1、研究背景
2015年國務院發布《水污染防治行動計劃》以來，針對環境敏感流域的污水處理廠，相關地方政府陸續出臺了比《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中的一級A標準更加嚴格的地方排放標準。大部分執行高排放標準的污水處理廠為保證出水總氮穩定達標，需要在二級處理或深度脫氮處理單元投加甲醇、乙酸鈉等外碳源。因此，控制運行成本，充分利用污水中的有機物提高二級生物處理脫氮效能成為研究的熱點和工程難點。
生物脫氮仍然是目前城鎮污水處理廠的主流脫氮工藝。二級生物處理設置缺氧池和好氧池，在好氧池內利用硝化菌將氨氮轉化為硝態氮，在缺氧條件下，通過反硝化細菌，利用污水中可生物降解有機物將好氧池內回流混合液中的硝態氮還原成氣態氮（N2）或N2O、NO。進水中易生物降解有機物相對較少時，缺氧區內氧的存在對反硝化速率有很大影響，反硝化速率會顯著降低。因此需要最大限度地降低進入缺氧池內的溶解氧量，以提升污水處理廠的脫氮效率。
傳統脫氮除磷工藝，混合液回流點設置在好氧池的末端，為防止二沉池內發生缺氧反硝化產生氮氣引起污泥上浮，一般控制好氧池出水的溶解氧不低于2mg/L。但實際污水處理廠運行中，由于出水氨氮和COD指標的不斷提高，同時受到進水水質波動以及鼓風曝氣系統設計和運行控制的影響，冬季回流混合液中的溶解氧高達4~5mg/L。另一方面，為提高脫氮率，設計混合液回流比（R）為100%~400%，一般運行控制在200%~300%。因此，在一定的內回流比（R）和內回流混合液溶解氧的濃度（DO）下，內回流混合液攜帶進入缺氧池的溶解氧量為R×DOmg/L。根據溶解氧和BOD的相關性，溶解氧消耗的污水中易生物降解有機物或外碳源量也為R×DOmg/LBOD。污水中的有機物可以作為反硝化過程的電子供體，轉化1gNO3--N為N2時，需要的有機物（以BOD表示）為2.86g，內回流混合液中溶解氧導致工藝系統脫氮能力下降R×DO/2.86mg/L。
缺氧條件指不存在溶解氧的條件，工程中的缺氧指溶解氧不足或沒有溶解氧但有硝態氮的環境狀態。缺氧池不曝氣充氧，在懸浮活性污泥中，要求溶解氧保持在0.5mg/L以下。缺氧池內的溶解氧主要來源于內回流混合液。內回流混合液攜帶溶解氧進入缺氧池，溶解氧會與硝酸鹽競爭電子供體，迅速消耗進水中的易生物降解有機物或外加碳源，從而影響反硝化脫氮效能，進而影響高排放標準污水處理廠的穩定達標和節能降耗。針對內回流混合液攜帶的溶解氧使工藝系統脫氮效果下降的問題，基于強化脫氮和節能降耗，提出設置脫氣池的溶解氧控制工程措施。
2、脫氣池的工程應用
2.1 脫氣池的工藝方案
脫氣池設置在好氧池末端，混合液回流點設置在脫氣池末端，混合液在脫氣池內去除溶解氧后，回流到缺氧池。脫氣池內設置水下攪拌器，以防止污泥沉淀和利于回流混合液脫氣。好氧池出水端布置曝氣器，以保證二沉池進水的溶解氧含量。脫氣池設計見圖1。
脫氣池可設置在AAO、多級AO、氧化溝和MSBR等工藝中，結合生物處理工藝和池形靈活設置，工藝流程簡單。脫氣池可有效去除回流混合液中的溶解氧，提高生物脫氮除磷的極限能力，為二級處理強化脫氮除磷提供新思路和解決方案，應用范圍廣。
2.2 脫氣池的工程案例
2.2.1 基于氧化溝改造的脫氣池應用
