基于物料流的污水處理廠碳、氮、磷平衡分析

基于物料流的污水處理廠碳、氮、磷平衡分析

碳（cod）、氮、磷材料平衡分析是評(píng)價(jià)污水處理廠運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的有效方法。材料流反應(yīng)整個(gè)污水處理廠的操作效率和處理效率。在材料流的基礎(chǔ)上，分析了該工藝的二次生物處理的能量平衡，并根據(jù)溶解ao工藝獲得輸入能量。能量方向反應(yīng)出廢水處理過(guò)程中的能量利用效率，為達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠提供思路。在達(dá)到廢水標(biāo)準(zhǔn)的前提下，應(yīng)制定減少污染帶的方案。本研究對(duì)北京某城市污水處理廠的生物處理各反應(yīng)段及二沉池單元出水的一個(gè)序列COD、N-NH4、N-NOx、TP、P-PO4、SS、堿度、TN和DO等指標(biāo)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)試驗(yàn),在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)污水廠基本處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行,基于試驗(yàn)結(jié)果和簡(jiǎn)化假設(shè),通過(guò)物料衡算對(duì)物料流向及能量流向進(jìn)行分析。1材料和方法1.1日處理的流量該污水廠采用缺氧-厭氧-好氧工藝,日處理量20萬(wàn)t,污水用配水器通過(guò)鋼管分配進(jìn)入曝氣池,曝氣池分為4個(gè)系列,每系列由3個(gè)長(zhǎng)156m的廊道組成,其中缺氧區(qū)位于第1廊道,長(zhǎng)51m,緊接著是厭氧區(qū),長(zhǎng)85.9m,然后是好氧區(qū),長(zhǎng)331.1m,每系列日處理流量5萬(wàn)t/d,平均停留時(shí)間13.5h,二沉池為平流式,停留時(shí)間5.5h。該廠在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有內(nèi)回流,為非典型的倒置AAO工藝,二沉池回流污泥回流至缺氧段。1.2ao工藝進(jìn)出水處理工藝在本研究中采樣點(diǎn)設(shè)在曝氣沉砂池出水即倒置AAO工藝進(jìn)水,缺氧區(qū)、厭氧區(qū)和好氧區(qū)末端以及二沉池出水處,除N-NO3用離子色譜測(cè)定外其他各種物質(zhì)含量的測(cè)定均采用標(biāo)準(zhǔn)方法。2結(jié)果與討論2.1cod、n的平衡式碳的平衡一般用COD的平衡來(lái)描述,對(duì)碳平衡的準(zhǔn)確掌握有助于掌握污泥負(fù)荷、所需供氧量等重要工藝控制參數(shù),COD的平衡可用圖1表示。在活性污泥系統(tǒng)中,降解碳物質(zhì)不僅發(fā)生在有氧條件下,有時(shí)硝酸鹽也會(huì)作為電子受體,硝酸鹽呼吸可以通過(guò)反硝化的量計(jì)算出來(lái)。所以:OUC=OUC,O2+OUC,ND(1)OUC,ND=2.86Mdent,T(2)OUC,O2=OOU×Vaer×24-4.57×ONO3(3)式中:OUC,OUC,ND,OUC,O2,分別為有機(jī)底物轉(zhuǎn)化為CO2的COD、電子受體為硝酸鹽時(shí)有機(jī)底物轉(zhuǎn)化為CO2的COD和以氧為電子受體時(shí)有機(jī)底物轉(zhuǎn)化為CO2的COD(kgCOD/d);Mdent,T為反硝化的氮總量(kgN/d);OOU,Vaer,ONO3分別為好氧池內(nèi)耗氧速率(O2mg/L·h)