Overvinne smertepunktene til A²/O-prosesser: Nøkkeltekniske ruter for samtidig fjerning av nitrogen og fosfor

A²/O (anaerob/anoksisk/aerob)-prosessen, med sine kjernefordeler som enkel flyt, lav investering og praktisk drift og vedlikehold, har lenge hatt en dominerende posisjon innen biologisk nitrogen- og fosforfjerning for urbant avløpsvann, og er mye brukt i ulike urbane avløpsrenseanlegg. Men i faktisk drift og vedlikehold har mange avløpsanlegg havnet i det samme dilemmaet: TN (totalt nitrogen) og TP (totalt fosfor) er vanskelig å oppnå samtidig, spesielt ved behandling av avløpsvann med det utbredte lave C/N-forholdet i mitt land. Dette fører til en ond sirkel der nitrogenfjerning fører til fosforfjerning, og fosforfjerning fører til nitrogenfjerningssvikt, noe som resulterer i hyppige miljøinspeksjoner og utbedring, og vedvarende høye drifts- og vedlikeholdskostnader.

Denne artikkelen, som kombinerer tre kjerne tekniske dokumenter, forlater grove beskrivelser og tar utgangspunkt i essensen av prosessen. Den bryter ned og forklarer i detalj prinsippene for A²/O-prosessen, dens tre iboende defekter, kjernemekanismen for fjerning av denitrifikasjonsfosfor og det optimale modifikasjonsskjemaet for lavt C/N avløpsvann. Den balanserer profesjonalitet og praktisk, og kan refereres direkte til og brukes av designere, drifts- og vedlikeholdspersonell og ingeniørmodifikasjoner.

1. Standard prosessflyt

Kjernen i A²/O-prosessen er samtidig denitrifikasjon og fosforfjerning gjennom seriedrift av tre reaktorer, kombinert med slamresirkulering og intern resirkulering. Standardstrømmen er klar og sporbar: Råvann → Anaerob tank → Anoksisk tank → Aerobic tank → Sekundær sedimentasjonstank → Avløp. Hele prosessen krever ikke noe komplekst utstyr, har lav drift og vedlikeholdsproblemer, og er egnet for stor-applikasjon.

• Slamretur: Sedimentasjonstank → Anaerob tank

• Intern retur: Aerob tank → Anoksisk tank

2. Tre-kjernereaksjonsprinsipp (bryter ned rollen til hvert trinn for å forstå essensen av prosessen)

(1) Anaerobt stadium (ingen molekylært oksygen, ingen nitratnitrogen)

• Polyfosfat-akkumulerende bakterier (PAO) frigjør aktivt fosforet som er lagret i kroppen deres i et anaerobt, nitrat-fritt miljø, mens de absorberer lett nedbrytbar COD (biologisk nedbrytbart organisk materiale) fra avløpsvannet og omdanner det til PHB (polysmørsyre) for lagring av hydroksysmørsyre for deretter å lagre energi. absorpsjon av fosfor;

• Hvis det finnes en liten mengde nitrat i det anaerobe stadiet (for det meste fra returnert slam), vil denitrifiserende bakterier fortrinnsvis bruke den gjenværende karbonkilden for denitrifisering, indirekte forbruke karbonkilden som kreves av PAOer, og skape en potensiell fare for fjerning av fosfor;

• Samtidig bryter fermenterende bakterier ned det store molekylære organiske materialet i avløpsvannet som er vanskelig å bryte ned til flyktige fettsyrer (VFA) som lett absorberes av PAO, og gir tilstrekkelig substrat for PHB-syntese av PAO.

(2) Anoksisk sone (ingen molekylært oksygen, inneholder nitratnitrogen)

• Denitrifiserende bakterier bruker nitrat fra resirkulasjonen i den aerobe sonen som en elektronakseptor og gjenværende COD i avløpsvannet som en karbonkilde for å redusere nitrat til nitrogen (N₂), og fullfører denitrifikasjonsprosessen. Dette er kjernetrinnet i fjerning av TN.

