Att övervinna smärtpunkterna i A²/O-processer: viktiga tekniska vägar för samtidig kväve- och fosforavlägsnande

A²/O-processen (anaerob/anoxisk/aerob) har, med sina kärnfördelar av enkelt flöde, låg investering och bekväm drift och underhåll, länge haft en dominerande ställning inom biologiskt kväve- och fosforavlägsnande för stadsavloppsvatten, och används i stor utsträckning i olika reningsverk för avloppsvatten från tätbebyggelse. Men i den faktiska driften och underhållet har många avloppsanläggningar hamnat i samma dilemma: TN (totalt kväve) och TP (totalt fosfor) är svåra att uppnå samtidigt, särskilt när man behandlar avloppsvatten med det rådande låga C/N-förhållandet i mitt land. Detta leder till en ond cirkel där kväverening leder till fosforavskiljning, och fosforavskiljning leder till kvävereduktionsfel, vilket resulterar i täta miljöinspektioner och korrigeringar samt ihållande höga drift- och underhållskostnader.

Den här artikeln, som kombinerar tre grundläggande tekniska dokument, överger grova beskrivningar och utgår från processens kärna. Den bryter ner och förklarar i detalj principerna för A²/O-processen, dess tre inneboende defekter, kärnmekanismen för borttagning av denitrifiering av fosfor och det optimala modifieringsschemat för avloppsvatten med lågt C/N. Balanserar professionalism och praktiskt, den kan refereras direkt till och tillämpas av konstruktörer, drift- och underhållspersonal och utövare av tekniska modifieringar.

1. Standardprocessflöde

Kärnan i A²/O-processen är den samtidiga denitrifikationen och fosforavskiljningen genom seriedrift av tre reaktorer, kombinerat med slamrecirkulation och intern recirkulation. Standardflödet är tydligt och spårbart: Råvatten → Anaerob tank → Anoxisk tank → Aerob tank → Sekundär sedimentationstank → Avloppsvatten. Hela processen kräver ingen komplex utrustning, har låga drift- och underhållssvårigheter och är lämplig för stor-applikation.

• Slamretur: Sekundär sedimentationstank → Anaerob tank

• Intern retur: Aerob tank → Anoxisk tank

2. Kärnreaktionsprincipen i tre-steg (att bryta ner rollen för varje steg för att förstå processens essens)

(1) Anaerobt stadium (inget molekylärt syre, inget nitratkväve)

• Polyfosfat-ackumulerande bakterier (PAO) frigör aktivt fosfor som lagras i deras kroppar i en anaerob, nitrat-fri miljö, samtidigt som de absorberar lättnedbrytbar COD (biologiskt nedbrytbart organiskt material) från avloppsvattnet och omvandlar det till PHB (subsmörreserverande energi) för lagring av hydroxi{2}. fosforabsorption;

• Om en liten mängd nitrat finns i det anaeroba stadiet (mest från återfört slam), kommer denitrifierande bakterier att använda den kvarvarande kolkällan för denitrifiering, indirekt förbruka kolkällan som krävs av PAO, vilket skapar en potentiell risk för borttagning av fosfor;

• Samtidigt bryter jäsande bakterier ner det stora molekylära organiska materialet i avloppsvattnet som är svårt att bryta ner till flyktiga fettsyror (VFA) som lätt absorberas av PAO, vilket ger tillräckligt med substrat för PHB-syntes av PAO.

(2) Anoxisk zon (inget molekylärt syre, innehåller nitratkväve)

• Denitrifierande bakterier använder nitrat från recirkulationen i den aeroba zonen som en elektronacceptor och kvarvarande COD i avloppsvattnet som en kolkälla för att reducera nitrat till kväve (N₂), vilket fullbordar denitrifikationsprocessen. Detta är kärnsteget i TN-borttagning.

• Vissa speciella polyfosfat-ackumulerande bakterier (dvs. denitrifierande polyfosfat-ackumulerande bakterier DNPAOs) kan bryta igenom den traditionella förståelsen av "aerobt fosforupptag", genom att använda nitrat istället för syre som en elektronacceptor för att uppnå överdriven fosfor samtidigt som den tar upp fosfor. Detta är borttagningen av denitrifiering av fosfor vi kommer att fokusera på senare.

• Flödeshastigheten för den interna recirkulationen bestämmer direkt tillförseln av nitratkväve i den anoxiska zonen och är en viktig kontrollparameter som påverkar denitrifieringseffektiviteten och denitrifieringsfosforavlägsnande effekten.

