初沉池優(yōu)化運(yùn)行對(duì)改良型A2/O工藝脫氮除磷的影響

李航， 董立春， 方建飛， 丁力， 呂利平

1.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2.重慶市三峽水務(wù)有限責(zé)任公司3.長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院

隨著“綠水青山就是金山銀山”生態(tài)環(huán)境保護(hù)發(fā)展理念的提出，全社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提出了更高的要求，而污水處理作為環(huán)境質(zhì)量改善的重要舉措，其目的也已從單一的滿足排放現(xiàn)狀較為排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，其中，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的去除是影響標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)的一大障礙。為此，全國(guó)范圍內(nèi)掀起了提標(biāo)改造的熱潮，但大部分污水處理廠經(jīng)提標(biāo)改造后，仍存在氮、磷等指標(biāo)高位運(yùn)行的問題，其主要原因是生物池進(jìn)水C/N偏低。20世紀(jì)90年代以來，新建的大部分污水處理廠在預(yù)處理段幾乎都設(shè)置了初沉池，其主要目的是通過重力沉降作用盡可能去除原水中的顆粒污染物，以減輕后續(xù)生物處理單元的運(yùn)行負(fù)荷。但在顆粒污染物沉降去除的同時(shí)，附著的大量有機(jī)碳源被同步去除，使得厭氧釋磷與反硝化脫氮均缺乏足夠的碳源，從而導(dǎo)致生物脫氮除磷效率不高[1-3]。

當(dāng)前，針對(duì)脫氮除磷所需碳源不足的問題[4-5]，普遍做法是通過外加碳源的方式來實(shí)現(xiàn)氮、磷的深度去除[6-9]，但高昂的外加碳源費(fèi)用在一定程度上抬高了污水處理成本，導(dǎo)致該方法難以規(guī)?；茝V應(yīng)用。黃慶濤等[10]針對(duì)低C/N城市污水開展了外加碳源強(qiáng)化脫氮除磷研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)乙酸鈉投加量為60 mg/L 時(shí)，對(duì)磷酸鹽的去除率較未投加乙酸鈉提高了18%，而出水總氮濃度降低了16.9%。顧學(xué)林[11]針對(duì)因進(jìn)水C/N不足而導(dǎo)致的總氮不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題，通過采取外加碳源的方式將進(jìn)水C/N 提升至5.8以上，成功將出水總氮濃度穩(wěn)定在12 mg/L以內(nèi)，去除率顯著提升至64%以上?？梢钥闯?，采取外加碳源的方式的確可以強(qiáng)化出水氮、磷指標(biāo)的可控性，但外加碳源所帶來的高昂運(yùn)行成本卻是實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中一個(gè)無法回避的問題。

初沉池優(yōu)化運(yùn)行是指將原水部分或全部超越初沉池，充分利用原水中的碳源進(jìn)行厭氧釋磷與反硝化脫氮，從而達(dá)到僅依靠進(jìn)水碳源實(shí)現(xiàn)氮、磷穩(wěn)定去除的目的。但在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，如何對(duì)初沉池的運(yùn)行進(jìn)行合理優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)與效益的雙贏，成為困擾工程技術(shù)人員的一大難題。

在改良型A2/O工藝基礎(chǔ)上，針對(duì)脫氮除磷對(duì)碳源依賴性較高的實(shí)際情況[12-13]，筆者在具體工程實(shí)例中探討了初沉池優(yōu)化運(yùn)行對(duì)脫氮除磷效果的影響，以期為初沉池在污水處理廠運(yùn)行中的優(yōu)化控制提供案例支撐。

1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況

重慶市某污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模為3×104m3/d，采用改良型A2/O+濾布濾池工藝，工程占地1.83×104m2，總投資約1.34億元，其具體工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Process flow chart of sewage treatment

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)如圖2所示，該工程出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)Fig.2 Raw water quality during the test period

