐释放到最终出水中。

五段改良Bardenpho工艺很快就在南非实现了工程应用，研究人员在生产性运行试验中发现，第二缺氧区的单位容积反硝化速率要比第一缺氧区的低很多。Simpkins等人在1978年由此提出三段式改良 Bardenpho工艺流程。在该工艺中，取消了第二缺氧区，加大了第一缺氧区，以期获得最大的反硝化效果（如下图）。这个工艺流程与美国授予专利的A2/O工艺流程非常相似,不同之处为南非的污水处理系统设计泥龄较长(20d左右)，好氧区多采用机械曝气方式。

 

1976年，美国空气产品公司申请了A2/O工艺专利和商标。（如下图）该工艺流程由厌氧、缺氧和好氧3个区段组成，每个区段都可以设计成完全混合式、推流式或组合式，通常分隔成体积相同的多个完全混合式反应格，形成混合液状态梯度，有利于控制污泥膨胀，采用的泥龄和水力停留时间也较短。

 

硝化混合液从好氧区末端回流至缺氧区进行反硝化，内回流比100%~400%，进水和回流污泥进入厌氧区。A2/O工艺的应用比较广泛，其二级出水TP浓度可达到1~2mg/l，硝态氮去除率40%~70%。该工艺与前述的三段改良Bardenpho工艺在原理和构造等方面没有本质性的差别，仅泥龄选择、构筑物设计及曝气设备选择等方面有所不同。

二、主要设计接口条件

生物处理工艺的和需要了解的信息包括:可用地尺寸及在总图的位置、水质及特点，上下游水位或水位要求范围，上下游工艺。进水管、污泥回流管、出水管、放空管(生化池放空和管廊放空)、进风管、管沟排水管、加药管和排冷凝水管等的接口。地坪标高、冻土层、管道覆土最小深度要求、除臭和保温等相关要求，地质、气候等其他设计条件。

设计生物工艺单体首先要在项目启动期间针对污水特点对可能采用的不同生物工艺做计算、进行占地、投资、能耗、运行费用、产泥量、运行维护方便性和抗冲击能力等方面的比较、推荐方案并结合设计负责人的意见确定最终生物工艺类型和主要设计参数，在该大框架下进行详细设计，单体设计前应独立计算并确认的大框架至少应包括以下方面。

①设计规模，峰值系数，进出水水质及波动范围。

②来水特点。了解来水性质、污染物成分和浓度，对工业废水要注意分析水质特点和处理难点，对毒性或生物抑制性成分对生化参数的影响进行评估和量化计算。

③预处理工艺。尽管单体设计前设计负责人已经确定总工艺流程和各单体主要参数单体设计师仍然需要评估生化工艺的上游预处理工艺是否符合生化工艺的要求。例如，是否设计调节池、事故池、初沉池、气浮池、隔油池、脱氨吹脱、中和池、升温、冷却和出水回流稀释等，根据不同水质特点选用预处理工艺。

对于普通市政污水，初沉池用于SS大于220~240mg/l的污水，边界状态下如果BOD/TKN≤4时，为了保留碳源可不设初沉池有机悬浮物在生物池中可部分稳定化，因此可不设初沉池。生化工艺上游如果要设初沉池。为了减少碳源损失影响脱氮除磷，水力负荷要取高些，约3.5~4.0m3/(m2·h)。

此外，还要考虑除磷加药点是否在该单体有涉及。如有，单体设计师需要和设计负责人确认投加点；对含磷浓度高不适于稀释后除磷的工业废水，宜先单独除磷再进入污水处理系统。

④确定设计最低温度和最高温度。应充分考虑冬季低水温对去除碳源污染物、脱氮和除磷的影响。设置最低设计温度时要考虑到生物处理和鼓风机曝气会使水温有所升高的情况。

若设厌氧区(池)及缺氧区(池)的可调节区，可灵活调整厌和缺氧的水力停留时间；若设缺氧区(池)及好氧区(池)的可调节区，可灵活调整缺氧和好氧的水力停留时问，这些可调节区都有利于系统应对温度变化和水质变化的影响，实现除碳、脱氮和除磷的最优化设计；添加填料有利于旧池改造、增加负荷和适于某些工业废水；寒冷地区以及来水水温低时要考点保温或增温等措施。

