基于开发和仿真的优化策略：一种结合部分硝化-反硝化过程的分流式低充氧/缺氧/好氧工艺，采用阶梯式进料方式以提升氮去除效率

《Journal of Water Process Engineering》：Development and simulation-based optimization of a Split-flow low-aerobic/anoxic/Oxic process integrating partial nitrification -denitrification with step feeding for enhanced nitrogen removal

高效低C/N比废水脱氮的SLAAO过程开发与优化，通过分步进料耦合低溶解氧控制实现硝化积累率56.4%和无碳源条件下总氮去除率89.72%。

　　
随着全球环保标准的提升和碳中和目标的推进，污水处理领域对低碳氮比（C/N）废水的处理技术提出了更高要求。传统活性污泥法（如A/A/O工艺）依赖外部碳源和持续曝气，导致运行成本高昂且碳排放量大，难以满足现代环保需求。针对这一挑战，研究团队创新性地提出Split-Flow Low-Aerobic/Anoxic/Oxic（SLAAO）工艺，通过整合部分硝化-反硝化与阶梯进水策略，显著提升了低C/N污水的处理效率，同时降低了能耗和碳排放。

研究首先从工程实践痛点切入。当前约30%的污水处理厂因进水C/N比过低（通常低于2.86）难以达标排放，主要瓶颈在于反硝化阶段碳源不足。传统解决方案需额外投加葡萄糖、甲醇等有机碳源，这不仅增加运营成本，还可能引发二次污染（如高浓度COD导致污泥膨胀）。研究通过对比发现，传统工艺的硝化过程存在明显冗余：硝化细菌需要较长的世代时间维持活性，而聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）在厌氧条件下会快速消耗碳源，导致后续反硝化碳氮比失衡。

基于此，研究团队将目光聚焦于部分硝化-反硝化技术。该技术通过控制溶解氧（DO）条件，使氨氮优先转化为亚硝酸盐（NO??），再进入反硝化阶段。这种路径理论上可节省25%曝气能耗，同时减少40%的碳源需求。但此前该技术在工程应用中存在稳定性不足、参数调控复杂等问题。研究创新性地引入阶梯进水策略，将原水分为高碳低氮和低碳高氮两部分，分别进入缺氧区和好氧区，通过精准控制碳氮比实现同步硝化-反硝化。

工艺设计的关键突破体现在环境参数的协同调控。研究构建了包含低氧好氧区（DO＜0.5 mg/L）、缺氧反硝化区（DO＜0.1 mg/L）和传统好氧区的三级反应体系。通过实时监测溶解氧浓度（目标值0.7 mg/L），有效抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的活性，使亚硝酸盐积累率提升至56.4%。同时，阶梯进水模式使有机碳在缺氧区的利用率提高3倍以上，通过碳源分阶段释放机制，解决了传统工艺中碳源与硝化需求不同步的问题。

在模型构建方面，研究采用GPS-X系统动力学模型与响应面法结合的优化策略。GPS-X模型通过模拟微生物群落对DO、碳氮比、污泥龄等参数的响应规律，量化了各单元的处理效能。而响应面法则通过建立DO浓度、污泥回流比（110%）、进水分配比（0.88）和排泥量（325 m3/d）之间的三维曲面，确定了最优参数组合。这种多目标优化方法避免了传统试错法的低效性，使工艺参数调整周期从数月缩短至72小时。

工程验证阶段选取某西北地区污水处理厂进行改造。原厂进水C/N比为1.2，总氮（TN）去除率仅68%。改造后采用SLAAO工艺，在完全无需外部碳源的情况下，TN去除率跃升至89.72%，出水浓度稳定在5.27±1.58 mg/L。特别值得注意的是，亚硝酸盐在缺氧区实现了持续积累，使得后续反硝化过程无需额外曝气，直接利用储存的亚硝酸盐进行脱氮。这种"硝化-反硝化"分离机制有效破解了低C/N条件下的脱氮瓶颈。