• Noen spesielle polyfosfatakkumulerende-bakterier (dvs. denitrifiserende polyfosfat-akkumulerende DNPAO-bakterier) kan bryte gjennom den tradisjonelle forståelsen av "aerobt fosforopptak," ved å bruke nitrat i stedet for oksygen som en elektronakseptor for å oppnå overdreven fosforopptak mens denitopptaker. Dette er denitrifikasjonsfosforfjerningen vi skal fokusere på senere.

• Strømningshastigheten til den interne resirkulasjonen bestemmer direkte nitratnitrogentilførselen i den anoksiske sonen og er en nøkkelkontrollparameter som påvirker denitrifikasjonseffektiviteten og denitrifikasjonsfosforfjerningseffekten.

(3) Aerobic Stage (Aerobic)

• Nitrifiserende bakterier (autotrofe bakterier), i et miljø med tilstrekkelig oksygen, oksiderer ammoniakknitrogen (NH₄⁺-N) i avløpsvannet til nitrat (NO₃⁻-N), fullfører nitrifikasjonsreaksjonen og gir tilstrekkelige elektronakseptorer for denitrifikasjons- og fjerningsfasen for denitroksyd;

• Polyfosfat-akkumulerer bakterier (inkludert DNPAOs), i et aerobt miljø, absorberer store mengder fosfor fra avløpsvann og lagrer det i kroppene deres, noe som resulterer i at fosforinnholdet langt overstiger normale nivåer (dvs. overdreven fosforopptak), og deretter legger grunnlaget for utslipp av fosfor;

• Samtidig bryter mikroorganismene i det aerobe stadiet ytterligere ned den gjenværende COD i avløpsvannet, fjerner nitrogen som genereres under denitrifikasjonsprosessen, hindrer slam fra å flyte og sikrer stabil slamavsetning.

3. Endelig nitrogen- og fosforfjerningsvei

• Nitrogenfjerningsvei: Nitrifikasjon i aerob tank (ammoniakknitrogen → nitrat) → Denitrifikasjon i anoksisk tank (nitrat → nitrogen) → Nitrogen slipper ut naturlig, og oppnår total nitrogenfjerning;

Mange renseanlegg mener at A²/O-prosessen er vanskelig å oppnå standarder, og tilskriver dette feilaktig utilstrekkelig drift og vedlikehold. Dette er imidlertid ikke tilfelle-kjerneproblemet er den iboende konflikten mellom de tre typene funksjonelle mikroorganismer (nitrifiserende bakterier, denitrifiserende bakterier og polyfosfat-akkumulerende bakterier). Deres krav til bomiljø og næringsstoffer er helt forskjellige, noe som gjør det umulig for dem å samtidig møte sine optimale vekstbetingelser innenfor samme slamsystem. Dette er prinsippet-nivåmotsigelsen som A²/O-prosessen sliter med å overvinne.

1. Konkurranse om karbonkilder (kjernekonflikten)

2. Slam alderskonflikt

• Fosforfjerningsvei: Anaerob utslipp av fosfor i tanken (polyfosfat-akkumulerende bakterier frigjør fosfor fra kroppen deres) → Aerobt/anoksisk opptak av fosfor i tanken (polyfosfat-akkumulerer bakterier i overdreven grad fra utslipp av vann) → absorberer for mye fosfor (fjerner fosfor-rikt slam fra systemet), fullfører total fjerning av fosfor.

3. Nitratinterferens med fjerning av anaerob fosfor

I tradisjonelle A²/O-prosesser går returslammet fra den sekundære sedimentasjonstanken direkte inn i det anaerobe stadiet. Dette returslammet bærer uunngåelig en stor mengde nitrater produsert i det aerobe stadiet. En gang i det anaerobe stadiet, forstyrrer disse nitratene fullstendig fosforfjerningsprosessen på tre måter:

• Anaerobt stadium: Kjernebehovet til polyfosfatakkumulerende-bakterier er å absorbere lett nedbrytbar COD og syntetisere PHB for påfølgende fosforfrigjøring og -opptak. Dette er grunnlaget for fjerning av fosfor og er uunnværlig.

