污水處理廠運(yùn)行控制參數(shù)與工藝脫氮除磷效果的關(guān)系

污水處理廠運(yùn)行控制參數(shù)與工藝脫氮除磷效果的關(guān)系

隨著廢水利用率的提高和城市河流湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的加劇，對(duì)城市污水處理廠的氮和磷指標(biāo)要求更加嚴(yán)格，尤其是用于河流和湖泊的污水處理廠。運(yùn)行管理和氮磷去除效果顯著，對(duì)當(dāng)?shù)貜U水的回收和水環(huán)境的環(huán)境保護(hù)有顯著影響。如何在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上,通過(guò)科學(xué)的運(yùn)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(zhì)量,是污水廠日常運(yùn)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(jié)構(gòu)上最為簡(jiǎn)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(nèi)微生物種群復(fù)雜,對(duì)基質(zhì)、泥齡、DO的需求不同,因此科學(xué)地運(yùn)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(guò)調(diào)查該污水處理廠污水預(yù)處理-A/A/O-沉淀池工藝過(guò)程中氮、磷污染物的沿程變化,分析工藝過(guò)程中氮、磷元素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律;對(duì)比脫氮除磷效果與工藝運(yùn)行控制參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系,提出適宜的工藝控制參數(shù)。本研究對(duì)于強(qiáng)化污水處理廠科學(xué)運(yùn)行管理、提高出水質(zhì)量、促進(jìn)污水資源化利用、控制水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值。1學(xué)習(xí)方法1.1污水處理工藝流程與取樣點(diǎn)設(shè)置該污水處理廠處理規(guī)模20萬(wàn)m3/d,污水采用A/A/O工藝,剩余污泥離心脫水后外運(yùn),脫水濾液回流至污水預(yù)處理前端,處理后出水排入再生水廠進(jìn)一步處理后用于景觀水體補(bǔ)水,對(duì)出水總磷要求達(dá)到污水處理廠污染物排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),其他指標(biāo)執(zhí)行一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。本研究于2009年3—5月對(duì)污水處理工藝過(guò)程進(jìn)行了連續(xù)沿程采樣分析,共設(shè)置了9個(gè)采樣點(diǎn),污水處理工藝流程與取樣點(diǎn)設(shè)置如圖1所示。采集上午、中午、下午3個(gè)時(shí)段的瞬時(shí)樣混合后測(cè)定氨氮、硝酸鹽氮、總氮、總磷、COD等,測(cè)定方法依據(jù)《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)分析方法》(第4版)。取樣期間污水廠主要工藝運(yùn)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(fù)荷為0.10~0.16kgBOD5/(kgMLSS·d);回流比為95%~100%;泥齡為8~16d。主要進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。1.2標(biāo)準(zhǔn)試劑和質(zhì)控樣品紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(Specords100),德國(guó)Jena公司;熒光分光光度計(jì)(CARYEclipse),美國(guó)瓦里安公司;超純水機(jī)(Simplicity),密理博公司。標(biāo)準(zhǔn)試劑、質(zhì)控樣品均購(gòu)自中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心;其他試劑均為分析純。1.3準(zhǔn)確度和精密度采用標(biāo)準(zhǔn)試劑配制校正溶液,校正曲線相關(guān)系數(shù)在0.9999;全部樣品進(jìn)行平行樣分析,并抽樣進(jìn)行精密度測(cè)試,相對(duì)偏差為3.8%;采用質(zhì)量控制樣品檢查分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,相對(duì)誤差為0.1%。2在污水處理過(guò)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(cè)量值的變化范圍。由圖2可以看出,進(jìn)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(yù)處理過(guò)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(guò)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(dá)96.0%;在二級(jí)生物處理過(guò)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(jī)氮已經(jīng)被去除,總氮去除率為83.2%。