城市污水处理厂升级改造中厌氧氨氧化技术的应用与效能评估

传统活性污泥法在处理高氨氮废水时存在能耗高、污泥产量大、总氮达标难等问题。厌氧氨氧化技术作为一种新型生物脱氮工艺，具有无需外加碳源、污泥产量低、能耗低等优势，逐渐成为污水处理厂升级改造的热点方向。

1 工程概况

某市第二污水处理厂设计规模为日处理污水20 万吨，服务人口超 120 万，原工艺采用 A²/O （厌氧-缺氧-好氧）传统活性污泥法。随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》提标至一级 A 要求，该厂面临三重困境：进水总氮浓度高达50mg/L 导致生物脱氮效率不足，每日需外投甲醇碳源 3.2 吨；曝气系统能耗占全厂电耗 65% ，碳足迹显著；抗冲击负荷能力薄弱，进水水质波动常引发工艺崩溃。2022 年启动的升级改造工程确立三大技术目标：总氮去除率从 65% 提升至 85% 以上，碳排放强度降低 40% ，并构建应对进水总氮浓度 ±30% 波动的动态调控机制，确保工艺系统稳定性。

2.城市污水处理厂升级改造中的厌氧氨氧化技术

2.1 技术原理与工艺选择

（1）多维预处理系统：污水首先经过间隙 50mm 的粗格栅拦截大尺寸漂浮物，继而通过 3mm 细格栅去除纤维状杂质，最终进入旋流式沉砂池去除粒径 ⩾ 0.2mm 的无机砂粒。该流程可削减进水SS 浓度，有效保护后续生化单元免受管道堵塞及设备磨损，同时降低有机物对自养菌的竞争抑制作用。（2）精准限氧短程硝化：在序批式反应器（SBR）中，通过微孔曝气系统将溶解氧浓度精准控制在 0.5-1.0mg/L 范围内，促使氨氧化菌（AOB）选择性富集。通过实时监测ORP 与 pH 曲线，当亚硝态氮积累率达 85% 时立即终止曝气，同步采用游离亚硝酸（FNA）间歇投加策略抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）活性。该工艺段将氨氮转化率控制在 50%-55% ，较传统全程硝化减少 40% 曝气量。（3）颗粒化厌氧氨氧化反应：采用内循环上流式厌氧污泥床（IC-UASB）反应器，内置比重<1 的聚氨酯生物载体填料，实现 AnAOB 菌群密度达 8.5gVSS/L 。通过温控系统维持反应区温度 32±1C ，利用碳酸氢钠缓冲体系将 pH 稳定在 7.8-8.2 范围。反应器内置三相分离器实现泥水气高效分离，出水亚硝态氮残留量 <1mg/L ，同步产生15-20% 的硝酸盐副产物通过后续反硝化处理。（4）深度净化后处理：经改良型辐流式沉淀池（表面负荷 0.8m³/m²⋅h ）实现泥水分离后，污水进入纤维转盘滤池进一步去除悬浮物至 <5mg/L 针对总磷超标风险，采用铝盐复合除磷剂在混合池内进行化学沉淀，确保出水 TP 浓度稳定 ⩽0.3mg/L ，最终出水水质全面优于一级 A 排放标准。

2.2 关键设备与运行参数

某市第二污水处理厂升级改造工程中，圆柱形UASB 反应器采用 316L 不锈钢材质，内壁喷涂聚四氟乙烯防腐层，有效容积经动力学模拟优化为 8200m³ ，高径比精确控制为 4.2:1 反应器底部布水系统采用穿孔管矩阵式设计，开孔率通过 CFD 流体模拟优化至 12% ，确保污水呈平推流上升。内部填充的Kaldnes®K3 生物载体比表面积达 850m²/m³ ，表面经等离子体处理形成亲水性微孔结构，使 AnAOB 菌群密度稳定在 。温度控制采用三级冗余系统：进水管道缠绕伴热带预热，反应器外壁设置 50mm 气凝胶毡保温层，内部布置钛合金加热盘管，通过 PID 控制系统将温度波动范围精准控制在 ±0.3 C 针对冬季极端天气，增设沼气锅炉余热回收装置，利用产气热值维持反应温度，较电加热节能 42% 。