• Byavløpsvann i mitt land lider generelt av et lavt C/N-forhold (COD/TN < 4,5), noe som resulterer i en alvorlig mangel på karbonkilder. Konkurransen mellom de to typene mikroorganismer om karbonkilder fører uunngåelig til en situasjon der den ene er sterk og den andre svak-god nitrogenfjerning resulterer i dårlig fosforfjerning; god fosforfjerning resulterer i overdreven nitrogenfjerning.

• Anoksisk stadium: Kjernekravet til denitrifiserende bakterier er å bruke COD som en elektrondonor for å omdanne nitrater til nitrogengass, og dermed fullføre nitrogenfjerning. Dette er også avhengig av COD.

1. Prinsippet om denitrifikasjon og fosforfjerning

For å løse de iboende feilene i A²/O-prosessen, er den mest effektive løsningen "dobbel bruk av karbon." Kjernen er å utnytte de spesielle metabolske egenskapene til denitrifiserende polyfosfat-akkumulerende bakterier (DNPAOs/DPB) for å la en enkelt karbonkilde samtidig møte behovene for nitrogen- og fosforfjerning. Dette demper fundamentalt konkurransen om karbonkilder og konflikten mellom slamalderen. Den spesifikke metabolske prosessen er som følger:

• Polyfosfat-akkumulerende bakterier: Dette er heterotrofe bakterier med rask vekst. Kjernen i deres fosforfjerning er å fjerne fosfor fra systemet ved å slippe ut overflødig slam. Derfor kreves det en relativt kort slamalder (5–1). • 0d (0 dager): En for lang slamalder fører til frigjøring av-fosfor fra polyfosfatakkumulerende-bakterier, noe som reduserer effektiviteten av fosforfjerning betydelig.

• Nitrifiserende bakterier: Dette er autotrofe bakterier med ekstremt langsom vekst og reproduksjonshastighet. De krever en relativt lang slamalder (15–25 dager) for å overleve stabilt og fullføre nitrifikasjonsreaksjonen. En slamalder som er for kort resulterer i at en stor mengde nitrifiserende bakterier slippes ut, noe som gjør effektiv fjerning av ammoniakknitrogen ineffektiv.

• A²/O-prosessen bruker et enkelt slamsystem, slik at kun én enhetlig slamalder kan settes. En lang slamalder for å opprettholde nitrifikasjon vil føre til fosforavfall, mens en kort slamalder for å opprettholde fosforfjerning vil føre til nitrifikasjonskollaps; begge deler kan ikke oppnås samtidig.

2. Nøkkelparametre for A²/O-aktivering av denitrifikasjon og fosforfjerning

1. Foretrukket forbruk av karbonkilder: Denitrifiserende bakterier bruker nitrat som en elektronakseptor, og forbruker fortrinnsvis lett nedbrytbar COD i det anaerobe stadiet, og forhindrer polyfosfatakkumulerende bakterier (PAB) i å få tilstrekkelig karbon til å syntetisere PHB.

2. Inhibering av fosforfrigjøring av PPAer: PPAer krever et strengt anaerobt, nitratfritt-miljø for fosforfrigjøring. Tilstedeværelsen av nitrat hemmer direkte fosforfrigjøringsprosessen, og fører til og med til unormalt "anaerobt fosforopptak", som forhindrer påfølgende aerobt/anoksisk fosforopptak og forårsaker at fosforfjerning mislykkes.

3. Forstyrrelse av det anaerobe miljøet: Nitrat forbruker det anaerobe miljøet i det anaerobe stadiet under denitrifikasjon, og hemmer indirekte den metabolske aktiviteten til PPA.

