Преодоление болевых точек процессов A²/O: ключевые технические пути одновременного удаления азота и фосфора

Процесс A²/O (анаэробный/бескислородный/аэробный) с его основными преимуществами, такими как простота потока, низкие инвестиции, а также удобство в эксплуатации и обслуживании, уже давно занимает доминирующее положение в области биологического удаления азота и фосфора из городских сточных вод и широко используется на различных городских очистных сооружениях. Однако в реальной эксплуатации и техническом обслуживании многие очистные сооружения столкнулись с одной и той же дилеммой: TN (общее содержание азота) и TP (общее содержание фосфора) трудно достичь одновременно, особенно при очистке сточных вод с преобладающим в моей стране низким соотношением C/N. Это приводит к порочному кругу, в котором удаление азота приводит к невозможности удаления фосфора, а удаление фосфора приводит к невозможности удаления азота, что приводит к частым экологическим проверкам и исправлениям, а также к постоянно высоким затратам на эксплуатацию и техническое обслуживание.

Эта статья, объединяющая три основных технических документа, отказывается от грубых описаний и начинается с сути процесса. В нем подробно разбираются и объясняются принципы процесса A²/O, три присущих ему дефекта, основной механизм денитрификационного удаления фосфора и оптимальная схема модификации для сточных вод с низким содержанием C/N. Сочетая в себе профессионализм и практичность, на него могут напрямую ссылаться и применять его проектировщики, персонал по эксплуатации и техническому обслуживанию, а также специалисты по инженерным модификациям.

1. Стандартная последовательность операций

Основой процесса A²/O является одновременная денитрификация и удаление фосфора посредством последовательной работы трех реакторов в сочетании с рециркуляцией осадка и внутренней рециркуляцией. Стандартный поток ясен и прослеживается: Сырая вода → Анаэробный резервуар → Бескислородный резервуар → Аэробный резервуар → Вторичный отстойник → Сточные воды. Весь процесс не требует сложного оборудования, прост в эксплуатации и обслуживании и подходит для крупномасштабного-применения.

• Возврат осадка: вторичный отстойник → анаэробный резервуар.

• Внутренний возврат: аэробный резервуар → бескислородный резервуар.

2. Принцип трех-основных реакций (разбиение роли каждого этапа для понимания сути процесса)

(1) Анаэробная стадия (без молекулярного кислорода, без нитратного азота)

• Полифосфатаккумулирующие бактерии (ПАО) активно высвобождают фосфор, хранящийся в их организме в анаэробной,-свободной от нитратов среде, поглощая при этом легко разлагаемую ХПК (биоразлагаемое органическое вещество) из сточных вод и превращая ее в ПОБ (поли- -гидроксимасляную кислоту) для хранения, таким образом резервируя энергию для последующего поглощения фосфора;

• Если небольшое количество нитратов существует на анаэробной стадии (в основном из возвратного ила), денитрифицирующие бактерии будут преимущественно использовать остаточный источник углерода для денитрификации, косвенно потребляя источник углерода, необходимый для ПАО, создавая потенциальную опасность удаления фосфора;

• Одновременно ферментирующие бактерии разлагают крупномолекулярные органические вещества в сточных водах, которые трудно разложить на летучие жирные кислоты (ЛЖК), которые легко поглощаются ПАО, обеспечивая достаточный субстрат для синтеза ПГБ ПАО.

(2) Бескислородная зона (без молекулярного кислорода, содержит нитратный азот)

• Денитрифицирующие бактерии используют нитрат из рециркуляции в аэробной зоне в качестве акцептора электронов, а остаточный ХПК в сточных водах в качестве источника углерода для восстановления нитрата до азота (N₂), завершая процесс денитрификации. Это основной этап удаления TN.

• Некоторые специальные бактерии,-накапывающие полифосфат (т. е. денитрифицирующие полифосфатные-бактерии, накапливающие полифосфат, DNPAO) могут нарушить традиционное понимание «аэробного поглощения фосфора», используя нитрат вместо кислорода в качестве акцептора электронов для достижения чрезмерного поглощения фосфора во время денитрификации. Это денитрификационное удаление фосфора, на котором мы сосредоточимся позже.

• Скорость потока внутренней рециркуляции напрямую определяет подачу нитратного азота в бескислородную зону и является ключевым параметром управления, влияющим на эффективность денитрификации и эффект удаления денитрификационного фосфора.