1.3 試驗(yàn)背景

該工程自建成投運(yùn)以來，出水總氮常年在12.0～14.0 mg/L，快超過一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)濃度限值，存在嚴(yán)重的水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。為增強(qiáng)指標(biāo)的可控性，該工程采取了外加碳源的方式來強(qiáng)化生物脫氮除磷，但高昂的碳源投加費(fèi)用大大提升了運(yùn)行成本，使得其工藝控制模式難以復(fù)制與推廣。

1.4 設(shè)計(jì)參數(shù)與試驗(yàn)安排

對(duì)改良型A2/O工藝中原水進(jìn)入初沉池與超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比進(jìn)行研究，其中初沉池與生物池設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。根據(jù)工藝需要，穩(wěn)定外回流比為60%～80%，內(nèi)回流比為250%～300%，MLVSS/MLSS為0.481～0.515。調(diào)整原水進(jìn)入初沉池與超越初沉池直接進(jìn)入生物池的流量分配比，分別為：工況Ⅰ,10∶0；工況Ⅱ,8∶2；工況Ⅲ,6∶4；工況Ⅳ,4∶6；工況Ⅴ,2∶8；工況Ⅵ,0∶10。以此探討初沉池優(yōu)化運(yùn)行對(duì)改良型A2/O 工藝脫氮除磷效果的影響。

表1 初沉池與生物池設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of primary sedimentation tank and biological tank

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工況對(duì)總氮去除效果的影響

試驗(yàn)期間，原水進(jìn)入初沉池與超越初沉池直接進(jìn)入生物池的不同流量分配比工況下，改良型A2/O工藝對(duì)總氮的去除情況如圖3所示。

從圖3可以看出，6種工況下進(jìn)水總氮濃度總體較為穩(wěn)定，但出水總氮平均濃度分別為13.3、12.3、9.84、8.25、6.98、6.63 mg/L，下降趨勢(shì)明顯。從工況Ⅰ～工況Ⅲ，隨著原水進(jìn)入初沉池流量分配比逐漸減小，出水總氮濃度由快要超過一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)濃度限值逐步降至8.79 mg/L，降幅達(dá)33.9%；從工況Ⅳ開始，隨著原水超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比的進(jìn)一步增大，出水總氮濃度繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，并最終穩(wěn)定于一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)濃度限值的45%以內(nèi)；而其平均去除率也由工況Ⅰ下的65.6%穩(wěn)步升至工況Ⅵ下的82.9%，提高了17.3個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 試驗(yàn)工況對(duì)總氮去除率的影響Fig.3 Effect of test conditions on removal rate of total nitrogen

究其原因，主要是隨著原水超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比的增大，進(jìn)入生物池參與反硝化脫氮的有機(jī)碳源逐漸增多，反硝化所需能量及電子供體充足，反應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大，脫氮率呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)。這一解釋從圖4初沉池優(yōu)化運(yùn)行對(duì)初沉池出水和生物池進(jìn)水BOD5的影響可以看出。

圖4 試驗(yàn)工況對(duì)初沉池和生物池BOD5的影響Fig.4 Effect of test conditions on BOD5 of primary sedimentation tank and biological tank

試驗(yàn)工況下，初沉池對(duì)原水中BOD5的去除率呈上升趨勢(shì)，由工況Ⅰ下的20.6%逐步上升至工況Ⅴ下的26.9%，這主要是初沉池進(jìn)水流量分配比的變化對(duì)水力停留時(shí)間的影響所致。隨著初沉池進(jìn)水流量分配比的減小，原水在初沉池中的停留時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，造成更多有機(jī)碳源被沉降去除，但隨著超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比的增大，大量有機(jī)碳源避免了被初沉池沉降去除，相比較而言，超越初沉池直接進(jìn)入生物池給反硝化反應(yīng)引入的有機(jī)碳源更多，更有利于生物脫氮的進(jìn)行。圖5中初沉池優(yōu)化運(yùn)行對(duì)生物池進(jìn)水C/N和缺氧區(qū)出水硝態(tài)氮的影響也印證了這一觀點(diǎn)，隨著超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比的增大，生物池進(jìn)水C/N呈顯著上升趨勢(shì)，其平均值由工況Ⅰ下的4.32逐漸升至工況Ⅵ下的6.51，漲幅達(dá)50.7%。相反，缺氧區(qū)出水硝態(tài)氮濃度呈明顯下降趨勢(shì)，其平均值由工況Ⅰ下的4.28 mg/L逐漸降至工況Ⅵ下的0.23 mg/L，降幅達(dá)94.6%。

