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传统活性污泥法是应用最早的工艺，它去除有机物的效率很高，近20年来，水体富营养化的危害越来越严重，去除氮、磷列入了污水处理的目标，于是出现了活性污泥法的改进型AO工艺和AAO工艺。AO工艺有两种，一种是用于除磷的厌氧—好氧工艺，一种是用于脱氮的缺氧—好氧工艺；AAO工艺则是既脱氮又除磷的工艺。 A-A-O生物脱氮除磷工艺是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺和生物除磷工艺的综合。在该工艺流程内，BOD、SS和以各种形式存在的氮和磷将一并被去除。该系统的活性污泥中，菌群主要由硝化菌、反硝化菌和聚磷菌组成，专性厌氧和一般专性好氧菌群均基本被工艺过程所淘汰。在好氧段，硝化细菌将入流中的氨氮及由有机氮氨化成的氨氮，通过生物硝化作用，转化成硝酸盐；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过生物反硝化作用，转化成氮气逸入大气中，从而达到脱氮的目的；在厌氧段，聚磷菌释放磷，并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物；而在好氧段，聚磷菌超量吸收磷，并通过剩余污泥的排放，将磷去除。在以上三类细菌均具有去除BOD的作用，但BOD的去除实际上以反硝化细菌为主。以上各种物质去除过程 可直观地用图所示的工艺特性曲线表示。污水进入曝气池以后，随着聚磷菌的吸收、反硝化菌的利用及好氧段好氧生物分解，BOD浓度逐渐降低。在厌氧段，由于聚磷菌释放磷，TP浓度逐渐升高，至缺氧段升至最高。在缺氧段，一般认为聚磷菌既不吸收磷，也不释放磷，TP保持稳定。在好氧段，由于聚磷菌的吸收，TP迅速降低。在厌氧段和缺氧段，氨氮浓度稳中有降，至好氧段，随着硝化的进行，氨氮逐渐降低。在缺氧段，NO3－N瞬间升高，主要是由于内回流带入大量的NO3－N，但随着反硝化的进行，硝酸盐浓度迅速降低。在好氧段，随着硝化的进行，NO3－N浓度逐渐升高。A-A-O生物脱氮除磷的功能是有机物去除、脱氮、除磷三种功能的综合，因而其工艺参数应同时满足各种功能的要求。如能有效去除脱氮或除磷，一般也能同时高效地去除BOD，但除磷和脱氮往往是相互矛盾的，具体体现在某些参数上，使这些参数只能局限在某一狭窄的范围内，这是A-A-O系统工艺控制较为复杂的主要原因。完全的生物硝化，是高效生物脱氮的前提，因而F/M越低SRT越高，脱氮效率越高，而生除磷则要求高F/M低SRT。A-A-O生物脱氮除磷是运行较灵活的一种工艺，可以以脱氮为重点，也可以以除磷为重点，当然也可以二者兼顾。如果既要求一定的脱氮效果，也要求一定的除磷效果，F/M一般控制在0.1～0.18kgBOD5/(kgMLVSS•d)，SRT一般应控制在8～15天。水力停留时间与进水浓度、温度等因素有关。厌氧段水力停留时间一般在1～2小时范围；缺氧段水力停留时间1.5～2小时；好氧段水力停留时间一般应在6小时。内回流比r一般在200～500％之间，具体取决于进水TKN浓度，以及所要求脱氮效率，一般认为，300～500％时脱氮效率最佳。外回流比R一般在50～100％的范围内，在保证二沉池不发生反硝化及二次释放磷的前提下，应使R降至最低，以免将大多的NO3－N带回厌氧段，干扰磷的释放，降低除磷效率。厌氧段DO应控制在0.2mg/l以下，缺氧段DO应控制在0.5mg/l以下，而好氧段DO应控制在2～3mg/l之间。对于生物脱氮来说，COD/TKN应大于4.0，而生物除磷则要求COD/TP大于20。如果不能满足上述要求，应向污水中投加有机物。为了提高COD/TKN值，宜投加甲醇做营养源，为了提高COD/TP值，宜投加乙酸等低级脂肪酸。A-A-O生物除磷脱氮系统中，污泥混合液的PH应控制在7.0之上，如果PH小于6.5时，可提高碱度。温度越高，对生物脱氮越有利，当温度低于15℃时，生物脱氮效率将明显下降。而当温度下降时，则极可能对除磷有利。某些重金属离子、络合阴离子及一些有机物随着工业废水入处理系统后，如果超过一定的浓度，会导致活性污泥中毒，会使某些生物活性受到抑制。反硝化细菌和聚磷菌对毒物及抑制物质的反应，同传统活性污泥系统的污泥基本一致，其中毒或抑制剂量见下表。与以菌类相比，硝化细菌更易受到毒物抑制。一些对异养菌无毒的物质会对硝化细菌形成抑制。而同一种抑制物质，在某一浓度水平下，对异养菌无毒性，而对硝化细菌却可能有抑制作用。
