作者：葉振中
1.概述
焦化廢水生物脫氮的A/O、A-A/O工藝較成熟，在我國的焦化行業已得到廣泛的應用，如工藝參數設計合理，工藝條件控制適當，可取得較好的脫氮效果，是目前工程設計中優先考慮的脫氮工藝。后者是前者的改進型工藝，是在A/O系統缺氧池之前加一個厭氧池，可起到酸化水解的作用，有利于大分子多環類化合物鏈或環的斷裂，從而提高廢水的生物降解物性，因此A-A/O工藝的處理效果要優于A/O工藝。但A-A/O工藝的水力停留時間長，基建投資相應也要高一些，并且焦化廠生物脫氮裝置大多是在原有的基礎上改擴建而成，廢水處理場地有時會受到限制，所以在工藝選取上應結合實際情況及水處理要求綜合考慮。
2.A/O工藝
（1）工藝流程
缺氧-好氧生物處理系統A/O工藝，它是隨著廢水脫氮要求的提出而出現的。A/O工藝所完成的生物脫氮機理主要由硝化和反硝化兩個生化過程組成。廢水首先在好氧反應器中進行硝化，使含氮有機物被細菌分解成氨，然后在亞硝化菌的作用下氨進一步轉化為亞硝酸鹽氮（NO- 2 –N），再經硝化菌作用轉化為硝酸鹽氮（NO- 3 –N）。硝酸鹽氮進入缺氧或厭氧反應器后，經過反硝化作用，利用廢水中原有的有機物，進行無氧呼吸，分解有機物，同時將硝酸鹽氮還原為氣態氮（N2）。A/O工藝不但能取得比較滿意的脫氮效果，同時可取得較高的COD和BOD去除率。
依據硝化-反硝化的脫氮機理，誕生了多種組合形式的A/O型處理工藝。單級A/O工藝是指用一個缺氧反應器和另一個好氧反應器組成的聯合系統，從好氧反應器出來的部分混合液靠回流泵返回到缺氧反應器進水端，另一部分進入二沉池分離活性污泥后，上清液作為處理出水排放。A/O工藝的流程如圖1所示。
圖1 厭氧-好氧生物脫氮流程示意圖
活性污泥法所構成的A/O系統，一般是由缺氧區和好氧區組成。其中好氧區的設計和操作運行參數與常規曝氣池基本相同，設有曝氣裝置以維持足夠的供氧量，而原水是從缺氧區進入，并與好氧區返回的硝化液混合，原水中的有機碳基質正好成為反硝化的碳源而被利用。
生物膜法反應器所構成的A/O系統，是由相對獨立的2個填料床反應器串聯組成，其中一個保持缺氧狀態，另一個保持好氧狀態，反應器的填料與膜去相同，包括顆粒填料、軟性填料、立體彈性填料等。膜法A/O工藝一般能獲得比活性污泥法更好的脫氮效果，主要因為載體為生長速度緩慢的硝化菌提供了適宜場所。特別是在缺氧反應器中，填充的軟性或彈性立體填料是大批抗毒物能力強和適應不良環境的反硝化菌的棲息地，因此對提高反硝化效果十分有益。
（2）影響A/O工藝運行的因素
根據有機碳基質的性質，廢水中可生化降解的有機物可分為三類：第一類為可快速生化降解的溶解性有機物，如有機酸、醇類、葡萄糖等；第二類為可緩慢降解性有機物，如烴類、淀粉、高分子有機物等；第三類則是微生物細胞物質的自身氧化即內源呼吸。這三類基質在缺氧區作供氫體反硝化速率是不同的，其中內源呼吸時的反硝化速率僅為第一類基質的10％，第二類基質的反硝化速率略高于內源呼吸。從上述反硝化反應式程式可以推算出，轉化1mg/L硝酸鹽氮大約需要3mg/L的BOD5為碳源。當原水中的碳氮化較高，可快速生化降解的有機物充分時，反硝化可以只利用第一類基質。這時對于完全混合式的活性污泥法而言，所需的缺氧脫氮池容積較小，水力停留時間為0.5～0.1h即可。如原水的碳氮比較低時，反硝化就不可能僅利用此類物質，缺氧池的停留時間就應達到2.0～3.0h。
