废气处理设备

AOA工艺：废气处理设备无碳源添加的原理、对比与实践

一、AOA工艺基本原理

AOA工艺（Anaerobic - Anoxic - Aerobic）是一种采用内源反硝化方式进行脱氮除磷的工艺。在这个工艺中，存在着不同环境区域的微生物协同作用实现多种功能。 

1. 厌氧段（Anaerobic）

   - 在厌氧环境下，这里的异养菌会对污水中的复杂有机物如淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物以及可溶性有机物进行水解，把它们转化为有机酸。例如像污水中的长链碳水化合物会被分解为小分子的有机酸，像乙酸、丙酸等。这个过程使得大分子有机物分解为小分子有机物，同时不溶性的有机物转化成了可溶性有机物，这是对复杂有机物的初步分解转化，为后续处理做准备。而且在此过程中，异养菌还会将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化作用，也就是将有机链上的N或氨基酸中的氨基游离出氨（NH3、NH4+）。 

2. 缺氧段（Anoxic）

   - 在缺氧段，该段的反应需要碳源的参与以便完成反硝化过程。AOA工艺中，通过多种方式来提供碳源以满足需求。一方面是利用厌氧段合成的聚羟基脂肪酸酯（PHA）作为内部碳源，另一方面在一些情况下还可以利用污水中本身含有的有机物。自养菌会利用来自厌氧段的含氮产物NH3 - N（NH4 +）在充足供氧条件下进行硝化作用，将其氧化为NO3-。而回流机制会将NO3 - 送回A池。在缺氧条件下，异养菌可以利用内部碳源或者污水中已有的少量合适的碳源进行反硝化作用，将NO3 - 还原为分子态氮（N2），从而完成N元素在生态中的转化循环中的一环。 

3. 好氧段（Aerobic）

   - 好氧段有充足的氧气供应。在这个区域，自养菌进一步完成对含氮物质的硝化作用，确保氨氮的充分氧化。同时，一些微生物还会对有机物进行彻底的分解和转化，利用氧气作为电子受体将有机物彻底氧化分解为二氧化碳和水等产物，使得污水中的有机物含量进一步降低，提升污水的可生化性及氧的效率。总之，AOA工艺通过将厌氧、缺氧和好氧三个阶段有序组合成一个连续的处理流程，实现了污水中有机物、氮和磷等污染物的逐步去除和转化，达到净化污水的目的。 

二、AOA工艺碳源需求影响因素

1. 进水水质的碳氮比（C/N）

   - 进水的C/N比是决定AOA工艺是否需要外加碳源的关键因素之一。当进水的碳氮比比较合适时，污水中本身含有的有机物就能够为工艺中的微生物反应提供足够的碳源。例如，在一些生活污水中，如果其C/N比达到一定程度（如C/N在合适范围内3 - 5 左右），污水中的碳源在经历前面厌氧段反应后释放出可供后续缺氧段反硝化的碳源，在不需要额外添加的情况下就能够满足整个脱氮除磷过程的需求。如果进水C/N比较高，意味着其中的碳源相对丰富，那么在处理过程中，这些碳源能够被微生物充分利用于各个生物反应中。相反，如果C/N比过低 ，则表示碳源不足，可能需要考虑添加碳源。 

2. 微生物内部碳源的产生和利用

   - 在AOA工艺内部，微生物的生理特性对碳源需求也有重大影响。微生物在各个阶段会根据环境条件构建自己的碳代谢机制。如在厌氧段，微生物内部会发生一系列复杂的生物化学反应，其中通过易降解有机物将其储存为内碳源，这部分内碳源能够在后续工艺中被利用。例如反硝化聚磷菌与反硝化聚糖菌在厌氧阶段能够将水中的易降解有机物储存为内碳源（像聚羟基脂肪酸酯PHA就是其中一种常见的内碳源形式），在缺氧阶段则可以利用这部分内碳源进行反硝化作用或者反硝化除磷过程。并且，在这个机制下，微生物对内部碳源的利用效率也十分关键。如果微生物对内碳源的利用率高，那么即使在外部碳源不足的情况下，也能够依靠内部碳源来维持自身生长代谢以及处理污水污染物的功能。 

