无需外加碳源，脱氮率94.8%：AOA工艺的工程化应用突破

无需外加碳源，脱氮率94.8%：AOA工艺的工程化应用突破

为破解大规模 AOA 系统在负荷波动和参数耦合方面的瓶颈，本研究提出并验证了“三位一体”协同运行策略：①动态重构段比：依据进水负荷实时调整厌氧/好氧/缺氧段的 HRT 与容积配比，维持各功能区反应平衡，保障出水稳定；②动态污泥回流模式：彻底取消内部回流，仅保留100%~150%动态外回流，并将 MLSS 提高至3 800~4 200 mg/L，降低能耗的同时避免厌氧区碳源被稀释；③AI精准调控：引入AI驱动的精准曝气和流量分配模块，实时解析进水C/N及瞬时流量波动，动态优化鼓风机气量与外回流泵频率，从而保持缺氧段电子供体充足。

1.项目概况

滨河水质净化厂是深圳市首座建成投产的水质净化厂（1983年），历经4次改扩建，处理规模达30万m?/d（12万 m?/d的氧化沟工艺+18万 m?/d的AAO工艺），出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准。随着国家《水污染防治行动计划》（2015年）的深入实施和《深圳湾水环境提质攻坚实施方案（2023-2025年）》的全面落地，要求滨河水质净化厂处理规模扩建至50万 m?/d，出水水质提升至深圳市地方标准《水质净化厂出水水质规范》（DB 4403/T 64-2020）B标准（总氮指标执行深圳市《水质净化厂出水水质规范》(DB 4403/T64-2020)的A标准，总氮≤8 mg/L），设计进出水水质见表1。该厂的提标扩建不仅对改善区域水环境质量具有重要意义，其AOA工艺优化方案更为同类水质净化厂的升级改造提供了重要的工程示范和技术参考。

表1 滨河水质净化厂设计进出水水质标准 

注：①出水总氮瞬时值≤ 8 mg/L，年均值≤ 5 mg/L。

1.1 滨河水质净化厂提标扩建设计思路

作为深圳市首座具有深度脱氮提标要求的大型老厂和深圳河流域关键治污节点，提标扩建后，出水总氮需从15 mg/L降至8 mg/L，提标幅度超46%。同时，处理规模将从30万 m?/d扩建至50万m?/d，提量幅度达67%。在不增加总用地前提下，常规的生化处理工艺后接反硝化滤池的技术路线无法同时满足提标扩建的双重目标。从水环境质量全局规划，通过严谨的考察和评定，最终选择AOA工艺作为生化处理工艺，并且将重建部分的生化池水深加深至10.1 m，以节约占地。AOA工艺技术取代了原方案多级 AO 耦合 MBBR +反硝化滤池的技术路线，节省了建设投资 2.28 亿元。项目提标扩建设计工艺流程如图1所示。

 

1.2 滨河水质净化厂的施工改造思路

为保证施工期间的片区污水得到全量处理，该项目需要在不减量、不停产、不降标的基础上进行提标扩建。项目分阶段施工，扩建工程将厂区原氧化沟拆除后，建设30万 m?/d处理规模 AOA生化池及高负荷二沉池，现已建成投产。提标扩容工程将AAO生化池改造成AOA生化池，并将处理规模由18万 m?/d提高到20万 m?/d，目前正在施工中。

2.AOA工艺的启动、调试与运行

2024年8月15日，新建30万 m?/d的AOA生化池首条生产线（处理规模7.5万 m?/d，以下简称“A线”）正式进入联动调试阶段。

2.1 AOA工艺的污泥接种

为缩短启动周期并保持菌群适应性，我们选用同厂长期稳定运行的 AAO系统剩余活性污泥作为接种源。剩余污泥先在重力浓缩池静置浓缩，上清液排出后 MLSS 提升至约 8 000 mg/L，再通过潜污泵分批输送至新建 AOA 生化池，投加体积约占反应池有效体积的 1/6。经均质混合后，反应池初始 MLSS 稳定在设计值(约3 000 mg/L），其中 MLVSS 占比约 70%，为后续厌氧-好氧-缺氧功能区的微生物定向富集奠定基础。接种完成随即导入低负荷进水并启动曝气，为后续运行与优化提供了良好起点。

