A2/O工藝處理城鎮(zhèn)污水的脫氮除磷性能研究

劉 遙 張東方 張文俊

（中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

0 引言

在城鎮(zhèn)化的發(fā)展進程中，城鎮(zhèn)居民生活生產(chǎn)消耗了大量的淡水，污水排放量也與日俱增，排放的污水中不可避免地出現(xiàn)氮磷含量超標現(xiàn)象，如不加預(yù)處理，這些無機化學物質(zhì)是水體中藻類繁殖的必須營養(yǎng)物質(zhì)，使藻類增殖迅速，水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化，藻類消耗了水體中的氧氣，并釋放有害物質(zhì)，導(dǎo)致水體環(huán)境的惡化，因此在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，為了保證處理廠凈化后水體含氮磷量滿足相關(guān)的規(guī)范要求，提高水體的耐受度，需要對污水處理的脫氮除磷工藝進行合理設(shè)置[1]。污水處理廠是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及的工藝環(huán)節(jié)很多，在傳統(tǒng)的污水處理工藝中，對脫氮除磷的方式主要采用生物脫氮和生物除磷，不僅效率低下，而且工序上矛盾導(dǎo)致了除磷效果不佳，出水水質(zhì)不達標，增加了二次處理的成本[2]。目前，對城市污水脫氮除磷工藝的研究成為水生態(tài)環(huán)保中的研究熱點，通過工藝的調(diào)整或者優(yōu)化提高污水脫氮除磷效率具有十分重要的作用[3]。

1 污水處理廠設(shè)計概況

合肥市某污水處理廠二期工程位于合肥市蜀山區(qū)西部新城南部，為半地下污水處理廠1座，土建規(guī)模10萬噸/天，設(shè)備安裝規(guī)模5萬噸/天，地塊規(guī)劃性質(zhì)為公用設(shè)施用地。為有效提高區(qū)域污水處理能力，縮短城郊與市區(qū)的水環(huán)境差異，改善城郊居民的用水問題，根據(jù)區(qū)域總體規(guī)劃要求，修建污水處理廠主要收集區(qū)域內(nèi)生活污水和工業(yè)廢水，污水處理廠的總覆蓋服務(wù)面積達到31.57 km2。污水處理廠設(shè)計污水進水水質(zhì)以及處理凈化后出水水質(zhì)的指標要求見表1和表2。

表1 設(shè)計污水進水水質(zhì)指標

2 城鎮(zhèn)污水的總體處理方案及脫氮除磷A2/O處理工藝

2.1 城鎮(zhèn)污水的總體處理方案

在一般的城鎮(zhèn)污水二級處理工藝中，由于污水處理規(guī)模與城市相比較小，處理水體多為生活污水，且水體中的氮磷含量較高，受到處理工藝的影響，對污水中的BOD5、CODCr和SS能夠達到較好的去除效果，但是對水體中氮磷含量處理深度交淺，卻難以取得良好的去除效果，這是因為這些處理工藝依賴于傳統(tǒng)的生物硝化菌的硝化作用脫氮、微生物聚磷菌的吸磷聚合作用除磷，處理效率較低，經(jīng)過大量的實踐表明，傳統(tǒng)的污水處理廠只能對剩余污泥中進行脫氮除磷處理，對氮元素的消除率基本維持在10%～20%，而對磷元素的消除率基本維持在12%～19%，與脫氮除磷目標相去甚遠，使污水處理廠排水中仍含有大量的氮磷元素[4-5]。為此，要達到表2中的各項出水水質(zhì)指標要求，在污水處理過程中應(yīng)采用深度的脫氮除磷處理工藝，通過調(diào)節(jié)排污泥量，以增加生物硝化菌、聚磷菌的活性，提高污泥回流比，提高硝化作用效率，實現(xiàn)穩(wěn)定的脫氮和除磷效果，因此經(jīng)過綜合分析，該研究水區(qū)深度脫氮除磷方法采用A2O+沉淀池+高密度沉淀池+深床濾池+次氯酸鈉消毒工藝，具體的污水處理流程如圖1所示。