⑤主要参数包括以下几点：

a.各功能区停留时间(包括水解池、选择池、厌氧池、缺氧池和好氧池等)、污泥浓度、污泥总 BOD负荷、总氨负荷、总磷负荷和污泥龄。充分考虑脱氮除磷的矛盾关系和相互影响、泥龄的差异以及与脱碳的平衡，充分论证碳氮比和碳磷比对生化工艺选择的影响。

b.确认污泥回流比，混合液回流比，回流泵的型式和数量，是否设计多点进水和多点回流。

c.加药药剂种类(如营养物氮、磷和碳源等、混凝剂和碱度等)和加药点的确定

d.气水比。总需氧量和风量，有效水深，污水的氧转移特性，当地大气压。

e.鼓风机数量、鼓风机型式(单级离心、多级离心、罗茨、磁悬浮或气悬浮等风机的选择)、变频或软启数量，进行鼓风机能耗、占地和经济比较，选择时应注意高温高湿环境对风机的要求，注意选择时为进风口风量(一般为标准状态下进口处的体积流量，指温度20℃、气压101325Pa和相对湿度50%的空气状态)。鼓风机的轴功率按照当地实际条件(大气压)及风机进、出口处压力计算获得。

风压估算的时候根据经验，普通非高原地区的风压为“水深 m+1.5mH2O”，高原地区如内蒙古的风压为“水深 m+2.0mH2O”，甚至更高，施工图阶段应根据当地大气压和鼓风系统的流体力学计算风压。

f.产泥量，剩余污泥含水率，排泥周期，排泥泵的型式、流量、数量和备用数量。

三、工艺计算思路

生物工艺计算包括计算池容、有效水深(根据曝气设施要求和占地限制因素确定)、池体尺寸、剩余污泥量、营养药剂量(如需要)、碱度投加量(如需要)、需氧量、鼓风曝气风量、曝气器数量、污泥回流量、硝化液回流量以及相关设备的数量和参数等。

对于市政污水，计算方法比较成熟，可参考的资料也非常多，计算时可参考《给水排水设计手册》《室外排水设计标准》《污水生物处理:原理、设计与模拟》以及其他计算书籍。

需注意的是，市场上能买到的工艺计算书大多是适用于市政污水，对于工业废水并不完全适用，只能作为计算BOD降解所需池容需氧量和搅拌风量等参数的参考，不可用市政污水的计算方法直接套用在工业废水的计算中。

重要设计参数计算和工艺选取思路提示如下：

①对于工业废水，设计计算中考虑工业废水中难降解的废水的成分以及参考类似废水实际工程运行经验得到的负荷、曝气气水比、剩余污泥量等数据更为重要，尤其是COD负荷[kgCOD/(kgMLSS·d)]、BOD负荷、氮负荷和其他特殊污染物负荷。

②如果对于某种工业废水没有实践数据和文献介绍，则只能通过各污染物成分的环境数据结合所占权重判断可生物降解性，分三种情况:

a.对于少部分污染物为可生物降解的废水进行小试和中试取得设计参数后再进行工程设计，如果其中含有的环境数据判断为不可生物降解且会造成浓度不达标的成分，宜考虑在生物处理下游补充其他针对性处理工艺；

b.对于不易生物降解的废水分别进行生物工艺、物化工艺、“生物+物化工艺”、“提高可生物降解性工艺+生物处理工艺”或“提高可生物降解性工艺+生物处理+深度处理工艺”进行小试和中试研发，取得设计参数后再进行工程设计；

c.对于不可生物降解废水，则不能采用生物处理工艺，宜考虑其他工艺的研发设计。

③ 微孔曝气好氧池有效水深。对于做孔曝气好氧池，有效水深取值越深，曝气器的溶氧效率越高，也越有利于节约占地和冬季保温。在一定范围内，随着水深的增加溶氧效率提高利于节能，但如果水深的增加值造成风机功率的档位加大，则要在投资、占地和电耗进行方案比选。有效水深大于6.5m时不利于选择到合适的风机和节约能耗。

因此，在常压地区，占地不紧张的前提下一般取有效水深5.5~6.3m较经济。高原地区由于压力变化，水深的取值要考虑风机选型、风压变化、风机效率、当地气压和节能等因素。