污水處理廠運行控制參數(shù)與工藝脫氮除磷效果的關系

污水處理廠運行控制參數(shù)與工藝脫氮除磷效果的關系

隨著廢水利用率的提高和城市河流湖泊富營養(yǎng)化的加劇，對城市污水處理廠的氮和磷指標要求更加嚴格，尤其是用于河流和湖泊的污水處理廠。運行管理和氮磷去除效果顯著，對當?shù)貜U水的回收和水環(huán)境的環(huán)境保護有顯著影響。如何在現(xiàn)有工藝基礎上,通過科學的運行管理,最大程度地發(fā)揮工藝的處理效能,降低能耗,提高出水質量,是污水廠日常運行管理中所面臨的新挑戰(zhàn)。厭氧-缺氧-好氧(A/A/O)工藝作為結構上最為簡單的同步脫氮除磷污水處理工藝,是目前城市污水處理廠普遍采用的脫氮除磷工藝,具有較好的除COD、氮、磷效果。由于A/A/O工藝系統(tǒng)內微生物種群復雜,對基質、泥齡、DO的需求不同,因此科學地運行控制是充分發(fā)揮工藝效能的重要保障。本研究以北京某污水處理廠為例,通過調查該污水處理廠污水預處理-A/A/O-沉淀池工藝過程中氮、磷污染物的沿程變化,分析工藝過程中氮、磷元素的遷移轉化規(guī)律;對比脫氮除磷效果與工藝運行控制參數(shù)之間的相關關系,提出適宜的工藝控制參數(shù)。本研究對于強化污水處理廠科學運行管理、提高出水質量、促進污水資源化利用、控制水體富營養(yǎng)化問題具有一定的參考價值。1學習方法1.1污水處理工藝流程與取樣點設置該污水處理廠處理規(guī)模20萬m3/d,污水采用A/A/O工藝,剩余污泥離心脫水后外運,脫水濾液回流至污水預處理前端,處理后出水排入再生水廠進一步處理后用于景觀水體補水,對出水總磷要求達到污水處理廠污染物排放一級A標準,其他指標執(zhí)行一級B標準。本研究于2009年3—5月對污水處理工藝過程進行了連續(xù)沿程采樣分析,共設置了9個采樣點,污水處理工藝流程與取樣點設置如圖1所示。采集上午、中午、下午3個時段的瞬時樣混合后測定氨氮、硝酸鹽氮、總氮、總磷、COD等,測定方法依據《水和廢水標準監(jiān)測分析方法》(第4版)。取樣期間污水廠主要工藝運行參數(shù)為:曝氣池污泥濃度MLSS為3300~3600mg/L;溶解氧為1.5~2.4mg/L;污泥負荷為0.10~0.16kgBOD5/(kgMLSS·d);回流比為95%~100%;泥齡為8~16d。主要進出水水質指標見表1。1.2標準試劑和質控樣品紫外-可見分光光度計(Specords100),德國Jena公司;熒光分光光度計(CARYEclipse),美國瓦里安公司;超純水機(Simplicity),密理博公司。標準試劑、質控樣品均購自中國標準物質中心;其他試劑均為分析純。1.3準確度和精密度采用標準試劑配制校正溶液,校正曲線相關系數(shù)在0.9999;全部樣品進行平行樣分析,并抽樣進行精密度測試,相對偏差為3.8%;采用質量控制樣品檢查分析結果的準確性,相對誤差為0.1%。2在污水處理過程中，氮和磷污染的沿程度變化2.1生物處理效果總氮、氨氮、硝態(tài)氮濃度沿程變化如圖2所示。其中,折線為平均值,上下限為多次測量值的變化范圍。由圖2可以看出,進水中氨氮平均濃度為58.92mg/L,占總氮的一半以上,硝態(tài)氮含量較低。在預處理過程總氮、氨氮濃度緩慢下降,硝態(tài)氮變化不大。在A/A/O生物處理過程中,氨氮濃度迅速降低,好氧段末端出水氨氮僅為2.37mg/L,去除率高達96.0%;在二級生物處理過程中,由于硝化作用硝態(tài)氮濃度升高,二沉池中硝態(tài)氮含量與總氮濃度接近,大部分氨氮和有機氮已經被去除,總氮去除率為83.2%。以上結果表明,A/A/O工藝對有機氮、氨氮去除效果較好,出水中剩余氮主要為硝態(tài)氮。在缺氧段,雖然有硝態(tài)氮濃度平均為10.01mg/L的硝化液回流,且氨氮也有平均58%的去除率,但是在缺氧末端并未出現(xiàn)硝態(tài)氮濃度的明顯增高,表明該階段反硝化脫氮作用顯著。2.2對污水中總磷的去除總磷濃度沿程變化如圖3所示。其中,折線為平均值,上下限為多次測量值的變化范圍。