Praktiske verifikasjonsresultater: Under kontroll av parametrene ovenfor, kan fosforopptakshastigheten i det anoksiske stadiet nå 69 %, og krever ingen ekstra karbonkilde. Effektiviteten til fjerning av nitrogen og fosfor forbedres samtidig, mens luftehastigheten i det aerobe stadiet kan reduseres med ca. 20 %, noe som sparer betydelig driftsenergiforbruk.

Lave C/N-forhold er vanlig i urbant avløpsvann i mitt land, med målte verdier som ofte varierer fra 3,1 til 5,9, langt under de 4,5 som kreves for stabil overholdelse av A²/O-standarder. Selv med optimaliserte driftsparametere, er det usannsynlig at en enkelt A²/O-prosess konsekvent oppfyller klasse A-utslippsstandarden på lang sikt. Derfor er det nødvendig med en kombinert prosess for å løse denne iboende mangelen fundamentalt.

• Anaerobt stadium: DNPAO-er, som vanlige polyfosfatakkumulerende-bakterier, frigjør fosfor fra cellene sine mens de absorberer lett biologisk nedbrytbar COD fra avløpsvann, syntetiserer PHB og lagrer det i cellene, og fullfører dermed fosforfrigjøring og karbonkildereserver.

Motorpraksis har vist at A²/O + BAF (Biological Aerated Filter) for tiden er den mest modne, lett implementerte og kostnadseffektive oppgraderingsruten. Kjerneideen er "separat drift av nitrifikasjon og fjerning av fosfor," slik at begge typer mikroorganismer kan vokse i sine optimale miljøer, og løse konflikter med slamalder og konkurranse om karbonkilder fullstendig.

• Kjernefordeler: Oppnår 1 del karbonkilde (PHB)=denitrifikasjon + fjerning av fosfor, direkte dobling av karbonkildeutnyttelsen. Ingen ekstra karbonkilde er nødvendig for å samtidig forbedre effektiviteten av denitrifikasjon og fosforfjerning, perfekt egnet for avløpsvann med lave C/N-forhold.

• Anoksisk stadium: DNPAO-er er ikke lenger avhengige av oksygen, men bruker nitrat som elektronakseptor, reduserer samtidig nitrat til nitrogen (fullfører denitrifisering) og bruker deres lagrede PHB som energikilde for å absorbere overflødig fosfor fra avløpsvann (fullføre fjerning av fosfor).

1. Kjerneprinsipp: Separasjon av nitrifikasjon og fjerning av fosfor

2. Faktiske resultater (C/N=4.2)

• Slamretensjonstid (SRT): Kontrollert til rundt 15 dager. Denne slamalderen tilfredsstiller vekstkravene til nitrifiserende bakterier (sikrer nitrifikasjonseffektivitet) samtidig som den balanserer anrikningen og aktiviteten til DNPAOs, og unngår for lange eller korte slamalder som kan påvirke behandlingseffektiviteten negativt.

• Intern resirkulasjonsforhold: Kontrollert til 3,0–3,5. Ved dette forholdet holdes nitratkonsentrasjonen i den anoksiske tankavløpet på 1–3 mg/L, noe som gir tilstrekkelige elektronakseptorer for DNPAO-er uten å føre til at for mye nitrat kommer inn i den anaerobe sonen og forstyrrer fosforfrigjøringen.

• Anoksisk/anaerobt volumforhold: En passende økning av volumforholdet til den anoksiske sonen forlenger oppholdstiden for DNPAO i den anoksiske sonen, og forbedrer denitrifikasjon og fosforfjerning.

• Streng nitratkontroll i den anaerobe seksjonen: Ved å optimalisere refluksmetoden, kontrolleres nitratkonsentrasjonen i den anaerobe seksjonen kl.<0.5 mg/L, providing a stable anaerobic environment for DNPAOs to release phosphorus and synthesize PHB.

3. Optimale driftsparametre

• A²/O-seksjon (kort slamalder 5–10 dager): Nitrifikasjon er forlatt, med fokus på "anaerob fosforfrigjøring + anoksisk denitrifikasjonsfosforfjerning." Den korte slamalderinnstillingen sikrer effektiv fjerning av fosfor ved at polyfosfat-akkumulerer bakterier gjennom slamutslipp, mens DNPAO-er bruker sin interne PHB for denitrifisering, og maksimerer utnyttelsen av begrensede karbonkilder.