(3) Aerobic Stage (Aerobic)

• Nitrifierande bakterier (autotrofa bakterier), i en miljö med tillräckligt med syre, oxiderar ammoniakkväve (NH₄⁺-N) i avloppsvattnet till nitrat (NO₃⁻-N), fullbordar nitrifikationsreaktionen och tillhandahåller tillräckligt med elektronacceptorer för denitrifiering och avlägsnande av denitroxid och fosfos;

• Polyfosfat-ackumulerande bakterier (inklusive DNPAO), i en aerob miljö, absorberar stora mängder fosfor från avloppsvatten och lagrar det i sina kroppar, vilket resulterar i att fosforinnehållet vida överstiger normala nivåer (dvs. överdrivet fosforupptag), vilket lägger grunden för återföring av fosfor;

• Samtidigt bryter mikroorganismerna i det aeroba stadiet ytterligare ned den kvarvarande COD i avloppsvattnet, avlägsnar kväve som genereras under denitrifieringsprocessen, förhindrar slam från att flyta och säkerställer en stabil slamavsättningsprestanda.

3. Slutlig kväve- och fosforborttagningsväg

• Kväveborttagningsväg: Nitrifikation i aerob tank (ammoniakkväve → nitrat) → Denitrifikation i anoxisk tank (nitrat → kväve) → Kväve försvinner naturligt, vilket ger total kväveavlägsning;

Många avloppsreningsverk anser att A²/O-processen är svår att uppnå standarder, vilket felaktigt tillskriver detta otillräcklig drift och underhåll. Detta är dock inte fallet-kärnfrågan är den inneboende konflikten mellan de tre typerna av funktionella mikroorganismer (nitrifierande bakterier, denitrifierande bakterier och polyfosfat-ackumulerande bakterier). Deras krav på livsmiljö och näringsämnen är helt olika, vilket gör det omöjligt för dem att samtidigt uppfylla sina optimala tillväxtförhållanden inom samma slamsystem. Detta är den principiella-nivåmotsättning som A²/O-processen kämpar för att övervinna.

1. Konkurrens om kolkällor (kärnkonflikten)

2. Slamålderskonflikt

• Fosforborttagningsväg: Anaerobt fosforutsläpp i tanken (polyfosfat-ackumulerande bakterier frisätter fosfor från sina kroppar) → Aerobt/anoxiskt fosforupptag i tanken (polyfosfat-ackumulerar bakterier för mycket från utsläpp av fosfor) → släpper ut för mycket fosfor (avlägsna fosfor-rikt slam från systemet), slutföra total fosforavskiljning.

3. Nitratinterferens med anaerobt fosforavlägsnande

I traditionella A²/O-processer går returslammet från den sekundära sedimentationstanken direkt in i det anaeroba steget. Detta returslam bär oundvikligen en stor mängd nitrater som produceras i det aeroba skedet. Väl i det anaeroba stadiet stör dessa nitrater fullständigt fosforavskiljningsprocessen på tre sätt:

• Anaerobt stadium: Kärnbehovet hos polyfosfat-ackumulerande bakterier är att absorbera lätt nedbrytbar COD och syntetisera PHB för efterföljande fosforfrisättning och upptag. Detta är grunden för borttagning av fosfor och är oumbärlig.

• Stadsavloppsvatten i mitt land lider i allmänhet av ett lågt C/N-förhållande (COD/TN < 4,5), vilket resulterar i en allvarlig brist på kolkällor. Konkurrensen mellan de två typerna av mikroorganismer om kolkällor leder oundvikligen till en situation där den ena är stark och den andra svaga-bra kväveavskiljning resulterar i dålig fosforavskiljning; bra fosforavskiljning resulterar i överdriven kvävereduktion.

• Anoxiskt stadium: Kärnkravet för denitrifierande bakterier är att använda COD som en elektrondonator för att omvandla nitrater till kvävgas och på så sätt slutföra kväveavlägsnandet. Detta är också beroende av COD.

1. Principen för denitrifikation och fosforavlägsnande

För att ta itu med de inneboende defekterna i A²/O-processen är den mest effektiva lösningen "dubbel användning av kol." Kärnan är att använda de speciella metaboliska egenskaperna hos denitrifierande polyfosfat-ackumulerande bakterier (DNPAOs/DPB) för att tillåta en enda kolkälla att samtidigt möta behoven av kväve- och fosforavlägsnande. Detta minskar i grunden konkurrensen om kolkällor och konflikten mellan slammets ålder. Den specifika metaboliska processen är som följer:

• Polyfosfat-ackumulerande bakterier: Dessa är heterotrofa bakterier med snabb tillväxt. Kärnan i deras fosforavskiljning är att ta bort fosfor från systemet genom att släppa ut överskottsslam. Därför krävs en relativt kort slamålder (5–1). • 0d (0 dagar): En alltför lång slamålder leder till att-fosfor frigörs från polyfosfat-ackumulerande bakterier, vilket avsevärt minskar effektiviteten i fosforavskiljningen.