、好氧池體積(m3)和氨氮被硝化的量(kgN/d),所以在穩(wěn)態(tài)條件下COD的平衡式為(CODin、CODout分別為進(jìn)入、離開(kāi)系統(tǒng)的COD量):CODout=CODo+CODXEP+OUC(kg/d)(4)CODo=Qo×SCODi(kg/d)(5)式中:CODXEP=q×XV×fCVfCV為活性污泥中含COD的化學(xué)計(jì)量系數(shù);q,XV分別為剩余污泥體積(m3),剩余污泥VSS(g/m3);Qo,SCODi分別為單元出流流量(m3),出流COD濃度(g/m3);CODin=CODi+CODBA(kg/d)(6)式中:CODi表示進(jìn)水中的COD(kg/d);CODEXP表示剩余污泥排放的COD(kg/d);CODBA表示自養(yǎng)硝化菌在污水處理單元中的生長(zhǎng)量(kg/d)。在活性污泥單元中N的平衡可以用圖2表示。反硝化計(jì)算:在存在缺氧與厭氧的單元中,為了進(jìn)行COD、N的平衡必須通過(guò)硝酸鹽的平衡來(lái)確定在這些單元中被反硝化的量Mdent,T=Mdenit,anox+Mdenit,anaer(kg/d)(7)式(4)中Mdenit,anox表示缺氧池反硝化的量(kg/d),Mdenit,anaer表示厭氧池反硝化的量(kg/d)所以N的平衡式為(Nin、Nout分別為進(jìn)入、離開(kāi)系統(tǒng)的N的量):Nin=Sin,TN×Qin(kg/d)(8)Nout=MN,TN+MN,EXP+Mdenit,T(kg/d)(9)MN,EXP=q×XV×fNV(kg/d)(10)式中:fNV表示活性污泥中含N的化學(xué)計(jì)量系數(shù)(kgN/kgVSS);MN,TN表示出水中總氮的量(kg/d);MN,EXP表示剩余污泥中排出氮的量(kg/d)。不同于C與N,在污水處理系統(tǒng)中P不存在氣態(tài)化合物或單質(zhì),因而在開(kāi)放系統(tǒng)中,磷只能從剩余污泥中排除。這樣,在活性污泥系統(tǒng)中,進(jìn)入系統(tǒng)的磷的量應(yīng)該等于出水中的磷以及剩余污泥中的磷之和,P的平衡方程可用圖3表示。P的平衡式為:Min,TP=SPi×Qin(kg/d)(11)Mout,TP=SPo×Qo+PEXP(kg/d)(12)式中:Min,TP,Qin,SPo分別為進(jìn)入單元P的量(kg/d);單元入流流量(m3/d);入流P濃度(g/d)。Mout,TP,Qo,SPo分別為排出單元P的量(kg/d);單元出流流量(m3/d);出流P濃度(g/m3)。2.2有機(jī)材料、n和p的平衡和物流方案對(duì)該倒置AAO工藝進(jìn)行N、COD、P物料平衡所需運(yùn)行數(shù)據(jù)及工藝條件如表1所示。2.2.1廢水的處理和污染物對(duì)cod的去除的影響每天排除的剩余污泥中含有大量的COD,在污泥齡和污水特性一定的范圍內(nèi)揮發(fā)性懸浮固體與COD的化學(xué)計(jì)量系數(shù)fCV=1.48mgCOD/mgVSS,通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知,本工藝揮發(fā)性懸浮固體與懸浮性固體的比值f=VSSmg/SSmg=0.68,則每天剩余污泥排出COD的量為:CODEXP=f×q×XV×fCV=0.68×2450×4111×1.48=10136.4kgCOD/d(13)二沉池出水中COD的量為:CODo=(Q-q)×STe=(50000-2450)×40.4=1921.01kgCOD/d(14)根據(jù)式(1)有機(jī)底物轉(zhuǎn)化為CO2的COD:OUC=OUC,O2+OUC,ND=5469.8kgCOD/d根據(jù)式(4)從系統(tǒng)中排出的COD為:CODout=CODo+CODEXP+OUC=15608kgCOD/d(15)根據(jù)式(3)進(jìn)入系統(tǒng)的COD為:CODin=CODi+CODBA=20349+245.8=20594.8kgCOD/d(16)其中CODBA可由可以通過(guò)NO3-N變化的量計(jì)算自養(yǎng)菌的增長(zhǎng)得到。