王偉，王明剛，王彥龍，張鑫，劉麗娜，潘偉英，邵純紅

環(huán)境工程

SFA/O工藝的處理容量及脫氮性能研究*

王偉1，王明剛2，王彥龍2，張鑫1，劉麗娜1，潘偉英1，邵純紅1

（1.黑龍江工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050；2.哈爾濱中浦市政環(huán)境工程有限公司，黑龍江哈爾濱150090）

首先，通過理論分析對A/O工藝及SFA/O工藝的處理容量進行分析，對兩種工藝的脫氮性能進行評價。在此基礎(chǔ)上，在高C/N和低C/N下，通過試驗驗證兩種工藝的脫氮性能及污泥沉降性能。結(jié)果表明，SFA/O工藝在與傳統(tǒng)A/O工藝相比，無論在處理效果及長期運行的可行性上，均存在明顯優(yōu)勢。SFA/O可作為一種深度脫氮工藝可應(yīng)用到大中小型污水處理工程。

A/O；多點進水A/O；脫氮效率

隨著社會與經(jīng)濟的發(fā)展，水體富營養(yǎng)化問題日益嚴重。而研究表明，N-P是引起水體富營養(yǎng)化的主要原因[1，2]。因此，大部分的新建與改建污水處理廠，要求采用脫氮除磷工藝，以避免受納水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化問題，降低其使用功能。前置反硝化A/O工藝是眾多的脫N除P工藝的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單，容易利用原水碳源，對原有污水處理設(shè)施容易進行改造等優(yōu)點[3，4]，曾一度被廣泛使用。但由于受到內(nèi)循環(huán)等因素的限制，該工藝的總氮去除效率并不十分理想。而多段進水A/O工藝（Step-feed A/O，簡稱SFA/O）是將多點進水、多點曝氣和前置反硝化的結(jié)合起來的一種新型處理工藝。它的主要優(yōu)點是系統(tǒng)負荷均勻，能夠充分利用原水碳源，無需硝酸鹽氮內(nèi)循環(huán)設(shè)施并節(jié)省內(nèi)循環(huán)所需的能量，但SFA/O工藝的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)A/O相比相對復(fù)雜[5,6]。

本研究首先通過理論分析對A/O工藝及SFA/O工藝的處理容量進行分析，進而采用試驗驗證兩種工藝的脫氮性能，并通過對污泥沉降性能等的考察，比較SFA/O工藝在處理效果及長期運行的可行性上與傳統(tǒng)A/O工藝相比，是否存在優(yōu)勢。

1 理論分析

1.1 傳統(tǒng)A/O工藝與SFA/O工藝的處理容量

SFA/O工藝中，污水由多點分散進入反應(yīng)區(qū)，一定程度上降低了進水對回流污泥的稀釋作用，因而，各段污泥濃度呈現(xiàn)梯度分布。在二沉池的固體負荷相同的情況下，與傳統(tǒng)A/O工藝相比，SFA/O工藝的污泥儲量通常更大，處理容量也更大。假設(shè)反應(yīng)區(qū)總體積不變，那么二沉池的固體負荷就決定了系統(tǒng)的總處理容量。這里，首先假設(shè)傳統(tǒng)A/O工藝和SFA/O工藝系統(tǒng)的反應(yīng)容積與進入二沉池固體負荷相同，在理論上對比傳統(tǒng)A/O工藝與SFA/O工藝的處理容量，同時也通過理論分析，確定SFA/O工藝優(yōu)化的分段段數(shù)和污泥回流比。

圖5所示的鍵合圖模型中可知，所有的感性元件（電感）I都為微分因果關(guān)系，根據(jù)圖5及第二章所介紹的由鍵合圖模型推導(dǎo)數(shù)學(xué)方程可以得到：

假設(shè)條件：（1）反應(yīng)池內(nèi)生物體無生長；（2）二沉池出水的懸浮固體濃度低，且可忽略；（3）忽略進水懸浮固體濃度。對SFA/O工藝進行固體平衡，那么SFA/O工藝第i段的固體濃度可由式（1）確定。

在二沉池固體負荷一定的情況下，SFA/O工藝的最大處理容量與系統(tǒng)分段數(shù)、進水流量比、污泥回流比以及各段體積有關(guān)。假設(shè)系統(tǒng)各段進水量相等、各段反應(yīng)區(qū)體積相等，那么，在不同的污泥回流比下，反應(yīng)系統(tǒng)的最大處理容量與系統(tǒng)的分段段數(shù)具有一定的相關(guān)關(guān)系。如果分段數(shù)n=1時系統(tǒng)的總處理容量為100%，那么分段數(shù)不同的反應(yīng)系統(tǒng)相對于n=1（與A/O模式相同）時的總處理容量的百分比可由圖1來表示。

