多級A/O工藝設計及其在應急污水處理工程中的應用

熊 超，胡練偉，龍 波，王 偉

(中建環(huán)能科技股份有限公司，成都 610045)

引 言

由于城市排水體制和管網設施不完善，污水溢流導致的水污染問題在城市區(qū)域仍普遍存在[1]。作為傳統(tǒng)污水處理廠建設期內不可替代的過渡措施，應急污水處理工程在控源截污方面發(fā)揮了巨大作用。城市應急污水處理項目往往建設周期短、占地面積小、運行年限短，需采用可快速啟動、經濟可靠的處理工藝和設施，并達到較高的出水標準[2]。

隨著國家對于水環(huán)境的要求日益嚴格，污水處理廠出水標準不斷提升，現(xiàn)階段的新(改、擴)建污水處理廠需達到一級A標準，部分地區(qū)需要達到Ⅳ類水質標準[3]。為解決高標準排放的問題，選擇高效的脫氮除磷工藝是關鍵。多級A/O工藝可以更加合理地分配有機物負荷，充分利用碳源，提供良好的脫氮環(huán)境，因而具有高效的處理效率，近年來在傳統(tǒng)污水廠的提標改造中已經逐漸被推廣和應用[4]。已有研究主要對多級A/O脫碳及脫氮除磷的效果進行分析，而具體的設計案例及其在應急污水處理工程中的應用卻鮮有報道。

資陽市一直在穩(wěn)步推進河道整治、雨污分流、新建污水處理廠等綜合治理工作，但短期內難以迅速完成并發(fā)揮作用。本項目為解決資陽市市政污水溢流問題，生化處理采用多級A/O工藝，并進行了工藝設計和數(shù)據(jù)分析，以期為國內應急污水處理廠的建設提供案例參考。

1 工程概況

1.1 設計水量和水質

本應急污水處理項目占地面積為4928 m2(約7.4畝)，用于處理市政管網溢流的生活污水。項目設計處理規(guī)模為5000 m3/d(變化系數(shù)1.2，即最大處理能力6000 m3/d)，設計服務年限為2年。經歷史數(shù)據(jù)調研和水樣化驗數(shù)據(jù)確定設計進水水質，出水水質執(zhí)行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB51∕2311-2016)。項目設計進、出水水質如表1所示。

表1 設計進、出水水質及去除率Tab.1 Design influent quality，effluent quality and removal rate

1.2 主體工藝選擇

該項目的進水含有部分工業(yè)廢水，其CODCr和TN的含量相較于常規(guī)生活污水偏高。在進行工藝選擇時，充分了考慮本項目的占地面積、污染物去除率、投資成本及建設周期等因素。多級A/O工藝作為高效脫氮除磷工藝，與傳統(tǒng)A2O工藝相比，其系統(tǒng)簡單，同時對去除CODCr和TN有更好的效果。在深度除磷方面采用磁混凝沉淀工藝，其占地面積比傳統(tǒng)高密沉淀池更小，而且對于TP和SS的去除具有高效性[5]。

考慮本次工程為臨時應急污水處理工程，選擇了建造速度快、建設成本較低的裝配式技術進行主體構筑物的快速搭建。裝配式技術不僅可滿足應急項目對于工期和質量的要求，在項目服務期滿后有利于設備拆除和材料回收利用[6]。

1.3 設計工藝流程(圖1)

圖1 本項目工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of emergency sewage treatment project

根據(jù)本項目的水質特點，采用“預處理+兩級A/O+磁混凝沉淀+紫外線消毒”工藝，對各類污染物進行去除。預處理采用粗、細格柵，去除污水中的漂浮物和部分懸浮物；二級處理采用兩級A/O工藝，對CODCr、氨氮和TN等污染物進行去除；深度處理采用磁混凝沉淀，進一步降低出水的TP和SS。深度除磷后的出水進入紫外線消毒系統(tǒng)，使糞大腸桿菌指標滿足排放要求。

2 多級A/O工藝設計

2.1 多級A/O原理及特點

多級A/O工藝由多個串聯(lián)A/O組成，污水按一定比例從各個缺氧池進入。二沉池的污泥回流至第一級缺氧池，污泥可在各級A/O之間形成一定的濃度梯度[7]。典型的分段進水多級A/O工藝流程如圖2所示。

