污水處理廠(chǎng)AAOA-MBR工藝硝態(tài)氮濃度計(jì)算及對(duì)設(shè)計(jì)的影響分析

柳 巖，劉建軍，牛和昕，尤 穎，祁 譽(yù)

(北京碧水源科技股份有限公司，北京 102206)

近年來(lái)，對(duì)于進(jìn)水TN高、出水TN要求嚴(yán)格的污水處理廠(chǎng)的工藝選擇上，在原AAO工藝后加缺氧池及MBR系統(tǒng)，組成AAOA-MBR工藝，得到廣泛應(yīng)用[1-3]。由于AAOA-MBR工藝各單元間存在三級(jí)回流，較為復(fù)雜，且反硝化回流是從好氧池末端回流而不是從系統(tǒng)末端回流，不能參照傳統(tǒng)AAO工藝按照出水所含硝態(tài)氮濃度粗略計(jì)算硝化液回流量，而對(duì)此回流系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算分析鮮有報(bào)道。對(duì)于缺氧池至厭氧池的除磷需求的回流，目前大部分報(bào)道為后缺氧回流至厭氧池，而前缺氧池也可作為起始點(diǎn)，該回流起始點(diǎn)的選擇會(huì)直接影響到生物除磷效果，但無(wú)報(bào)道分析說(shuō)明原因。

本文通過(guò)對(duì)AAOA-MBR工藝各單元(厭氧、缺氧、好氧、后缺氧、膜池)硝態(tài)氮濃度的計(jì)算分析，準(zhǔn)確得到反硝化回流量，正確選擇缺氧池至厭氧池的起始回流點(diǎn)，為本工藝合理設(shè)計(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行提供支持。

1 項(xiàng)目背景

山西省某污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，原設(shè)計(jì)出水為《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。其中一期設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d，采用奧貝爾氧化溝工藝，二期設(shè)計(jì)規(guī)模為5萬(wàn)m3/d，采用AAO工藝。山西省出臺(tái)污水處理廠(chǎng)排放新地標(biāo)，污水處理廠(chǎng)出水主要指標(biāo)需達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(TN除外)，所以需要進(jìn)行提標(biāo)改造。

按照新進(jìn)出水水質(zhì)核算，原有生化系統(tǒng)只能處理6萬(wàn)m3/d水量，同時(shí)受二沉池表面負(fù)荷限制，僅在原構(gòu)筑物上進(jìn)行改造難度較大，故生化系統(tǒng)需原廠(chǎng)新增擴(kuò)容4萬(wàn)m3/d。由于現(xiàn)況進(jìn)水各水質(zhì)指標(biāo)比原設(shè)計(jì)提升較多，且新出水標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，結(jié)合廠(chǎng)內(nèi)用地情況，采用占地省、效果好的AAOA-MBR工藝，預(yù)處理等構(gòu)筑物沿用原有設(shè)施。

2 進(jìn)出水水質(zhì)

根據(jù)現(xiàn)況進(jìn)水水質(zhì)，本次設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)濃度比原設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)大幅增加，出水指標(biāo)除TN外均需滿(mǎn)足地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)(TN≤10 mg/L)，具體如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

3 AAOA-MBR系統(tǒng)工藝流程

在傳統(tǒng)AAO工藝基礎(chǔ)上，增加后缺氧及膜出水段，在后缺氧段投加碳源，用于進(jìn)一步去除TN，膜池單元用于放置膜組器，同時(shí)膜吹掃曝氣系統(tǒng)能夠使膜池內(nèi)產(chǎn)生較高濃度溶解氧，可用于剩余碳源分解及好氧環(huán)境排泥，保證CODCr達(dá)標(biāo)及提高生物除磷效率。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

自前端預(yù)處理后，污水進(jìn)入?yún)捬醭谹1，與來(lái)自缺氧池A2的回流液R1充分混合，聚磷菌的厭氧釋磷聚能在A1內(nèi)完成。

污水進(jìn)入A2后，與來(lái)自好氧池O1末端的回流液R2充分混合，A2內(nèi)的反硝化去除TN量為BOD5進(jìn)水/4，則其余TN需要在后缺氧池A3內(nèi)通過(guò)外加碳源去除。

接著，污水進(jìn)入O1，完成CODCr的去除及硝化作用，回流液R3有兩個(gè)作用，一是維持O1內(nèi)較高的污泥濃度，二是將膜池O2內(nèi)的溶解氧攜帶到O1池進(jìn)行利用，節(jié)約一定曝氣能源。

然后，污水進(jìn)入A3，此池內(nèi)原污水?dāng)y帶的BOD5基本已經(jīng)在O1內(nèi)消耗殆盡，但TN指標(biāo)仍不滿(mǎn)足出水要求，所以需要在A3加入適量碳源。