無論是進行常規(guī)的種苗繁育還是無土栽培，為種苗提供充足的營養(yǎng)都是必不可少的。為了更好的保證種苗可以健康生長，在其生長過程中必須進行充分的肥料供給。管理人員應(yīng)該根據(jù)林木種苗的生長情況以及土壤情況，科學(xué)的進行肥料的使用，這樣才可以保證苗木的快速生長和發(fā)育。

式中Xi：反應(yīng)器第i段的懸浮固體濃度；n：反應(yīng)器分段段數(shù)；i：第i段；R：污泥回流比；Vi：第i段反應(yīng)體積。

圖1 不同回流比下，系統(tǒng)的段數(shù)與系統(tǒng)處理容量的相關(guān)關(guān)系Fig.1Relationship of stage number and the treatment capacity under the different returned active sludge ratios

由圖1可以看出，系統(tǒng)處理容量受污泥回流比的影響較大。當系統(tǒng)具有相同的分段數(shù)，污泥回流比降低，系統(tǒng)總處理容量提高。這表明，二沉池的設(shè)計尺寸對SFA/O工藝系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響較大。而相同的污泥回流比條件下，分段數(shù)增加，總處理容量提高。但是，當分段數(shù)大于5時，系統(tǒng)每增加一段，其總的處理容量增加量逐漸變小。因此，考慮系統(tǒng)的運行復(fù)雜程度以及基建投資，SFA/O工藝系統(tǒng)的分段數(shù)應(yīng)小于5段。綜合考慮系統(tǒng)的運行操作難度、總的處理容量以及穩(wěn)定性等因素，一般情況下，SFA/O工藝的分段數(shù)為3～4段。

1.2 SFA/O工藝脫氮效率的理論分析

SFA/O工藝中，各段好氧區(qū)將原水中的氨氮氧化為硝酸鹽氮，硝酸鹽混合液進入下一段的缺氧區(qū)，經(jīng)過反硝化反應(yīng)并被還原為N2。各段缺氧區(qū)進入的污水中的碳源，恰恰可以為這種反硝化提供所需的碳源。缺氧與好氧交替布置的形式，省去了硝態(tài)氮內(nèi)循環(huán)設(shè)施。如果進入各好氧區(qū)的氨氮能夠被完全氧化成硝酸鹽氮，進入各缺氧區(qū)的的硝酸鹽氮能夠被完全還原，那么，系統(tǒng)最后一段的進水量及原水中氮污染物的濃度便決定了SFA/O工藝的總氮去除率。設(shè)定系統(tǒng)無硝態(tài)氮內(nèi)循環(huán)設(shè)施，對SFA/O工藝進行總氮的物料衡算，得到式（2）與（3）。

其中Q：總進水流量，m3·d-1;α：最后一段進水流量/總進水流量；R：污泥回流比；SNO3，eff：出水硝酸鹽氮濃度，g·m-3;STKN，inf：進水總凱氏氮濃度，g·m-3;

因此，SFA/O工藝的理論脫氮效率為：

由式（4）可知，α越小，系統(tǒng)脫氮率越高。值得注意的是，公式（4）的推導(dǎo)過程中，假設(shè)系統(tǒng)各反應(yīng)段的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)均徹底完成。實際工程中，水質(zhì)不盡相同，且受到各種環(huán)境因素的影響，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)也不一定能夠徹底完成，因此，還需根據(jù)實際的水質(zhì)情況，確定合適的工藝參數(shù)，以確保處理性能穩(wěn)定。

2 材料與方法

2.1 裝置及試驗方案

試驗所采用的A/O工藝系統(tǒng)和SFA/O工藝系統(tǒng)，規(guī)模相同且同時運行。兩個反應(yīng)器的有效容積均為65L，反應(yīng)器內(nèi)部由若干格室組成。試驗期間，系統(tǒng)的總水力停留時間（HRT）均控制在10h，固體停留時間（SRT）為15d，總進水量均為156L·d-1。好氧區(qū)的溶解氧濃度控制為2～3mg·L-1，系統(tǒng)末端MLSS為3000±200mg·L-1。A/O系統(tǒng)反應(yīng)器共由多個隔室組成，缺氧/好氧體積比均為2∶3，SFA/O系統(tǒng)分為4段，各段體積相同，且缺氧/好氧區(qū)體積比為2∶3。

圖2為傳統(tǒng)A/O工藝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 缺氧/好氧（A/O）工藝裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2Schematic diagram of anoxic/oxic process（A/O）