工艺的经济性优势显著。改造后的系统年节省电费约380万元，碳减排量达1200吨/年。污泥产量减少40%，不仅降低后续处置成本，还通过剩余污泥回流（110%）维持了系统的高效运行。监测数据显示，亚硝酸盐在系统内停留时间达7.2小时，确保了反硝化反应的充分进行，而传统工艺该指标仅为4.5小时。

研究同时揭示了工艺的普适性边界条件。当进水BOD?/TN比低于2.0时，系统仍能保持85%以上的脱氮效率，这主要归功于阶梯进水策略对碳源的精准分配。通过控制进水比例（0.88:0.12），系统可自动调节缺氧区碳氮比至6.8:1的黄金区间，使反硝化菌群的碳利用效率提升至92%。

在技术实施层面，研究团队开发了智能控制系统。该系统实时监测DO、pH、ORP等12项关键指标，通过模糊逻辑算法自动调节曝气量、污泥回流比和进水分配比例。现场测试表明，系统响应时间缩短至15分钟，参数波动幅度控制在±8%以内。特别设计的低氧好氧区（DO＜0.5 mg/L）通过微孔曝气器与传统的扩散曝气器组合使用，在保证硝化效率的同时，使曝气能耗降低至0.35 kWh/m3，较传统工艺下降42%。

该技术的创新性还体现在对微生物群落结构的调控。通过DO梯度控制（0.7 mg/L低氧区-2.0 mg/L好氧区），成功构建以AOB（氨氧化菌）为主导的微生物群落。稳定运行数据显示，AOB丰度达68.3%，而传统工艺中AOB占比不足40%。这种菌群结构优势使系统在C/N=1.2时仍能保持72%的氨氮去除率，为后续深度脱氮奠定基础。

在环境效益方面，SLAAO工艺通过碳源梯级利用，使系统内源呼吸作用产生的能量损耗降低58%。污泥龄控制在7.2天，既保证了AOB的活性，又避免了过度老化导致的处理效能下降。工艺模块化设计使得扩建仅需增加30%的曝气池容积，而传统工艺扩建需增加50%以上处理单元。

研究团队还针对实际运行中的潜在问题提出解决方案。对于进水C/N比突变的场景，开发了自适应调节算法，可在30分钟内完成参数优化。当遭遇高浓度氨氮冲击时，系统通过提升缺氧区溶解氧（至0.9 mg/L）激活异养菌的应急代谢能力，确保脱氮效率不低于80%。针对冬季低温运行问题，研究建议采用组合式加热装置，通过精准控制缺氧区温度（维持5-8℃），使微生物活性仅下降12%，而传统工艺的脱氮效率会降低35%以上。

未来技术升级方向包括：1）开发基于机器学习的动态调控系统，实现参数的自主优化；2）拓展工艺应用场景，研究高盐（>10 g/L）或低温（＜4℃）条件下的适应性改进；3）构建生物炭协同处理模块，进一步提升碳源利用率。研究特别指出，现有数据主要来源于模拟和有限规模的中试试验，建议在后续研究中开展更大规模（≥5000 m3/d）的工程验证，并建立长期运行数据库。

该成果为低C/N废水处理提供了新范式。通过工艺创新与智能控制技术的深度融合，SLAAO工艺在保证出水水质的前提下，实现了碳减排与经济效益的双赢。据生命周期评估（LCA）模拟，采用该工艺可使污水处理厂的全生命周期碳排放降低27%，特别在西北地区干旱半干旱气候条件下，该技术对缓解水资源压力（节约再生水用量18%）和能源危机（减少曝气能耗42%）具有显著现实意义。

目前已有3家污水处理厂（处理能力总计12万吨/日）采用该技术进行改造，数据显示脱氮效率稳定在88-92%之间，运行成本较传统工艺下降34%。研究团队正在开发配套的工艺包（Process Package）和设备选型指南，计划在"十四五"期间完成全国范围内50个老旧污水处理厂的升级改造。该技术的成功应用，不仅为低C/N废水处理提供了可复制的技术方案，更为污水厂碳中和转型提供了可量化的实施路径。