• Nitrifierande bakterier: Dessa är autotrofa bakterier med extremt långsam tillväxt och reproduktionshastighet. De kräver en relativt lång slamålder (15–25 dagar) för att överleva stabilt och fullborda nitrifikationsreaktionen. En för kort slamålder resulterar i att en stor mängd nitrifierande bakterier släpps ut, vilket gör effektiv borttagning av ammoniakkväve ineffektiv.

• A²/O-processen använder ett enda slamsystem, vilket gör att endast en enhetlig slamålder kan ställas in. En lång slamålder för att upprätthålla nitrifikation kommer att leda till fosforavfall, medan en kort slamålder för att upprätthålla fosforavskiljning kommer att leda till nitrifikationskollaps; båda kan inte uppnås samtidigt.

2. Nyckelparametrar för A²/O-aktivering av denitrifikation och fosforavlägsnande

1. Företrädeskonsumtion av kolkällor: Denitrifierande bakterier använder nitrat som en elektronacceptor, och konsumerar företrädesvis lättnedbrytbar COD i det anaeroba stadiet, vilket förhindrar polyfosfatackumulerande-bakterier (PAB) från att erhålla tillräckligt med kol för att syntetisera PHB.

2. Hämning av fosforfrisättning av PPA: PPA kräver en strikt anaerob, nitratfri-miljö för fosforfrisättning. Närvaron av nitrat hämmar direkt fosforfrisättningsprocessen, vilket till och med leder till onormalt "anaerobt fosforupptag", vilket förhindrar efterföljande aerobt/anoxiskt fosforupptag och gör att fosforavlägsnandet misslyckas.

3. Störning av den anaeroba miljön: Nitrat förbrukar den anaeroba miljön i det anaeroba stadiet under denitrifiering, vilket indirekt hämmar den metaboliska aktiviteten av PPA.

Praktiska verifieringsresultat: Under kontroll av ovanstående parametrar kan fosforupptagningshastigheten i det anoxiska stadiet nå 69 %, vilket inte kräver någon ytterligare kolkälla. Effektiviteten för att avlägsna kväve och fosfor förbättras samtidigt, samtidigt som luftningshastigheten i det aeroba stadiet kan minskas med cirka 20 %, vilket avsevärt sparar operativ energiförbrukning.

Låga C/N-förhållanden är vanliga i stadsavloppsvatten i mitt land, med uppmätta värden som ofta sträcker sig från 3,1 till 5,9, långt under de 4,5 som krävs för stabil överensstämmelse med A²/O-standarder. Även med optimerade driftsparametrar är det osannolikt att en enda A²/O-process konsekvent uppfyller klass A-standarden på lång sikt. Därför behövs en kombinerad process för att i grunden ta itu med denna inneboende brist.

• Anaerobt stadium: DNPAO:er, som vanliga polyfosfat-ackumulerande bakterier, frisätter fosfor från sina celler samtidigt som de absorberar lätt biologiskt nedbrytbar COD från avloppsvatten, syntetiserar PHB och lagrar det i sina celler, vilket fullbordar fosforfrisättning och kolkällareserv.

Motorövningar har visat att A²/O + BAF (Biological Aerated Filter) för närvarande är den mest mogna, lättimplementerade och kostnadseffektiva uppgraderingsvägen. Kärnidén är "separat drift av nitrifikation och borttagning av fosfor", vilket gör att båda typerna av mikroorganismer kan växa i sina optimala miljöer, vilket helt löser konflikter mellan slamåldern och konkurrens om kolkällor.

• Kärnfördelar: Uppnår 1 del kolkälla (PHB)=denitrifikation + fosforavlägsnande, vilket direkt fördubblar användningen av kolkällan. Ingen ytterligare kolkälla behövs för att samtidigt förbättra effektiviteten för denitrifikation och fosforavskiljning, perfekt lämpad för avloppsvatten med låga C/N-förhållanden.

• Anoxiskt stadium: DNPAO:er förlitar sig inte längre på syre utan använder nitrat som elektronacceptor, samtidigt som nitrat reduceras till kväve (fullbordar denitrifikationen) och använder deras lagrade PHB som energikälla för att absorbera överskottsfosfor från avloppsvatten (fullbordar fosforavskiljningen).