2010年，首次在合肥某污水處理廠提標改造工程中設計了脫氣池，隨后在我國新建或提標改造的污水處理廠中大范圍推廣使用。
為控制南淝河和巢湖的水污染，合肥市率先提出城市污水處理廠出水主要指標達到地表水Ⅳ類（其中TN≤5mg/L）標準，并在合肥某污水處理廠提標改造工程中進行工程實踐，該工程采用強化二級生物處理+深度處理工藝，二級生物處理將氧化溝工藝改造為AAO工藝。由于進水的碳氮比較低，為深挖二級生物脫氮除磷效能，提高反硝化脫氮效果，降低溶解氧對進水易生物降解有機物的無效消耗，首次提出在好氧池后設置脫氣池，以降低回流混合液中攜帶的溶解氧對反硝化脫氮的影響，達到預期的設計目標。
一期和二期工程的氧化溝改造設計中，為充分利用池型，因地制宜設置了脫氣池。
一期氧化溝有效水深為3.5m，采用轉刷曝氣，改造中將氧化溝進行分區，厭氧池出水依次進入缺氧池和好氧池，在好氧池后設一個脫氣池。含有硝酸鹽的回流混合液經脫氣池去除溶解氧后，與污水在缺氧池前端混合，在缺氧池內完成反硝化反應。每組氧化溝的處理水量為2.5×104m3/d，脫氣池有效容積為1250m3，水力停留時間（HRT）為1.2h。脫氣池設雙曲面水下攪拌器，內設硝化液內回流泵，將脫氣后的硝化液回流至缺氧池。
基于轉刷曝氣氧化溝工藝改造的脫氣池設計見圖2。
二期氧化溝有效水深為4.3m，為提高充氧效率，將轉刷曝氣改為微孔曝氣。氧化溝改造為推流式的AO工藝，在好氧區后設置脫氣區，脫氣區水力停留時間為0.5h。
為降低能耗和提高脫氮效率，運行將一期和二期好氧池（區）出水溶解氧控制在1.5mg/L左右，經過脫氣池（區）處理后，回流混合液中的溶解氧降低到0.2mg/L左右。2021年5月，監測一期和二期的好氧池出水的溶解態TN分別為7mg/L和6mg/L，二級生物處理脫氮效果良好。
2.2.2 基于多級AO工藝的脫氣池應用
多級AO工藝的脫氣池設置在第一好氧池之后，形成生物選擇池+厭氧池+第一缺氧池+第一好氧池+脫氣池+第二缺氧池+第二好氧池的工藝流程，回流混合液由脫氣池回流至第一缺氧區，進行反硝化脫氮。
基于多級AO工藝的脫氣池設計見圖3。
脫氣池有別于AAO等各類變形工藝中生物選擇池（預缺氧池），生物選擇池設置在厭氧池前，主要目的是降低回流污泥中的硝態氮和馴化聚磷菌，為厭氧池聚磷菌釋磷創造良好的環境。脫氣池設置在好氧池末端，主要依靠微生物自身的耗氧能力，降低回流混合液中的溶解氧，減少溶解氧對原水中易生物降解有機物的爭奪，更好地發揮缺氧區反硝化脫氮的功能。另外，利用混合液中慢速生物降解有機物和活性污泥中內源代謝產物，在脫氣池中進一步去除污水中的總氮，提高系統脫氮效能。
3、脫氣池主要參數的確定
為優化污水處理廠脫氣池的工程設計和運行管理，準確反映混合液中溶解氧的削減效果，一般可進行溶解氧削減試驗，通過分析溶解氧的削減情況，確定脫氣池的水力停留時間。
試驗材料：便攜式溶解氧分析儀（型號HQ30d）；2L的燒杯。現場取好氧池末端的混合液，利用燒杯模擬脫氣池，測定混合液中的溶解氧。
選取2座北方地區的污水處理廠和1座中東部地區的污水處理廠，開展回流混合液中溶解氧的削減試驗。北方地區的J污水處理廠設計規模為20×104m3/d，采用氧化溝工藝，取氧化溝末端的混合液為研究對象，試驗結果見圖4。北方地區的Q污水處理廠設計規模為50×104m3/d，采用多級AO工藝，取第一好氧池出水的混合液為研究對象，試驗結果見圖5。中東部地區的W污水處理廠設計規模為30×104m3/d，采用AAO工藝，取好氧池末端的混合液為研究對象，試驗結果見圖6。