2.2 AOA工艺的运行与工艺优化

2.2.1 运行期间水量调控和测试内容

在连续流污水调试与运行阶段，主要根据二沉池出水水质情况，动态调整进水流量，优化出水水质和工艺控制策略，视厂区来水水量和水质情况进行多种工况运行模拟测试，主要包括高浓度COD和总氮进水水质冲击工况、进水量大幅波动工况、3个月长期低负荷（60%设计流量）、27天连续满负荷（100%设计流量）、87.5h高负荷（110%~130%设计流量）等冲击工况，评估AOA工艺碳氮磷同步去除稳定性。通过7天的调试即实现出水全面达深圳市地方标准《水质净化厂出水水质规范》（DB 4403/T 64-2020）B标准，标志 AOA 生化池完成快速启动并具备投产条件。实测均值分别为COD=20 mg/L、TN=2.8 mg/L、TP=0.09 mg/L、NH3-N=0.038 mg/L、SS＜5.0 mg/L，体现了AOA工艺的快速启动与多指标协同优势。

经过前期密集调试，A线工艺运行稳定，具备单线满负荷运行及峰值处理能力。A线24 h高负荷（130%设计流量）测试表明，生化池工艺参数调控正常，二沉池出水水质日均值稳定达标。其中，COD=12 mg/L、TN=3.91 mg/L、TP=0.05 mg/L、NH3-N=0.012 mg/L、SS＜5.0 mg/L，全面优于设计标准。

 

根据项目总体进度规划，工程建设与调试运行无缝衔接，剩余3条生产线逐线交付调试，目前一阶段（30万 m?/d）已全线调试完成投产，2025年4月9日完成运行移交工作。

2.2.2 AOA工艺过程自控与精确曝气系统搭建和效能验证

为响应建设单位关于厂站少人、无人值守的高标准要求，调试期间，同步嵌入智慧化控制模块，通过编制精准适用的工艺控制逻辑，进行建模计算，实现集AOA过程工艺控制、精确曝气动态调节机制、工艺诊断与AI智能算法结合、自动学习修正于一体的自动控制解决方案，能够实现AOA工艺关键参数动态调控、实时反馈修正。该系统在调试运行期间，后台不断积累运行数据样本，反哺工艺优化，不断优化提升响应速度及调控精度。

2.3 AOA工艺进出水水质及总氮削减情况

AOA工艺运行已超250天，稳定维持高品质出水，实际进出水水质见表2所示。

 

表2 滨河水质净化厂实际进出水水质

 

 

其中，AOA生化系统在未投加碳源，未经过深度处理的前提下，脱氮性能优异，二沉池出水总氮日均值2.19 mg/L，经常出现每日平均出水总氮1 mg/L左右，脱氮效率高达94.8%，远超传统的生化处理工艺，率先实现大规模工程化应用极限脱氮效果。AOA工艺日均进出水总氮浓度变化见图2所示。

 

3.AOA工艺污染物去除机制分析

为研究AOA工艺各段的污染物的去除情况，稳定运行期间，对生化池过程水样进行12批次沿程采样检测，基于各水质参数平均值进行沿程数据分析。分析结果见图3~图7,图中，削减率η采用公式η=TNinf-TNeffTNinf×100%计算，其中TNinf为阶段进水总氮浓度，TNeff为阶段出水总氮浓度。

 

3.1 COD沿流程变化及分析

AOA工艺过程COD变化情况见图4，COD总去除率达96.23%，实现碳氮去除协同增效，厌氧段高COD削减率与缺氧段总氮深度去除（56.91%）共同佐证碳源“储存-释放”机制的高效性。

 

 

 

各段COD去除特征解析如下：

(1) 厌氧段主导碳源转化（削减率82.42%）。进水COD经厌氧段快速消耗，出水浓度降至26.56 mg/L（达设计标准），除污泥吸附外，微生物高效吸收外源碳并转化为内碳源（如PHA）储存，为后续脱氮提供电子供体。

(2) 好氧段辅助降解（削减率12.72%）。剩余COD经微生物好氧呼吸和细胞合成进一步降解，出水COD降至11.08 mg/L，表明好氧段对外源有机物的去除作用相对有限，其主要反应以硝化过程为主。

(3) 缺氧段与二沉池零消耗。缺氧段COD浓度无显著变化，在无外加碳源条件下，反硝化完全依赖厌氧段预存内碳源，直接验证了内碳源脱氮路径。二沉池无二次释放，系统稳定性高。

