多模式AAO系統(tǒng)處理城市污水的冬季運行優(yōu)化研究*

顧曉丹 黃 勇 丁永偉 黃繼會 尤 嵐 王 偉 張 俊 陳芳芳

(1.蘇州科技大學環(huán)境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州市水務集團，江蘇 蘇州 215001；3.蘇州市排水有限公司，江蘇 蘇州 215001)

我國城市污水處理廠的運行受季節(jié)影響顯著，季節(jié)性影響主要體現(xiàn)在水溫及進水水量水質的季節(jié)性波動[1-3]。大量污水處理廠的運行數(shù)據(jù)和研究表明，冬季低溫導致生物活性降低，出水氨氮、TN濃度偏高[4-5]，[6]2429。延長泥齡(SRT)、增加曝氣量是污水處理廠冬季普遍采取的調控策略。然而，過長的SRT影響生物除磷效率；曝氣過度影響反硝化脫氮。

活性污泥數(shù)學模型已逐漸成為一種工程工具在工藝調控中得到應用。BioWIN軟件的核心是ASDM模型，該模型起源于綜合各種活性污泥動力學模型的Barker/Dold模型。與廣泛采用的ASM2d模型相比，ASDM模型除可模擬碳、氮、磷的去除過程，還能模擬pH平衡、厭氧消化、厭氧氨氧化、氣體轉移過程[7]，[8]20。取代ASM2d模型中的一步硝化，ASDM模型將兩步硝化作為插入模型描述生物硝化過程。ASDM模型可追蹤50個模型組分和60多個物理、化學、生物反應，擁有246個模型參數(shù)(包括動力學參數(shù)和化學計量學系數(shù))[9]?；谑澜缟蠑?shù)百座生產性城市污水處理廠的觀測數(shù)據(jù)，ASDM模型提供了較符合實際的模型參數(shù)缺省值。目前，BioWIN軟件在污水處理廠模擬、優(yōu)化改造中得到廣泛的應用，如智利污水處理廠的動態(tài)運行[10]、高碑店污水處理廠脫氮效果改造工程[8]22、F.Wayne Hill污水處理廠節(jié)能工程[11]等。

針對城市污水處理廠冬季運行的普遍問題，為充分發(fā)揮系統(tǒng)脫氮除磷能力，采用模型模擬結合現(xiàn)場試驗對蘇州某污水處理廠多模式AAO系統(tǒng)進行研究，以期獲得冬季低溫條件下多模式AAO系統(tǒng)處理生活污水高效運行的控制策略。

1 材料與方法

1.1 多模式AAO工藝

污水處理廠原水經(jīng)曝氣沉砂后進入多模式AAO系統(tǒng)。單組AAO工藝分3個廊道，每個廊道長72.0 m、寬14.0 m、有效水深7.5 m。每個廊道設4個擋墻，將廊道平均分成5個完全混合反應池。第1個廊道為非曝氣池，即厭/缺氧1～5；后兩個廊道底部安裝了曝氣頭，第2個廊道即厭/好氧6、7和好氧8～10，第3個廊道即好氧11～15。系統(tǒng)設有3個進水點，位于厭/缺氧1、3、5；設有4個內回流點，位于厭/缺氧1、3、5和厭/好氧7；設1個外回流點，位于厭/缺氧1。第3個廊道后二沉池采用平流式沉淀池，共設4組，每組長37.7 m、寬8.6 m、有效水深2.9 m，表面負荷為1.1 m3/(m2·h)。

采用兩組多模式AAO系統(tǒng)并行運行，單組處理規(guī)模3×104m3/d。多模式AAO系統(tǒng)運行控制靈活，可根據(jù)進水條件和處理要求，在AAO工藝(厭/缺氧1、3進水流量比3∶7，打開厭/缺氧3內回流)、倒置AAO工藝(厭/缺氧1、3進水流量比7∶3，打開厭/缺氧1內回流)、改良型AAO工藝(厭/缺氧1、3、5進水流量比2∶3∶5，打開厭/缺氧5內回流)模式之間切換。

冬季平均水溫14 ℃，水力停留時間(HRT)15.6 h，SRT控制在20 d左右，污泥回流比為63%，混合液回流比為250%，好氧區(qū)DO控制在1～3 mg/L。

