深度剖析AAO工艺如何向AOA工艺“华丽”转身

深度剖析AAO工艺如何向AOA工艺“华丽”转身

一、AOA与AAO的简介

污水处理领域的AOA工艺，全称为“厌氧-好氧-缺氧”（Anaerobic-Oxic-Anoxic），是由中国工程院院士、北京工业大学彭永臻教授团队研发的新型工艺。

而大家所熟知的AAO工艺，即“厌氧-缺氧-好氧”（Anaerobic-Anoxic-Oxic），是目前应用最广泛、最成熟的生物脱氮除磷技术之一。该工艺同时承担着生物脱氮与除磷两大任务，但两者对污泥龄（SRT）的要求截然相反：脱氮需要较长的泥龄，而除磷则需要较短的泥龄。这一矛盾如同“冤家聚头”，迫使运营人员必须精通“平衡之术”——在相互冲突的需求间不断调节运行参数，如同“打一巴掌给颗糖”，让任何一方都无法占据绝对优势，确保水质稳定达标，这正是AAO工艺运行控制的核心所在。

二、总氮问题的提出

随着水体富营养化问题在特定时期频繁爆发，蓝藻生长的元凶——氮和磷成为众矢之的。除磷相对容易应对，除了生物除磷，还可辅以化学除磷。生物除磷成本低但不彻底，化学除磷成本高却更彻底，二者优势互补，形成“最佳拍档”。除磷的问题解决了，脱氮问题比较棘手。虽然存在化学脱氮，如：折点加氯，但主流仍依赖生物脱氮。

 

氮与磷是一对矛盾，而承担脱氮任务的硝化菌与反硝化菌又是一对矛盾，虽同处一个系统，却对生活环境有着截然不同的要求：硝化菌偏好好氧、碱度充足、有机物浓度低的环境；反硝化菌则渴望缺氧且富含有机物的环境条件。

随着排放标准日益严格，污水厂出水总氮要求越来越高，出水总氮浓度越低越好。传统脱氮除磷的“平衡术”已难以满足需求，生物脱氮技术开始走向“极限化”探索。

1.AAO脱氮的理论极限

AAO工艺的理论脱氮率公式为 η = r / (1 + r)（r为内回流比）。

回流比r%	理论脱氮率η%
300	75
400	80
500	83.3
600	85.7
??????
1000	99.9001
1001	99.9002
??????
∞	100

通过计算不同回流比下的理论脱氮率可见，随着r增大，η逐渐趋近于100%。

2.回流比的双重属性

上一节论述了回流比的极限，把总氮理论脱氮率推向了极端：100%。

本节论述回流比的极限，同样把总氮理论脱氮率推向了另一个极端：0%。

所以，回流比并非越高越好。

 

 

α为DO耗氧系数，即：DO从好氧区传输到缺氧区的损耗系数，α=1表示没有损耗，说明回流管很短，损耗可以忽略不计。

缺氧区的溶解氧（DO）水平受内回流带入的DO影响。其核心关系可简述为：缺氧区DO ≈（内回流带入的总氧量） / （进水 + 内回流总流量）。当内回流趋近无穷大，且回流管道溶解氧损耗α=1时（回流的时间很短），缺氧区DO将无限接近好氧区水平，导致反硝化环境破坏，无法形成缺氧区，理论脱氮率反而降至0%。这就形成了一对尖锐的矛盾：理论上回流比无穷大时总氮去除率可达100%，但却可能因缺氧环境丧失而降至0%。

实际生产中，为了一个“平衡”，回流比通常为300%左右，极限总氮去除率75%左右，实际总氮去除率60～70%左右。

 

3.如何破解这一难题？

关键在于找到动态平衡点：既要通过提高回流比来提升理论脱氮率，又要确保缺氧区维持有效的缺氧状态。此时，耗氧系数α成为重要调控参数。通过计算活性污泥的耗氧速率（OUR），可以估算将回流硝化液中的溶解氧从好氧水平（如2 mg/L）降至缺氧水平（如0.5 mg/L）所需的时间。计算公式：

t =(DO好氧-DO缺氧)/（OUR?MLVSS）

例如：在典型参数下（OUR=15 mg O?/(g MLVSS·h)，MLVSS=3 g/L），仅需约2分钟即可完成脱氧。

实际情况与理论计算存在脱节，活性污泥的耗氧速率（OUR）并不是一个固定常数，随着温度、碳源浓度等条件变化。下图为实际数据拟合的OUR。

 

