我国氮肥生产企业长期以来排放废水中有机物与总氮的比值仅为1～2，不能满足常规脱氮工艺对处理水质碳氮比的需求，因此常需要额外投加甲醇等有机物对碳源进行补充，处理成本过高; 而目前，国内外对适用于低碳氮比废水的如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等新型脱氮工艺多处于实验室研究阶段，工程应用实例很少。因此，作者从实际污水处理厂倒置A2/O 工艺系统中好氧区部分区段在控制低浓度DO 运行时其脱氮效果明显提高的现象中受到启示，并结合好氧区低溶解氧区域分布与总氮去除率关系初步分析结果，提出缺氧/厌氧/微氧/好氧工艺(A2/O2 工艺)，在中试取得较好生物脱氮效果的基础上，应用于河南某氮肥化工企业废水处理站(15 000 m3/d)。运行结果表明，在不额外投加碳源的条件下，出水COD、氨氮、总氮等水质指标均达到国家和河南省《合成氨工业水污染物排放标准》。

在A2/O2 系统中，由于存在多个不同运行条件的功能区，且较倒置A2/O 工艺增加了一个微氧区向厌氧区的混合液回流，因此其运行状况更加复杂，各种氮化合物浓度在不同功能区中由于稀释和降解而变化多样。为深入了解该系统的运行情况，依据系统处理效果、各功能区碳源消耗、氮化物浓度沿程分布和运行参数变化，对其反应过程进行分析，证实了A2/O2 工艺生物脱氮过程具有短程硝化反硝化的特征。借鉴城市污水厂中的比能耗指标对A2/O2生物处理系统进行能耗分析，为国内同类废水生物脱氮处理提供借鉴。

1 工程概况

1. 1 原水水质

河南某大中型煤化工企业的生产能力已分别达到24×104 t/a 合成氨、40×104 t/a 尿素、6×104 t/a精甲醇、6×104 t/a 甲胺和6×104 t/a 二甲基甲酰胺(DMF)。实际综合排水和设计处理水质见表1。废水碳氮比在1～2 的范围内波动，具有明显的低碳氮比水质特征; 综合排水具有较好的可生化性(B/C值约为0．45)，可为废水生物脱氮处理提供第一类碳源。

1. 2 A2/O2 工艺系统

该企业采用A2/O2 工艺处理综合废水，设计规模为15 000 m3/d，工艺流程见图1。该工艺是在现有倒置A2/O 工艺的基础上，通过控制微氧池中DO浓度、pH 值，并增加微氧池至厌氧池的混合液回流来使短程硝化反硝化成为系统脱氮的主要途径之一，实现低碳氮比氮肥生产废水高效低耗脱氮。废水首先进入缺氧池，与回流污泥及来自好氧池的回流液混合进行反硝化脱氮。然后进入厌氧池，在此与来自微氧池的回流液混合进行短程反硝化; 厌氧池中安装填料，为厌氧氨氧化的发生提供一定的可能性。接着废水进入微氧池中进行以短程硝化为主的硝化反应，反应后的出水进入好氧池中进行全程硝化反应。通过以上生物组合池的处理后，废水中大部分氨氮、总氮和有机物被去除。

各反应池设计运行参数如表2 所示。系统内污泥浓度维持在2 000～3 000 mg/L，监测期间水温为20～30 ℃。

2 结果与讨论

2. 1 A2/O2 工艺对污染物的去除效果

调试完成后，对A2/O2 工业化装置进行3 个月的连续监测，考察其对COD、氨氮和总氮的处理效果。监测期间进水COD、氨氮和总氮的变化幅度均较大，且COD超出设计进水水质下限频率为95．6%，氨氮和总氮超出设计进水水质上限频率为7%和5%，表明实际水质碳氮比明显低于设计水质。在此情况下，出水COD、氨氮和总氮分别满足50、15 和50 mg/L 排放标准限值的达标率依次为94．2%、94．7%和90．2%，表明A2/O2 工艺对COD、氨氮和总氮具有良好的去除效果和较好的抗冲击负荷能力。

2. 2 污泥负荷与处理效果关系

监测期间各污染物的去除率都有随着污泥负荷升高而升高的趋势。COD负荷多集中在0．02～0．07kgCOD/(kgMLSS·d) 范围内，去除率约为65%～90%; 氨氮和总氮负荷分别集中在0．01～0．04kgNH3-N/(kgMLSS·d ) 和0．02～0．05kgTN/(kgMLSS·d) 范围内，去除率分别为90%～97%和56%～73%。总体来说，在监测期间污染物能够得到较好的去除，这也为同类工程设计和运行提供了借鉴。

2. 3 污泥沉降性能

在运行期间系统内SVI 值比较稳定，基本都在60～100 mL/g 之间。虽然微氧池中DO 浓度平均只有0．6 mg/L，但由于其后端好氧池内DO 浓度维持在较高水平(2．2 mg/L)，并且停留时间达到9 h，因此并未对污泥的沉降性能造成显著的影响，有效避免了常规低DO 条件下短程硝化反硝化工艺中常见的污泥膨胀问题。