A：缺氧，O：好氧圖2 多級A/O工藝原理圖Fig.2 Schematic diagram of multistage A/O process

多級A/O工藝從缺氧段進水，為上一段好氧區(qū)的硝化液提供反硝化碳源，理論上無需硝化液回流系統(tǒng)即可實現(xiàn)脫氮功能[8]。多級A/O工藝提供了更適合聚磷菌、硝化菌及反硝化菌生長繁殖的環(huán)境，具有污染物處理效果好、建造及運行成本低等優(yōu)點。

2.2 反應器的級數(shù)

多級A/O工藝的反應器級數(shù)直接影響到整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和脫氮效率。反應器級數(shù)越多，脫氮效率越高，但工藝設計和運營維護也越復雜。反應器級數(shù)可參考式(1)或式(2)進行計算[9-10]。

n=log(1-En)/log(1-E)

(1)

式中，En為BOD5總去除效率；E為每個A/O反應器對BOD5的去除效率；n為A/O反應器的級數(shù)。

n=1/[(1-η)/(1+R)]

(2)

式中，η為總氮的去除率；R為第一級缺氧區(qū)污泥回流比；

根據(jù)式(1)，BOD5去除效率En為96.7%，E可取85%，計算出反應級數(shù)為n=1.8；根據(jù)式(2)，總TN目標去除率η為80%，R可取100%，計算出反應級數(shù)為n=2.5。在工程實際應用中多級A/O多采用2～4級[9]。由于本項目為臨時應急項目，宜考慮節(jié)省占地和工藝簡化。因此，確定本項目多級A/O反應器級數(shù)為2級。

2.3 反應器池容和停留時間

多級A/O的池容可通過分別計算各級A/O反應器的容積確定[10-11]，也可通過計算總池容后進行容積分配[9，11]。該項目總池容的計算參考式(3)，各池容的分配比例取T(A1)∶T(O1)∶T(A2)∶T(O2)=1∶1.5∶1.5∶2.3。

(3)

式中，T為總水力停留時間，h；K為反應速率常數(shù)，mg/(g·h)；C0為進水有機物濃度，mg/L；Cn為出水有機物濃度，mg/L；

根據(jù)式(3)，反應器級數(shù)n=2，反應速率常數(shù)K一般取0.27 mg/(g·h)，進水有機物濃度為500 mg/L，出水有機物濃度為30 mg/L，計算得總停留時間為T=22.83h。進一步計算出各池停留時間分別為3.65h、5.48h、5.48h和8.22h，各池有效池容分別為761m3、1142m3、1142m3和1712m3。

2.4 流量分配比

在實際工程應用中，有等比例進水和自由比例進水兩種形式。進水有機物主要用于反硝化上一段產生的硝態(tài)氮，王舜和等[8]研究指出每段的進水量存在如下比例關系：

(4)

式中，a1為第一段進水比例；a2為第二段進水比例；k為反硝化單位硝態(tài)氮所需的有機物量，理論計算值為2.86；CTKN為進水凱氏氮濃度，可取CTKN≈CTN，mg/L；CCOD為進水COD濃度，mg/L；

根據(jù)式(4)，計算出a2/a1=0.29。因a1+a2=100%，可得a1=77.8%，a2=22.2%。H.Y.C等[12]對兩級A/O的工況流量分配比進行實驗，發(fā)現(xiàn)流量分配比從9∶1變?yōu)?∶3時，系統(tǒng)對凱氏氮的去除率提高了12.15%。劉長榮等[10]指出，在計算流量比例時，可設定末段流量比例為30%。因此，該項目在設計時，實際采用的流量分配比為a1∶a2=7∶3。

2.5 污泥回流比

對于兩級A/O工藝，常規(guī)設計將二沉池中回流污泥回流至系統(tǒng)首端，即第一級缺氧段前端。全系統(tǒng)污泥量守恒，則污泥濃度和回流比存在如下關系：

R×Q×Xr=(1+R)×Q×X

(5)