pH 调节系统由在线电位滴定仪、计量泵和碳酸氢钠储罐组成闭环控制系统。通过 LabVIEW 平台建立 pH-碱度智能预测模型，结合离子色谱仪实时监测的HCO₃^- ⁻浓度，实现前馈-反馈复合控制。当进水 pH 突降至 6.8 时，系统可在 90秒内完成碱液投加，将反应区 pH 恢复至 8.1±0.1 ，较传统手动调节响应速度提升8 倍。短程硝化阶段溶解氧控制采用微孔曝气器与无极变速风机联动系统。通过DO 传感器阵列实时监测，结合 ASM2d 模型计算氧传递系数，将曝气强度动态调节至 0.18m³/h⋅m² 。

3.效能评估

3.1 处理效果分析

改造后该厂出水水质显著改善：总氮去除率从 65% 提升至 85% 以上，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A要求；出水氨氮浓度稳定低于 1.5mg/L ，显著优于设计要求的 5mg/L 限值；工艺冗余设计与智能控制系统使系统抗冲击能力增强，当进水氨氮浓度发生 ±30% 波动时，可在 4 小时内自动调整至稳态，恢复时间较改造前缩短 60% 。

3.2 经济效益评估

改造后该厂运行成本结构显著优化：（1）碳源成本降低：通过厌氧氨氧化自养脱氮工艺，外碳源投加量削减 100% ，按甲醇市场价 3200 元/t 计，年节省碳源费用182 万元；（2）污泥产量减少：剩余污泥产量缩减至 0.18kgVSS/kgCOD ，较传统工艺降低 62% ，按污泥处置费 300 元/t 计，年节省污泥处理费用85 万元；（3）能耗下降：曝气系统能效提升 38% ，年节电 210 万 kW⋅h ，按当地电网基准线 0.63kgCO₂/kW⋅h 计，折合减少碳排放 1320 吨，相当于年运行成本降低27.3% 。

3.3 环境效益分析

通过厌氧氨氧化自养脱氮工艺替代传统异养反硝化，彻底消除甲醇碳源生产链的直接碳排放（年减排4,210 吨 CO₂ ）。配套的精准曝气控制系统使氧利用率提升至 35% ，结合低能耗永磁电机应用，单位水量电耗从 0.32kW⋅h/m³ 降至0.19kW⋅h/m³ ，间接碳排放年减排 1,500 吨 CO₂ 。全流程碳排放强度从0.81kgCO₂/m³ 降至 0.24kgCO₂/m³ ，较欧盟 BAT（最佳可行技术）标准低 42‰

出水总氮浓度从 18.2mg/L 降至 4.7mg/L ，突破《地表水环境质量标准》Ⅳ类限值。基于Monod 方程模拟显示，受纳水体藻类最大比生长速率从 0.62d^-1 降至 0.20d^-1 ，富营养化风险等级由"重度"降至"轻度"。现场监测证实，下游河道叶绿素 a 浓度下降 63% ，水体透明度提升 45cm ，溶解氧饱和度从 58% 恢复至 82% ，水生态系统自净能力显著增强。

4 结语

“某市第二污水处理厂”的实践表明，厌氧氨氧化技术在提标改造中具有显著优势。通过科学设计工艺流程、精准控制运行参数，该厂实现了总氮高效去除与节能降耗的双重目标。随着厌氧氨氧化菌培养技术的成熟与设备国产化率的提升，该技术将在更多污水处理厂推广应用，助力城市水环境治理与碳中和目标实现。

参考文献

[1]解云飞,徐文杰,迟媛媛,等.厌氧氨氧化技术在市政污水中的应用和研究进展[J].工业水处理,2019(12):15-16.

[2]王子杰,王郑,林子增,等.反硝化生物滤池在污水处理中的应用研究进展[J].应用化工,2018(8):52-53.