按碳源充足（COD/TKN=8.8～9.4）與碳源不足（COD/TKN=3.5～4.2），整個試驗分為兩個階段。由于采用的實際生活污水水質(zhì)波動較大，因此，為保證試驗結(jié)果具有可比性，試驗過程在原水中投加一定量的乙醇和NH4Cl，保證原水水質(zhì)相對穩(wěn)定。階段A：進水COD濃度維持在350±20mg·L-1，進水TKN濃度維持在40±5mg·L-1；階段B：進水COD濃度維持在200±20mg·L-1，進水TKN濃度維持在50± 5mg·L-1。對A/O與SFA/O工藝進行分析，A/O工藝在進水C/N一定，好氧區(qū)溶解氧濃度足夠大，且硝化完成的情況下，內(nèi)循比的大小決定反硝化效率的高低，內(nèi)循環(huán)比過小，回流的硝酸鹽氮的總量不足，無法充分利用缺氧區(qū)的反硝化容量；而內(nèi)循環(huán)比過大，必將攜帶大量的溶解氧到缺氧區(qū)，破壞缺氧環(huán)境，使得反硝化效率降低。而在SFA/O工藝中，在進水C/N一定且各段硝化完全的情況下，缺氧區(qū)的反硝化容量，則取決于系統(tǒng)的流量分配比。因此，本研究中，兩個系統(tǒng)的污泥回流比均控制在50%不變；對于A/O工藝，采用不同的內(nèi)循環(huán)回流比，而對于SFA/O工藝則采用不同的進水流量比，具體運行參數(shù)見表1。

福利多元主義理論認為政府不再是唯一的服務(wù)提供者，強調(diào)多元投入，PPP模式也主張公共部門和私人部門共同參與投資社區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)項目中。我國現(xiàn)階段城市社區(qū)居家養(yǎng)老服務(wù)的資金主要來自于三個部門，即公共部門的財政投入、私人部門的社會資本以及老年人的自費投入等。然而，公共部門的財政投入大多使用于社區(qū)建設(shè)、管理人員的薪資、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面，在居家養(yǎng)老服務(wù)方面實際投入資金較少，而私人部門具有“經(jīng)濟人”的本質(zhì)特征，一般以追求盈利為目的，而私人部門投資社區(qū)居家養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)的資金風(fēng)險較大，投資回報周期表較長，私人部門常出現(xiàn)資金斷鏈問題。

建立和完善高校政府采購內(nèi)部控制管理制度，加強內(nèi)部審計監(jiān)督和管理制度，努力解決高校政府采購內(nèi)部控制管理中存在的預(yù)算和采購方面的諸多問題，對提高我國高校政府采購內(nèi)部控制具有重大的影響。

圖34 段進水SFA/O工藝裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3Schematic diagram of four-stages SFA/O（step-feed A/ O）process

試驗用水為住宅小區(qū)的實際生活污水:原水CODCr=235～280mg·L-1，BOD5=110～150mg·L-1，進水總凱氏氮（TKN）濃度為48～52mg·L-1，-N=44～55mg· L-1，-N=0.08～0.19mg·L-1-N=0.05～1.42mg· L-1；試驗期間控制進水CODCr/TKN比為3，5，7，9，11和13。

在少不更事的年紀里，不懂家人的飯局，只覺得鬧。醉酒之人大聲地發(fā)笑，不停地絮叨，看著長輩們頻頻舉杯，搖頭走掉。而多年后的此刻，當我深切地坐在其中，便發(fā)覺原來一切都是那么的順理成章。酒里帶著一種氛圍，一種讓人無法抗拒的魔力。美食佐酒，深秋之味，讓人相信美好的事物是這個世界的根源。即使生活未必完美，卻總有美好內(nèi)里。

污水經(jīng)進水蠕動泵由反應(yīng)器第1缺氧格室進入系統(tǒng)，出水管路設(shè)置內(nèi)循環(huán)回流泵，將硝酸鹽氮混合液回流至系統(tǒng)首端的缺氧格室，回流污泥經(jīng)回流污泥泵輸送到第1缺氧格室。

表1 試驗方案與運行參數(shù)（%）Tab.1Design and operational parameters of experiment

2.2 試驗水質(zhì)

右邊圖引入面向?qū)ο箢惖睦^承，子類中省略父字段及方法，主類中子類調(diào)用父類中字段及方法，其圖解描述(代碼模塊化)。見圖5。

住房租賃市場的參與主體更加多元。開發(fā)商、專業(yè)化租賃運營商、中介機構(gòu)、酒店集團等各類企業(yè)紛紛搶灘“新風(fēng)口”，打造自有租賃公寓品牌。