式中，Xr為回流污泥濃度，mg/L；R為污泥回流比；X為混合液污泥濃度，mg/L；Q為設計進水流量，m3/d。

根據(jù)式(5)，混合液污泥濃度X取4000 mg/L，回流污泥濃度Xr取8000 mg/L，計算出污泥回流比為R=100%。王偉等[13]研究表明，分段進水A/O工藝脫氮回流比宜為75%～100%。因此，該項目設計污泥回流比為100%。

2.6 參數(shù)校核及物料衡算

2.6.1 脫氮效率

假設硝化產生的硝態(tài)氮在隨后的缺氧段完全反硝化，則工藝最后出水硝態(tài)氮的含量僅與末端進水比例有關。則理論脫氮效率[8]可表示為：

(6)

式中：η為最大理論脫氮效率，mg/L；a2為第二段進水比例；r為污泥回流比。通過式(6)計算出最大理論脫氮效率為85%，大于該工藝段的目標脫氮效率80%，校核通過。

b、退出保護裝置中控制回路斷線告警H92保護定值。需出新定值單，將 H92 控制回路斷線告警由ON改為OFF。此時控制回路斷線由位置接點的硬接點信號W135上送后臺，保護裝置邏輯不再判控制回路斷線。

2.6.2 BOD5污泥負荷及脫氮負荷

BOD5污泥負荷及脫氮負荷參考式(7)進行計算。

(7)

式中：Ls為負荷指數(shù)；Q為進水流量，m3/d；S0為污染物進水濃度，m3/d；V為反應池容積，m3。

表2 BOD5污泥負荷及脫氮負荷校核表Tab.2 Sludge load and nitrogen removal load of BOD5

由表2可見，第一級A/O的BOD5污泥負荷、脫氮負荷以及第二級A/O的脫氮負荷滿足規(guī)范要求。第二級A/O的BOD5污泥負荷偏低，可通過調整流量分配或投加碳源進行調節(jié)。

2.6.3 理論物料衡算

根據(jù)各工藝段的參考去除率，對本項目主要污染指標進行了物料衡算。如表3所示，通過“預處理+兩級A/O+磁混凝沉淀+紫外線消毒”工藝進行處理后，可基本滿足出水水質達標。

表3 本項目物料衡算表Tab.3 Material balance sheet of this project

3 多級A/O構筑物及其布置

3.1 主要構筑物及設備清單

兩級A/O工藝段的構筑物均采用拼裝罐結構，罐體底部做筏板基礎，具體構筑物及設備參數(shù)如下：

(1)一級A/O反應池1座，采用同心圓布置，內圈(缺氧池)尺寸為φ13.28×6.00 m，外圈(好氧池)尺寸為φ20.99×6.00 m，有效水深5.5m。缺氧池內設置潛水推流器2臺，N=3.0kW；好氧池內設置潛水推流器2臺，N=4.0kW；內回流泵采用1臺管式推流泵，流量Q=416m3/h，揚程H=1.0m，N=4.0kW；配套羅茨風機1臺，Q=21.92m3/min，P=63.7kpa，N=45kW；好氧池內布置微孔曝氣器，φ260mm，ABS+EPDM材料，604套。

(2)二級A/O反應池1座，采用同心圓布置，內圈(缺氧池)尺寸為φ16.26×6.00 m，外圈(好氧池)尺寸為φ25.71×6.00 m，有效水深5.5m。缺氧池內設置潛水推流器2臺，N=3.0kW；好氧池內設置潛水推流器2臺，N=4.0kW；內回流泵采用1臺管道推流泵，流量Q=416m3/h，揚程H=1.0m，N=4.0kW；配套羅茨風機1臺，Q=28.35m3/min，P=63.7kpa，N=55kW；好氧池內布置微孔曝氣器，φ260mm，ABS+EPDM材料，900套。

(3)二沉池1座，尺寸為φ17.42×4.00 m，有效水深3.5m。配半橋式刮泥機1臺，線速度v=1.0m/min，N=0.37kW；污泥回流泵2臺，Q=300m3/h，H=7.0m，N=11kW。

3.2 多級A/O內部結構布置(圖3)

