低碳源污水深度脱氮除磷工艺的经济性分析及优化策略

据统计，我国56.6%的污水处理厂进水BOD₅质量浓度低于100 mg/L，14.9%的污水处理厂进水BOD₅质量浓度甚至低于50 mg/L，进水BOD₅/TP为19.72～46.45，BOD₅/TN 仅为2.06～3.83。由此可见，我国的污水处理厂普遍面临低碳源问题，各地污水处理厂进水水质如图1所示。另据统计，我国45.5%的污水处理厂采用厌氧-缺氧-好氧法(AAO)工艺，显著高于氧化沟、序批式反应器(SBR)等其他脱氮除磷工艺，而AAO工艺取得同步脱氮除磷效果的进水水质要求为BOD₅/TP ＞17,BOD₅/TN＞4。因此，低碳源污水并无法充分发挥

(4) AAO工艺的TN去除率受制于污泥回流比和混合液回流比，通常TN去除率难以突破85%，无法满足深度脱氮要求。改良巴顿甫工艺、七段式AAO工艺通过增加后置缺氧区的方式进一步提高了TN去除率。由于各地区污水处理厂出水TN要求的日益严格，改良巴顿甫工艺又逐渐被广泛采用；七段式AAO工艺在改良巴顿甫工艺的基础上，增设污泥回流液反硝化区和消氧区，进一步降低了污泥回流液中硝酸盐对厌氧释磷的影响和混合液回流中溶解氧对缺氧区反硝化的影响。反硝化菌是兼性菌,既可以有氧呼吸也可以无氧呼吸，当同时存在分子态氧和硝酸盐时，优先利用O₂进行有氧呼吸。因此，为保证反硝化的顺利进行，需要保持缺氧状态。

综上，AAO工艺适合于进水碳源充足且出水TN、TP要求不高的情况。而我国污水处理厂面临的主要问题是低碳源污水的深度脱氮除磷，为此近年来工程中常在AAO工艺后端增加一级AO以实现深度脱氮，但是仍然面临反硝化外加碳源消耗量大、处理成本高的问题。
二、 低碳源污水深度脱氮除磷工艺的优化策略

由1.2小节分析可知，采用化学除磷方式每去除1 mg/L的TP所需的药剂成本为0.019 元/m³，而采用生物除磷方式每去除1 mg/L的TP需要消耗的BOD₅约为20 mg/L，如将BOD₅折算为乙酸钠(25%商品液)，相当于生物除磷的药剂成本为0.154 元/m³，即采用生物除磷折算的碳源药剂成本相当于化学除磷药剂成本的8.1倍。生物除磷的药剂成本计算如表4 所示

对于低碳源污水，进水BOD₅尚不足以满足反硝化脱氮所需，此时可采用化学除磷方式代替生物除磷，将进水碳源优先用于反硝化脱氮。采用化学除磷方式每去除1 mg/L的TP所节约的BOD₅可以满足大约4 mg/L的TN去除。采用化学除磷后会造成深度处理污泥产量增大，按照每投加1 kgAl产生4 kg污泥测算，铝盐投加摩尔比为2.3测算，每去除1 mg/LTP产生8.01 mg/L污泥。按照“污泥脱水+干化+焚烧”的总成本为2 663元/(t DS)测算，污泥处理与处置成本增加0.021 元/m³，化学除磷增加的药剂与污泥处理处置总成本合计0.040元/m³。此时，生物除磷折算的药剂成本仍然相当于化学除磷总成本的3.85倍。因此，对于低碳源污水采用化学除磷代替生物除磷具有明显的经济效益。化学除磷的运行总成本计算如表5所示。

AAO工艺反硝化脱氮的前提是硝化，AAO工艺的BOD₅负荷必须小于0.18 kg BOD₅/(kg MLSS·d)。而AAO工艺生物除磷是依靠大量排泥实现的，AAO工艺的BOD₅负荷又必须大于0.10 kg BOD₅/(kg MLSS·d)。因此，AAO工艺适用的BOD₅负荷范围较小。采用化学除磷代替生物除磷后，可以进一步拓宽生物处理单元的BOD₅负荷适用范围 同时可以解决厌氧池内污泥回流液反硝化脱氮与厌氧释磷的碳源争夺问题，进水小分子有机物直接用于反硝化脱氮而不再用于厌氧释磷，也可进一步提高反硝化速率。