• Intern refluksdesign: Den nitrifiserte væsken (rik på nitrat) som produseres i BAF-seksjonen tilbakeløpskjøles til den anoksiske A²/O-seksjonen, og gir tilstrekkelig elektronakseptorer for DNPAO-er, og danner en lukket sløyfe av "BAF-nitrifikasjon → A²/O-denitrifikasjonsfosforfjerning", og oppnår samtidig standardnitrogen- og fosforfjerning av fosfor.

• BAF Stage (Long Sludge Age 30d+): Dedikert til nitrifikasjon. BAF-tankpakningsmaterialet danner en biofilm som lar nitrifiserende bakterier vokse stabilt på membranen. Den lange slamalderen sikrer optimal nitrifikasjon, og oppnår nesten 100 % fjerning av ammoniakknitrogen, og løser utilstrekkelig nitrifikasjon fullstendig.

1. UCT/MUCT-prosess (løs nitratinterferens)

• Avløpskvalitet: COD=34mg/L, TN=13.3mg/L, TP=0.1mg/L, alle oppfyller "Utslippsstandarden for forurensninger for kommunale avløpsrenseanlegg" (GB (18918-2002) Klasse A-standard;

• Innflytende vannkvalitet (simulerer forhold med lavt C/N-forhold, C/N=4.2): COD=240mg/L, TN=57mg/L, TP=5.1mg/L;

• Mikrobiell aktivitet: Andelen av denitrifiserende polyfosfatakkumulerende-bakterier (DNPAO) i systemet når 40,5 %, noe som forbedrer utnyttelsen av karbonkilden betydelig, og eliminerer behovet for ytterligere ekstern karbonkildetilsetning.

• Fjerningseffektivitet: COD-fjerningsgrad 85,8 %, TN-fjerningsgrad 76,9 %, TP-fjerningsgrad 98 %, stabil nitrogen- og fosforfjerningseffekt uten svingninger;

2. Invertert A²/O-prosess (karbonkilde prioritert for nitrogenfjerning)

Kjernemodifikasjon: Justering av rekkefølgen til de tre tankseksjonene til anoksisk → anaerob → aerob, krever ikke nytt utstyr, bare justering av vannstrømretningen, egnet for lav-ettermontering av eksisterende anlegg.

• Slamreturforhold: 100 %, sikrer stabil slamkonsentrasjon i A²/O-seksjonen og gir tilstrekkelig biomasse for DNPAO-er og polyfosfat--akkumulerende organismer (PAO).

• Internavkastningsgrad: Kontrollert til 250 %. Dette forholdet gir tilstrekkelig med nitrater til den anoksiske A²/O-seksjonen samtidig som man unngår overdreven energiforbruk på grunn av for høy avkastning, og gir den beste kostnadseffektiviteten-.

• Mikrobiell kontroll: Ved å optimalisere driftsparametere stabiliseres andelen av denitrifiserende PAO i systemet på 40,5 %, og maksimerer denitrifikasjon og fosforfjerning.

• Kontroll med oppløst oksygen (DO): A²/O aerob seksjon DO=1–2 mg/L (oppfyller kravene til fosforopptak for PAO og unngår overdreven energisløsing på grunn av høy DO); BAF-seksjon DO=4–5 mg/L (oppfyller nitrifikasjonskravene til nitrifiserende bakterier og sikrer fullstendig fjerning av ammoniakknitrogen).

3. JHB-prosess

Kjernemodifikasjon: En anoksisk pre-denitrifikasjonstank legges til langs banen til det returnerte slammet inn i det anaerobe stadiet. Det returnerte slammet går først inn i denne tanken, hvor det gjennomgår pre-denitrifisering ved bruk av en del av den innflytende COD, noe som reduserer nitratinnholdet i slammet ytterligere.