(3) Аэробная стадия (аэробика)

• Нитрифицирующие бактерии (автотрофные бактерии) в среде с достаточным количеством кислорода окисляют аммиачный азот (NH₄⁺-N) в сточных водах до нитрата (NO₃⁻-N), завершая реакцию нитрификации и обеспечивая достаточное количество акцепторов электронов для денитрификации и удаления фосфора на бескислородной стадии;

• Бактерии, накапливающие полифосфат- (включая DNPAO), в аэробной среде поглощают большое количество фосфора из сточных вод и сохраняют его в своем организме, в результате чего содержание фосфора значительно превышает нормальный уровень (т. е. чрезмерное поглощение фосфора), закладывая основу для последующего удаления фосфора посредством сброса ила;

• Одновременно микроорганизмы на аэробной стадии дополнительно разлагают оставшийся ХПК в сточных водах, удаляют азот, образующийся в процессе денитрификации, предотвращают всплывание осадка и обеспечивают стабильное осаждение осадка.

3. Окончательный путь удаления азота и фосфора

• Путь удаления азота: Нитрификация в аэробном резервуаре (аммиачный азот → нитрат) → Денитрификация в бескислородном резервуаре (нитрат → азот) → Азот уходит естественным путем, обеспечивая полное удаление азота;

Многие предприятия по очистке сточных вод считают, что процесс A²/O трудно достичь стандартов, ошибочно объясняя это неадекватной эксплуатацией и обслуживанием. Однако это не так.-Основная проблема заключается в внутреннем конфликте между тремя типами функциональных микроорганизмов (нитрифицирующими бактериями, денитрифицирующими бактериями и полифосфатными-бактериями, аккумулирующими). Их требования к среде обитания и питательным веществам совершенно различны, что делает невозможным одновременное достижение оптимальных условий роста в одной и той же системе ила. Это противоречие на уровне принципа-, которое пытается преодолеть процесс A²/O.

1. Конкуренция за источники углерода (основной конфликт)

2. Конфликт возраста осадка

• Путь удаления фосфора: анаэробное высвобождение фосфора из резервуара (бактерии, накапливающие полифосфат-, выделяют фосфор из своего тела) → Аэробное/бескислородное поглощение фосфора в резервуаре (бактерии, накапливающие полифосфат-, чрезмерно поглощают фосфор из сточных вод) → Сброс избыточного ила (удаление осадка, богатого фосфором-из системы), завершая полное удаление фосфора.

3. Вмешательство нитратов в процесс анаэробного удаления фосфора.

В традиционных процессах A²/O возвратный ил из вторичного отстойника напрямую поступает на анаэробную стадию. Этот возвратный ил неизбежно содержит большое количество нитратов, образующихся на аэробной стадии. Попадая в анаэробную стадию, эти нитраты полностью нарушают процесс удаления фосфора тремя способами:

• Анаэробная стадия. Основная потребность бактерий,-накапливающих полифосфаты, — поглощать легко разлагаемую ХПК и синтезировать ПОБ для последующего высвобождения и поглощения фосфора. Это основа удаления фосфора, и она незаменима.

• Городские сточные воды в моей стране обычно страдают от низкого соотношения C/N (COD/TN < 4,5), что приводит к острой нехватке источников углерода. Конкуренция между двумя видами микроорганизмов за источники углерода неизбежно приводит к тому, что один сильный, а другой слабый.-Хорошее удаление азота приводит к плохому удалению фосфора; хорошее удаление фосфора приводит к чрезмерному удалению азота.

• Аноксическая стадия: Основное требование денитрифицирующих бактерий — использовать ХПК в качестве донора электронов для преобразования нитратов в газообразный азот, тем самым завершая удаление азота. Это также зависит от наложенного платежа.

1. Принцип денитрификации и удаления фосфора

Для устранения присущих процессу A²/O недостатков наиболее эффективным решением является «двойное использование углерода». Суть заключается в использовании особых метаболических характеристик денитрифицирующих полифосфат-бактерий, накапливающих (DNPAO/DPB), чтобы позволить одному источнику углерода одновременно удовлетворять потребности в удалении азота и фосфора. Это принципиально облегчает конкуренцию за источники углерода и конфликт между возрастом ила. Конкретный метаболический процесс заключается в следующем:

• Бактерии, накапливающие полифосфат-. Это гетеротрофные бактерии с быстрым ростом. Суть процесса удаления фосфора заключается в удалении фосфора из системы путем сброса избыточного ила. Поэтому необходим относительно небольшой возраст ила (5–1 год). • 0д (0 дней): слишком длительный возраст ила приводит к пере-высвобождению фосфора из полифосфатаккумулирующих бактерий,-что значительно снижает эффективность удаления фосфора.