A-A-O生物脱氮除磷工艺，可以通过运行控制，实现以除磷为重点。此时除磷效率可以超过90％，但脱氮效率会非常低。如果运行控制以脱氮为重点，则可获得80％以上的脱氮效率，而除磷往往在50％以下。在运行良好时，可以实现脱氮与除磷同时超过60％，但要维持高效率脱氮的同时，高效率除磷是不可能的。运行中只能选择以二者之一为主，若二者兼顾，则效率都不高。
该工艺具有使出水TP小于2mg/l，TN小于9mg/l的潜力，但需良好的设计与精心的运行管理。国外很多采用该工艺的处理厂大多数以脱氮为主，兼顾除磷；如果出水中TP超标，则辅以化学除磷方法。因生物除磷本身并不消耗氧，所以A-A-O生物脱氮除磷工艺曝气系统的控制与生物反硝化系统一致。控制回流比时，应首先保证不使污泥在二沉池内停留时间过长，导致反硝化或磷的二次释放，因此需要保证足够大的回流比；其次，回流比不能太大，以防过量的NO3－N浓度大于4mg/l，必须降低回流比R。单纯从NO3－N对除磷的影响来看，脱氮越完全，NO3－N对除磷的影响越小。运行人员需综合以上情况，结合本厂的具体特点，确定出最佳的回流比。内回流比r与除磷的关系不大，因而r的调节完全与反硝化工艺一致。生物反硝化系统的回流比r是一个重要的控制参数。首先r直接决定脱氮效率。假设生物硝化效率和反硝化效率为100％，即所有的TKN均被硝化成NH3－N，回流至缺氧段的所有NH3－N均被反硝化为N2，此时脱氮效率EDN为：
经试验r取100％、200％、300％、400％、500％五种情况分析，r越大，系统的总脱氮效率越高，出水TN越低。但从另一个方面来看，r太高，对脱氮率有不利的影响。因为r太高，通过内回流自好氧段带至缺氧段的DO越多，当缺氧段的DO较高时，会干扰反硝化的进行，使总脱氮率下降。当DO高于0.5mg/l时，会使反硝化停止，实际脱氮率降为零。另外，r太高，还会使污水在缺氧段内的实际停留时间缩短，同样也使脱氮效率降低。综上所述，对于某一生物脱氮系统来说，都存在一个最佳的内回流比，在该r下运行，脱氮效率最高。运行人员应根据本厂实际情况，摸索调度出这个最佳的r值。对于典型的城市污水，最佳的r值在300～500％之间。剩余污泥排放宜根据SRT进行控制，因为SRT的大小直接决定该系统是以脱氮为主还是除磷为主。当控制SRT在8～15d范围内，一般既有一定的除磷效果，也能保证一定的脱氮效果，但效率都不会太高。如果SRT＜8d，除非温度特别高，否则硝化效率非常低，自然也谈不上脱氮，但此时的除磷效率则可能很高。如果控制SRT＞15d，可能使硝化顺利时行，从而得到较高的脱氮效率，但由于排泥太少，排泥量仅是A-O除磷工艺的几分之一，即使污泥中含磷量很高，也不可能得到太高的除磷效率。对于生物脱氮来说，BOD/TKN应大于4.0，而生物除磷则要求COD/TP大于20。如果不能满足上述要求，应向污水中投加有机物，补充碳源不足。AAO碳源的需求公式：A-A-O生物脱氮除磷过程，本质上是一系列生物氧化还原反应的综合，因而工艺控制较复杂。近年来，国外一些处理厂采用氧化还原电位ORP作为系统的一个工艺控制参数，收到了良好效果。国内也已有处理厂安装ORP在线测定仪表。混合液中的DO浓度越高，ORP值越高。当混合液中存在NO3－－N时，其浓度越高，ORP值也越高；而当存在PO43—P时，ORP则随着PO43—P浓度升高而降低。要保证良好的脱氮除磷效果，厌氧段混合液的ORP应＜－250mv，缺氧段宜控制在-100mv左右，而好氧段则应控制在40mv以上。在运行管理中，①如发现厌氧段ORP升高，则预示着除磷效果已经或将降低。应立即分析ORP升高的原因，并采取对策。如果回流污泥带入太多的NO3－N，或由于搅拌强度太大产生空气复氧，都会使ORP值升高；②如发现缺氧段ORP升高，则预示内回流比太大，混合液自好氧段带入缺氧段的DO太多，另外，搅拌强度太大，产生空气复氧，同样也会使ORP升高；③如发现好氧段ORP降低，则说明曝气不足，使好氧段DO下降。污泥混合液的PH一般应控制在7.0之上，如果PH＜6.5，则应投加石灰，补充碱源量。在硝化反应中每硝化lgNH3-N需要消耗7.14g碱度，所以硝化过程中需要的每日需要的碱度量可按下式计算：N—进出生化系统的NH3-N浓度的差值，mg／L；7.14—硝化需碱量系数，kg碱度／kgNH3-N。