之后污水進(jìn)入O2，曝氣好氧環(huán)境一方面消耗添加的碳源，確保出水CODCr達(dá)標(biāo)，另一方面使剩余污泥在好氧條件下排出，保證微生物體內(nèi)磷不釋放，加強(qiáng)生物除磷效果。

4 氮污染物濃度分析計(jì)算

目前，污水處理廠(chǎng)反硝化脫氮過(guò)程一般需要通過(guò)好氧池回流硝化液至缺氧池進(jìn)行，硝化液回流量過(guò)少則不能達(dá)到脫氮效果，過(guò)多則會(huì)增加溶解氧的攜帶量而浪費(fèi)大量碳源。因此，好氧池O1末端的硝態(tài)氮濃度需要準(zhǔn)確計(jì)算，從而準(zhǔn)確設(shè)計(jì)硝化液回流量。

缺氧池至厭氧池的回流過(guò)程，起始點(diǎn)位可為前缺氧池A2末端或者后缺氧池A3末端，為了盡量減少對(duì)厭氧釋磷環(huán)境的破壞，需要準(zhǔn)確計(jì)算二者的硝態(tài)氮(化合態(tài)氧)濃度，以硝態(tài)氮較低者作為回流點(diǎn)。

4.1 相關(guān)參數(shù)

根據(jù)工程具體情況，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design Parameters

來(lái)水充分與污泥混合保證厭氧池具有一定的污泥濃度，取R1為200%。維持生化階段較高的污泥濃度，并將膜池內(nèi)大量溶解氧輸送至好氧池前端，取R3為500%。根據(jù)室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[4]留有一定設(shè)計(jì)余量，按照BOD5/TN=4進(jìn)行脫氮所需碳源計(jì)算。

4.2 分析計(jì)算

4.2.1 總?cè)コ糠治?/p>

本文計(jì)算分析過(guò)程中，為設(shè)計(jì)留有余量，忽略污泥同化作用及預(yù)處理去除的少量TN及BOD5。則TN去除量計(jì)算如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

ΔTN3=3 200-2 100=1 100 (kg/d)

(3)

其中：ΔTN1——TN總?cè)コ?，kg/d；

ΔTN2——缺氧池A2的TN去除量，kg/d；

ΔTN3——后缺氧A3的TN去除量，kg/d；

N0——系統(tǒng)總進(jìn)水TN質(zhì)量濃度，mg/L；

Ne——系統(tǒng)總出水TN質(zhì)量濃度，mg/L；

Q——進(jìn)水總量，m3/d；

S0——系統(tǒng)總進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度，mg/L。

4.2.2 各單元實(shí)際流量分析

由于各級(jí)回流的影響，各處理單元內(nèi)實(shí)際流量差異較大，設(shè)計(jì)過(guò)程中各單元污染物濃度需要經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出。由圖1可知，厭氧池A1進(jìn)水流量及出水流量均為(R1+1)Q；缺氧池A2進(jìn)水流量為(R1+R2+1)Q，出水流量為(R2+1)Q；好氧池O1進(jìn)水流量為(R2+R3+1)Q，出水流量為(R3+1)Q；后缺氧池A3進(jìn)水流量與出水流量均為(R3+1)Q；膜池O2進(jìn)水流量為(R3+1)Q，出水流量為Q，相應(yīng)結(jié)果如表3所示。R1與R3為上述分析確定值，R2為未知值，需要后續(xù)計(jì)算分析得出。

表3 各單元實(shí)際流量Tab.3 Actual Flow of Each Unit

4.2.3 好氧池O1末端硝態(tài)氮濃度及R2值分析計(jì)算

當(dāng)A2內(nèi)反硝化所要去除的TN總量一定時(shí)，O1末端回流至A2前端的硝化液濃度與回流量乘積一定，所以準(zhǔn)確計(jì)算好氧池O1末端的硝態(tài)氮濃度對(duì)于確定R2的設(shè)計(jì)值至關(guān)重要。

由圖1可知，好氧池O1末端硝態(tài)氮濃度與后缺氧池A3始端硝態(tài)氮濃度相同。

由于膜池出水TN濃度即為工藝出水，要求質(zhì)量濃度小于10.00 mg/L，后缺氧池A3末端TN質(zhì)量濃度也為10.00 mg/L。后缺氧池A3的起始端與末端TN濃度差與池內(nèi)實(shí)際流量的乘積即為后缺氧A3的TN去除量，如式(4)。

ΔTN3=(R3+1)Q(NA3o-Ne)

(4)