• Нитрифицирующие бактерии: это автотрофные бактерии с чрезвычайно медленной скоростью роста и размножения. Им требуется относительно длительный возраст ила (15–25 дней), чтобы стабильно выжить и завершить реакцию нитрификации. Слишком короткий возраст осадка приводит к выбросу большого количества нитрифицирующих бактерий, что делает эффективное удаление аммиачного азота неэффективным.

• В процессе A²/O используется единая система ила, позволяющая установить только один одинаковый возраст ила. Длительный возраст ила, необходимый для поддержания нитрификации, приведет к отходам фосфора, тогда как короткий возраст ила, необходимый для поддержания удаления фосфора, приведет к прекращению нитрификации; и то и другое не может быть достигнуто одновременно.

2. Ключевые параметры для активации A²/O денитрификации и удаления фосфора.

1. Предпочтительное потребление источника углерода. Денитрифицирующие бактерии используют нитрат в качестве акцептора электронов, преимущественно потребляя легко разлагаемую ХПК на анаэробной стадии, не позволяя полифосфат-накапливающим бактериям (ПАБ) получать достаточно углерода для синтеза ПОБ.

2. Ингибирование высвобождения фосфора с помощью PPA. PPA требуют строго анаэробной, -свободной от нитратов среды для высвобождения фосфора. Присутствие нитратов напрямую ингибирует процесс высвобождения фосфора, что даже приводит к аномальному «анаэробному поглощению фосфора», предотвращая последующее аэробное/бескислородное поглощение фосфора и приводя к невозможности удаления фосфора.

3. Нарушение анаэробной среды: нитрат поглощает анаэробную среду на анаэробной стадии во время денитрификации, косвенно ингибируя метаболическую активность PPA.

Результаты практической проверки: При контроле вышеуказанных параметров скорость поглощения фосфора на бескислородной стадии может достигать 69%, не требуя дополнительного источника углерода. Одновременно повышается эффективность удаления азота и фосфора, а скорость аэрации на аэробной стадии может быть снижена примерно на 20%, что значительно экономит эксплуатационные затраты энергии.

Низкое соотношение C/N часто встречается в городских сточных водах в моей стране: измеренные значения часто варьируются от 3,1 до 5,9, что намного ниже 4,5, необходимых для стабильного соответствия стандартам A²/O. Даже при оптимизированных рабочих параметрах одиночный процесс A²/O вряд ли будет постоянно соответствовать стандарту разряда класса A в долгосрочной перспективе. Поэтому необходим комбинированный процесс для фундаментального устранения этого неотъемлемого недостатка.

• Анаэробная стадия: ДНПАО, как и обычные бактерии, накапливающие полифосфаты-, высвобождают фосфор из своих клеток, одновременно поглощая легко биоразлагаемую ХПК из сточных вод, синтезируя ПОБ и сохраняя его в своих клетках, тем самым завершая высвобождение фосфора и резервы источника углерода.

Практика работы двигателя доказала, что A²/O + BAF (биологический аэрированный фильтр) в настоящее время является наиболее зрелым, легко реализуемым и экономически-эффективным способом модернизации. Основная идея заключается в «отдельной операции нитрификации и удаления фосфора», позволяющей обоим типам микроорганизмов расти в оптимальной среде, полностью разрешая конфликты возраста осадка и конкуренцию за источники углерода.

• Основные преимущества: Обеспечивает денитрификацию 1 части источника углерода (ПГБ)=+ удаление фосфора, что непосредственно удваивает использование источника углерода. Для одновременного повышения эффективности денитрификации и удаления фосфора не требуется дополнительный источник углерода, что идеально подходит для сточных вод с низким соотношением C/N.

• Аноксическая стадия: DNPAO больше не полагаются на кислород, а используют нитрат в качестве акцептора электронов, одновременно восстанавливая нитрат до азота (завершая денитрификацию) и используя накопленный PHB в качестве источника энергии для поглощения избыточного фосфора из сточных вод (завершая удаление фосфора).

1. Основной принцип: разделение процессов нитрификации и удаления фосфора.