1. Kärnprincip: Separation av nitrifikation och borttagning av fosfor

2. Faktiska resultat (C/N=4.2)

• Slamretentionstid (SRT): Kontrolleras till cirka 15 dagar. Denna slamålder tillfredsställer tillväxtkraven för nitrifierande bakterier (säkerställer nitrifikationseffektivitet) samtidigt som den balanserar anrikningen och aktiviteten hos DNPAO, och undviker alltför långa eller korta slamåldrar som kan påverka reningseffektiviteten negativt.

• Internt återcirkulationsförhållande: Styrs till 3,0–3,5. Vid detta förhållande hålls nitratkoncentrationen i det syrefria tankavloppet vid 1–3 mg/L, vilket ger tillräckligt med elektronacceptorer för DNPAO utan att förorsaka att för mycket nitrat kommer in i den anaeroba zonen och stör fosforfrisättningen.

• Anoxiskt/anaerobt volymförhållande: Att på lämpligt sätt öka volymförhållandet för den anoxiska zonen förlänger uppehållstiden för DNPAO i den anoxiska zonen, vilket förbättrar denitrifikation och fosforavlägsnande.

• Strikt nitratkontroll i den anaeroba sektionen: Genom att optimera refluxmetoden kontrolleras nitratkoncentrationen i den anaeroba sektionen kl.<0.5 mg/L, providing a stable anaerobic environment for DNPAOs to release phosphorus and synthesize PHB.

3. Optimala driftparametrar

• A²/O-sektion (kort slamålder 5–10 dagar): Nitrifikation överges, med fokus på "anaerob fosforfrisättning + anoxisk denitrifikationsfosforborttagning." Den korta slamåldersinställningen säkerställer effektivt fosforavlägsnande genom att polyfosfat-ackumulerar bakterier genom slamutsläpp, medan DNPAO:er använder sin interna PHB för denitrifiering, vilket maximerar utnyttjandet av begränsade kolkällor.

• Intern återflödesdesign: Den nitrifierade luten (rik på nitrat) som produceras i BAF-sektionen återloppskokas till den anoxiska A²/O-sektionen, vilket ger tillräckligt med elektronacceptorer för DNPAOs, vilket bildar en sluten slinga av "BAF-nitrifikation → A²/O-denitrifieringsfosforborttagning", vilket uppnår samtidig standardborttagning av nitrogen och fosfor.

• BAF Stage (Long Sludge Age 30d+): Dedikerad till nitrifikation. BAF-tankens packningsmaterial bildar en biofilm, vilket gör att nitrifierande bakterier kan växa stabilt på membranet. Den långa slamåldern säkerställer optimal nitrifikation, vilket uppnår nästan 100 % ammoniakkväveavskiljning, vilket helt löser otillräcklig nitrifikation.

1. UCT/MUCT-process (lös nitratinterferens)

• Avloppskvalitet: COD=34mg/L, TN=13.3mg/L, TP=0.1mg/L, alla uppfyller "Utsläppsstandarden för föroreningar för kommunala avloppsreningsverk" (GB (18918-2002) Klass A-standard;

• Influent vattenkvalitet (simulerar låga C/N-förhållanden, C/N=4.2): COD=240mg/L, TN=57mg/L, TP=5.1mg/L;

• Mikrobiell aktivitet: Andelen denitrifierande polyfosfat-ackumulerande bakterier (DNPAO) i systemet når 40,5 %, vilket avsevärt förbättrar användningen av kolkällor, vilket eliminerar behovet av ytterligare extern kolkälla.

• Avlägsningseffektivitet: COD-avlägsnandegrad 85,8 %, TN-borttagningsgrad 76,9 %, TP-borttagningsgrad 98 %, stabila kväve- och fosforavlägsnande effekter utan fluktuationer;

2. Inverterad A²/O-process (kolkälla prioriterad för kväveavlägsnande)

Kärnmodifiering: Justering av sekvensen för de tre tanksektionerna till anoxisk → anaerob → aerob, kräver ingen ny utrustning, bara justering av vattenflödesriktningen, lämplig för låg-kostnads ​​eftermontering av befintliga anläggningar.

• Slamreturförhållande: 100 %, vilket säkerställer stabil slamkoncentration i A²/O-sektionen och ger tillräcklig biomassa för DNPAO och polyfosfat-ackumulerande organismer (PAO).

• Intern avkastningsgrad: Kontrolleras till 250 %. Detta förhållande ger tillräckligt med nitrater till den anoxiska A²/O-sektionen samtidigt som man undviker överdriven energiförbrukning på grund av överdriven avkastning, vilket ger den bästa kostnadseffektiviteten-.