以上結(jié)果表明,A/A/O工藝對(duì)有機(jī)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(duì)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(cè)量值的變化范圍。污水處理工藝過(guò)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(jí)脂肪酸等易降解的有機(jī)物,由于聚磷菌釋放磷,厭氧段出水總磷濃度迅速升高,由進(jìn)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(dá)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(jìn)一步降低,出水中總磷濃度約為1mg/L左右,基本達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),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(guò)程中,磷吸收作用在缺氧段開(kāi)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(nèi)貯存的PHB,并從環(huán)境中攝磷。采用式(1)、(2)分別計(jì)算缺氧段和好氧段的吸磷量:P缺氧=(Q進(jìn)水+Q回流污泥)C厭氧末端+Q回流硝化液C好氧末端?(Q進(jìn)水+Q回流污泥+Q回流硝化液)C缺氧末端Q進(jìn)水+Q回流污泥+Q回流硝化液(1)Ρ缺氧=(Q進(jìn)水+Q回流污泥)C厭氧末端+Q回流硝化液C好氧末端-(Q進(jìn)水+Q回流污泥+Q回流硝化液)C缺氧末端Q進(jìn)水+Q回流污泥+Q回流硝化液(1)P好氧=(Q進(jìn)水+Q回流污泥+Q回流硝化液)(C缺氧末端?C好氧末端)Q進(jìn)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(jìn)水+Q回流污泥+Q回流硝化液)(C缺氧末端-C好氧末端)Q進(jìn)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(jìn)水、回流污泥和回流硝化液的量(m3/d)。根據(jù)污水廠運(yùn)行數(shù)據(jù)和采樣分析結(jié)果,分別計(jì)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(shí)驗(yàn)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(nèi)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(shí)驗(yàn)室脫氮除磷膜-生物反應(yīng)器的除磷效果及特性研究中指出,系統(tǒng)對(duì)磷的去除有51.8%為反硝化聚磷作用,48.2%為好氧聚磷,認(rèn)為反硝化聚磷在系統(tǒng)中起到了重要的作用。王博等對(duì)某污水處理廠A/A/O工藝運(yùn)行過(guò)程中反硝化聚磷能力也進(jìn)行了研究,認(rèn)為缺氧段能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)反硝化和過(guò)量攝磷,其攝磷能力與好氧段相差不大。筆者認(rèn)為,在實(shí)際A/A/O工藝運(yùn)行中,缺氧段的反硝化除磷作用與好氧段相當(dāng),缺氧段反硝化聚磷對(duì)于系統(tǒng)總磷的去除至關(guān)重要。3氮磷去除及工藝操作控制參數(shù)的相關(guān)性分析3.1a/a/o工藝條件對(duì)磷的去除效果影響在A/A/O工藝過(guò)程中,污水在厭氧段與回流污泥混合,部分大分子碳源轉(zhuǎn)化為小分子揮發(fā)性脂肪酸(VFA),聚磷菌吸收VFA合成PHB并儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi),同時(shí)將細(xì)胞內(nèi)聚磷水解成正磷酸鹽,釋放到水中;隨后污水進(jìn)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(jìn)行反硝化脫氮;當(dāng)污水進(jìn)入好氧池時(shí),有機(jī)物濃度已很低,聚磷菌主要是靠分解體內(nèi)儲(chǔ)存的PHB來(lái)獲得能量供自身生長(zhǎng)繁殖,同時(shí)超量吸收水中的溶解性磷以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在體內(nèi),經(jīng)過(guò)二沉池將含磷高的污泥從水中分離出來(lái),達(dá)到除磷的目的。因此,聚磷生物和反硝化細(xì)菌的生成量與可利用的低級(jí)脂肪酸的含量有關(guān),進(jìn)水中低級(jí)脂肪酸等易生物降解碳源數(shù)量是生物脫氮除磷反應(yīng)中主要的碳來(lái)源;A/A/O脫氮除磷效率與進(jìn)水碳源數(shù)量、質(zhì)量,以及碳氮比、碳磷比密切相關(guān)。侯紅娟等采用SBR工藝對(duì)進(jìn)水COD濃度及C/N值對(duì)反硝化效果的影響研究認(rèn)為,進(jìn)水COD為150mg/L和200mg/L左右時(shí),脫氮率隨C/N值的增加而增加;當(dāng)進(jìn)水有機(jī)碳源濃度較低時(shí),需要以進(jìn)水COD濃度及C/N值共同來(lái)表示系統(tǒng)的脫氮能力。