综上，解决方案是：

可在好氧区与缺氧区之间设置一个“脱氧区”，该区可能是好氧可能是缺氧状态，设计上称为“好氧/缺氧可调区”，让回流硝化液在此短暂停留，消耗溶解氧后再进入缺氧区。这样，即使内回流比趋近无穷大，也能保证缺氧环境，使理论脱氮率η = r / (1 + r) ≈ 100% 成为可能。

既然脱氧区（“好氧/缺氧可调区”）理论上成立，无限的内回流比如何实现呢？

实现无限内回流比的方案是：

取消内回流，将缺氧区A挪到好氧区的后面，变成后置缺氧区。而在好氧区与后置缺氧区之间设置脱氧区，替代了内回流，实现好氧区与缺氧区的“变身”，停留时间可以按照最不利状态设定。一般是脱氧区的停留时间可以设置为n倍的理论计算时间，由中试决定。

脱氧区（“好氧/缺氧可调区”）功能有两种：

一是DO过渡，由好氧状态过渡为缺氧状态。

二是可调区，底部布置曝气装置，平时不开启；一旦进水受到负荷冲击，氨氮升高，可以利用该区域进行曝气，变成好氧区进行硝化。曝气区域多大，由反馈进水水质浓度来决定。

至此，AAO工艺完成了理论总氮去除率100%的全部条件，实现了向AOA工艺的“华丽转身”。

但是，“华丽转身”仅仅是理论上，实际上需要解决内碳源利用问题。

AAO工艺特征是：缺氧区停留时间短，好氧区停留时间长。“华丽转身”的AAO，活性污泥经历了好氧区后，其在厌氧区吸附的内碳源几乎已经完成分解，在后置缺氧区则无内碳源可用，反硝化需要投入大量的碳源。这与AOA内碳源利用本质相悖。

因此，需要根据AOA的本质对好氧区和缺氧区的比例重新划分。

AOA的内碳源利用本质是：好氧区尽量少消耗内碳源，微生物吸附的内碳源主要用来脱氮。

只有实现该功能，才能真正变成AOA工艺。

三、AOA工艺的设计与运行关键

这一理论上的转变，在实际设计与运行中需重点关注以下几点：

1.好氧区功能的转变

在AOA系统中，好氧区的主要任务不再是传统意义上的有机物去除（降碳），而是完成硝化过程（将氨氮转化为硝态氮/亚硝态氮）。污水中的有机物（BOD）已在厌氧区中转化为微生物的“内碳源”，为后续缺氧区反硝化提供电子供体，中间跨越了好氧区。这好比“鹦鹉嚼食喂雏”，需精准控制好氧区停留时间：时间过长会导致内碳源被过度消耗；时间过短则硝化不完全，导致氨氮超标。实际操作中，可以出水氨氮（如：1.0mg/L）为控制目标，动态调节曝气时间。这就是设计单位所说的工艺包精准控制理论依据。

2.是脱氧区的精确控制

脱氧区（好氧/缺氧可调区）是利用污泥有氧呼吸消耗溶解氧的关键单元，其所需停留时间取决于污泥浓度和耗氧速率。例如，设计30分钟停留时间可能使DO降低90%（即α=10%），若好氧区DO为3mg/L，则进入缺氧区的DO可降至0.3mg/L。需根据实际污泥特性进行计算与调控。

3.二沉池的潜在风险与对策

在AAO工艺中，好氧区混合液进入二沉池，高DO可抑制二沉池的反硝化作用和聚磷菌的释磷行为。而在AOA工艺中，生化池出水处于缺氧状态，二沉池更易形成厌氧环境，导致已吸磷的聚磷菌再次释磷，造成出水总磷超标。解决方案是：在缺氧区末端、进入二沉池前进行“短时曝气复氧”。曝气的强度，根据氨氮浓度和总磷浓度确定。其作用有二：

