我國氮肥生產企業長期以來排放廢水中有機物與總氮的比值僅為1～2，不能滿足常規脫氮工藝對處理水質碳氮比的需求，因此常需要額外投加甲醇等有機物對碳源進行補充，處理成本過高; 而目前，國內外對適用于低碳氮比廢水的如短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等新型脫氮工藝多處于實驗室研究階段，工程應用實例很少。因此，作者從實際污水處理廠倒置A2/O 工藝系統中好氧區部分區段在控制低濃度DO 運行時其脫氮效果明顯提高的現象中受到啟示，并結合好氧區低溶解氧區域分布與總氮去除率關系初步分析結果，提出缺氧/厭氧/微氧/好氧工藝(A2/O2 工藝)，在中試取得較好生物脫氮效果的基礎上，應用于河南某氮肥化工企業廢水處理站(15 000 m3/d)。運行結果表明，在不額外投加碳源的條件下，出水COD、氨氮、總氮等水質指標均達到國家和河南省《合成氨工業水污染物排放標準》。

在A2/O2系統中，由于存在多個不同運行條件的功能區，且較倒置A2/O 工藝增加了一個微氧區向厭氧區的混合液回流，因此其運行狀況更加復雜，各種氮化合物濃度在不同功能區中由于稀釋和降解而變化多樣。為深入了解該系統的運行情況，依據系統處理效果、各功能區碳源消耗、氮化物濃度沿程分布和運行參數變化，對其反應過程進行分析，證實了A2/O2工藝生物脫氮過程具有短程硝化反硝化的特征。借鑒城市污水廠中的比能耗指標對A2/O2生物處理系統進行能耗分析，為國內同類廢水生物脫氮處理提供借鑒。

1、工程概況

1. 1 原水水質

河南某大中型煤化工企業的生產能力已分別達到24×104 t/a 合成氨、40×104 t/a 尿素、6×104 t/a精甲醇、6×104 t/a 甲胺和6×104 t/a 二甲基甲酰胺(DMF)。實際綜合排水和設計處理水質見表1。廢水碳氮比在1～2 的范圍內波動，具有明顯的低碳氮比水質特征; 綜合排水具有較好的可生化性(B/C值約為0．45)，可為廢水生物脫氮處理提供第一類碳源。

1. 2 A2/O2 工藝系統

該企業采用A2/O2 工藝處理綜合廢水，設計規模為15 000 m3/d，工藝流程見圖1。該工藝是在現有倒置A2/O 工藝的基礎上，通過控制微氧池中DO濃度、pH 值，并增加微氧池至厭氧池的混合液回流來使短程硝化反硝化成為系統脫氮的主要途徑之一，實現低碳氮比氮肥生產廢水高效低耗脫氮。廢水首先進入缺氧池，與回流污泥及來自好氧池的回流液混合進行反硝化脫氮。然后進入厭氧池，在此與來自微氧池的回流液混合進行短程反硝化; 厭氧池中安裝填料，為厭氧氨氧化的發生提供一定的可能性。接著廢水進入微氧池中進行以短程硝化為主的硝化反應，反應后的出水進入好氧池中進行全程硝化反應。通過以上生物組合池的處理后，廢水中大部分氨氮、總氮和有機物被去除。

各反應池設計運行參數如表2 所示。系統內污泥濃度維持在2 000～3 000 mg/L，監測期間水溫為20～30 ℃。

2、結果與討論

2. 1 A2/O2 工藝對污染物的去除效果

調試完成后，對A2/O2 工業化裝置進行3 個月的連續監測，考察其對COD、氨氮和總氮的處理效果。監測期間進水COD、氨氮和總氮的變化幅度均較大，且COD超出設計進水水質下限頻率為95．6%，氨氮和總氮超出設計進水水質上限頻率為7%和5%，表明實際水質碳氮比明顯低于設計水質。在此情況下，出水COD、氨氮和總氮分別滿足50、15 和50 mg/L 排放標準限值的達標率依次為94．2%、94．7%和90．2%，表明A2/O2 工藝對COD、氨氮和總氮具有良好的去除效果和較好的抗沖擊負荷能力。

2. 2 污泥負荷與處理效果關系

監測期間各污染物的去除率都有隨著污泥負荷升高而升高的趨勢。COD負荷多集中在0．02～0．07kgCOD/(kgMLSS·d) 范圍內，去除率約為65%～90%; 氨氮和總氮負荷分別集中在0．01～0．04kgNH3-N/(kgMLSS·d ) 和0．02～0．05kgTN/(kgMLSS·d) 范圍內，去除率分別為90%～97%和56%～73%。總體來說，在監測期間污染物能夠得到較好的去除，這也為同類工程設計和運行提供了借鑒。

2. 3 污泥沉降性能

在運行期間系統內SVI 值比較穩定，基本都在60～100 mL/g 之間。雖然微氧池中DO 濃度平均只有0．6 mg/L，但由于其后端好氧池內DO 濃度維持在較高水平(2．2 mg/L)，并且停留時間達到9 h，因此并未對污泥的沉降性能造成顯著的影響，有效避免了常規低DO 條件下短程硝化反硝化工藝中常見的污泥膨脹問題。