污水處理工藝過程中,磷的含量變化主要發(fā)生在A/A/O階段:在厭氧段,聚磷菌釋放磷,并吸收低級脂肪酸等易降解的有機物,由于聚磷菌釋放磷,厭氧段出水總磷濃度迅速升高,由進水的5.82mg/L升高到26.89mg/L;在缺氧段,污水中的磷迅速降低,出水中總磷降至8.49mg/L,污水中總磷含量減少了18.4mg/L,除磷率達到68.4%;在好氧段,總磷濃度下降速度減緩,出水中的濃度為2.99mg/L,污水中總磷濃度降低了5.5mg/L,除磷率64.8%。在二沉池總磷濃度進一步降低,出水中總磷濃度約為1mg/L左右,基本達到一級A標準,總磷去除率在86.3%以上。2.3氧指數(shù)和總磷吸磷量由圖3可知,A/A/O工藝過程中,磷吸收作用在缺氧段開始發(fā)生,直至好氧段完成磷的去除。這是由于反硝化聚磷菌在缺氧條件下,以NO-3作為電子受體吸收磷,氧化胞內貯存的PHB,并從環(huán)境中攝磷。采用式(1)、(2)分別計算缺氧段和好氧段的吸磷量:P缺氧=(Q進水+Q回流污泥)C厭氧末端+Q回流硝化液C好氧末端?(Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液)C缺氧末端Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液(1)Ρ缺氧=(Q進水+Q回流污泥)C厭氧末端+Q回流硝化液C好氧末端-(Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液)C缺氧末端Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液(1)P好氧=(Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液)(C缺氧末端?C好氧末端)Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液=C缺氧末端?C好氧末端(2)Ρ好氧=(Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液)(C缺氧末端-C好氧末端)Q進水+Q回流污泥+Q回流硝化液=C缺氧末端-C好氧末端(2)式中:P缺氧為缺氧段吸磷量(mg/L);P好氧為好氧段吸磷量;C分別代表厭氧段、缺氧段和好氧段末端出水中的磷濃度(mg/L);Q分別表示進水、回流污泥和回流硝化液的量(m3/d)。根據污水廠運行數(shù)據和采樣分析結果,分別計算缺氧段和好氧段的吸磷量平均為4.97mg/L、5.5mg/L,表明缺氧段存在明顯的反硝化聚磷作用。吳昌永等利用實驗室裝置研究了A/A/O工藝中的反硝化作用,在HRT為8h,污泥回流比為70%和內回流比為250%的情況下,A/A/O系統(tǒng)中缺氧區(qū)吸磷占總吸磷量的36%左右。張志超等在實驗室脫氮除磷膜-生物反應器的除磷效果及特性研究中指出,系統(tǒng)對磷的去除有51.8%為反硝化聚磷作用,48.2%為好氧聚磷,認為反硝化聚磷在系統(tǒng)中起到了重要的作用。王博等對某污水處理廠A/A/O工藝運行過程中反硝化聚磷能力也進行了研究,認為缺氧段能夠實現(xiàn)同時反硝化和過量攝磷,其攝磷能力與好氧段相差不大。筆者認為,在實際A/A/O工藝運行中,缺氧段的反硝化除磷作用與好氧段相當,缺氧段反硝化聚磷對于系統(tǒng)總磷的去除至關重要。3氮磷去除及工藝操作控制參數(shù)的相關性分析3.1a/a/o工藝條件對磷的去除效果影響在A/A/O工藝過程中,污水在厭氧段與回流污泥混合,部分大分子碳源轉化為小分子揮發(fā)性脂肪酸(VFA),聚磷菌吸收VFA合成PHB并儲存在細胞內,同時將細胞內聚磷水解成正磷酸鹽,釋放到水中;隨后污水進入缺氧池,反硝化菌利用污水中的剩余碳源和回流混合液中的硝酸鹽進行反硝化脫氮;當污水進入好氧池時,有機物濃度已很低,聚磷菌主要是靠分解體內儲存的PHB來獲得能量供自身生長繁殖,同時超量吸收水中的溶解性磷以聚磷酸鹽的形式儲存在體內,經過二沉池將含磷高的污泥從水中分離出來,達到除磷的目的。因此,聚磷生物和反硝化細菌的生成量與可利用的低級脂肪酸的含量有關,進水中低級脂肪酸等易生物降解碳源數(shù)量是生物脫氮除磷反應中主要的碳來源;A/A/O脫氮除磷效率與進水碳源數(shù)量、質量,以及碳氮比、碳磷比密切相關。