A/O工藝中的污泥泥齡主要受硝化細菌世代時間的影響，明顯比普通活性污泥法長，其最短泥齡與溫度有關，溫度對泥齡和硝化程度都有很大影響，在冬季低溫時應采取措施加強硝化。
硝化菌是一種好氧性自養菌，生長在好氧區。在生物膜法處理過程中，由于生物膜有一定的厚度，為了充分發揮生物膜的代謝能力，一般控制好氧段溶解氧（DO）＝3.5～4.5mg/L較合適，過低就會成為硝化反應的抑制因素。但對于活性污泥法，好氧區內的硝化菌生長速率與溶解氧的關系，由大量實驗數據表明，DO濃度在2.0mg/L以上時比較合適。但對A/O工藝的好氧區并非DO越高越好，因為溶解氧會隨著回流而進入缺氧區，結果影響反硝化。
反硝化菌是一種兼性異養菌，在缺氧系統生長。對于膜法反硝化系統，由于細菌周圍氧環境的差異，即當反應器內有一定溶解氧時，生物膜內層仍呈缺氧狀態。有關報道指出，當DO為1.0～2.0mg/L時，并不影響反硝化的進行，但一般控制在DO≤1.0mg為宜。而對于活性污泥系統，缺氧區的溶解氧濃度則越低越好，最高不得大于0.5mg/L。為確保這一數值，缺氧區應采用水下攪拌，以避免水表面形成旋渦而溶于空氣，或采用表面封閉的形式。
缺氧段與好氧段的反應器容積比即A/O容積比對硝化及反硝化效果影響很大。一般認為對于可生化性較好的廢水，懸浮生長系統的反硝化速率可以達到硝化速率的3～4倍，此時所需的A/O容積比較小。然而對于可生化性較差的廢水，所采用的A/O容積比應較大。另外，采用較大的A/O容積比，可使大部分有機物在缺氧段被去除，從而減輕好氧段的有機負荷。A/O的容積比可在模型試驗中，通過改變缺氧段與好氧段比例的大不來找出最佳的實驗值，作為生產性裝置的設計參數。
好氧段混合液回流的目的在于向缺氧提供反硝化反應所需的氧化態氮，因此回流比的大小對反硝化效果具有較大影響。混合液回流比大時，返回到缺氧段的氧化態氮量將增加，若缺氧段有足夠的碳源，則脫氮率得以提高。但相應增加動力消耗，而且還會造成缺氧段DO值的升高，進而影響反硝化效果。因此，應該存在一個最佳的混合液回流比。值得注意的是，回流比具有很大的選擇范圍，應根據具體水質和工藝而選定。
硝化菌和反硝化菌的pH值適應范圍在6.0～8.5之間，以7.0～7.5為最佳。PH值過低則硝化率下降，但回升后抑制作用可以解除，不存在殘毒效應。在A/O工藝中硝化和反硝化分別為酸化過程。硝化反應中產生的H+與水中的碳酸堿度結合，生成CO2和水。隨著曝氣過程CO2不斷吹脫，pH值下降趨勢會被抑制，但這一過程破壞堿度，每氧化1.0mg/L的NH3-N即破壞7.2mg/L堿度。如水中堿度不足則會造成pH值嚴重下降，從而抑制硝化。另一方面，反硝化產物與CO2和OH-作用會產生碳酸堿度，每還原1.0mg/L氮會產生3.0mg/L堿度。二者綜合考慮，反硝化不足以補償硝化對堿度的破壞，總趨勢是堿度下降。一般為保證運行正常，往往需要向系統中投加石灰等堿加以調整。實例：1993年上海寶山鋼鐵公司焦化廢水A/O裝置投入運行，廢水中的NH3-N得到有效治理，混凝處理后COD也達到了國家排放標準。此后，臨汾鋼鐵等廠的焦化廢水A/O裝置也相繼投產，并獲得成功。
（3）A-A/O工藝