混合液在停止曝氣30min后，J污水處理廠、Q污水處理廠和W污水處理廠的混合液中溶解氧分別降低了1.24、2.78和1.86mg/L，混合液的平均耗氧速率分別為1.61、2.58和1.03mgDO/（gVSS·h）。Q污水處理廠的混合液停留時間從30min延長到50min，溶解氧僅降低0.4mg/L，溶解氧削減速率明顯減慢，W污水處理廠也有相同的規律。溶解氧削減試驗表明：混合液曝氣停止后，活性污泥中的微生物依靠自身的耗氧能力進一步消耗溶解氧，混合液中溶解氧快速降低，隨著時間的延長，溶解氧的削減速率也隨之下降。
脫氣池的容積與建設成本呈正相關，綜合考慮建設成本和運行效果，充分發揮脫氣池的溶解氧消除能力，脫氣池的設計水力停留時間宜取0.5h。
4、脫氣池去除溶解氧效果評估
北方地區的Q污水處理廠的二級生物處理由生物選擇池+厭氧池+第一缺氧池+第一好氧池+脫氣池+第二缺氧池+第二好氧池組成，脫氣池的設計水力停留時間為30min。設計進水和出水TN分別為69mg/L和15mg/L，現況污水處理廠運行良好，出水TN達到設計目標。根據公布的2019年3月—2021年2月的污水處理廠進出水水質數據，污水處理廠進水平均TN為48.9mg/L，出水TN為9.98mg/L，去除率為80%。
在冬季最冷月（2020年12月—2021年1月）評估脫氣池對溶解氧的控制效果：污水處理廠進水水溫為11.1~13.8℃，BOD5/TN為3.1，碳源略顯不足；脫氣池進水的溶解氧為3.01~4.78mg/L，平均為3.97mg/L。脫氣池的溶解氧控制效果見圖7。
可見，脫氣池平均去除溶解氧1.81mg/L，平均MLVSS為1629mg/L，脫氣池混合液的耗氧速率為2.22mgDO/（gVSS·h）。冬季水溫低，脫氣池進水溶解氧偏高，出水溶解氧仍然偏高，但從脫氣效果看，已達到設計目標。
城鎮污水的成分復雜，僅有一部分易生物降解的BOD可以作為反硝化碳源，慢速生物降解的有機物以及活性污泥中內源代謝產物的反硝化速率遠低于易生物降解有機物作為碳源時的反硝化速率。溶解氧首先消耗易生物降解的有機物，換算為甲醇、乙酸或乙酸鈉分別為：1mg/LDO消耗0.67mg/L甲醇、0.94mg/L乙酸或1.28mg/L乙酸鈉。該污水處理廠混合液回流比為3，通過設置脫氣池，削減溶解氧，節約了1.81×3=5.43mg/L的BOD，工藝系統脫氮能力提升了1.9mg/L。為保證TN穩定達標，該污水處理廠仍然外加乙酸鈉提高脫氮率，通過設置脫氣池削減溶解氧，1m3污水節約結晶乙酸鈉11.78g（干燥品含量按59%計），按工業級結晶乙酸鈉2000元/t計算，消除溶解氧節約費用2.36分/m3。該污水處理廠設計規模為50×104m3/d，則每年節約乙酸鈉的費用約為431萬元。
5、結論
①依靠微生物自身的耗氧能力，脫氣池可以有效降低回流混合液中的溶解氧濃度，減少溶解氧對缺氧池內易生物降解有機物的爭奪，充分發揮各處理構筑物的優勢，提高系統反硝化脫氮效能。
②脫氣池可與多種工藝組合，設置在好氧池的末端，設計水力停留時間（HRT）宜為0.5h，內設攪拌器防止污泥沉降和利于脫氧，混合液回流點設置在脫氣池末端。（來源：北京市市政工程設計研究總院有限公司）