其中：NA3o——后缺氧A3的進(jìn)水TN質(zhì)量濃度，mg/L。

由前述分析可知，ΔTN3為1 100 kg/d；Ne為10.00 mg/L；R3、Q為已知量，代入可得NA3o為14.58 mg/L。則在R2回流硝化液中，TN濃度減去氨氮質(zhì)量濃度(1.50 mg/L)，硝態(tài)氮濃度N′A3o可認(rèn)為是13.08 mg/L。

則根據(jù)R2回流硝態(tài)氮濃度及在缺氧池A2中TN的去除量，可以得出R2的計(jì)算值，即R2=(ΔTN2/Q)/N′A3o=401%。則計(jì)算回流比R2選取為400%，設(shè)計(jì)時(shí)可留有一定余量，回流設(shè)備變頻調(diào)速，以便適應(yīng)季節(jié)更替等原因造成的水質(zhì)較大波動(dòng)。

4.2.4 缺氧池A2末端與后缺氧池A3末端硝態(tài)氮濃度分析

由4.2.3小節(jié)計(jì)算分析可知，保證合理回流比R2時(shí)，O1末端回流的硝態(tài)氮經(jīng)過(guò)缺氧池A2的反硝化作用基本去除，理想狀態(tài)可認(rèn)為A2末端硝態(tài)氮濃度趨近于0。

由圖1可知，后缺氧池A3末端硝態(tài)氮與膜池O2硝態(tài)氮質(zhì)量濃度相同，為8.50 mg/L。

5 結(jié)果討論

5.1 R1回流起始點(diǎn)分析

本次設(shè)計(jì)R1從缺氧池A2末端回流至厭氧池A1，也有文獻(xiàn)報(bào)道R1從后缺氧池A3末端回流至厭氧池A1[1,5]。

由上述計(jì)算分析可知，本項(xiàng)目缺氧池A2末端的硝態(tài)氮含量為0，而后缺氧池A3末端硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為8.50 mg/L。硝態(tài)氮作為化合態(tài)氧回流至厭氧池將會(huì)破壞厭氧環(huán)境，影響聚磷菌釋磷聚能過(guò)程[6]，所以本設(shè)計(jì)從A2末端回流更佳。

5.2 R2回流比取值分析

根據(jù)4.2.3小節(jié)計(jì)算可知，好氧池O1末端的硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為13.08 mg/L，計(jì)算R2值為400%。而如果將好氧池O1末端硝態(tài)氮質(zhì)量濃度認(rèn)為是出水的8.50 mg/L，則計(jì)算R2值為617%，計(jì)算值過(guò)大。由此可知，回流中硝態(tài)氮濃度大小對(duì)回流量取值有較大影響，而本工藝中硝態(tài)氮回流濃度不能按照傳統(tǒng)AAO工藝計(jì)算。

回流攜帶溶解氧可以消耗缺氧池中碳源，造成碳源的浪費(fèi)。R2過(guò)大會(huì)造成進(jìn)水在缺氧池中實(shí)際停留時(shí)間變短，雖然硝態(tài)氮在缺氧池A2中的理論停留時(shí)間相同，但進(jìn)水中可用于反硝化作用的有機(jī)物會(huì)因來(lái)不及用于反硝化作用而進(jìn)入好氧池O1內(nèi)被消耗，同樣造成碳源和能源浪費(fèi)。

同樣，R2值不宜過(guò)小。進(jìn)水中的碳源在缺氧池A2中用于反硝化，R2過(guò)小則進(jìn)水中的碳源不能得到充分利用，同樣造成碳源的浪費(fèi)。

6 AAOA-MBR工藝設(shè)計(jì)

6.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工藝按照4.2.3小節(jié)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本期工程設(shè)生化池+MBR組合池1座，分為2組，其余設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

生化系統(tǒng)：理論停留時(shí)間為22.5 h，其中厭氧池為2.0 h，缺氧池為7.5 h，好氧池為8.0 h，后缺氧池為4.0 h，膜池為1.0 h；氣水比為8.64∶1.00；膜池污泥質(zhì)量濃度為10.00 g/L，好氧池污泥質(zhì)量濃度為8.33 g/L。

膜系統(tǒng)：膜材質(zhì)為聚偏氟乙烯(PVDF)，采用浸沒(méi)式中空纖維膜，平面膜孔徑為0.1 μm，單個(gè)膜組器膜面積為2 100 m2，共有8個(gè)膜池廊道，設(shè)備總數(shù)量為48套，平均膜通量為16.65 L/(m2·h)。

6.2 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算分析，本次設(shè)計(jì)與之前報(bào)道的AAOA-MBR工藝設(shè)計(jì)不同之處如下。

