【AOA专题】一文了解AOA的前世今生

【AOA专题】一文了解AOA的前世今生

在城镇污水处理领域，低能耗条件下实现深度脱氮始终是工程运行中的关键难题之一。尤其在进水碳源受限、排放标准持续收紧的背景下，传统生物脱氮工艺对外加碳源和曝气能耗的依赖日益凸显。

近年来，由彭永臻院士团队提出并系统发展的厌氧–好氧–缺氧（Anaerobic–Oxic–Anoxic，AOA）污水处理工艺，在无外加碳源条件下实现深度脱氮除磷与显著节能降耗，已在实验室、中试及多座全规模污水处理厂中得到验证，逐步形成了较为完整、可工程化推广的技术体系。今天，一起来对 AOA 工艺的提出背景、研究历程、作用机理、关键参数及工程应用情况进行系统梳理。

一、AOA 工艺的提出背景与研究历程

1. 反硝化除磷视角下的 AOA 运行模式探索

21 世纪初，随着反硝化除磷途径的发现，厌氧–缺氧与硝化（A2N）运行模式被提出。该模式通过在前端厌氧区富集内碳源，并在后置缺氧区实现反硝化除磷，在理论上兼顾了氮磷同步去除。

在此基础上，研究人员提出了多种 AOA 运行模式，并与连续流工艺和序批式反应器（SBR）相结合，探索其在强化反硝化除磷方面的潜力。早期研究多通过控制好氧区溶解氧或投加外加碳源，在好氧区实现同步硝化反硝化与吸磷，在后置缺氧区进一步去除残余硝态氮与磷酸盐。

不过，这一阶段的 AOA 系统脱氮除磷“热区”仍集中于好氧段，研究多为个案报道，尚未形成系统化、可复制的工艺技术体系。

?? A2N / 早期 AOA 工艺流程示意图

2. 内源反硝化理论对 AOA 工艺的关键启示

内源反硝化理论最早可追溯至 1962 年 WUHRMANN 提出的“内源呼吸反硝化”概念。该理论指出，在缺乏外源碳源的条件下，微生物可通过消耗胞内储能物质维持代谢，并以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体完成反硝化过程。

随后研究发现，聚糖菌和聚磷菌在厌氧阶段可将有机物储存为 糖原、PHAs 等胞内碳源，并在缺氧阶段参与反硝化反应。大量研究围绕内源反硝化速率、影响因素及功能菌群展开，但由于反应速率相对较低，以内源反硝化为主导脱氮途径的工艺长期难以实现工程化应用。

3. AOA 工艺体系的提出与迭代完善

2012 年，彭永臻院士团队在垃圾渗滤液处理的 SBR 系统中发现：增设后置缺氧区后，总氮去除效果显著提升，在无外加碳源条件下，内源反硝化对总氮去除的贡献可达 25%。

随后，研究团队将该思路应用于 AO 交替运行模式，并进一步简化形成了以强化内源反硝化脱氮为核心目标的 AOA 运行模式，在低 C/N 比垃圾渗滤液和城市污水处理中实现了稳定、深度脱氮。

2015 年，在 SBR-AOA 研究基础上，团队构建了污泥双回流连续流 AOA 系统，并逐步开展了单污泥回流、AOAO 运行模式、分段进水、间歇曝气、载体强化等多种工艺变型研究，明确了主要设计参数与过程控制策略。