一是防止二沉池厌氧释磷，提高生物除磷效率；

二是进一步降解可能残余的氨氮，起到出水水质的“双保险”作用。

4.关于外回流与厌氧区的补充

在AOA工艺中，由于取消了内回流，外回流（污泥回流）的作用是维持系统微生物量。回流污泥在二沉池（停留时间至少3h）中已基本达到缺氧状态，与进水混合后进入厌氧区，微生物与富含有机物的污水混合，在很短的时间内完全进入厌氧状态[因耗氧速率(OUR)很高]。

需要注意的是，污水在输送过程中（特别是经过曝气沉砂池后）可能携带部分溶解氧（约2 mg/L的DO会消耗约1 mg/L的BOD），这对旨在充分利用原水碳源的厌氧环境是不利的。因此，建议曝气沉砂池采用变频鼓风机而非定频罗茨风机，以精确控制曝气量，减少不必要的污水复氧输入。

5.单回流和双回流的选择

在AOA设计中，重要的设计参数就是污泥回流，有两种方式。

一是单回流。即：在二沉池的污泥（也就是微生物，回流比150%）回流至厌氧区前端，与污水混合后进入厌氧区。

二是双回流。在二沉池的污泥（回流比150%）一部分回流至厌氧区前端，与污水混合后进入厌氧区；一部分回流至缺氧区的前端。

两种回流方式，作用是一样的，补充生化池的微生物总量。

但是，两者依然有比较大的区别。

AOA工艺擅长精细调控，与AAO粗放式调控是有区别的；同时，双回流比单回流调控更加精细。

双回流系统中，回流至缺氧池的微生物，内碳源已经被消耗“殆尽”，这部分微生物只能利用被夹带进入缺氧区的碳源协助进行反硝化（没有投加碳源的话），其作用就是备用、待命。回流至厌氧区的微生物，真正承担厌氧区摄取“内碳源”和好氧区硝化的双重任务，是主力军。

双回流如何分配流量呢？那就是“食微比F/M”，根据进水污染物的量实时调整回流量的比例，极限状态是回流比150%，即：变成单回流。

双回流比单回流节能。因为回流到厌氧区的污泥，全部经过好氧区，从厌氧状态进入好氧状态，需要消耗氧量，导致供气量增加，能耗增加。双回流只有部分流量到厌氧区，这是比单回流节能的原因。

四、工艺包问题

这是一种智慧化的控制手段，属于智慧水务的一部份。能够及时根据水质水量的变化，对工艺运行参数进行调整。主要调整的内容有哪些呢？

一是好氧区的曝气强度。根据在线仪表数据反馈数据，如进水浓度、好氧区的DO等，及时调整好氧区的曝气强度，避免内碳源的过度消耗，同时保证硝化的完全。

二是脱氧区（好氧/缺氧可调区），根据仪表反馈的数据，调整脱氧区的大小以及必要时的曝气强度。

三是短时曝气复氧区（如有设置），根据仪表反馈的数据，必要时进行曝气和调整曝气强度。

四是双回流（如采用）的流量分配。厌氧区的回流比高一些，还是缺氧区的回流比多一些，根据仪表反馈的数据来调整。

五、结语

任何工艺都兼具优势与局限性，包治百病的工艺路线是没有的。

一是AOA工艺在脱氮方面表现优异，但其生物除磷效果较差，通常需要辅以化学除磷来满足排放要求。在实际运行中，不建议将化学除磷过程与生物处理同步进行，而应设置独立的处理单元进行化学除磷，例如：高效沉淀池等设施。

二是在对AAO工艺进行原位改造时，必须充分考虑二沉池的运行负荷，避免因负荷过高导致翻泥现象。为此，建议在深度处理环节考虑对悬浮物的去除单元，以进一步提升系统运行的稳定性与处理效果。

三是AOA工艺包问题。深度剖析AAO工艺转身为AOA工艺原理后，自动化控制、智慧化控制等辅助手段是否有必要，则根据运行人员的素质水平以及污水厂的财力来决定，毕竟多一套仪表多一份操心，多一份负担，建议量力而行。