表2 設(shè)計處理凈化后出水水質(zhì)指標

圖1中污水處理整體過程如下：污水處理廠覆蓋服務(wù)區(qū)域內(nèi)的市政管網(wǎng)對居民生活污水以及工廠廢水進行收集，通過污水管道輸送污水處理廠進水管道總口，通過水體的自流效果流經(jīng)粗格柵進入進水泵房，設(shè)置粗格柵的目的是對進口污水中的漂浮物、大塊體雜物、污泥等進行截流濾除，過濾直徑最小達到2 cm，以保護水泵等污水處理設(shè)備；隨后采用水泵對泵房內(nèi)的水體提升至曝氣沉淀池，在進入曝氣沉淀池之前，同樣地需要設(shè)置一道西格柵以濾除水體中的細小懸浮物，過濾直徑最小達到5 mm[6]；經(jīng)過2次過濾的污水需要進行曝氣除臭，其處理方法是將污水放入曝氣沉砂池內(nèi)，并在沉砂池的頂部布置有螺旋風機，不斷地對旋轉(zhuǎn)螺旋風機將臭氣抽排，同時將污水不斷地沿著水池的長度方向進行運輸，使水流在垂直方向和橫向方向均產(chǎn)生了曝氣過程，在曝氣沉淀池內(nèi)，污水中的大分子油脂被有效去除；隨后，污水經(jīng)過電磁流量計測量水體體積，污水隨管道運輸至生物池，進行A2/O處理工序，在厭氧區(qū)內(nèi)進行硝化反應(yīng)，在缺氧區(qū)內(nèi)進行反硝化反應(yīng)，達到氮化物的消除，然后將，將脫氮后的污水運輸至曝氣好氧區(qū)，進行硝化反應(yīng)、脫磷及去除化學需氧量COD、有機污染物、NH4-N等；在推流器的作用下，污水混合液從生物池進入二沉池，進一步固液分離，對池內(nèi)污泥進行刮刷，池內(nèi)上部清液流動至高密度沉淀池，去除SS和磷；高密度沉淀池處理后的污水進入中間泵房，經(jīng)過提升水泵輸送至反硝化濾池，通過投加乙酸鈉保證了反硝化過程的高效，污水進入砂濾池進行過濾，并進行反硝化反應(yīng)實現(xiàn)水體脫氮[5]。過濾后的污水流入消毒池，向池內(nèi)加入消毒粉或者采用紫外線消毒的方法進行消毒，處理完成后將凈化水自流至綜合泵房；最后通過市政中水泵組將凈化后水體提升接入市政中水管網(wǎng)中，或通過尾水泵組提升排至地表河流。

圖1 污水處理廠水區(qū)工藝流程圖

2.2 城鎮(zhèn)污水的脫氮除磷A2/O處理工藝

目前，在污水處理中應(yīng)用較為廣泛的脫氮除磷工藝為A2/O處理工藝，它的工藝成熟的較高，能夠保證污水處理工程中各項工序的運行穩(wěn)定，且在多年的工程實踐中積累了較多的運行經(jīng)驗，基本能夠滿足出水水質(zhì)的要求，盡管如此，在A2/O污水處理工藝仍存在一定的問題，也存在一定的缺陷，例如在回流污泥中存在的硝酸鹽，使反硝化菌增殖快速，抑制了聚磷菌的獲得碳源的能力，延緩了釋放磷的速率，因此傳統(tǒng)A2/O污水處理工藝在脫氮效果上尚有較大的提升空間，以應(yīng)對日益嚴格的排水要求[7]。因此，有必要對傳統(tǒng)A2/O污水處理工藝進行調(diào)整和優(yōu)化，在該基礎(chǔ)上提出多段A2/O污水處理工藝，以增加二級生物處理的生物脫氮能力。

在A2/O的發(fā)展史上，改良型的Bardenpho工藝具有更好的脫氮除磷能力。污水經(jīng)過首段的厭氧缺氧過程，完成了一大部分的生物脫氮除磷過程，此時的出水中的TN已得到一定程度的降低，并且主要以NO3-N的形式存在，隨后低濃度的硝化液全部進入缺氧段，進行完全反硝化，得到無硝酸鹽的出水。后缺氧段完全利用的是內(nèi)源反硝化，利用MLVSS自身內(nèi)源呼吸，利用NO3-N作為電子受體完成反硝化過程[8]。