1.2 原水水質

該廠主要接納生活污水，冬季進水水質數(shù)據(jù)見表1。冬季進水BOD5/COD均值0.47，進水可生化性較好；BOD5/TN均值為3.6，其比值最低為2.3，最高為6.9，原水中的碳源基本能滿足生物脫氮需求；BOD5/TP均值41.7，原水中的碳源可滿足生物除磷需求。

表1 蘇州某污水處理廠冬季進水水質Table 1 Influent quality of a sewage plant in Suzhou in winter

結合物化試驗[12-13]和模型校準結果，該廠冬季進水COD組分見表2。SS為0.27表明進水中可直接被異養(yǎng)微生物吸收利用的COD組分高于BioWIN中的推薦值(0.16)。荷蘭21個污水處理廠進水COD組分表征結果[14]表明，SS為0.09～0.42。SI以進入系統(tǒng)相同的濃度隨出水排出系統(tǒng)[15]。因此，采用二沉池出水經(jīng)0.45 μm膜過濾后測得的COD濃度作為進水SI組分。通過試驗測得，該廠進水SI為0.07，略高于BioWIN推薦值，但與國際水協(xié)會(IWA)的建議值(0.05～0.10)[16]一致。由于污水處理廠服務區(qū)域有雨、污管道混接現(xiàn)象，降雨徑流攜帶大量的顆粒物滲入污水管網(wǎng)，導致該廠進水XI為0.20，高于BioWIN推薦值。

表2 蘇州某污水處理廠冬季進水COD組分Table 2 Influent COD composition of a sewage plant in Suzhou in winter

1.3 模型構建

1.3.1 模型框架構建

以BioWIN軟件為平臺，ASDM模型描述生物碳、氮、磷的去除過程，Takacs一維模型描述二沉池固液分離過程。由于多模式AAO系統(tǒng)不存在厭氧消化過程，運行條件的設置不會激發(fā)ASDM模型中厭氧消化反應的發(fā)生。ASDM中活性污泥模型包含的反應過程如下：普通異養(yǎng)菌的生長和衰減；氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的生長和衰減；聚磷菌的生長和衰減；亞硝酸鹽和硝酸鹽的同化反硝化。

依據(jù)多模式AAO系統(tǒng)流程，采用5個非曝氣完全混合反應池和10個曝氣完全混合反應池串聯(lián)模擬多模式AAO系統(tǒng)運行特征，通過分離器實現(xiàn)進水和內回流的調控。

1.3.2 模型校準

溫度對微生物生長和衰減速率有重要影響，其影響由對溫度敏感的參數(shù)通過Arrhenius方程進行轉化。冬季運行設置模式下，選擇兩組歷史數(shù)據(jù)(2017年12月至2018年2月，2019年12月)分別進行模型的校準和驗證。

靈敏度分析[17]表明，動力學參數(shù)和化學計量學系數(shù)對COD、TP無影響或靈敏度低；對氨氮的靈敏度依次為氨氧化菌最大比生長速率>異養(yǎng)菌產率系數(shù)>氨氧化菌衰減速率>聚磷菌產率系數(shù)，對TN的靈敏度依次為氨氧化菌最大比生長速率>異養(yǎng)菌產率系數(shù)>聚磷菌產率系數(shù)，其中氨氧化菌最大比生長速率對氨氮、TN的靈敏度均最高，其余屬于中等靈敏度水平。

模擬結果表明，將氨氧化菌最大比生長速率校準為0.7 d-1時，冬季出水氨氮模擬值和實測值誤差<1 mg/L。針對不同市政進水的活性污泥系統(tǒng)，氨氧化菌最大比生長速率的波動范圍為0.2～1.0 d-1。

通過調整進水COD組分(見表2)和氨氧化菌最大比生長速率，出水COD、氨氮、TN、TP擬合絕對誤差≤1 mg/L，生物池污泥質量濃度(MLSS)擬合相對誤差<10%(見表3)；主要出水水質變化趨勢擬合基本一致(見圖1)。模型校準和驗證結果理想。