ηCOD=CODout/CODin=12820/20594.8=75.8%,可以看出在本倒置AAO工藝中有24.2%的COD平衡損失,損失的原因可能是在厭氧缺氧發(fā)酵階段產(chǎn)生了氣態(tài)的發(fā)酵產(chǎn)物揮發(fā)到空氣中(如甲醇、乙酸和其他揮發(fā)性酸),加拿大Dold進(jìn)行小試的結(jié)果表明,AAO工藝COD的平衡率在60%～70%之間。懸浮性COD在各反應(yīng)單元中吸附在活性污泥上,不便于測(cè)定,可以通過(guò)觀察溶解性COD在本試驗(yàn)各個(gè)單元中的變化來(lái)考察COD的降解情況,從圖4可知,在缺氧、厭氧、好氧池中0.45μ濾后COD分別下降18.5、11.6和14.5mg/L,在厭氧過(guò)程中溶解性COD下降的量占整個(gè)工藝溶解性COD下降量的35%。COD的平衡損失在厭氧過(guò)程占很大比重,在傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)中往往沒(méi)有考慮厭氧階段COD的平衡損失,導(dǎo)致好氧池體積和曝氣量的設(shè)計(jì)偏大,如果考慮COD在厭氧階段的損失就可能很大程度降低好氧池的建設(shè)費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用。2.2.2硝態(tài)氮含量的測(cè)定首先進(jìn)行反硝化運(yùn)算,在缺氧池中被反硝化的硝態(tài)氮為:Mdenitr,anox=(Q×Sin,NO+3+r×Q×Saerobic,NO+3)-(1+r)×Q×Sanoxic,NO+3=50000×1.476+0.57×50000×25.2-1.57×50000×2.01=634215gN/d(17)式(14)中:Sin,NO+3,Saerobic,NO+3,Sanoxic,NO+3分別表示進(jìn)水,好氧池末端,缺氧池末端硝態(tài)氮的含量在厭氧池中除去的硝態(tài)氮為:Mdenitr,anaer=(1+r)×Q×Sanoxic,NO+3-(1+r)×Q×Sanaerobic,NO+3=1.57×50000×2.01-1.57×50000×1.33=53380gN/d(18)式中:Sanoxic,NO+3,Sanaerobic,NO+3分別表示缺氧池末端,厭氧池末端硝態(tài)氮的含量。在本研究的倒置AAO工藝系統(tǒng)中被反硝化的硝態(tài)氮(包括厭氧池與缺氧池)的總和:Mdent,T=Mdenit,anox+Mdenit,anaer=687.631kgN/d(19)出水中的總氮為:MN,TN=(50000-2450)×32=1521.6kgN/d(20)試驗(yàn)表明,在一定的活性污泥齡范圍內(nèi)污泥中含N的比例化學(xué)計(jì)量系數(shù)為fNV=0.1mgN/mgVSS,則本工藝中剩余污泥排放N的量為:MN,EXP=f×q×XV×fNV=0.68×4111×2450×0.1=684.9kgN/d(21)從系統(tǒng)中排出N的總量為:Nout=MN,TN+MN,EXP+Mdenit,T=1521.6+684.9+687.631=2894.1kgN/d(22)進(jìn)入系統(tǒng)中N的總量為:50000×59.1=2955kgN/d,因而N在本工藝中的平衡百分比為:ηN=2894.1/2955=97.9%結(jié)果表明,N在該工藝中能得到很好的平衡,可以從圖5可知氮在經(jīng)過(guò)生物反應(yīng)后的物料流向,其中反硝化后排到空氣中N2占23.8%。