厭氧－兼氧－好氧組合工藝簡稱A-A/O，也有寫成A/O的，它由3段生物處理裝置組成，即在單級A/O工藝的前段再設置厭氧反應器，目的在于通過厭氧過程使廢水的的部分難降解有機物得到降解去除，以改善廢水的可生化性。因為焦化廢水中含有大量的雜環及多環芒烴類有機物，這些有機物在好氧條件下較難生物降解，通過厭氧酸化處理，可以將其轉化為小分子、易生物降解的有機物，提高焦化廢水的生物降解性，并為后續的缺氧段提供適合于反硝化過程的碳源，最終達到高效去除COD、BOD、N、P的目的，A-A/O系統的工藝流程如圖2所示：
圖2 厭氧-兼氧-好氧生物脫氮流程示意圖
廢水經預處理后進入厭氧反應器，使高COD物質在該段得到部分降解，然后進入兼氧段，進行反硝化過程，最后進入好氧段氧化降解有機物和進行硝化反應，好氧段出水一部分回流進入兼氧段，并與厭氧段出水混合，利用厭氧出水中的碳源進行反硝化。另一部分出水進入二沉地，分離活性污泥后作為出水，污泥直接回流到厭氧段。
A-A/O組合工藝的特點主要表現在：①具有較高的COD和NH3-N去除率，適合于處理高濃度COD和氨氮廢水；②厭氧段除了能夠降解部分難降解有機物外，還能改進廢水的可生化性，以便于作為碳源而被反硝化利用，因而，其脫氮效果優于單級A/O工藝；③A-A/O系統操作穩定，對水質和流量有很好的抗沖擊能力；④兼氧-好氧通過回流所構成的循環系統，與單級A/O工藝基本相同。
實例：昆明鋼鐵公司焦化廠，利用原有生物處理工藝改造成A-A/O組合工藝，2001年進行了調試與優化，系統運行穩定，氨氮去除率大于99％，混凝后COD的去除率高于95％，出水中酚、氰、COD和HN3-N等均達到國家排放標準。
1.概述
焦化廢水生物脫氮的A/O、A-A/O工藝較成熟，在我國的焦化行業已得到廣泛的應用，如工藝參數設計合理，工藝條件控制適當，可取得較好的脫氮效果，是目前工程設計中優先考慮的脫氮工藝。后者是前者的改進型工藝，是在A/O系統缺氧池之前加一個厭氧池，可起到酸化水解的作用，有利于大分子多環類化合物鏈或環的斷裂，從而提高廢水的生物降解物性，因此A-A/O工藝的處理效果要優于A/O工藝。但A-A/O工藝的水力停留時間長，基建投資相應也要高一些，并且焦化廠生物脫氮裝置大多是在原有的基礎上改擴建而成，廢水處理場地有時會受到限制，所以在工藝選取上應結合實際情況及水處理要求綜合考慮。
2.A/O工藝
（1）工藝流程
缺氧-好氧生物處理系統A/O工藝，它是隨著廢水脫氮要求的提出而出現的。A/O工藝所完成的生物脫氮機理主要由硝化和反硝化兩個生化過程組成。廢水首先在好氧反應器中進行硝化，使含氮有機物被細菌分解成氨，然后在亞硝化菌的作用下氨進一步轉化為亞硝酸鹽氮（NO- 2 –N），再經硝化菌作用轉化為硝酸鹽氮（NO- 3 –N）。硝酸鹽氮進入缺氧或厭氧反應器后，經過反硝化作用，利用廢水中原有的有機物，進行無氧呼吸，分解有機物，同時將硝酸鹽氮還原為氣態氮（N2）。A/O工藝不但能取得比較滿意的脫氮效果，同時可取得較高的COD和BOD去除率。
依據硝化-反硝化的脫氮機理，誕生了多種組合形式的A/O型處理工藝。單級A/O工藝是指用一個缺氧反應器和另一個好氧反應器組成的聯合系統，從好氧反應器出來的部分混合液靠回流泵返回到缺氧反應器進水端，另一部分進入二沉池分離活性污泥后，上清液作為處理出水排放。A/O工藝的流程如圖1所示。