表3 模型校準結果Table 3 Calibrated results of the model

圖1 模型驗證結果Fig.1 Validation results of the model

2 結果與討論

2.1 對出水水質的影響

2.1.1 COD去除

在冬季低溫條件下，進水COD為150～527 mg/L，平均約320 mg/L，3種模式的出水COD為19～38 mg/L(見圖2)，穩(wěn)定達到《太湖地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠及重點工業(yè)行業(yè)主要水污染物排放限值》(DB32/ 1072—2018)。由于3種模式的曝氣強度相同、好氧停留時間一致，因此3種模式獲得了相近的有機物降解效果。

圖2 多模式AAO系統(tǒng)對COD的去除效果Fig.2 COD removal effect of multimode AAO process

2.1.2 硝化性能

硝化菌作為一種自養(yǎng)微生物，受SRT影響顯著[18]。3種模式出水氨氮隨SRT的升高而降低(見圖3)。當SRT從10 d增大到14 d，3種模式出水氨氮從約25 mg/L降低到約5 mg/L；當SRT從18 d繼續(xù)增大到20 d，對3種模式出水氨氮影響不大。當SRT>16 d時，3種模式出水氨氮基本能滿足DB32/ 1072—2018。相同的SRT控制下，倒置AAO模式出水氨氮略低，改良型AAO模式出水氨氮相對最高。通過適當延長系統(tǒng)SRT，生物池MLSS增大，提高硝化菌總量，同時維持系統(tǒng)內一定的DO，保證低溫條件下系統(tǒng)硝化能力的穩(wěn)定。過長的SRT不僅對控制出水氨氮無意義，而且會造成系統(tǒng)內生物量過多，曝氣量消耗過大；曝氣設備供氧能力有限，可能造成微生物生長所需的DO不足，出水氨氮濃度升高。

圖3 多模式AAO系統(tǒng)出水氨氮、MLSS隨SRT的變化Fig.3 The change of ammonia nitrogen in effluent and MLSS of multimode AAO process with SRT

2.1.3 反硝化性能

反硝化過程主要發(fā)生在缺氧區(qū)和好氧區(qū)內局部缺氧環(huán)境。影響反硝化作用的因素[19]主要有：(1)水溫，低溫影響反硝化菌的活性；(2)碳源，反硝化菌利用污水中的易降解有機物作為碳源及電子供體；(3)內回流量，影響反硝化菌可還原的硝酸鹽總量；(4)缺氧區(qū)容積，影響反硝化菌在缺氧段的HRT。

當內回流比從200%逐漸增大到350%，3種模式出水TN逐漸下降(見圖4)，說明隨內回流比的升高，反硝化去除的氮量逐漸增加。內回流比對出水TN的影響主要受硝酸鹽氮濃度調控。隨著內回流比的升高，缺氧段末端硝酸鹽氮呈升高趨勢。當內回流比≤250%時，3種模式缺氧段末端硝酸鹽氮<0.5 mg/L，說明缺氧段反硝化徹底；當內回流比增大到300%，改良型AAO模式缺氧段末端硝酸鹽氮超過0.5 mg/L，回流的硝酸鹽氮量逐漸超出了缺氧段的反硝化能力。

圖4 多模式AAO系統(tǒng)出水TN、缺氧段末端硝酸鹽氮隨內回流比的變化Fig.4 The change of effluent TN，nitrate in anoxic terminal with internal reflux ratio in multimode AAO process

3種模式下，TN去除效果有較大的差別。在內回流比和其他運行條件一致的情況下，出水TN依次為倒置AAO模式AAO模式>改良型AAO模式。

當碳源相對充足時，以缺氧段末端硝酸鹽氮為監(jiān)控指標，通過提高內回流比提升脫氮效能；在反硝化不完全的情況下，通過提高缺氧段HRT進一步提升脫氮能力。

2.1.4 TP去除

試驗期間，進水TP為2.4～6.4 mg/L，平均為4.0 mg/L，3種模式出水TP在0.2～0.3 mg/L波動(見圖5)，穩(wěn)定達到DB32/ 1072—2018。

