传统污水处理厂AO 技术应用的优化

引言

现行AO 工艺普遍面临聚磷菌（PAOs）与反硝化菌（DNB）的碳源竞争矛盾、硝化菌与 PAOs 的泥龄需求冲突，以及硝酸盐内回流对厌氧释磷的抑制效应，导致出水总氮（TN）与总磷（TP）达标稳定性不足，尤其在进水 BOD₅/TN 比低于 4 的条件下，传统工艺的脱氮效率降幅可达 30%-50% 。与此同时，污水处理行业正从 " 污染物削减 " 向 " 资源能源回收 " 转型，传统 AO 工艺缺乏对碳源靶向分配、微生物种群协同调控及能量梯级利用的系统优化，难以满足低碳、节能、高效的技术升级需求。因此，突破 AO 工艺的固有限制，构建基于精准调控与过程强化的新一代技术体系，已成为提升污水处理效能、实现行业绿色转型的关键科学命题。

1. 传统AOP 工艺技术瓶颈分析

1.1 碳源竞争与分配失衡

传统 AO 工艺在污水处理过程中，通常采用单点进水模式，这种模式下厌氧段的碳源占比仅为 30%-40% 。这一碳源比例远不足以满足污水处理中PAOs（聚磷菌）释磷和 DNB（异氮还原菌）反硝化的双重需求。具体而言，PAOs 在厌氧环境中通过利用挥发性脂肪酸（VFA）进行磷的释放，而 DNB 则需要 VFA 作为碳源来进行反硝化过程。当进水的 BOD5/TN 比低于 5 时，反硝化过程对 VFA 的消耗量占系统总 VFA 的 60%-70% ，这意味着大量的 VFA 被优先用于反硝化，导致 PAOs 释磷量显著下降，从而影响了磷的去除效果。更为复杂的是，这种碳源分配的失衡现象在低温条件下尤为明显。当水温低于 15℃时，PAOs 的活性显著降低，磷的释放和吸收效率下降，进一步加剧了系统内的碳源分配问题。

1.2 微生物种群泥龄矛盾

传统 AOP（厌氧 / 缺氧 / 好氧）工艺在污水处理过程中面临着微生物种群泥龄矛盾的问题，尤其是在同时需满足氮、磷去除需求的情况下，该矛盾对工艺的稳定性和处理效果造成了显著影响。硝化菌（AOB/NOB）的世代周期通常较长，一般为 5 至 7 天，而 PAOs（聚磷细菌）则具有较短的最佳泥龄需求，通常为 3 至 5 天。传统 AOP 工艺采用统一污泥龄（SRT）时，存在一个重要的技术瓶颈：当污泥龄超过15 天时，PAOs 的活性受到抑制，导致除磷效率显著下降，通常降幅可达 50% 以上；而当污泥龄低于10 天时，硝化菌的活性不足，硝化率难以维持在70% 以上[1]。

1.3 硝酸盐内回流抑制效应

传统的 AO 工艺中，通常会进行 200% 的内回流，使得硝酸盐浓度在厌氧段达到 8-12 mg/L。硝酸盐的内回流进入厌氧段后，成为了厌氧微生物的竞争性抑制因子。每 1mg/L 的硝态氮消耗大约需要 6.4 mg 的化学需氧量（COD），从而引起了可挥发脂肪酸（VFA）资源的迅速耗竭，导致 VFA 缺口率超过 40% 。这一缺口严重影响了聚磷细菌（PAOs）在厌氧段的生长与磷的去除效果。在传统工艺中，VFA 作为PAOs 重要的碳源，若VFA 供给不足，将导致PAOs 的代谢受阻，进而使得磷去除率降低，严重影响系统的脱磷效果。更为关键的是，这一硝酸盐内回流抑制效应在多级 AO 工艺中仍普遍存在，虽然通过内回流方式提高了硝化效果，但其对厌氧段的负面影响却使得系统在处理低碳源污水时显得尤为困难。低碳源污水中可供聚磷细菌利用的 VFA 含量本身较低，硝酸盐内回流导致的 VFA 缺乏进一步加剧了这一问题，从而限制了整个系统对低碳源污水的处理能力。

2.AO 工艺优化的技术路径与实施策略

2.1 碳源靶向调控技术

碳源的定向投加。通过精确控制碳源在不同反应段的时空分配，确保各类微生物能够充分利用特定的碳源，避免碳源的浪费。在 AO 工艺中，碳源主要在厌氧段和缺氧段提供给聚磷细菌（PAOs）和反硝化菌（DNB）使用。针对厌氧段的碳源需求，可以通过精细控制进水碳源的种类和浓度，定向支持 PAOs的生长，减少其他微生物的竞争压力。例如，在深圳某项目中，采用了 " 乙酸钠 + 发酵液 " 双碳源策略，通过向厌氧段投加乙酸钠专供 PAOs，同时在缺氧段投加餐厨垃圾发酵液作为碳源支持反硝化过程，从而提高了系统的碳源利用效率，降低了碳源成本，并实现了出水TP（总磷）低于 0.3mg/L 的优异效果。