圖5 試驗(yàn)工況對(duì)生物池進(jìn)水C/N和缺氧區(qū)出水硝態(tài)氮濃度的影響Fig.5 Effect of test conditions on C/N of biological tank and nitrate nitrogen of anoxic zone

2.2 不同工況對(duì)氨氮去除效果的影響

試驗(yàn)期間，原水進(jìn)入初沉池與超越初沉池直接進(jìn)入生物池的不同流量分配比工況下，改良型A2/O工藝對(duì)氨氮的去除情況如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)工況對(duì)氨氮去除率的影響Fig.6 Effect of test conditions on removal rate of ammonia nitrogen

從圖6可以看出，6種工況下，出水氨氮濃度穩(wěn)定較性強(qiáng)，總體維持在0.5 mg/L以內(nèi)，說明初沉池運(yùn)行工況的變化對(duì)出水氨氮濃度影響較小。究其原因，主要是氨氮的去除集中在好氧階段，雖然初沉池運(yùn)行工況的改變會(huì)對(duì)生物池有機(jī)物濃度產(chǎn)生影響，但只要好氧階段硝化反應(yīng)進(jìn)展順利，溶解氧濃度水平足夠滿足氨態(tài)氮向亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，出水氨氮濃度將不會(huì)受到影響。試驗(yàn)期間，氨氮平均去除率均維持在99%以上。

2.3 不同工況對(duì)總磷去除效果的影響

試驗(yàn)期間，原水進(jìn)入初沉池與超越初沉池直接進(jìn)入生物池的不同流量分配比工況下，總磷濃度的沿程變化及生物除磷率如圖7所示。

圖7 總磷濃度的沿程變化及生物除磷率Fig.7 Variations of total phosphorus concentration along the process flow and biological phosphorus removal rate

從圖7可以看出，6種工況下隨著原水超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比的增大，厭氧區(qū)總磷濃度總體呈上升趨勢(shì)。在工況Ⅰ和工況Ⅱ下，厭氧區(qū)總磷平均濃度較低，分別為5.30和5.76 mg/L，這主要是由于工況Ⅰ和工況Ⅱ下，大量原水經(jīng)初沉池重力沉降后再進(jìn)入生物池，使得原水中大部分有機(jī)物在初沉池便被附帶沉降去除，厭氧區(qū)因有機(jī)碳源不足而出現(xiàn)釋磷不充分現(xiàn)象，從而導(dǎo)致上述工況下厭氧區(qū)總磷濃度較低；在工況Ⅲ下，厭氧區(qū)總磷濃度呈現(xiàn)急劇上升趨勢(shì)，到工況Ⅲ后期，平均濃度達(dá)7.32 mg/L，較工況Ⅰ上漲了38.1%；從工況Ⅳ～工況Ⅵ，厭氧區(qū)總磷平均濃度繼續(xù)上漲，但上漲趨勢(shì)逐漸放緩。這主要是由于隨著初沉池進(jìn)水流量分配比的逐漸減小，有更多的有機(jī)物直接進(jìn)入生物池參與生化反應(yīng)，厭氧釋磷表現(xiàn)出強(qiáng)大的動(dòng)力，使得厭氧區(qū)總磷濃度上升明顯。