2. Фактические результаты (C/N=4.2)

• Время удерживания осадка (SRT): Контролируется около 15 дней. Такой возраст ила удовлетворяет потребностям роста нитрифицирующих бактерий (обеспечивая эффективность нитрификации), а также уравновешивает обогащение и активность DNPAO, избегая чрезмерно длительного или короткого возраста ила, который может отрицательно повлиять на эффективность очистки.

• Коэффициент внутренней рециркуляции: контролируется на уровне 3,0–3,5. При таком соотношении концентрация нитратов в сточных водах бескислородного резервуара поддерживается на уровне 1–3 мг/л, что обеспечивает достаточное количество акцепторов электронов для ДНПАО, не вызывая попадания избыточного количества нитратов в анаэробную зону и нарушения высвобождения фосфора.

• Объемное соотношение бескислородной/анаэробной зоны: Соответствующее увеличение объемного соотношения бескислородной зоны продлевает время пребывания DNPAO в бескислородной зоне, улучшая денитрификацию и удаление фосфора.

• Строгий контроль нитратов в анаэробной секции: за счет оптимизации метода рециркуляции концентрация нитратов в анаэробной секции контролируется на уровне<0.5 mg/L, providing a stable anaerobic environment for DNPAOs to release phosphorus and synthesize PHB.

3. Оптимальные рабочие параметры

• Секция A²/O (короткий возраст ила 5–10 дней): от нитрификации отказываются, основное внимание уделяется «анаэробному высвобождению фосфора + аноксическому удалению фосфора денитрификации». Настройка короткого возраста ила обеспечивает эффективное удаление фосфора с помощью полифосфатных-бактерий, накапливающих ил, в то время как DNPAO используют свой внутренний PHB для денитрификации, максимизируя использование ограниченных источников углерода.

• Конструкция с внутренней рециркуляцией: Нитрифицированный раствор (богатый нитратами), полученный в секции BAF, возвращается с обратным холодильником в аноксическую секцию A²/O, обеспечивая достаточное количество акцепторов электронов для DNPAO, образуя замкнутый цикл «нитрификация BAF → денитрификация удаления фосфора A²/O», обеспечивая одновременное удаление азота и фосфора.

• BAF Stage (Long Sludge Age 30d+): Dedicated to nitrification. The BAF tank packing material forms a biofilm, allowing nitrifying bacteria to grow stably on the membrane. The long sludge age ensures optimal nitrification, achieving nearly 100% ammonia nitrogen removal, completely resolving insufficient nitrification.

1. Процесс UCT/MUCT (устранение помех нитратов)

• Качество сточных вод: COD=34мг/л, TN=13.3мг/л, TP=0.1мг/л, все соответствуют «Стандарту сброса загрязняющих веществ для муниципальных очистных сооружений» (GB (18918-2002), стандарт класса A);

• Качество поступающей воды (имитирует условия с низким соотношением C/N, C/N=4.2): COD=240мг/л, TN=57мг/л, TP=5.1мг/л;

• Микробная активность: доля денитрифицирующих полифосфат-накапливающих бактерий (DNPAO) в системе достигает 40,5 %, что значительно улучшает использование источника углерода и устраняет необходимость добавления дополнительных внешних источников углерода.

• Эффективность удаления: степень удаления ХПК 85,8%, степень удаления TN 76,9%, степень удаления TP 98%, стабильный эффект удаления азота и фосфора без колебаний;

2. Инвертированный процесс A²/O (приоритет источника углерода для удаления азота)

Основная модификация: изменение последовательности трех секций резервуара: бескислородная → анаэробная → аэробная, не требующая нового оборудования, только регулировка направления потока воды, подходящая для недорогой-модернизации существующих установок.

• Коэффициент возврата ила: 100 %, что обеспечивает стабильную концентрацию ила в секции A²/O и обеспечивает достаточную биомассу для DNPAO и организмов, накапливающих полифосфаты (PAO).

• Внутренний коэффициент доходности: Контролируется на уровне 250%. Такое соотношение обеспечивает достаточное количество нитратов в бескислородной секции A²/O, избегая при этом чрезмерного потребления энергии из-за чрезмерной отдачи, обеспечивая наилучшую экономическую-эффективность.

• Микробиологический контроль: за счет оптимизации рабочих параметров доля денитрифицирующих ПАО в системе стабилизируется на уровне 40,5%, что обеспечивает максимальную денитрификацию и удаление фосфора.