3.2 内碳源沿程变化及分析

为进一步佐证AOA工艺缺氧段内碳源（PHA与糖原）的消耗情况分析了系统不同功能区污泥中PHA和糖原的沿程变化规律，见图4。

在厌氧阶段，糖原浓度由160.55 mg/gVSS降至137.19 mg/gVSS，表明GAOs在此阶段降解糖原提供能量，用于吸收进水中的挥发性脂肪酸（VFAs）并合成PHA；PHA浓度则从10.7 mg/gVSS显著增加至24.09 mg/gVSS，证明PAOs与GAOs在厌氧段高效完成了对外部碳源的内化与储存过程。

 

在好氧阶段，PHA浓度逐渐降低（从18.57 mg/gVSS下降至14.03 mg/gVSS），糖原含量则从145.98 mg/gVSS缓慢升高到152.42 mg/gVSS，说明好氧段微生物利用部分PHA氧化后合成自身细胞物质，同时部分GAOs将PHA重新合成为糖原储存，使整体内碳源保持较高水平，仅小部分用于同步硝化反硝化过程。

在缺氧阶段，PHA浓度从缺氧初期的18.3 mg/gVSS明显降至12.56 mg/gVSS，而糖原浓度明显升高（从140.98 mg/gVSS增至156.32 mg/gVSS），体现出GAOs在缺氧环境下显著利用PHA提供电子用于反硝化，并同步将部分PHA转化为糖原储存。PHA的明显减少直接印证了缺氧段的深度反硝化依靠内源储存碳的消耗。

在后好氧阶段与回流污泥中，PHA浓度进一步降低至10.23 mg/gVSS，而糖原则升高至163.64 mg/gVSS，回流污泥中PHA与糖原分别稳定于19.14 mg/gVSS与136.16 mg/gVSS，表明系统具备稳定的内碳源循环机制，使得PHA、糖原的储存和消耗处于动态稳态。

综上所述，PHA和糖原的沿程动态变化规律清晰地反映了AOA工艺各功能区中内碳源的“厌氧积累—好氧调控—缺氧释放”循环，为缺氧段深度反硝化提供了稳定的电子供体支撑。该数据与COD浓度无明显变化的现象相互佐证，充分验证了内碳源（尤其是PHA）的有效利用，是AOA工艺实现极限脱氮的重要机制。

3.3 总氮沿流程变化及分析

基于AOA工艺运行数据分析（图5），AOA工艺整体总氮去除率高达95.01%，出水浓度降至1.64 mg/L，深度脱氮优势显著，关键在于功能菌对进水碳源的内化-储存-释放分阶段调控机制及功能区协同作用，是实现极限脱氮的关键。

 

 

图5 AOA工艺氮浓度沿程变化曲线

 

(1) 厌氧段三重作用（总氮削减率15.24%）。①固氮作用：外源有机氮经水解-脱氨作用转化为 NH3-N，为后续硝化提供底物。②异养反硝化：进水和回流污泥中的NO3--N为电子受体，外源挥发性脂肪酸 (VFAs) 驱动异养反硝化。③内碳源捕集-储存：聚磷菌 (PAOs) 在负 ORP 条件下优先吸收 VFAs，并通过聚-β-羟基丁酸/戊酸 (PHB/PHV) 形式储存；同时水解胞内多聚磷酸盐 (Poly-P) 释放 ATP，提供能量与还原力。聚糖菌 (GAOs) 以水解糖原供能，吸收 VFAs 并合成聚-β-羟基链烷酸酯 (PHAs)；在后续好氧/缺氧阶段，GAOs 可倒转代谢，将 PHAs 重新合成糖原或直接作为电子供体参与反硝化。

这一“固氮-反硝化-碳捕集”协同机制保证厌氧段既脱除硝酸盐，又将多余碳源封存为储存聚合物，为缺氧段提供持续电子供体，从而支撑系统深度脱氮。

(2) 好氧段协同脱氮（总氮削减率24.53%）。在完成氨氮完全硝化的同时，好氧区运行于DO=1~2 mg/L、HRT=3~4 h，触发显著同步硝化-反硝化 (SND) 效应，贡献系统近四分之一的总氮去除量。此较低 DO 与中等 HRT 组合可抑制内碳源的过度氧化，使其仅微量参与 SND，而主体储存碳（PHA/糖原）被保留并传递至缺氧段，为深度脱氮奠定基础。