3. 工艺运行参数

   - 工艺运行的参数对碳源需求影响明显。例如像是厌氧段的水力停留时间（HRT）。如果厌氧段的水力停留时间过短，微生物可能没有足够的时间进行有机物的水解和内碳源的合成，从而使得后续缺氧段缺乏足够的碳源进行反硝化反应。相反，如果厌氧段的水力停留时间过长，可能会导致有机物的过度发酵等异常现象，但是如果在合理范围内（比如厌氧段HRT在1 - 3小时左右），就能保证有机物充分转化为可用的内碳源，并供给后续反应。另外，好氧段的曝气强度也会影响碳源需求。如果好氧段曝气强度过大，好氧微生物对污水中有机物的分解速度加快，会消耗过多的碳源，导致缺氧段内碳源相对不足。而合适的曝气强度（如好氧段DO  =  2 - 4mg/L）则可以实现有机物在好氧段和缺氧段之间的合理分配和有效利用，避免过度消耗碳源而需要外源性补充。 

三、AOA工艺与其他工艺碳源使用对比

1. 与AO工艺对比

   - 脱氮除磷功能差异

     - AO工艺（Anaerobic - Oxic）也有着脱氮除磷的能力，但AO工艺主要由厌氧段和好氧段组成。在AO工艺中，由于缺乏缺氧段，在反硝化过程中对碳源的利用形式与AOA工艺有所不同。在AOA工艺的缺氧段里，可以利用厌氧段合成的内碳源进行反硝化，而AO工艺更多依赖于进水本身含有的碳源进行反硝化，且由于没有专门的缺氧段来优化反硝化反应，当进水碳源不足时，AO工艺可能对氮的去除效果欠佳或者需要更多的外加碳源。例如在处理一些低C/N比的污水时，AO工艺除氮能力下降明显，而AOA工艺由于能够利用内部碳源在缺氧段进行高效反硝化，所以表现出较好的氮去除效果而无需添加碳源。 

   - 碳源利用效率不同

     - AOA工艺中，通过厌氧段对内碳源的储存以及缺氧段对内碳源的利用，形成了一个比较高效的碳源利用体系。而AO工艺是将厌氧水解技术作为活性污泥的前处理，主要是通过厌氧作用将大分子有机物分解为小分子，增进后续好氧处理的效率，但在碳源利用方面缺乏后续类似AOA工艺缺氧段这样的内部循环利用补充机制。所以，在相同进水水质条件下，AOA工艺更能够充分利用污水中原本的碳源，减少对外加碳源的依赖。 

2. 与AAO工艺对比

   - 脱氮除磷的全面性和稳定性

     - AAO工艺（Anaerobic - Anoxic - Oxic）同样是一种具有脱氮除磷功能的活性污泥处理工艺。AAO工艺中碳源除了用于反硝化脱氮过程外，还可能在除磷过程中被利用，因为在AAO工艺中的聚磷菌需要在厌氧段摄取碳源释放磷，在好氧段利用分解碳源产生的能量吸收过量的磷来达到除磷效果。而AOA工艺通过内源反硝化与异养微生物的耦合作用，在脱氮除磷方面形成一种相对独立又相互关联的体系，能够更有效地平衡碳源在氮磷去除中的分配，减少对外加碳源的需求。例如，在一些进水水质有波动导致磷含量变化的情况下，AAO工艺可能需要更多的碳源调整来维持除磷效率，AOA工艺则可以依靠自身的微生物群落和内部碳源机制来稳定运行。 

   - 对进水C/N比的适应性差异

     - AAO工艺虽然也能在一定范围内适应不同的进水C/N比，但是相比之下AOA工艺对低C/N比的适应能力更强。当进水C/N比较低时，AOA工艺能够通过内部内碳源的循环利用，如利用厌氧阶段合成的内碳源进行反硝化反应，从而满足脱氮过程的碳源需求，而AAO工艺可能由于缺乏这样高效的内碳源利用机制，在低C/N比时更容易出现碳源不足的情况，进而可能需要添加碳源来维持正常的脱氮除磷功能。 