在前段A2/O過程中，為提高污水可降解性，在前端設(shè)置水解區(qū)，提高有機污染物的去除，并為厭氧段提供更多的易降解有機物。缺氧區(qū)的反硝化過程對碳源的需求是保證生物脫氮的重要環(huán)節(jié)，為此，在前段增加進水點，通過引入原水補充碳源，保證反硝化過程順利進行。好氧段通過調(diào)整曝氣量、進水分配比例，控制溶解氧濃度、有機污染物負荷，維持好氧段的同步硝化反硝化過程，提高系統(tǒng)的生物脫氮效率。多段A2/O污水處理工藝如圖2所示。

圖2 多段A2O污水處理工藝

4 A2/O處理工藝的脫氮除磷性能

為研究多段A2/O污水處理工藝的脫氮處理性能，對合肥市某污水處理廠二期工程中的總進水口和總排水口的水樣進行取樣分析，觀測水體中的總氮含量TN和總磷TN含量的變化，觀測時長為80d，取樣頻率為1周1次，結(jié)果如圖3所示。

從圖3（a）中可以看出，在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總氮含量TN含量隨著時間的變化呈現(xiàn)不同程度的劇烈變化，但其TN質(zhì)量濃度的變化范圍位于20 mg/L～50 mg/L，滿足表1中設(shè)計進水總氮含量TN不超過50 mg/L的要求，而經(jīng)過段A2/O污水處理工藝深度脫氮處理后，水體中的總氮質(zhì)量濃度大幅度降低，變化區(qū)間為0 mg/L～10 mg/L，滿足表2中約束性出水總氮含量TN指標（巢湖流域地標DB34/2710—2016）不超過10 mg/L的要求。從圖3（b）中可以看出，在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總磷含量TP質(zhì)量濃度的變化范圍位于3.5 mg/L～6.0 mg/L，滿足表1中設(shè)計進水總磷含量TP不超過6 mg/L的要求，而經(jīng)過段A2/O污水處理工藝深度除磷處理后，水體中的總磷質(zhì)量濃度大幅度降低，變化區(qū)間位于0.1 mg/L～0.3 mg/L，滿足表2中約束性出水總磷含量TP指標（巢湖流域地標DB34/2710—2016）不超過0.3 mg/L的要求。

對多段A2/O污水處理工藝的脫氮除磷效率進行研究，對厭氧區(qū)活性污泥中的磷酸根質(zhì)量濃度進行觀測，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著時間的增加，磷酸根的質(zhì)量濃度呈對數(shù)增加的趨勢，而釋磷速率呈現(xiàn)線形增加后對數(shù)降低的趨勢。對比缺氧區(qū)和好氧區(qū)的吸磷速率進行對比，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著時間增加，好氧區(qū)和缺氧區(qū)的吸磷速率均呈現(xiàn)對數(shù)降低的趨勢，且好氧區(qū)的吸吸磷速率比缺氧區(qū)的吸磷速率略大。

圖4 多段A2O污水處理工藝中厭氧區(qū)除磷速率曲線

圖5 多段A2O污水處理工藝中好氧區(qū)與缺氧區(qū)吸磷速率曲線

5 結(jié)論

以合肥市某污水處理廠二期工程污水處理為研究對象，污水處理廠的整體污水處理工藝進行研究，提出多段A2/O污水處理工藝，得到以下3個結(jié)論：1）在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總氮含量TN隨著時間變化呈現(xiàn)不同程度地變化，經(jīng)過段A2/O污水處理工藝深度脫氮處理后，水體中的總氮質(zhì)量濃度大幅度降低，變化區(qū)間0 mg/L～10 mg/L，滿足表2中約束性出水總氮含量TN指標要求。2）在采用多段A2/O污水處理工藝處理前，進水口的污水總磷含量TP質(zhì)量濃度的變化范圍位于3.5 mg/L～6.0 mg/L，經(jīng)過段A2/O污水處理工藝深度除磷處理后，水體中的總磷質(zhì)量濃度大幅度降低，變化區(qū)間位于0.1 mg/L～0.3 mg/L，滿足表2中約束性出水總磷含量TP指標要求。3）隨著時間的增加，磷酸根的質(zhì)量濃度呈對數(shù)增加的趨勢，而釋磷速率呈現(xiàn)線形增加后對數(shù)降低的趨勢；將缺氧區(qū)和好氧區(qū)的吸磷速率進行對比，結(jié)果表明，隨著時間的增加，好氧區(qū)和缺氧區(qū)的吸磷速率均呈現(xiàn)對數(shù)降低的趨勢，且好氧區(qū)的吸磷速率比缺氧區(qū)的吸磷速率略大。