(3) 缺氧段主导脱氮（总氮削减率56.91%）。缺氧区通过微生物内碳源驱动的高效反硝化实现深度脱氮，其COD浓度无明显变化（见下图5），佐证了内碳源的充分消耗，成为系统脱氮核心环节。

3.4总磷沿流程变化及分析

由图6可知，AOA工艺已实现优异总磷去除（95.98%），AOA工艺通过功能区阶段顺序调整，部分解决了传统工艺中反硝化与释磷的碳源竞争问题，实现了脱氮除磷高效协同。

 

 

图6 AOA工艺总磷浓度沿程变化曲线

 

(1) 厌氧区释磷（326.05%）。数值超100%表明聚磷菌（PAOs）在厌氧环境下高效释放胞内磷，可能因进水碳源（如VFAs）充足，推动磷的充分释放。

(2) 好氧区吸磷（424.33%）。吸磷/释磷比1.30，证实PAOs在好氧段过量吸磷效果显著，是总磷去除的核心环节。

(3) 缺氧段与二沉池。缺氧段对总磷贡献较小，主要可能因：①反硝化菌在缺氧条件下优先抢夺可利用碳源（如 VFAs），使 PAOs 聚合物储存被削弱；②NO3-/NO2-等中间产物的累积抑制了PAOs的 Poly-P水解与ATP活性，降低其吸磷效率。

3.5 氨氮沿流程变化及分析

由图7可知，AOA工艺氨氮去除率达到99.1%。值得注意的是，氮磷的去除机理与以往的研究不同，现有研究发现，在厌氧条件下（DO<0.3 mg/L），微生物（如聚磷菌、聚糖菌）需利用氨氮作为氮源合成自身细胞物质（蛋白质、核酸），此过程贡献了厌氧段约8%~15%的氨氮去除量（基于污泥产率与微生物含氮量计算），在本研究中，厌氧段氨氮部分通过微生物细胞合成被去除8%，与文献研究相一致。硝化过程集中在好氧区完成，推测是由于厌氧区已消耗大部分碳源，好氧区异养菌活性低，硝化菌成为优势菌群，为氨氮的高效去除提供了理想的反应条件。

 

 

图7 AOA工艺氨氮浓度沿程变化曲线

4.AOA工艺与AAO工艺的对比

4.1 工艺参数对比

AOA工艺与滨河水质净化厂同步运行的AAO工艺进行工艺参数对比，具体见表3所示。

表3 滨河水质净化厂AOA与AAO工艺参数对比

 

4.2 出水水质对比

如图8所示，近9个月运行数据表明，AOA工艺出水水质明显优于原AAO工艺，其中，总氮去除率提高了18.97个百分点，在无碳源投加、无深度处理、PAC微量投加条件下，其他指标去除率基本持平。

 

 

图8 滨河水质净化厂AOA与AAO工艺出水水质对比

 

4.3 运行成本对比

稳定运行期，AOA与AAO工艺可变成本对比见表4。数据显示，AOA工艺在电耗、药耗方面成本优势明显。若以30万 m?/d规模测算，采用AOA工艺可比AAO工艺节约运行成本约1 489万元/年。

表4 AOA与AAO工艺可变成本对比

 

 

4.4 项目建设费用分析

本工程初设方案中拟采用多级AO耦合MBBR+反硝化滤池的技术路线，以达到出水水质稳定低于8 mg/L的要求。但采用AOA工艺后，无需新建反硝化滤池，无需投加MBBR填料，节省约2.28 亿元建设费用，具体费用节省可见表5所示。

 

表5 滨河水质净化厂AOA工艺节省建设费用统计

 

5.结 论

（1）AOA 工艺在不投加外部碳源、仅微量投加 PAC 的条件下，长期保持出水 TN≤2.2 mg/L、TP≤0.15 mg/L，充分展现出深度脱氮除磷的显著优势。

 

（2）相较传统工艺，AOA 运行期电耗降低约 15.1%，药剂成本降低约 91.2%，污泥处置成本降低约 17.1%，为城镇水质净化厂降本增效提供了切实可行的技术路径。

（3）采用 AOA 工艺取代原多级 AO 耦合 MBBR+反硝化滤池方案，节省建设投资约 2.28 亿元。

（4）凭借较短停留时间、高品质出水和可就地扩容等优势，AOA 可在提标改造中实现“零深度处理构筑物新增”,滨河水质净化厂的成功应用为同类新建及改扩建项目提供了可复制的工程范例。