• Mikrobiell kontroll: Genom att optimera driftsparametrar stabiliseras andelen denitrifierande PAO i systemet på 40,5 %, vilket maximerar denitrifikation och fosforavlägsnande.

• Kontroll av löst syre (DO): A²/O aerob sektion DO=1–2 mg/L (uppfyller kraven på fosforupptag för PAO och undviker överdrivet energislöseri på grund av hög DO); BAF-sektion DO=4–5 mg/L (uppfyller nitrifikationskraven för nitrifierande bakterier och säkerställer fullständigt avlägsnande av ammoniakkväve).

3. JHB Process

Kärnmodifiering: En anoxisk för-denitrifikationstank läggs till längs vägen för det återförda slammet in i det anaeroba stadiet. Det återförda slammet kommer först in i denna tank, där det genomgår för-denitrifikation med en del av den inkommande COD, vilket ytterligare minskar nitrathalten i slammet.

• Kärnmodifiering: Den traditionella A²/O-processen med "slam som återförs till det anaeroba steget" justeras till "slam som återförs till den anoxiska tanken", vilket gör att det återförda slammet genomgår denitrifiering i det anoxiska steget först och förbrukar de nitrater som det bär.

• Modifieringseffekt: Efter denitrifiering i det anoxiska stadiet är slammet som kommer in i det anaeroba stadiet nästan nitrat-fritt, och fosforfrigöringseffektiviteten i det anaeroba stadiet ökas med 50 %+, vilket i grunden löser problemet med nitratinterferens med fosforavskiljning. Speciellt MUCT-processen lägger till två anoxiska tankar för att ytterligare separera slamdenitrifiering från denitrifiering av blandlut, vilket resulterar i stabilare prestanda och lämplighet för avloppsreningsverk med allvarlig nitratinterferens.

• Prioriterad tilldelning av kolkällor: Råvatten kommer först in i den anoxiska zonen, där denitrifierande bakterier företrädesvis får kolkällor, vilket avsevärt förbättrar denitrifieringseffektiviteten och löser problemet med otillräcklig denitrifikation under låga C/N-förhållanden.

• Drift- och underhållsfördelar: Förenklad process, inget behov av ytterligare utrustning eller drift- och underhållskostnader, kort modifieringscykel och låga implementeringssvårigheter, vilket gör det till en av de föredragna lösningarna för att uppgradera befintliga anläggningar.

• Stabilare fosforavlägsnande: Polyfosfat-ackumulerande bakterier befinner sig i ett "svälttillstånd" i den anoxiska zonen. Efter att ha kommit in i den anaeroba zonen absorberar de kolkällor och frigör fosfor mer effektivt, vilket resulterar i mer grundlig aerob fosforabsorption och stabilare fosforavskiljning.

Den optimerade artikeln har löst grovhetsproblemet, med mer detaljerad information och mer sammanhängande logik. Vill du att jag ska sammanställa den till en en-sidig A²/O-princip + parameter + snabbreferenshandbok för felsökning som du kan skriva ut och hålla i kontrollrummet eller bära med dig?

Ytterligare anmärkningar: Denna process tar specifikt upp problemet med för högt nitratinnehåll i returslam, med bättre denitrifieringsprestanda än UCT-processen, men kräver en extra tank. Den är lämplig för avloppsreningsverk med höga denitrifikationskrav och utrymme för modifiering.

1. Kärnprincip

Anaerob fosforfrisättning → Anoxisk kväveborttagning + Denitrifikation fosforborttagning → Aerob nitrifikation + Fosforupptag, tre steg som arbetar synergistiskt, förlitar sig på slam och intern recirkulation i en sluten slinga;

2. Inneboende hinder

Konkurrens från kolkällor, skillnader i slammets ålder och nitratinterferens-dessa tre kan inte lösas genom konventionell drift och underhåll och är viktiga hinder för att uppnå efterlevnad;

3. Kärnlösning

Användning av denitrifierande polyfosfat{0}}ackumulerande bakterier (DNPAO) för "dubbel kolanvändning": Detta minskar bristen på kolkällor samtidigt som kväve och fosfor avlägsnas.

4. Viktigt för låga C/N-förhållanden

Den kombinerade A²/O + BAF-processen separerar nitrifikation och fosforavskiljning, vilket gör att var och en kan uppnå optimal prestanda och konsekvent nå klass A-standarder.

5. Prioritet för eftermontering

UCT och inverterade A²/O-processer erbjuder låg kostnad, enkel implementering och kräver ingen större rivning eller rekonstruktion, vilket gör dem lämpliga för snabba uppgraderingar av befintliga anläggningar.