圖5 多模式AAO系統(tǒng)對TP的去除效果Fig.5 TP removal effect of multimode AAO process

研究表明，溫度對吸磷、釋磷速率影響不大；同時低溫不利于聚糖菌生長[6]2433，聚磷菌可充分利用污水中的底物進行釋磷、吸磷。由于厭氧區(qū)HRT充足，聚磷菌將厭氧區(qū)內的易降解COD轉化成聚β羥基烷酸(PHA)，因此3種模式下，系統(tǒng)內都存在明顯的釋磷、吸磷過程(見圖6)，保證了冬季穩(wěn)定的除磷效果。低溫條件下，硝化過程不會產生大量的硝酸鹽帶入?yún)捬鯀^(qū)，引起反硝化菌和聚磷菌的競爭，因此冬季3種模式獲得理想的除磷效果。

圖6 多模式AAO系統(tǒng)沿程溶解性磷酸鹽變化情況Fig.6 The change of soluble phosphate along the path of multimode AAO process

2.2 優(yōu)選模式的運行優(yōu)化

為保證冬季出水氨氮、TN穩(wěn)定達標，選擇倒置AAO模式、SRT=16 d、內回流比為300%作為優(yōu)化工況。優(yōu)化后，倒置AAO模式出水氨氮、TN、TP分別穩(wěn)定在3.8、10.4、0.3 mg/L以下(見圖7)，滿足DB32/ 1072—2018。工況優(yōu)化前后，在有機物去除率基本不變的情況下，出水氨氮、TN、TP平均值分別降低了4.8、3.0、0.2 mg/L。

圖7 冬季工況優(yōu)化前后系統(tǒng)出水水質的對比Fig.7 Comparison of effluent quality between the optimal operation condition and the original operation condition in winter

結合現(xiàn)場沿程采樣分析，采用優(yōu)化工況，在倒置AAO系統(tǒng)各反應區(qū)內，沿水流方向，COD、氨氮、硝酸鹽氮、溶解性磷酸鹽的變化見圖8。受回流污泥及混合液的稀釋作用影響，系統(tǒng)首端的COD、氨氮迅速降低。回流的混合液攜帶硝酸鹽氮進入?yún)?缺氧1，但受進水稀釋作用，厭/缺氧1內硝酸鹽氮略升高。反硝化菌利用進水中易降解有機物進行反硝化，消耗有機物同時去除了硝酸鹽氮，因此COD、硝酸鹽氮在厭/缺氧1、2中呈下降趨勢，厭/缺氧2內已無硝酸鹽氮，說明反硝化徹底。在厭/缺氧1～5，溶解性磷酸鹽從6.4 mg/L逐漸上升到13.7 mg/L，由于反硝化徹底，聚磷菌和反硝化菌之間不存在碳源競爭，釋磷現(xiàn)象明顯。在厭/好氧6、7和好氧8～12，異養(yǎng)微生物降解有機物，COD逐漸降低；同時發(fā)生硝化反應，氨氮逐漸降低，硝酸鹽氮逐漸升高；聚磷菌好氧吸磷導致溶解性磷酸鹽逐漸降低，到好氧11，水中溶解性磷酸鹽已基本轉移到聚磷菌體內。因此，硝化和吸磷過程主要發(fā)生在好氧段沿程。好氧段末端(好氧13～15)，氨氮、硝酸鹽氮呈下降趨勢，溶解性磷酸鹽濃度不變。在運行控制過程中，為避免回流混合液攜帶過多DO，好氧段末端DO控制在0.3 mg/L左右。研究表明，當DO<0.8 mg/L，可發(fā)生同步硝化反硝化(SND)[20]，因此好氧末端可能發(fā)生了SND。

圖8 最優(yōu)工況下污染物的沿程變化情況Fig.8 The change of pollutant concentration along the path under the optimal condition

3 結 論

(1) 針對冬季污水處理廠脫氮性能差的現(xiàn)狀，通過多模式AAO系統(tǒng)3種模式對比發(fā)現(xiàn)，倒置AAO模式出水氨氮、TN明顯低于AAO和改良型AAO模式。

(2) 采用倒置AAO模式、SRT=16 d、內回流比為300%，冬季出水水質可滿足DB32/ 1072—2018。