2. 4 COD、氮化合物濃度和控制參數沿程分布

在穩定運行狀態下，對A2/O2 系統各功能區中COD和各類氮化合物濃度及運行控制參數進行30d 連續監測，其平均值結果如圖2 所示。

廢水首先進入缺氧池，與來自好氧池的混合液以及來自二沉池的回流污泥混合，氨氮濃度大幅下降。好氧池混合液帶來的大量NOx--N，在缺氧池DO 均值為0．2 mg/L 條件下可充分利用進水中的碳源進行反硝化反應。根據碳平衡計算可知，約44．6%的COD是在缺氧區中經反硝化降解的。由于反硝化過程中會產生一定的堿度，缺氧池中pH值保持在7．6 左右。

厭氧池接收了來自缺氧池的出水及微氧池150%的混合液，氨氮濃度進一步稀釋。同時，厭氧池集中了來自缺氧池和微氧池中大量的NOx--N，在厭氧池中(DO 值約為0．16 mg/L) 利用剩余碳源可進行進一步的反硝化反應，使得約27．8%的COD得以去除。值得注意的是，由于來自微氧池回流液的NOx--N中約50%為NO2--N，其反硝化過程所需碳量較NO3--N減少40%左右，因此可有效減少系統碳的消耗，實現不外加碳源條件下TN 的達標排放。另外，來自微氧池的低pH 值回流混合液部分抵消了反硝化過程產生的堿度，使得厭氧池內pH值從7．6 降至7．4。

微氧池中DO 約為0．6 mg/L，厭氧池出水帶來的COD和氨氮在有氧環境下可分別發生碳化反應和硝化反應。但是由于該廢水本身COD濃度較低，在之前缺氧區和厭氧區中的反硝化過程中又消耗了大部分，因此微氧池中COD濃度較厭氧池中下降的幅度很小，僅為22．9%; 而氨氮濃度下降約40%。通過對亞硝酸鹽和硝酸鹽的濃度進行比較可以看出，微氧區內的亞硝酸鹽積累率達到48% 左右，接近短程硝化反硝化的判斷標準(50%) 。這主要是因為較低的DO 濃度(DO＜1．0 mg/L) 對硝化細菌的抑制程度大于亞硝化菌，更有利于亞硝化菌的富集。另外，由于亞硝化菌的真正基質FA 對硝化細菌也具有明顯的抑制作用，所以在微氧池內投加堿度保持pH 值在7．8 左右，可使FA 濃度(0．95 mg/L) 處于硝化菌的抑制范圍而不會對亞硝化菌產生影響。因此通過DO 和pH 值控制，可強化微氧池內短程硝化反應的進行，為整個A2/O2 系統的高效低耗脫氮打下基礎。在A2/O2 工藝的小試中，保持同樣的運行條件可使微氧區的亞硝酸鹽積累率達到90%以上，可是在實際工程應用中由于其水量水質波動均較大，因此亞硝酸鹽積累率只能達到48%左右，但是從前述處理效果可以看出，其已可較好地滿足實際工程對出水達標排放的要求。

好氧池中DO 濃度均值為2．2 mg/L; 受硝化過程堿度消耗影響，其pH 值下降至7．2。在此條件下硝化細菌占據優勢地位，因此可將來自微氧池的NO2--N和氨氮充分氧化為NO3--N，其亞硝酸鹽積累率下降至23．2%，恢復全程硝化運行。由于在之前微氧池中可生物降解的COD基本已經消耗殆盡，因此好氧池中COD濃度基本沒有變化; 而氨氮經好氧池進一步硝化處理后，出水從14．7 mg/L 降至5．1 mg/L，保證了出水氨氮的達標排放，這說明A2/O2 系統中好氧池的設置是十分必要的。

2. 5 A2/O2 生物處理系統能耗分析

借鑒城市污水處理廠比能耗分析的方法，對廢水處理站內A2/O2 系統的用電設備進行了實際電耗檢測，取三次檢測耗電量均值統計其比能耗，即噸水處理電耗及處理1kgCOD、氨氮、總氮電耗等，結果如圖3 所示。

廢水處理站A2/O2 系統噸水比能耗和COD比能耗分別達到0．43 kW·h/m3 和1．51 kW·h/kg，氨氮和總氮比能耗分別為3．43 kW·h/kg 和2．94kW·h/kg。工程應用表明: A2/O2 工藝是一種較為節能的氮肥生產廢水生物脫氮處理工藝。

3、結論

①采用A2/O2 工藝處理氮肥工業廢水(15 000 m3/d)，在實際處理負荷變化較大的情況下，出水COD、氨氮、總氮等指標可滿足國家和河南省《合成氨工業水污染物排放標準》。

②穩定運行期間，COD、氨氮和總氮污泥負荷分別為0．02～0．07kgCOD/(kgMLSS·d)、0．01～0．04kgNH3-N/(kgMLSS·d) 和0．02～0．05kgTN/(kgMLSS·d)，其去除率基本可穩定在65%、90%和56%以上，并可有效避免低DO 條件下污泥沉降性能不佳的問題。

③控制微氧池DO 值為0．6 mg/L、pH 值為7．8，并提高其混合液回流比至150%，亞硝酸鹽積累率達到48%，處理系統可實現短程硝化反硝化運行。

④ A2/O2 系統噸水和COD比能耗分別達到0．43 kW·h/m3 和1．51 kW·h/kg，氨氮和總氮比能耗分別為3．43 kW·h/kg 和2．94 kW·h/kg，該工藝在處理氮肥化工廢水脫氮過程中實現了低能耗運行。