主體反應(yīng)區(qū)按體積平均分為4段，每段有效容積16.25L。各段均設(shè)置一個缺氧格室和一個好氧隔室，缺氧隔室的有效容積6.5L，好氧隔室的有效容積9.75L。原水分別在各段的缺氧格室進入系統(tǒng)。回流污泥經(jīng)污泥回流泵回流到第1段的缺氧格室，系統(tǒng)無內(nèi)循環(huán)設(shè)施。

2.3 分析方法

MLSS，CODCr，BOD5，N-N，NON，NO-N等，采用國家標準方法[7]；TKN由德國Behr總凱氏氮測定儀測定；溫度，DO，pH值采用德國WTW340i在線測定儀測定。

圖3為4段進水SFA/O裝置結(jié)構(gòu)圖。

3 系統(tǒng)性能比較

3.1 脫氮性能

圖4為不同工況下，A/O與SFA/O工藝的TN去除效率。

由此可見，無論是衛(wèi)生管理部門還是醫(yī)院都要從仁愛和技術(shù)能力兩個不同維度出發(fā)對醫(yī)生進行激勵和管理，努力提升患者尤其是門診患者對醫(yī)生的信任水平。在仁愛維度上，醫(yī)生要更加注重在門診接診過程中自身接診態(tài)度的改善和醫(yī)患溝通技巧的提升，充分考慮門診患者的需求，把患者的利益放在第一位；在技術(shù)能力上，醫(yī)技水平是醫(yī)生的基礎(chǔ)，醫(yī)生在努力提升自身專業(yè)能力的同時，要充分利用自己所學(xué)到的醫(yī)學(xué)知識給患者制定合理的治療方案幫助患者恢復(fù)健康。尤其是對待問診時間有限的門診患者，準確利用自己的專業(yè)知識在短時間內(nèi)了解更多的病情幫他們找到病因，治好急病，減少痛苦，增強門診患者對醫(yī)生的信任水平。

圖4 不同工況下，A/O與SFA/O工藝TN去除效率Fig.4TN removal efficiency of A/O and SFA/O process under different conditions

由圖4可以看出，SFA/O工藝的TN去除效率受流量分配比的影響較大。而對于A/O，盡管TN去除效率決定于內(nèi)循環(huán)比，但隨著內(nèi)循環(huán)增大，TN去除率增長的幅度卻降低；TN去除率并非與R/（R+1）呈現(xiàn)一一對應(yīng)關(guān)系；在工況A，在內(nèi)循環(huán)比為300%時，A/O工藝系統(tǒng)的總氮去除率最高，為79.4%；而在工況B，當內(nèi)循環(huán)設(shè)定為200%時，獲得最高的總氮去除效率，為60.2%。這說明，對于A/O工藝，一定范圍內(nèi)提高內(nèi)循環(huán)比可以提高TN去除效率，但不能無限制的提高內(nèi)循環(huán)比。較高的內(nèi)循環(huán)比，會導(dǎo)致由好氧區(qū)到缺氧區(qū)溶解氧攜帶量的大幅度增加，破壞缺氧環(huán)境，進而降低反硝化速率，浪費碳源，并導(dǎo)致系統(tǒng)TN去除率的降低。對于SFA/O工藝，兩種工況下，系統(tǒng)最大的TN去除效率分別為88.4%和70.8%，均明顯高于傳統(tǒng)的A/O工藝，這充分體現(xiàn)了SFA/O工藝在提高脫氮效率上具有較為明顯的優(yōu)勢。

3.2 對污泥沉降性能的影響

圖5是整個試驗階段，兩個系統(tǒng)的污泥沉降性能的比較。

圖5 不同工況下，系統(tǒng)污泥體積指數(shù)的變化Fig.5 Variations of sludge volume index（SVI）under different operation conditions

圖5 中可以看出，在工況A，兩個系統(tǒng)的污泥體積指數(shù)（SVI）值均呈上升趨勢。在工況A-4，A/O工藝的SVI值甚至高于200mL·g-1，鏡檢發(fā)現(xiàn)較多的絲狀菌。分析工況A系統(tǒng)SVI值不斷上升原因的SVI認為，A階段為調(diào)整系統(tǒng)進水C/N比，在原水中投加了較多的乙醇，乙醇屬于易降解有機物，其導(dǎo)致了絲狀菌的大量繁殖。然而，相同的運行條件下，SFA/O工藝系統(tǒng)的SVI值卻明顯低于A/O系統(tǒng)。分析認為，在SFA/O系統(tǒng)，缺氧/好氧交替布置，缺氧環(huán)境本身對絲狀菌具有一定的淘洗作用，加之缺氧區(qū)較高的負荷，更進一步抑制了絲狀菌的大量繁殖。對于工況B，由于原水中易降解有機物的投加量的降低，A/O和SFA/O系統(tǒng)的污泥沉降性能均得到一定程度的改善，SVI值均呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，鏡檢發(fā)現(xiàn)，絲狀菌的數(shù)量也大為減少。