四、AOA工艺无需添加碳源的案例分析

1. 工程应用案例

   - 以青岛城阳污水处理厂为例，该厂大力投入到无碳源添加技术的研发与工程操作改造中。通过对原有工艺（如从原A2O工艺改造成多点进水的多级AO+MBBR工艺等多种改进措施）分析，优化工艺操作和工艺布局，在进水的C/N比合理利用和内部碳源的高效挖掘等方面取得了显著成效。得益于当地污水进水水质本身具有一定的碳源含量，且通过改进后的工艺延长了厌氧段的停留时间（从原来较短时间延长到了合适的较长时间），使得微生物有更多的时间进行内碳源的合成，如反硝化聚磷菌等微生物能够更好地将污水中的易降解有机物存储为内碳源。在没有外加碳源的情况下，该厂通过内部微生物协同作用处理污水中的污染物，最终实现了无外加碳源而使脱氮效率提高，达到了一级A的排放标准，出水指标均能够优于国家出水一级A标准，基本达到地表类IV类水标准，实现了节能降耗，每年节省了大量用于购买碳源的资金投入。 

2. 中试项目分析

   - 彭永臻教授带领的团队与深圳水务集团合作开展的AOA技术中试项目（如深圳水务集团福田水质净化厂AOA中试项目）。在中试过程中，针对城市污水本身C/N比特征，在工艺运行过程中，精心调控工艺参数。在厌氧段通过控制水力停留时间、温度、pH值等条件在合适范围，让反硝化聚磷菌等微生物最大程度地合成内碳源并储存。在缺氧段，这些内碳源得以高效地被微生物用于反硝化作用，使得脱氮过程持续稳定地进行。尽管中试项目水质存在波动并且C/N比时有变化，但这个AOA中试系统依靠自身良好的碳源内部循环利用机制，在无需外加碳源的情况下实现了低碳氮比城市污水总氮的高效去除并且稳定达标排放，为后续AOA工艺大规模工程应用提供了宝贵的依据和操作经验。 

五、AOA工艺无需添加碳源的科学研究

1. 内部碳源转化机制研究

   - 在AOA工艺的科学研究领域中，深入探索微生物在厌氧段内碳源的合成机制是至关重要的部分。众多研究发现，厌氧段中微生物主要运用反硝化聚磷菌与反硝化聚糖菌对易降解有机物具有特殊的代谢能力，将水中的易降解有机物储存为内碳源如PHA等物质。同时研究发现，这样的碳源合成过程受到多种环境因素如温度、pH值、底物浓度等的影响。比如在研究中发现当pH值在7 - 8之间时，反硝化聚磷菌合成PHA的效率较高。并且内碳源的转化涉及到复杂的菌群交互和生物化学代谢途径，例如不同种类的厌氧菌之间存在着底物交换、电子传递等相互关系，来共同促进内碳源的高效合成。通过这些科学研究有助于更好地理解AOA工艺中从进水有机物到内部可用碳源的转化过程，为如何利用和调控内部碳源提供理论依据。 

2. 基于耦合工艺的研究

   - 许多科学研究集中在AOA工艺与其他高效脱氮工艺的耦合上，如AOA工艺与厌氧氨氧化工艺的耦合。在这种耦合工艺中，以实现最佳的无外加碳源脱氮为目标开展研究。厌氧氨氧化工艺其自身具有无需添加有机碳源、耗氧量少、污泥产量低等优点。AOA工艺与之耦合时，进一步降低了污水脱氮对原水碳源的依赖。研究发现，在这种耦合工艺中，AOA工艺中的一些微生物代谢产物（如某些中间氮化物）可以被厌氧氨氧化菌所利用，同时厌氧氨氧化过程产生的部分产物又可以反馈到AOA工艺的微生物群落中，形成一个良性的碳源和代谢物质的循环利用系统。例如在实验研究中观察到，在耦合工艺的缺氧区，通过合理调控水力停留时间、溶解氧等参数，两种工艺的微生物协同作用，利用较少的外部碳源或者在无外加碳源时就可实现高效的脱氮过程，这种耦合工艺的科学研究为AOA工艺在无需添加碳源情况下实现高效脱氮提供了新的思路和方向，也为其在更广泛的污水处理场景应用奠定了理论和实验基础。