综上所述，传统AAO工艺以及为改善生物除磷效果而衍生的改良AAO工艺、倒置AAO工艺、UCT工艺、改良UCT工艺等，并非低碳源污水深度脱氮除磷成本最低的工艺。对传统AAO工艺进行优化，取消厌氧区以及回流污泥反硝化区，同时为提高TN去除率而增加第二缺氧区和好氧区，优化后的AOAO+化学除磷工艺(图4)对于低碳源污水深度脱氮除磷运行成本更低。

优化后的AOAO+化学除磷工艺中，第一级缺氧池根据进水BOD₅浓度能够去除的最大TN量进行设计，此时，由于进水BOD₅直接被反硝化菌利用,反硝化速率可进一步提高。研究表明，直接采用进水低分子有机物作为反硝化碳源时，反硝化速率可提高至2.5 倍。鉴于各地区出水氨氮要求也日益提高，第一级好氧池按照完全硝化进行设计；第二级缺氧池进水端设置消氧区，以避免混合液回流中O₂对第一级缺氧池反硝化的影响。根据《江苏省太湖地区城镇污水处理厂DB 32/1072提标技术指引》,消氧区水力停留时间宜为0.5～1.0 h；第二级缺氧池可结合第一缺氧池出水剩余硝酸盐以及最终出水TN要求进行设计，碳源投加在第二级缺氧池以提高碳源利用率，同时第二级缺氧池反硝化速率也可明显提高；为进一步去除氨氮以及过量投加的有机物，同时避免二沉池浮泥，第二级好氧池水力停留时间宜为0.5 h。第二缺氧池氨氮氧化能力有限，同时各地区对于出水氨氮要求也日益严格，因此，AOAO+化学除磷工艺流程中进水点只设置在第一级缺氧池，避免第二缺氧池进水造成出水氨氮超标。

对于污水处理厂的初始设计，通常按照90%～95%涵盖率确定进水水质，对设计的进水水质或实际运行后的进水水质可能存在BOD₅/TN较低的情况的污水处理厂设计，从节约运行成本角度考虑建议预留切换为AOAO+化学除磷工艺的条件(预留第一好氧池至生物池首端的回流点)。对于进水碳源不足的现状污水处理厂AAO 工艺，建议将内回流点由缺氧池改为生物池首端以节约运行总成本。

污水处理厂的碳排放包括直接碳排放和间接碳排放。间接碳排放包括电耗和药耗产生的碳排放，而对于低碳源污水的深度脱氮除磷，间接碳排放中的药剂碳排放比重将显著提高。根据表2，化学除磷每去除1 mg/L情况下,实际需Al₂O₃量为3.78 mg/L，根据《2019 年度中国区域化学药剂基准线排放因子》,Al₂O₃的碳排放当量为1.62，即化学除磷每去除1 mg/L的碳排放量为6.13 mg CO₂/L。采用生物除磷每去除1 mg/L 情况下，所消耗的BOD₅折算为乙酸钠为25.64 mg/L。根据《2019 年度中国区域化学药剂基准线排放因子》，乙酸钠的碳排放当量为1.6，即生物除磷每去除1 mg/L的碳排放量为41.03 mg CO₂/L，约是化学除磷碳排放量的6.69倍。因此，对于低碳源污水的深度脱氮除磷，AOAO+化学除磷工艺不仅具有运行成本的经济性，更有利于降低污水处理厂的碳排放。

三、 结论

(1)对于低碳源污水，采用生物除磷方式消耗的碳源成本相当于采用化学除磷所增加的混凝剂成本和污泥处理处置成本总和的3.85 倍，因此采用化学除磷代替生物除磷具有明显的经济效益。

(2)对于低碳源污水处理厂设计，建议采用AAO工艺优化后的AOAO+化学除磷工艺或预留相应切换条件，既可以提高脱氮效率还可以节约运行成本