新型厌氧-好氧-缺氧（AOA）工艺在污水处理厂（4万吨/天）的首次应用

 

题目

First application of the novel anaerobic aerobic anoxic (AOA) process for advanced nutrient removal in a wastewater treatment plant

摘要

污水处理厂（WWTPs）严格的出水质量标准可以通过减少营养物质向水环境中的排放来有效缓解环境问题。然而，目前的废水处理工艺往往难以同时实现营养物的深度去除和节能减排。该研究建立了一个全规模厌氧/好氧/缺氧（AOA）系统，废水处理规模为40,000m3/d。经过一年的运行，在低TN/COD（C/N）的废水处理中，出水TN和TP的平均浓度达到7.53 ± 0.81和0.37 ± 0.05 mg/L。后缺氧区充分利用了前厌氧区储存的内部碳源，去除了41.29 %的总氮和36.25 %的总磷。细胞内糖原（Gly）和胞外聚合物（EPS）中的蛋白质是缺氧后反硝化和磷吸收的潜在驱动因素。AOA系统的长缺氧水力停留时间（HRT）强化了污泥发酵过程。发酵细菌的相对丰度为31.66 ~ 55.83 %，其发酵代谢产物可为营养物质的去除提供额外的底物和能量。AOA系统内部碳源的开发和利用有利于减少剩余污泥产量、节能减排与高级营养物去除，其成功验证提供了一种可广泛应用于污水处理厂的潜在变革性技术。  

研究背景

水体富营养化已成为一个紧迫的全球环境问题，主要是营养物质（特别是氮和磷）过度排放到水生环境中引起的。提高去除效率是缓解这些问题的有效策略。大多数污水处理厂采用传统的前置反硝化和硝化工艺实现脱氮，但后缺氧区通常缺乏外部碳源，因为大多数可用碳源在曝气中被去除。目前，后缺氧阶段的反硝化方法主要有补充外源碳源和利用内部碳源两种，前者会增加废水处理成本和碳排放；对于后者，最近的研究发现，在全规模污水处理厂的后缺氧区，由内部碳源驱动的氮去除约占30%，有效提高了去除效率。因此，开发和利用内部碳源有望实现成本效益。  

研究方法

该研究建立了一个全规模AOA系统，对该系统中的营养物去除性能和微生物群落的变化进行了综合评估。通过批量实验，从细胞内碳源（PHA和Gly）、胞外聚合物（蛋白质和多糖）和细胞裂解产物三个维度探讨了反硝化作用的驱动力。此外，还分析了脱氮除磷的机理，特别是功能微生物之间的协同作用。最后，基于剩余污泥产量和运行能耗评估了AOA工艺的节能和碳节约潜力。  

 

图1 AOA工艺示意图

主要成果

1

AOA系统的营养物长期去除性能

系统运行前期，为了活化接种的污泥，厌氧区：好氧区：缺氧区的体积比为2：3：3。NH ₄ ⁺ -N去除率提高到90%后，体积比调整为2：2：4。随着运行参数的测量和确定，AOA系统的脱氮性能趋于稳定。运行一年来，氨氮和总氮的去除率分别为96.49%和70.92%。  

 

图2 营养物质的去除表现

系统运行前期的总磷去除效果也不理想，随着污泥停留时间（SRT）从40天缩短至23天，总磷去除效率平均提高至83.61%。在随后的一年运行期间，平均进水和出水总磷浓度分别为2.24 ± 0.13 mg/L和0.37 ± 0.05 mg/L。COD去除性能保持稳定，平均进水和出水COD浓度分别为146.9 ± 27.0 mg/和13.4 ± 2.4 mg/L，COD去除率为90.66%。

 

2

AOA系统中的营养物去除机制

在预厌氧区，总氮去除比例为42.30%，主要是由于外部碳源驱动的反硝化作用，从进水和污泥回流中去除了硝酸盐。COD主要在厌氧区去除，总量为92.7 mg/L。后缺氧区的建立成功地提高了系统的营养物去除效率。如果前厌氧区的反硝化作用仅由外部来源驱动，污泥再循环率为75%，则理论去除效率仅为42.86%。此外，后缺氧区通过反硝化除磷进一步降低了出水磷浓度。这表明内部碳源的有效利用对于提高脱氮除磷性能至关重要。  