將研究成果應(yīng)用在牛莊洼陷的牛871井區(qū)，取得良好的鉆探效果，依據(jù)精細勘探井位部署方案，共完鉆探井5口，開發(fā)井7口，12口井全部在沙三中、下鉆遇油層，成功率100%；對已完鉆的12口井試油試采，10口井獲工業(yè)油流，大大提高了巖性油藏的勘探效益。

4 結(jié)論

在理論上對SFA/O工藝與傳統(tǒng)A/O工藝的處理容量進行分析，結(jié)果表明，SFA/O工藝相比于傳統(tǒng)A/O工藝具有明顯的優(yōu)勢。當污泥回流比為50%時，理論上，SFA/O工藝在不設(shè)置內(nèi)循環(huán)的情況下，卻獲得了高于85%的TN去除效率，而傳統(tǒng)A/O工藝卻只能達到40%的TN去除效率。而對于A/O工藝，在污泥回流比為50%的條件下，如要達到80%的TN去除效率，理論上需要設(shè)置350%的內(nèi)循環(huán)比。

實驗室小試結(jié)果也證實，SFA/O工藝的氮去除性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)A/O工藝。高C/N和低C/N條件下，SFA/O工藝均表現(xiàn)出了良好的氮去除性能，且無需設(shè)置內(nèi)循環(huán)設(shè)施。對工藝運行的穩(wěn)定性，尤其是污泥沉降性能方面進行考察，結(jié)果表明SFA/O工藝可有效地控制污泥膨脹的發(fā)生。在受到易降解基質(zhì)的影響而發(fā)生污泥膨脹的情況下，SFA/O系統(tǒng)內(nèi)絲狀菌污泥膨脹的進程明顯慢于A/O系統(tǒng)，而在膨脹的恢復(fù)過程中，SFA/O工藝系統(tǒng)污泥容積指數(shù)的下降速率卻明顯高于A/O工藝，SFA/O系統(tǒng)具有更好的運行穩(wěn)定性。

［1］鄭興燦,李亞新.污水除磷脫氮技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998.

［2］Metcalf&Eddy,Inc.Wastewater EngineeringTreatment and Reuse［M］.清華大學(xué)出版社,2003.

［3］馬勇,彭永臻.城市污水處理系統(tǒng)運行及過程控制［M］.北京:科學(xué)出版社,2007.

［4］Ma Y,PengYZ,WangSY,et al.FuzzyControl ofNitrate Recirculation and External Carbon Addition in A/O Nitrogen Removal Process［J］.Journal of Chinese Chemical Engineering,2005,13（2）: 244-249.

［5］L.Larrea,A.Larrea,E.Ayesa,et al.Development and Verification of Design and Operation Criteria for the Step Feed Process with Nitrogen Removal［J］.Wat.Sci.Tech.,2001,43（1）:261-268.

［6］葛士建,彭永臻.連續(xù)流分段進水工藝生物脫氮除磷技術(shù)分析及優(yōu)化控制［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,29（12）:2465-2470.

［7］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006.

Study on the treatment capacity and nitrogen removal performance of SFA/O process*

WANG Wei1，WANG Ming-gang2，WANG Yan-long2，ZHANG Xin1，LIU Li-na1，PAN Wei-ying1，SHAO Chun-hong1
（1.Heilongjiang Institute of Technology，Harbin 150050，China；2.Harbin Zhongpu Civil and Environmental Engineering Co.，Ltd.，Harbin 150090，China）

To compare the nitrogen removal efficiency,the theoretical method was adopted to analye the treatment capacity between A/O process and SFA/O process.Based on the theoretical analysis,the nitrogen removal efficiency and sludge settlement performance under the higher C/N ratio and lower C/N ratio was investigated respectively.The results showed that either the treatment efficiency or the feasibility of long-term operation,SFA/O process shows a strong advantage compare to A/O process.As a deep nitrogen removal process,SFA/O process can be used to wastewater treatment plant with large,medium and small scale.

A/O；step-feed A/O；nitrogen removal efficiency

X703.1

A

1002-1124（2014）04-0026-04

2014-01-21

黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃（1251G053）作者簡介：王偉（1979-），女，副教授，博士.主要從事污水生物、化學(xué)處理及過程控制研究。