• Контроль растворенного кислорода (РК): A²/O аэробной секции РК=1–2 мг/л (удовлетворение требований к поглощению фосфора ПАО и избежание чрезмерных потерь энергии из-за высокого содержания РК); Раздел БАФ ДО=4–5 мг/л (удовлетворение нитрификационным требованиям нитрифицирующих бактерий и обеспечение полного удаления аммиачного азота).

3. Процесс JHB

Модификация основной части: на пути возврата осадка на анаэробную стадию добавляется бескислородный резервуар предварительной-денитрификации. Возвращенный ил сначала поступает в этот резервуар, где подвергается предварительной -денитрификации с использованием части поступающего ХПК, что еще больше снижает содержание нитратов в иле.

• Модификация ядра: Традиционный процесс A²/O «возврат осадка на анаэробную стадию» изменен на «возврат ила в бескислородный резервуар», что позволяет возвращенному илу сначала пройти денитрификацию на бескислородной стадии, потребляя содержащиеся в нем нитраты.

• Эффект модификации: после денитрификации на бескислородной стадии осадок, поступающий на анаэробную стадию, практически не содержит нитратов-, а эффективность высвобождения фосфора на анаэробной стадии увеличивается на 50%+, что принципиально решает проблему вмешательства нитратов в процесс удаления фосфора. В частности, в процессе MUCT добавляются два бескислородных резервуара для дальнейшего отделения денитрификации осадка от денитрификации смешанного щелока, что приводит к более стабильной работе и пригодности для очистных сооружений с сильным воздействием нитратов.

• Приоритетное распределение источников углерода: Сырая вода сначала поступает в бескислородную зону, где денитрифицирующие бактерии преимущественно получают источники углерода, что значительно повышает эффективность денитрификации и решает проблему недостаточной денитрификации при низком соотношении C/N.

• Преимущества эксплуатации и технического обслуживания: упрощенный процесс, отсутствие необходимости в дополнительном оборудовании или затратах на эксплуатацию и техническое обслуживание, короткий цикл модификации и низкая сложность внедрения, что делает его одним из предпочтительных решений для модернизации существующих установок.

• Более стабильное удаление фосфора: бактерии, накапливающие полифосфат-, находятся в «голодном состоянии» в бескислородной зоне. После входа в анаэробную зону они более эффективно поглощают источники углерода и выделяют фосфор, что приводит к более тщательному аэробному поглощению фосфора и более стабильному удалению фосфора.

Оптимизированная статья решила проблему шероховатостей, предоставляя более подробную информацию и более последовательную логику. Хотите, чтобы я скомпилировал его в одно-краткое справочное руководство формата A²/O + параметры + устранение неполадок, которое вы можете распечатать и положить в диспетчерскую или взять с собой?

Дополнительные примечания: Этот процесс специально решает проблему чрезмерно высокого содержания нитратов в возвратном иле, обеспечивая более высокую эффективность денитрификации, чем процесс UCT, но требует дополнительного резервуара. Он подходит для очистных сооружений с высокими требованиями к денитрификации и возможностью модификации.

1. Основной принцип

Анаэробное высвобождение фосфора → Аноксическое удаление азота + Денитрификационное удаление фосфора → Аэробная нитрификация + Поглощение фосфора, три этапа работают синергетически, опираясь на ил и внутреннюю рециркуляцию в замкнутом контуре;

2. Неотъемлемые препятствия

Конкуренция источников углерода, несоответствие возраста осадка и влияние нитратов-эти три проблемы невозможно решить с помощью традиционных методов эксплуатации и технического обслуживания, и они являются ключевыми препятствиями на пути к соблюдению требований;

3. Основное решение

Использование денитрифицирующих полифосфат-аккумулирующих бактерий-(DNPAO) для «двойной утилизации углерода». Это устраняет нехватку источников углерода и одновременно обеспечивает удаление азота и фосфора.

4. Необходим для низкого отношения C/N.

Комбинированный процесс A²/O + BAF разделяет нитрификацию и удаление фосфора, позволяя каждому достичь оптимальной производительности и последовательно соответствовать стандартам класса A.

5. Приоритет модернизации

UCT и инвертированные процессы A²/O предлагают низкую стоимость, простоту внедрения и не требуют серьезного сноса или реконструкции, что делает их пригодными для быстрой модернизации существующих предприятий.