由于該污水廠進(jìn)水主要是城市生活污水,進(jìn)水COD平均在500~600mg/L范圍內(nèi),BOD5/COD>0.46,而且在A/A/O工藝之前未設(shè)初沉池,因此,進(jìn)水中碳源數(shù)量和質(zhì)量基本滿足脫氮除磷的需要。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,滿足或完成反硝化的COD/N值一般為4~15;當(dāng)進(jìn)水C/P比小于32時(shí),A/A/O系統(tǒng)對(duì)磷的去除效果隨C/P比的上升而線性增加,當(dāng)進(jìn)水C/P比高于32時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的出水水質(zhì)。氮磷去除率與COD/TN、COD/TP的對(duì)比關(guān)系如圖4所示。圖4表明,該廠進(jìn)水中COD/TN、COD/TP在4~6、80~100左右,基本處于文獻(xiàn)提出的適宜范圍;對(duì)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(jìn)水主要來(lái)自城市生活污水,且A/A/O工藝前端未設(shè)一沉池有關(guān)。3.2泥齡和污泥負(fù)荷對(duì)氮磷去除的影響污泥齡(SRT)是影響除磷脫氮的主要運(yùn)行控制參數(shù)之一,除磷脫氮二者對(duì)污泥齡的要求是相矛盾的。對(duì)于典型的城市污水水質(zhì),同化除磷效率與泥齡密切相關(guān),泥齡越短,同化除磷的效率越高。污泥負(fù)荷(F/M)是活性污泥法的一個(gè)重要運(yùn)行、控制參數(shù),污泥負(fù)荷與出水水質(zhì)有明顯的關(guān)系。因此泥齡和污泥負(fù)荷對(duì)氮磷的去除有重要影響。總氮去除率與泥齡、污泥負(fù)荷關(guān)系如圖5所示?？偭椎娜コ逝c泥齡、污泥負(fù)荷關(guān)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(xì)菌生長(zhǎng)的世代期需要,脫氮效果與泥齡的相關(guān)性不顯著,與污泥負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的反向變化趨勢(shì)。圖6表明,系統(tǒng)除磷效率與泥齡、污泥負(fù)荷表現(xiàn)出明顯的反向相關(guān)性。如果兼顧脫氮除磷效果,F/M一般應(yīng)控制在0.15kgBOD5/(kgMLVSS·d)左右,泥齡一般應(yīng)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(dá)到81%、88%左右。3.3p時(shí)系統(tǒng)磷的積累與排泥量的關(guān)系污水處理系統(tǒng)進(jìn)水中的磷主要是通過(guò)排泥、排水等途徑排除,正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部磷的輸入與輸出達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)可以獲得穩(wěn)定的除磷效果,因此通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)部磷物料平衡核算如圖7所示。系統(tǒng)內(nèi)部磷的積累量用△P表示,當(dāng)△P<0時(shí),說(shuō)明系統(tǒng)除磷效果較好,磷過(guò)量排放;當(dāng)△P=0時(shí),系統(tǒng)磷處于輸入與輸出平衡狀態(tài),此時(shí)運(yùn)行效果最佳;當(dāng)△P>0時(shí),系統(tǒng)中磷有積累,需要加大排泥量。系統(tǒng)內(nèi)部磷的積累量可用下式表示:ΔP=Q進(jìn)水C進(jìn)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(duì)較少,相對(duì)于污水廠進(jìn)水輸入的磷較小,分別約占0.003%與0.007%,可忽略不計(jì)。故磷的積累量可表示為:ΔP=Q進(jìn)水C進(jìn)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(jù)污水廠實(shí)際運(yùn)行日?qǐng)?bào)和分析結(jié)果計(jì)算了系統(tǒng)內(nèi)磷的積累與排泥量的關(guān)系,如圖8所示。由圖8可以看出,系統(tǒng)內(nèi)部磷的變化與排泥量具有顯著的反向相關(guān)關(guān)系,排泥量大時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部磷積累量減少,反之相反;系統(tǒng)磷的正負(fù)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(jìn)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(zhì)量,同時(shí)也可以減少過(guò)量排泥造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。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(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),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(shè)初沉池,進(jìn)廠水經(jīng)過(guò)預(yù)處理后直接進(jìn)入?yún)捬醵?從而確保了進(jìn)水中有機(jī)碳源的質(zhì)量和數(shù)量滿足脫氮除磷生物的需要;進(jìn)水碳氮比、碳磷