侯紅娟等采用SBR工藝對進水COD濃度及C/N值對反硝化效果的影響研究認為,進水COD為150mg/L和200mg/L左右時,脫氮率隨C/N值的增加而增加;當進水有機碳源濃度較低時,需要以進水COD濃度及C/N值共同來表示系統(tǒng)的脫氮能力。由于該污水廠進水主要是城市生活污水,進水COD平均在500~600mg/L范圍內,BOD5/COD>0.46,而且在A/A/O工藝之前未設初沉池,因此,進水中碳源數(shù)量和質量基本滿足脫氮除磷的需要。據文獻報道,滿足或完成反硝化的COD/N值一般為4~15;當進水C/P比小于32時,A/A/O系統(tǒng)對磷的去除效果隨C/P比的上升而線性增加,當進水C/P比高于32時就可以實現(xiàn)穩(wěn)定高效的出水水質。氮磷去除率與COD/TN、COD/TP的對比關系如圖4所示。圖4表明,該廠進水中COD/TN、COD/TP在4~6、80~100左右,基本處于文獻提出的適宜范圍;對總氮、總磷去除率有一定的影響,但影響不明顯,其原因與該廠進水主要來自城市生活污水,且A/A/O工藝前端未設一沉池有關。3.2泥齡和污泥負荷對氮磷去除的影響污泥齡(SRT)是影響除磷脫氮的主要運行控制參數(shù)之一,除磷脫氮二者對污泥齡的要求是相矛盾的。對于典型的城市污水水質,同化除磷效率與泥齡密切相關,泥齡越短,同化除磷的效率越高。污泥負荷(F/M)是活性污泥法的一個重要運行、控制參數(shù),污泥負荷與出水水質有明顯的關系。因此泥齡和污泥負荷對氮磷的去除有重要影響?？偟コ逝c泥齡、污泥負荷關系如圖5所示?？偭椎娜コ逝c泥齡、污泥負荷關系如圖6所示。圖5表明,該廠泥齡一般控制在5d以上,滿足硝化細菌生長的世代期需要,脫氮效果與泥齡的相關性不顯著,與污泥負荷呈現(xiàn)明顯的反向變化趨勢。圖6表明,系統(tǒng)除磷效率與泥齡、污泥負荷表現(xiàn)出明顯的反向相關性。如果兼顧脫氮除磷效果,F/M一般應控制在0.15kgBOD5/(kgMLVSS·d)左右,泥齡一般應控制在10~12d較為適宜,脫氮與除磷的效果都比較好,分別可以達到81%、88%左右。3.3p時系統(tǒng)磷的積累與排泥量的關系污水處理系統(tǒng)進水中的磷主要是通過排泥、排水等途徑排除,正常運行時系統(tǒng)內部磷的輸入與輸出達到平衡狀態(tài)時可以獲得穩(wěn)定的除磷效果,因此通過計算系統(tǒng)內部磷的積累能夠判斷磷的去除效果以及排泥量是否適宜。該污水廠處理系統(tǒng)內部磷物料平衡核算如圖7所示。系統(tǒng)內部磷的積累量用△P表示,當△P<0時,說明系統(tǒng)除磷效果較好,磷過量排放;當△P=0時,系統(tǒng)磷處于輸入與輸出平衡狀態(tài),此時運行效果最佳;當△P>0時,系統(tǒng)中磷有積累,需要加大排泥量。系統(tǒng)內部磷的積累量可用下式表示:ΔP=Q進水C進水+Q脫水廢液C脫水廢液-Q剩余污泥C剩余污泥-Q出水C出水-P砂-P渣(3)其中,柵渣與沉砂主要是攔截固體與去除油脂,磷的含量P砂、P渣相對較少,相對于污水廠進水輸入的磷較小,分別約占0.003%與0.007%,可忽略不計。故磷的積累量可表示為:ΔP=Q進水C進水+Q脫水廢液C脫水廢液-Q剩余污泥C剩余污泥-Q出水C出水(4)根據污水廠實際運行日報和分析結果計算了系統(tǒng)內磷的積累與排泥量的關系,如圖8所示。由圖8可以看出,系統(tǒng)內部磷的變化與排泥量具有顯著的反向相關關系,排泥量大時系統(tǒng)內部磷積累量減少,反之相反;系統(tǒng)磷的正負積累量占磷輸入量的10%左右。排泥量一般控制在每天4000~5000m3左右(約占進水量的2%~2.5%)可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定除磷狀態(tài),保證出水質量,同時也可以減少過量排泥造成經濟浪費。4系統(tǒng)脫氮除磷效果(1)A/A/O工藝總氮去除率為83.2%,出水中剩余氮主要為硝態(tài)氮;出水總磷濃度約為1mg/L左右,基本達到一級A標準,總磷去除率在86.3%以上;在缺氧段存在反硝化脫氮與聚磷作用。(2)由于A/A/O工藝前端未設初沉池,進廠水經過預處理后直接進入厭氧段,從而確保了進水中有機碳源的質量和數(shù)量滿足脫氮除磷生物的需要;進水碳氮比、碳磷