 

图3 AOA系统不同区域的营养物去除性能

  

值得注意的是，氮磷的去除机理与以往的研究不同。其他研究表明，PHA和Gly-是系统反硝化作用的主要驱动因素。然而，好氧区和后缺氧区的COD和Gly-的减少量仅为38.4 mg/L，而理论上反硝化所需的碳源为55.9 mg COD/L。这表明其他内部碳源有助于反硝化和除磷的可能性。由于进水和污泥再循环中均存在硝酸盐，混合后初始厌氧区的理论硝酸盐浓度为4.03 mg/L。这不仅消耗了原水中的有机碳源，还影响了厌氧环境，阻碍了PHA和Gly等胞内碳源的储存。这可能是本研究中脱氮除磷机理不同的原因。此外，内部碳源的有限储存也影响了脱氮除磷性能。

 

3

AOA系统中的微生物群落

AOA系统中的主要优势门是厚壁菌门（相对丰度为30.98 ~ 59.28 %）、氯菌门（相对丰度为10.35 ~ 18.42 %）和放线菌门（相对丰度为7.63 ~ 19.04 %）。这些门的一些属能够通过发酵代谢分解复杂的有机物产生酸或氢。此外，变形菌属的相对丰度为5.51 ~ 10.38%，包括许多被确认为反硝化细菌（DNB）的属。  

图4  AOA系统的微生物群落

进一步分析AOA系统中的功能属，在该系统中检测到氨氧化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB），在2022年1月低温期间丰度较高，可能是氮去除效率提高的原因。与接种污泥的系统（氧化沟工艺）相比，AOA系统显示出由外部碳源驱动的反硝化作用较低，这可能导致DNB生物量略有减少。值得注意的是，一些物种，如脱氯单胞菌属，被认为具有芳香化合物降解和硝酸盐还原作用。这可能为AOA系统中PHA积累和厌氧磷释放缺乏的条件下，系统仍然进行好氧磷吸收和反硝化磷去除的现象做出解释。一些发酵细菌通过水解和酸化机制分解细胞裂解产生的复杂有机物，如蛋白质，为反硝化和反硝化除磷提供碳源和能量。这种涉及发酵细菌、DNB和PAOs的协同机制促进了后缺氧区中氮和磷的去除。

 

4

AOA系统中的内部碳源的储存和利用

Gly-在厌氧状态下作为细胞内碳源储存，并作为后缺氧区营养物去除的驱动力之一。此外，批量实验表明，EPS中的蛋白质物质随着硝酸盐的减少而减少，这表明它们是另一个潜在的驱动力，这些蛋白质物质可能来源于污泥发酵。

在AOA系统的长期运行过程中检测到了高丰度（31.66 ~ 55.83%）的发酵细菌，在长期缺氧状态后，细胞死亡率从3.03%增加到5.34%。这表明细胞溶解和发酵发生在AOA系统内，为后缺氧区的反硝化和除磷提供了额外的能量和底物。

图5 AOA系统中的内部碳源的储存和利用

由于内部碳源的开发和利用，AOA系统显示了以下优势：首先，具有利用蛋白质等复杂有机物质的潜力，从而提高了原废水碳源的利用率。通过充分利用外部和内部碳源，该系统能够在有限的碳条件下（C/N = 5）实现深度脱氮。其次，内部碳源的开发和利用，特别是细胞裂解的发生，减少了剩余污泥的产生。AOA系统的SRT为23天，而厌氧/缺氧/好氧（AAO）工艺是一种常见的传统预脱氮工艺，其SRT约为12天。与AAO工艺相比，AOA系统在污泥处理和处置成本方面节省了30.40%。最后，大多数碳源在厌氧区以内部碳的形式储存，减少了好氧区碳去除所需的通气量。     

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