?? 污泥双回流 AOA 连续流系统示意图

至此，AOA 工艺逐步形成了覆盖连续流与 SBR、适用于多种水质条件的完整技术体系，并率先完成中试与工程化应用验证。

二、AOA 工艺的脱氮除磷机理与工艺特征

1. 脱氮除磷作用机理

AOA 工艺的脱氮以硝化–内源反硝化为主，除磷则通过好氧吸磷与反硝化除磷协同完成。包括：

厌氧区：反硝化菌和聚磷菌吸收原水有机物并储存为胞内碳源，伴随释磷过程；同时去除回流污泥中残余硝态氮。

好氧区：完成氨氮硝化与好氧吸磷，体积相对较小，重点控制曝气强度，避免内碳源过度消耗。

缺氧区：利用厌氧阶段储存的胞内碳源进行深度反硝化，同时进一步去除磷酸盐。

?? AOA 工艺脱氮除磷机理示意图

2. 工艺特征与核心优势

综合现有研究，AOA 工艺及其变型工艺具有以下三个显著特征：

一是无好氧区至缺氧区的硝化液回流；

二是好氧区水力停留时间显著小于缺氧区；

三是最大限度利用原水与污泥内碳源，后置缺氧区是强化脱氮的关键单元。

基于上述特征，AOA 工艺在工程应用中展现出多方面优势：

原水碳源利用效率高，可显著减少甚至不投加外加碳源；

深度脱氮能力突出，理论上可实现接近完全反硝化；

污泥产量低，SRT 较长，有利于降低污泥处理成本；

曝气与回流能耗显著降低，节能效果明确；

工艺流程相对简洁，运行管理友好，适宜规模化应用。

3.AOA 工艺运行的关键影响因素

（1）. 污泥回流方式与回流量

研究表明，提高第二污泥回流量有利于强化后置缺氧区脱氮，其作用机理主要包括：一是提高缺氧区污泥浓度，增强内源反硝化速率；二是稀释溶解氧，维持缺氧环境稳定；三是引入细胞衰败产物，补充可利用碳源。但在合理控制 DO 和污泥浓度的前提下，单污泥回流模式同样具备实现高效脱氮的潜力。

（2）. 水力停留时间与体积比

总水力停留时间及厌氧、好氧、缺氧区体积比直接影响内碳源储存与消耗平衡。研究显示，过长的好氧或厌氧停留时间均可能削弱后置缺氧反硝化能力，需结合 PHAs 动态变化进行优化设计。

（3）. 曝气模式与溶解氧控制

AOA 工艺需避免传统工艺中的过度曝气。研究表明：间歇曝气有利于降低内碳源消耗；其次，好氧区 DO 控制在约 1.0 mg/L 时，内源反硝化速率最高；最后，过高或过低 DO 均不利于系统稳定运行。

（4）. 污泥龄与污泥浓度

污泥龄对硝化、除磷及内源反硝化均有重要影响。现有研究显示，中等污泥龄（约 20–30 d）在多数工况下可取得较优综合效果，而提高缺氧区污泥浓度有利于进一步强化脱氮。

四、AOA 工艺的中试与工程应用进展

1. 中试研究成果

2019 年，国内首座 AOA 中试系统（100 m?/d）建成运行，在无外加碳源条件下实现长期稳定深度脱氮除磷，出水 TN 与 TP 均保持在较低水平。随后，多地中试结果表明，AOA 工艺在不同水质、水量条件下均具备良好适应性。

?? AOA 中试系统运行数据图表

2. 污水处理厂工程应用

截至目前，全国已有 12 座污水处理厂在新建或提标改造中采用 AOA 工艺，覆盖南方及西南多个地区。在深圳滨河、福永等大型水质净化厂中，AOA 工艺在无外加碳源条件下实现 出水 TN 长期稳定低于 5 mg/L，并显著降低曝气与药剂成本。

五、研究不足与未来发展方向

尽管 AOA 工艺已在脱氮除磷与节能降耗方面展现出显著优势，但仍存在亟待深化研究的方向：

一是不同系统中除磷效果差异较大，机理与控制策略仍需完善；

二是低温条件下的运行稳定性与调控方法有待系统研究；

三是在“双碳”背景下，需结合 N?O、CH? 等温室气体排放开展长期评估。

从发现后置缺氧区内源反硝化的关键作用，到构建完整的连续流与 SBR-AOA 工艺体系，AOA 工艺已完成从理论探索到工程化应用的重要跨越。其在深度脱氮、节能降耗与降低运行成本方面的综合优势，已在多地区、多规模污水处理系统中得到验证。

未来，随着低温适应性、除磷机理及碳减排潜力研究的深入，AOA 工艺有望在我国城镇污水处理领域发挥更为重要的作用。