• Kjernemodifikasjon: Den tradisjonelle A²/O-prosessen med "slam returnert til det anaerobiske stadiet" er justert til "slam tilbakeført til den anoksiske tanken", slik at det returnerte slammet gjennomgår denitrifisering i det anoksiske stadiet først, og forbruker nitratene det bærer.

• Modifikasjonseffekt: Etter denitrifisering i det anoksiske stadiet er slammet som kommer inn i det anaerobe stadiet nesten nitrat-fritt, og fosforfrigjøringseffektiviteten i det anaerobe stadiet økes med 50 %+, noe som fundamentalt løser problemet med nitratinterferens med fosforfjerning. Spesielt MUCT-prosessen legger til to anoksiske tanker for ytterligere å skille slamdenitrifisering fra denitrifisering av blandet brennevin, noe som resulterer i mer stabil ytelse og egnethet for avløpsrenseanlegg med alvorlig nitratinterferens.

• Prioritert tildeling av karbonkilder: Råvann kommer først inn i den anoksiske sonen, der denitrifiserende bakterier fortrinnsvis får karbonkilder, noe som forbedrer denitrifikasjonseffektiviteten betydelig og løser problemet med utilstrekkelig denitrifikasjon under lave C/N-forhold.

• Drifts- og vedlikeholdsfordeler: Forenklet prosess, ikke behov for ekstra utstyr eller drifts- og vedlikeholdskostnader, kort modifikasjonssyklus og lav implementeringsvanskelighet, noe som gjør det til en av de foretrukne løsningene for oppgradering av eksisterende anlegg.

• Mer stabil fjerning av fosfor: Polyfosfat-akkumulerende bakterier er i en "utsultet tilstand" i den anoksiske sonen. Etter å ha kommet inn i den anaerobe sonen absorberer de karbonkilder og frigjør fosfor mer effektivt, noe som resulterer i mer grundig aerob fosforabsorpsjon og mer stabil fosforfjerning.

Den optimaliserte artikkelen har løst grovhetsproblemet, med mer detaljert informasjon og mer sammenhengende logikk. Vil du at jeg skal kompilere den til et én-sides A²/O-prinsipp + parameter + hurtigreferansehåndbok for feilsøking som du kan skrive ut og feste i kontrollrommet eller ha med deg?

Ytterligere merknader: Denne prosessen adresserer spesifikt problemet med for høyt nitratinnhold i returnert slam, med bedre denitrifikasjonsytelse enn UCT-prosessen, men krever en ekstra tank. Den er egnet for avløpsrenseanlegg med høye denitrifikasjonskrav og rom for modifikasjoner.

1. Kjerneprinsipp

Anaerob fosforfrigjøring → Anoksisk nitrogenfjerning + Denitrifikasjon fosforfjerning → Aerob nitrifikasjon + Fosforopptak, tre trinn som fungerer synergistisk, avhengig av slam og intern resirkulering i en lukket sløyfe;

2. Iboende hindringer

Konkurranse om karbonkilder, aldersavvik i slam og nitratinterferens-disse tre kan ikke løses gjennom konvensjonell drift og vedlikehold, og er viktige hindringer for å oppnå samsvar;

3. Kjerneløsning

Bruk av denitrifiserende polyfosfat-akkumulerende bakterier (DNPAO) for "dobbel karbonutnyttelse": Dette reduserer mangel på karbonkilder samtidig som det oppnås nitrogen- og fosforfjerning.

4. Viktig for lave C/N-forhold

Den kombinerte A²/O + BAF-prosessen skiller nitrifikasjon og fosforfjerning, slik at hver enkelt kan oppnå optimal ytelse og konsekvent nå klasse A-standarder.

5. Prioritet for ettermontering

UCT og inverterte A²/O-prosesser tilbyr lave kostnader, enkel implementering og krever ingen større riving eller rekonstruksjon, noe som gjør dem egnet for raske oppgraderinger av eksisterende anlegg.