圖1 厭氧-好氧生物脫氮流程示意圖
活性污泥法所構成的A/O系統，一般是由缺氧區和好氧區組成。其中好氧區的設計和操作運行參數與常規曝氣池基本相同，設有曝氣裝置以維持足夠的供氧量，而原水是從缺氧區進入，并與好氧區返回的硝化液混合，原水中的有機碳基質正好成為反硝化的碳源而被利用。
生物膜法反應器所構成的A/O系統，是由相對獨立的2個填料床反應器串聯組成，其中一個保持缺氧狀態，另一個保持好氧狀態，反應器的填料與膜去相同，包括顆粒填料、軟性填料、立體彈性填料等。膜法A/O工藝一般能獲得比活性污泥法更好的脫氮效果，主要因為載體為生長速度緩慢的硝化菌提供了適宜場所。特別是在缺氧反應器中，填充的軟性或彈性立體填料是大批抗毒物能力強和適應不良環境的反硝化菌的棲息地，因此對提高反硝化效果十分有益。
（2）影響A/O工藝運行的因素
根據有機碳基質的性質，廢水中可生化降解的有機物可分為三類：第一類為可快速生化降解的溶解性有機物，如有機酸、醇類、葡萄糖等；第二類為可緩慢降解性有機物，如烴類、淀粉、高分子有機物等；第三類則是微生物細胞物質的自身氧化即內源呼吸。這三類基質在缺氧區作供氫體反硝化速率是不同的，其中內源呼吸時的反硝化速率僅為第一類基質的10％，第二類基質的反硝化速率略高于內源呼吸。從上述反硝化反應式程式可以推算出，轉化1mg/L硝酸鹽氮大約需要3mg/L的BOD5為碳源。當原水中的碳氮化較高，可快速生化降解的有機物充分時，反硝化可以只利用第一類基質。這時對于完全混合式的活性污泥法而言，所需的缺氧脫氮池容積較小，水力停留時間為0.5～0.1h即可。如原水的碳氮比較低時，反硝化就不可能僅利用此類物質，缺氧池的停留時間就應達到2.0～3.0h。
A/O工藝中的污泥泥齡主要受硝化細菌世代時間的影響，明顯比普通活性污泥法長，其最短泥齡與溫度有關，溫度對泥齡和硝化程度都有很大影響，在冬季低溫時應采取措施加強硝化。
硝化菌是一種好氧性自養菌，生長在好氧區。在生物膜法處理過程中，由于生物膜有一定的厚度，為了充分發揮生物膜的代謝能力，一般控制好氧段溶解氧（DO）＝3.5～4.5mg/L較合適，過低就會成為硝化反應的抑制因素。但對于活性污泥法，好氧區內的硝化菌生長速率與溶解氧的關系，由大量實驗數據表明，DO濃度在2.0mg/L以上時比較合適。但對A/O工藝的好氧區并非DO越高越好，因為溶解氧會隨著回流而進入缺氧區，結果影響反硝化。
反硝化菌是一種兼性異養菌，在缺氧系統生長。對于膜法反硝化系統，由于細菌周圍氧環境的差異，即當反應器內有一定溶解氧時，生物膜內層仍呈缺氧狀態。有關報道指出，當DO為1.0～2.0mg/L時，并不影響反硝化的進行，但一般控制在DO≤1.0mg為宜。而對于活性污泥系統，缺氧區的溶解氧濃度則越低越好，最高不得大于0.5mg/L。為確保這一數值，缺氧區應采用水下攪拌，以避免水表面形成旋渦而溶于空氣，或采用表面封閉的形式。
缺氧段與好氧段的反應器容積比即A/O容積比對硝化及反硝化效果影響很大。一般認為對于可生化性較好的廢水，懸浮生長系統的反硝化速率可以達到硝化速率的3～4倍，此時所需的A/O容積比較小。然而對于可生化性較差的廢水，所采用的A/O容積比應較大。另外，采用較大的A/O容積比，可使大部分有機物在缺氧段被去除，從而減輕好氧段的有機負荷。A/O的容積比可在模型試驗中，通過改變缺氧段與好氧段比例的大不來找出最佳的實驗值，作為生產性裝置的設計參數。