(1)根據(jù)4.2.3小節(jié)硝化液回流量R2計(jì)算，設(shè)置回流泵及變頻調(diào)節(jié)回流渠，為便于監(jiān)管及調(diào)節(jié)，在回流渠上設(shè)置渠道流量計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，回流泵選型需避免直接按照出水硝態(tài)氮計(jì)算而導(dǎo)致余量過(guò)大，造成碳源浪費(fèi)及反硝化不徹底，同時(shí)避免因缺少回流流量檢測(cè)而導(dǎo)致調(diào)節(jié)的盲目性。

(2)依據(jù)前述計(jì)算與回流設(shè)計(jì)，可保證缺氧池A2末端硝態(tài)氮濃度基本為0，則R1回流起始端可選擇缺氧池A2末端，避免從后缺氧池A3末端回流攜帶較多硝態(tài)氮(化合態(tài)氧)破壞厭氧池A1釋磷環(huán)境。

6.3 設(shè)計(jì)調(diào)整可行性分析

設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)及出水要求對(duì)工藝及計(jì)算分析進(jìn)行靈活調(diào)整?；亓髁縍2可通過(guò)變頻調(diào)速水泵調(diào)節(jié)流量，運(yùn)行過(guò)程中可根據(jù)實(shí)測(cè)水質(zhì)及本文計(jì)算作為依據(jù)對(duì)R2進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對(duì)季節(jié)性較大水質(zhì)變化。

后缺氧池A3前段部分可設(shè)置曝氣缺氧切換，以便調(diào)整硝化與反硝化過(guò)程的時(shí)間比例。靈活設(shè)置碳源加藥點(diǎn)，設(shè)置可調(diào)加藥量，可應(yīng)對(duì)各參數(shù)改變帶來(lái)的不同加藥需求。根據(jù)本文提出的計(jì)算思路，設(shè)計(jì)過(guò)程中可針對(duì)不同項(xiàng)目進(jìn)水水質(zhì)及出水要求，靈活調(diào)整各設(shè)計(jì)參數(shù)以應(yīng)對(duì)不同需求。

7 調(diào)試運(yùn)行結(jié)果分析

本項(xiàng)目于2021年調(diào)試完畢正式運(yùn)行，AAOA-MBR系統(tǒng)在2021年9月—12月的出水具體指標(biāo)如表4所示。本項(xiàng)目冬季進(jìn)水水質(zhì)濃度為全年最高，水溫全年最低，故冬季運(yùn)行條件最?lèi)毫?，本時(shí)間段運(yùn)行數(shù)據(jù)具有較高代表性。

表4 實(shí)際運(yùn)行進(jìn)出水水質(zhì)Tab.4 Actual Operation Water Quality of Influent and Effluent

為了與計(jì)算結(jié)果互相驗(yàn)證，在出水各指標(biāo)均達(dá)標(biāo)的運(yùn)行工況下，選取進(jìn)水BOD5濃度有明顯差異的生產(chǎn)日，同時(shí)監(jiān)測(cè)好氧池O1末端硝態(tài)氮濃度，結(jié)果如表5所示。由表5可知，實(shí)際出水硝態(tài)氮濃度較低，好氧池O1末端硝態(tài)氮濃度高于總出水硝態(tài)氮濃度，用來(lái)計(jì)算R2回流比較為合理。

表5 O1末端與出水硝態(tài)氮濃度對(duì)比Tab.5 Comparison of Nitrate Nitrogen Concentration between O1 End and Effluent

8 結(jié)論

本文在實(shí)際工程案例基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)AAOA-MBR工藝研究計(jì)算分析，為后續(xù)該工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供支持。

(1)本工藝R1回流起始端選前缺氧A2池末端為最優(yōu)，后缺氧池A3末端硝態(tài)氮濃度較高，會(huì)破壞厭氧池A1的厭氧環(huán)境，不適合作為R1的回流起始點(diǎn)。

(2)本工藝各單元因回流級(jí)數(shù)較多，回流量復(fù)雜，好氧池O1末端至缺氧池A2前端的回流R2不能按照出水中的硝態(tài)氮濃度粗略計(jì)算，需要準(zhǔn)確計(jì)算好氧池末端的硝態(tài)氮濃度，據(jù)此計(jì)算回流R2。

(3)R2需根據(jù)實(shí)際水質(zhì)計(jì)算調(diào)整，過(guò)大則會(huì)由于攜帶的溶解氧造成碳源浪費(fèi)，同時(shí)多余回流量造成能源浪費(fèi)；過(guò)小則缺氧池A2中反硝化作用不能充分利用進(jìn)水中的碳源，同樣造成碳源浪費(fèi)。

(4)本工藝運(yùn)行中，可根據(jù)實(shí)際進(jìn)水季節(jié)變化情況計(jì)算調(diào)整回流量等運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化運(yùn)行。