好氧區(qū)總磷濃度水平體現(xiàn)了生物除磷率的高低。6種工況下，好氧區(qū)總磷平均濃度分別為0.85、0.67、0.34、0.20、0.18、0.16 mg/L，呈明顯下降趨勢(shì)，其生物除磷率由工況Ⅰ的85.9%升至工況Ⅵ的97.3%，增幅達(dá)11.4%。究其原因，隨著原水超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比的增大，進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)有機(jī)物濃度逐漸升高，而聚磷菌(PAOs)的厭氧釋磷以及聚-β-羥丁酸(poly-β-hydroxybutyrate,PHB)的同化作用隨著厭氧區(qū)有機(jī)物濃度的升高得到了強(qiáng)化，這為好氧區(qū)的吸磷反應(yīng)創(chuàng)造了良好先決條件。

2.4 污泥濃度與電耗分析

污水處理廠屬高電耗企業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其電耗成本一般占運(yùn)行成本的比例達(dá)30%～60%，而其中用于好氧區(qū)的供氧電耗成本占總電耗成本的比例更是高達(dá)50%～70%[17]。電耗的高低與生物池中污泥濃度和有機(jī)物濃度水平直接相關(guān)。當(dāng)污泥濃度與有機(jī)物濃度較低時(shí)，微生物數(shù)量較少，其代謝活性較弱，電耗較低；當(dāng)污泥濃度與有機(jī)物濃度較高時(shí)，微生物數(shù)量較多，其代謝活性較強(qiáng)，電耗較高。試驗(yàn)期間系統(tǒng)污泥濃度如圖8所示，電耗情況如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)工況對(duì)污泥濃度的影響Fig.8 Effect of test conditions on sludge concentration

圖9 試驗(yàn)工況對(duì)電耗的影響Fig.9 Effect of test conditions on power consumption

從圖8和圖9可以看出，隨著原水超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比的逐漸增大，系統(tǒng)污泥濃度與電耗均呈明顯上升趨勢(shì)。為保證整個(gè)試驗(yàn)期間工藝運(yùn)行穩(wěn)定，隨著工況的變化，需不斷提高系統(tǒng)污泥濃度，以確保MLVSS/MLSS相對(duì)平穩(wěn)。6種工況下平均污泥濃度分別為 4 660、4 752、4 903、5 085、5 518、6 053 mg/L，從工況Ⅱ開始，各工況下污泥濃度分別較前一工況上漲了1.97%、3.18%、3.71%、8.52%、9.70%，漲幅逐漸增大；整個(gè)試驗(yàn)期間，MLVSS/MLVV總體維持為0.5左右。從工況Ⅰ～工況Ⅲ，平均電耗分別為0.320、0.327、0.337 kW·h/m3，分別較前一工況上漲了2.19%和3.06%，漲幅較??；但從工況Ⅳ開始，平均電耗分別為0.367、0.405、0.453 kW·h/m3，分別較前一工況上漲了8.90%、10.4%、11.9%，漲幅較工況Ⅰ～工況Ⅲ明顯增大。說明原水超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比進(jìn)一步增大后，由于系統(tǒng)污泥濃度和有機(jī)物濃度的增加，會(huì)顯著提升污水處理廠電耗。

3 結(jié)論

(1) 原水進(jìn)入初沉池與超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比對(duì)出水總氮濃度和生物除磷率具有顯著影響，而對(duì)出水氨氮濃度影響較小。

(2) 改良型A2/O工藝中存在反硝化除磷現(xiàn)象，且反硝化除磷率與原水超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比呈正相關(guān)。

(3) 基于6種工況，較為優(yōu)化的原水進(jìn)入初沉池與超越初沉池直接進(jìn)入生物池流量分配比為6∶4。該工況后期出水總氮平均濃度為8.79 mg/L，較原工況降低了33.9%，氨氮濃度低于0.5 mg/L，好氧區(qū)總磷平均濃度為0.34 mg/L，滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，電耗為0.337 kW·h/m3，僅比原工況上漲了5.31%，漲幅較小。相比于原工況而言，雖然電耗出現(xiàn)了輕微上漲，但出水水質(zhì)可控性得到了進(jìn)一步強(qiáng)化，且顯著優(yōu)于一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。