好氧段混合液回流的目的在于向缺氧提供反硝化反應所需的氧化態氮，因此回流比的大小對反硝化效果具有較大影響。混合液回流比大時，返回到缺氧段的氧化態氮量將增加，若缺氧段有足夠的碳源，則脫氮率得以提高。但相應增加動力消耗，而且還會造成缺氧段DO值的升高，進而影響反硝化效果。因此，應該存在一個最佳的混合液回流比。值得注意的是，回流比具有很大的選擇范圍，應根據具體水質和工藝而選定。
硝化菌和反硝化菌的pH值適應范圍在6.0～8.5之間，以7.0～7.5為最佳。PH值過低則硝化率下降，但回升后抑制作用可以解除，不存在殘毒效應。在A/O工藝中硝化和反硝化分別為酸化過程。硝化反應中產生的H+與水中的碳酸堿度結合，生成CO2和水。隨著曝氣過程CO2不斷吹脫，pH值下降趨勢會被抑制，但這一過程破壞堿度，每氧化1.0mg/L的NH3-N即破壞7.2mg/L堿度。如水中堿度不足則會造成pH值嚴重下降，從而抑制硝化。另一方面，反硝化產物與CO2和OH-作用會產生碳酸堿度，每還原1.0mg/L氮會產生3.0mg/L堿度。二者綜合考慮，反硝化不足以補償硝化對堿度的破壞，總趨勢是堿度下降。一般為保證運行正常，往往需要向系統中投加石灰等堿加以調整。實例：1993年上海寶山鋼鐵公司焦化廢水A/O裝置投入運行，廢水中的NH3-N得到有效治理，混凝處理后COD也達到了國家排放標準。此后，臨汾鋼鐵等廠的焦化廢水A/O裝置也相繼投產，并獲得成功。
（3）A-A/O工藝
厭氧－兼氧－好氧組合工藝簡稱A-A/O，也有寫成A/O的，它由3段生物處理裝置組成，即在單級A/O工藝的前段再設置厭氧反應器，目的在于通過厭氧過程使廢水的的部分難降解有機物得到降解去除，以改善廢水的可生化性。因為焦化廢水中含有大量的雜環及多環芒烴類有機物，這些有機物在好氧條件下較難生物降解，通過厭氧酸化處理，可以將其轉化為小分子、易生物降解的有機物，提高焦化廢水的生物降解性，并為后續的缺氧段提供適合于反硝化過程的碳源，最終達到高效去除COD、BOD、N、P的目的，A-A/O系統的工藝流程如圖2所示：
圖2 厭氧-兼氧-好氧生物脫氮流程示意圖
廢水經預處理后進入厭氧反應器，使高COD物質在該段得到部分降解，然后進入兼氧段，進行反硝化過程，最后進入好氧段氧化降解有機物和進行硝化反應，好氧段出水一部分回流進入兼氧段，并與厭氧段出水混合，利用厭氧出水中的碳源進行反硝化。另一部分出水進入二沉地，分離活性污泥后作為出水，污泥直接回流到厭氧段。
A-A/O組合工藝的特點主要表現在：①具有較高的COD和NH3-N去除率，適合于處理高濃度COD和氨氮廢水；②厭氧段除了能夠降解部分難降解有機物外，還能改進廢水的可生化性，以便于作為碳源而被反硝化利用，因而，其脫氮效果優于單級A/O工藝；③A-A/O系統操作穩定，對水質和流量有很好的抗沖擊能力；④兼氧-好氧通過回流所構成的循環系統，與單級A/O工藝基本相同。
實例：昆明鋼鐵公司焦化廠，利用原有生物處理工藝改造成A-A/O組合工藝，2001年進行了調試與優化，系統運行穩定，氨氮去除率大于99％，混凝后COD的去除率高于95％，出水中酚、氰、COD和HN3-N等均達到國家排放標準。