一級A/O反應器和二級A/O反應器均為拼裝罐形式，通過高強度螺栓進行罐體連接。拼裝罐體具有很好的裝配性能，既有利于本項目構筑物的快速搭建，也利于項目結束后拆卸到其他項目上使用。各級缺氧池和好氧池為同心圓布置(外圈為好氧池，內圈為缺氧池)，以減小系統(tǒng)占地面積。一級缺氧池和二級缺氧池的通過進水總管分點進水，二級缺氧池對應的進水分管上設置進水閥和電磁流量計，以靈活調整進水流量分配比。

污水進入缺氧池后，通過潛水推流器實現(xiàn)污水內圈環(huán)流。缺氧池污水再經下部過水孔進入好氧池，并在好氧池(外圈)形成環(huán)流。如此依次經歷缺氧/好氧、缺氧/好氧的環(huán)境，充分進行硝化和反硝化過程后通過二沉池進行泥水分離。

圖3 多級A/O工藝平面布置圖(以一級A/O為例)Fig.3 Layout plan of multistage A/O process (with one-stage A/O process as an example)

3.3 多級A/O與巴顛甫工藝的切換

傳統(tǒng)的兩級A/O工藝不能充分利用第一段的缺氧池功能，為進一步提高脫氮效率，可設置硝化液回流[10]。本項目在兩級缺氧池罐壁進行開孔，通過布置管式推流裝置實現(xiàn)內回流，即實施形式如圖4所示。

圖4 本項目多級A/O實現(xiàn)形式Fig.4 Flow chart of multistage A/O process of this project

即當兩級硝化液回流關閉時，該工藝可作為兩級A/O工藝運行；當?shù)诙壢毖醭剡M水關閉，且第二級缺氧池硝化液回流關閉時，改工藝可作為傳統(tǒng)巴顛甫(Bardenpho)工藝運行。該項目在實際運行期間，采用的分段進水(進水比例為7∶3)，開啟兩級硝化液回流的形式。本項目運行期間可靈活調整進水分配比例，并且切換工藝的運行方式，以較好的適應水量和水質的變化。

4 運行效果及成本分析

4.1 建設效果

該項目從設計到施工完成全線通水僅80天，實際建設效果如圖5所示。兩級A/O系統(tǒng)、磁混凝系統(tǒng)和污泥濃縮池采用預制裝配式安裝，風機房、脫泥間、配電房、機修間及綜合樓采用輕鋼結構。各構筑物均進行了外噴漆防護，廠區(qū)內的道路布置合理，綠化感官效果較好。

圖5 本項目建設效果圖Fig.5 Rendering of this project

4.2 水質分析

對2022年9月～2023年3月的水質進行了連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測結果表5所示，出水指標穩(wěn)定達到了《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB51∕2311-2016)，CODCr、TP和TN的去除率分別為96.6%、97.6%和87.2%。其中的TN去除率高于理論脫氮效率(85%)，表明設置好氧池硝化液回流，使兩級A/O工藝對的TN去除能力得到了強化。

表5 項目進出水水質及去除率Tab.5 Influent quality，effluent quality and removal rate (mg/L)

4.3 成本分析

以2022年9月～2023年3月的運行數(shù)據(jù)進行運行成本分析，日平均進水量為4514 m3/d，實際運行負荷為90%。本項目主要費用如表6所示。

表6 項目運行成本分析表Tab.6 Project operating cost

5 結 論

(1)對本項目多級A/O進行了工藝設計，并進行了參數(shù)校核和物料衡算。計算結果表明，本項目反應器級數(shù)宜采用2級，流量分配比宜為7∶3，污泥回流比宜為100%。

(2)“兩級A/O+磁混凝沉淀”工藝在本項目實現(xiàn)了較好的運行效果，出水指標均滿足《四川省岷江、沱江流域水污染物排放標準》(DB51∕2311-2016)，CODCr、TP和TN的去除率分別為96.6%、97.6%和87.2%。

(3)在進行工藝設計時，考慮了一定的工藝優(yōu)化。通過設置硝化液回流，進一步發(fā)揮了前置缺氧池的脫氮能力，使兩級A/O工藝的去除效率得到了強化。

(4)本項目服務期限為2年，采用裝配式技術有利于后期設備拆除及回收利用。二級處理所采用的兩級A/O工藝具有一定的推廣應用前景，可為以后類似應急項目提供案例支撐。