2. 4 COD、氮化合物浓度和控制参数沿程分布

在稳定运行状态下，对A2/O2 系统各功能区中COD和各类氮化合物浓度及运行控制参数进行30d 连续监测，其平均值结果如图2 所示。

废水首先进入缺氧池，与来自好氧池的混合液以及来自二沉池的回流污泥混合，氨氮浓度大幅下降。好氧池混合液带来的大量NOx--N，在缺氧池DO 均值为0．2 mg/L 条件下可充分利用进水中的碳源进行反硝化反应。根据碳平衡计算可知，约44．6%的COD是在缺氧区中经反硝化降解的。由于反硝化过程中会产生一定的碱度，缺氧池中pH值保持在7．6 左右。

厌氧池接收了来自缺氧池的出水及微氧池150%的混合液，氨氮浓度进一步稀释。同时，厌氧池集中了来自缺氧池和微氧池中大量的NOx--N，在厌氧池中(DO 值约为0．16 mg/L) 利用剩余碳源可进行进一步的反硝化反应，使得约27．8%的COD得以去除。值得注意的是，由于来自微氧池回流液的NOx--N中约50%为NO2--N，其反硝化过程所需碳量较NO3--N减少40%左右，因此可有效减少系统碳的消耗，实现不外加碳源条件下TN 的达标排放。另外，来自微氧池的低pH 值回流混合液部分抵消了反硝化过程产生的碱度，使得厌氧池内pH值从7．6 降至7．4。

微氧池中DO 约为0．6 mg/L，厌氧池出水带来的COD和氨氮在有氧环境下可分别发生碳化反应和硝化反应。但是由于该废水本身COD浓度较低，在之前缺氧区和厌氧区中的反硝化过程中又消耗了大部分，因此微氧池中COD浓度较厌氧池中下降的幅度很小，仅为22．9%; 而氨氮浓度下降约40%。通过对亚硝酸盐和硝酸盐的浓度进行比较可以看出，微氧区内的亚硝酸盐积累率达到48% 左右，接近短程硝化反硝化的判断标准(50%) 。这主要是因为较低的DO 浓度(DO＜1．0 mg/L) 对硝化细菌的抑制程度大于亚硝化菌，更有利于亚硝化菌的富集。另外，由于亚硝化菌的真正基质FA 对硝化细菌也具有明显的抑制作用，所以在微氧池内投加碱度保持pH 值在7．8 左右，可使FA 浓度(0．95 mg/L) 处于硝化菌的抑制范围而不会对亚硝化菌产生影响。因此通过DO 和pH 值控制，可强化微氧池内短程硝化反应的进行，为整个A2/O2 系统的高效低耗脱氮打下基础。在A2/O2 工艺的小试中，保持同样的运行条件可使微氧区的亚硝酸盐积累率达到90%以上，可是在实际工程应用中由于其水量水质波动均较大，因此亚硝酸盐积累率只能达到48%左右，但是从前述处理效果可以看出，其已可较好地满足实际工程对出水达标排放的要求。

好氧池中DO 浓度均值为2．2 mg/L; 受硝化过程碱度消耗影响，其pH 值下降至7．2。在此条件下硝化细菌占据优势地位，因此可将来自微氧池的NO2--N和氨氮充分氧化为NO3--N，其亚硝酸盐积累率下降至23．2%，恢复全程硝化运行。由于在之前微氧池中可生物降解的COD基本已经消耗殆尽，因此好氧池中COD浓度基本没有变化; 而氨氮经好氧池进一步硝化处理后，出水从14．7 mg/L 降至5．1 mg/L，保证了出水氨氮的达标排放，这说明A2/O2 系统中好氧池的设置是十分必要的。。

2. 5 A2/O2 生物处理系统能耗分析

借鉴城市污水处理厂比能耗分析的方法，对废水处理站内A2/O2 系统的用电设备进行了实际电耗检测，取三次检测耗电量均值统计其比能耗，即吨水处理电耗及处理1kgCOD、氨氮、总氮电耗等，结果如图3 所示。

废水处理站A2/O2 系统吨水比能耗和COD比能耗分别达到0．43 kW·h/m3 和1．51 kW·h/kg，氨氮和总氮比能耗分别为3．43 kW·h/kg 和2．94kW·h/kg。工程应用表明: A2/O2 工艺是一种较为节能的氮肥生产废水生物脱氮处理工艺。

3 结论

①采用A2/O2 工艺处理氮肥工业废水(15 000 m3/d)，在实际处理负荷变化较大的情况下，出水COD、氨氮、总氮等指标可满足国家和河南省《合成氨工业水污染物排放标准》。

②稳定运行期间，COD、氨氮和总氮污泥负荷分别为0．02～0．07kgCOD/(kgMLSS·d)、0．01～0．04kgNH3-N/(kgMLSS·d) 和0．02～0．05kgTN/(kgMLSS·d)，其去除率基本可稳定在65%、90%和56%以上，并可有效避免低DO 条件下污泥沉降性能不佳的问题。

③控制微氧池DO 值为0．6 mg/L、pH 值为7．8，并提高其混合液回流比至150%，亚硝酸盐积累率达到48%，处理系统可实现短程硝化反硝化运行。

④ A2/O2 系统吨水和COD比能耗分别达到0．43 kW·h/m3 和1．51 kW·h/kg，氨氮和总氮比能耗分别为3．43 kW·h/kg 和2．94 kW·h/kg，该工艺在处理氮肥化工废水脱氮过程中实现了低能耗运行。