碳源再生工艺的耦合。在预处理段引入水解酸化池，可以有效地将难降解的有机物转化为易于微生物利用的挥发性脂肪酸（VFA），从而缓解碳源不足问题。通过调整水解酸化池的停留时间（HRT），可优化 VFA 的产量，提升系统的碳源利用效率。例如，实验表明，在 HRT=6-8 小时的条件下，水解酸化池能够将 COD 的转化率显著提高，并使 BOD5/TN 比从 3.2 提高至 5.6，从而增强了氮磷去除效果 [2]。

碳源代谢路径的优化。通过对不同类型碳源的代谢途径进行研究，优化其在微生物群落中的利用效率，可以进一步提升 AO 工艺的脱氮除磷效果。对于不同碳源，微生物的代谢途径存在差异，精确掌握各类碳源在微生物群体中的代谢路径，可以有效降低系统中不同污染物之间的相互竞争，提高整体处理效率。

2.2 微生物种群解耦技术

通过精确调控微生物群体结构和代谢特性，能够有效提高污水处理系统的脱氮除磷性能，降低能源消耗和操作成本。该技术的核心在于通过解耦不同微生物群体之间的竞争与协同作用，使得各类微生物能够在各自的最佳环境条件下发挥最大效能，从而提升系统的整体处理能力。

具体实施过程中，微生物种群解耦技术主要依赖于精确控制不同反应段的停留时间、溶解氧浓度、温度及碳源供给等关键因素。通过这些参数的优化调整，能够实现对硝化菌、反硝化菌、聚磷细菌（PAOs）等微生物群体的分区培养和功能强化。在厌氧段和缺氧段，利用不同的碳源供给以及环境条件，使得 PAOs和反硝化菌能够分别在有利条件下进行繁殖和代谢，从而实现脱氮除磷过程中的高效分离与协同。

2.3 能量梯级利用与资源回收技术

过合理调配污水处理过程中的能量流动与资源回收，能够有效实现能源节约与资源再利用。在实际应用中，能量梯级利用技术着眼于最大化各工艺段的能量利用率，例如在反硝化过程中，利用厌氧段产生的甲烷进行后续的好氧反应，提高系统的能源效率。而资源回收技术则关注在污水处理中实现磷、氮等资源的回收与再利用，降低对外部资源的依赖，推动资源循环利用 [3]。

其中，碳磷协同回收技术通过结合厌氧释磷与微藻固碳系统，实现了高效的磷回收与二氧化碳吸收。通过调控厌氧释磷阶段的环境条件，释放出水中的磷，再利用该阶段产生的磷为微藻提供养分，进而促进微藻的生长与固碳过程。这一系统的实施不仅显著提升了磷的回收效率，达到了 92% 的回收率，还有效减少了二氧化碳排放，为碳足迹的减少提供了新的路径。

能量梯级利用技术则通过多阶段工艺的联动，提升污水处理过程的整体能效。通过合理的能量传递与梯级利用，能够在满足处理需求的前提下，最大化能源回收。例如，利用厌氧消化产生的生物气体驱动后续的好氧反应，为系统提供部分能源支持，减少外部能源的依赖。

3. 结束语

通过对AO 工艺的优化设计，如改善反应池结构、调整微生物群落、采用先进的气液分布技术等，可以有效提升氮磷去除效果和降低能耗。同时，新技术的引入，如膜技术、微生物电解技术以及智能化控制系统的应用，能够进一步提高AO 工艺的处理效率和稳定性，使其更加适应现代化污水处理的需求。此外，污水处理厂管理模式的创新，尤其是自动化、数字化技术的引入，能够使污水处理过程更加精细化和高效化，提升整体运营水平。

参考文献：

[1] 陈军 , 朱宇 , 郑晨 , 等 . 一种改良 AO 技术在污水处理工程中的应用研究 [J]. 绿色科技 ,2024,26(14):164-169.

[2] 朱天伟, 李月, 郭锋博. 工业污水处理过程节能优化控制方法研究[J].低碳世界 ,2024,14(03):31-33.

[3] 李鹏 . 基于 A/0 生物膜工艺的炼油污水处理技术研究 [D]. 中国石油大学 ( 北京 ),2022.