2.2.3活性污泥單元p的降解每天進(jìn)水帶入系統(tǒng)TP量為:Min,TP=50000×6.5=325kgTP/d(23)在城市污水生物除磷系統(tǒng)中剩余污泥中TP磷的含量fP約占污泥總重的3%,則根據(jù)式(9)排出系統(tǒng)的TP為:Mout,TP=SPo×Qo+PEXP=(50000-2450)×0.43+2450×4113×3%=322.8kgTP/d(24)因而P在本工藝中的平衡百分比為:ηP=322.8/325=99.3%,P應(yīng)該在穩(wěn)定系統(tǒng)中得到很好的平衡結(jié)果,本研究中可能是因?yàn)槭Ｓ辔勰郥P含量取的是經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果而導(dǎo)致平衡不能完全閉合。進(jìn)入系統(tǒng)的TP經(jīng)過(guò)活性污泥單元反應(yīng)后,具體流向的分配可見(jiàn)圖6。從圖中可知P的除去主要依賴于剩余污泥排放,占到總量的91%。2.3生物處理系統(tǒng)的能量分析污水生物處理中微生物利用污水中的有機(jī)物或營(yíng)養(yǎng)底物,有機(jī)污染物一部分與以分子氧或硝酸鹽為電子受體結(jié)合釋放出能量,這些能量提供微生物的同化作用耗能與維持微生物體生存耗能,有機(jī)底物的另一部分則同化為生物體。城市污水中的有機(jī)物非常復(fù)雜,有的有機(jī)物結(jié)構(gòu)和組成還是未知的,有的現(xiàn)有的檢測(cè)手段還難以測(cè)出,所以不能通過(guò)找出所有有機(jī)物的分子式來(lái)計(jì)算污水中所含的化學(xué)能。在進(jìn)行能源計(jì)算時(shí)將輸入電能轉(zhuǎn)化為一次能源(12059kJ/kW·h),有機(jī)污染物能量采用BOD或COD轉(zhuǎn)化,對(duì)于污水的化學(xué)能量13.9kJ/gCOD,細(xì)菌細(xì)胞的化學(xué)能量勢(shì)為14.8kJ/gCOD。對(duì)于該倒置AAO工藝,11月份曝氣沉砂池出水即工藝進(jìn)水的平均COD為406mg/L,根據(jù)式(16)可知,進(jìn)入系統(tǒng)COD為20594.8kgCOD/d,二沉池出水為40.4mg/L,根據(jù)式(15)可知,從二沉池出水排出的COD為1921.01kgCOD/d;根據(jù)式(13)可知剩余污泥產(chǎn)量為10136.4kgCOD/d。在倒置AAO工藝(包括二沉池)二級(jí)生物處理系統(tǒng)中外部能量的輸入可以通過(guò)該系統(tǒng)中所包括的電機(jī)總功率計(jì)算,該工藝中的主要耗能電機(jī)如表2所示。由表2可知,該生物處理工藝中裝機(jī)總功率為1975.8kW,則四平行系列之一的研究系列的輸入功率為493.95kW,按連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)考慮,倒置AAO工藝部分的能量平衡分析如表3所示。由表3可以看出,該倒置AAO工藝中,生物反應(yīng)散耗功和熱占工藝能量輸入的59%,剩余污泥也帶出大量的微生物細(xì)胞內(nèi)能,若能實(shí)現(xiàn)剩余污泥的減量化,不僅能減少后續(xù)污泥處理工藝消減這些內(nèi)能所消耗的能量,而且可能將這些能量更多地用于生物反應(yīng),從而利于有機(jī)污染物的去除。3物料平衡分析(1)對(duì)該工藝進(jìn)行各反應(yīng)區(qū)跟蹤試驗(yàn)研究表明,倒置AAO工藝在厭氧段存在著COD的消耗損失,本工藝COD平衡達(dá)到24.2%的COD平衡余差,這意味著該工藝的曝氣池