污水处理厂运行控制参数与工艺脱氮除磷效果的关系

污水处理厂运行控制参数与工艺脱氮除磷效果的关系

随着废水利用率的提高和城市河流湖泊富营养化的加剧，对城市污水处理厂的氮和磷指标要求更加严格，尤其是用于河流和湖泊的污水处理厂。运行管理和氮磷去除效果显著，对当地废水的回收和水环境的环境保护有显著影响。如何在现有工艺基础上,通过科学的运行管理,最大程度地发挥工艺的处理效能,降低能耗,提高出水质量,是污水厂日常运行管理中所面临的新挑战。厌氧-缺氧-好氧(A/A/O)工艺作为结构上最为简单的同步脱氮除磷污水处理工艺,是目前城市污水处理厂普遍采用的脱氮除磷工艺,具有较好的除COD、氮、磷效果。由于A/A/O工艺系统内微生物种群复杂,对基质、泥龄、DO的需求不同,因此科学地运行控制是充分发挥工艺效能的重要保障。本研究以北京某污水处理厂为例,通过调查该污水处理厂污水预处理-A/A/O-沉淀池工艺过程中氮、磷污染物的沿程变化,分析工艺过程中氮、磷元素的迁移转化规律;对比脱氮除磷效果与工艺运行控制参数之间的相关关系,提出适宜的工艺控制参数。本研究对于强化污水处理厂科学运行管理、提高出水质量、促进污水资源化利用、控制水体富营养化问题具有一定的参考价值。1学习方法1.1污水处理工艺流程与取样点设置该污水处理厂处理规模20万m3/d,污水采用A/A/O工艺,剩余污泥离心脱水后外运,脱水滤液回流至污水预处理前端,处理后出水排入再生水厂进一步处理后用于景观水体补水,对出水总磷要求达到污水处理厂污染物排放一级A标准,其他指标执行一级B标准。本研究于2009年3—5月对污水处理工艺过程进行了连续沿程采样分析,共设置了9个采样点,污水处理工艺流程与取样点设置如图1所示。采集上午、中午、下午3个时段的瞬时样混合后测定氨氮、硝酸盐氮、总氮、总磷、COD等,测定方法依据《水和废水标准监测分析方法》(第4版)。取样期间污水厂主要工艺运行参数为:曝气池污泥浓度MLSS为3300~3600mg/L;溶解氧为1.5~2.4mg/L;污泥负荷为0.10~0.16kgBOD5/(kgMLSS·d);回流比为95%~100%;泥龄为8~16d。主要进出水水质指标见表1。1.2标准试剂和质控样品紫外-可见分光光度计(Specords100),德国Jena公司;荧光分光光度计(CARYEclipse),美国瓦里安公司;超纯水机(Simplicity),密理博公司。标准试剂、质控样品均购自中国标准物质中心;其他试剂均为分析纯。1.3准确度和精密度采用标准试剂配制校正溶液,校正曲线相关系数在0.9999;全部样品进行平行样分析,并抽样进行精密度测试,相对偏差为3.8%;采用质量控制样品检查分析结果的准确性,相对误差为0.1%。2在污水处理过程中，氮和磷污染的沿程度变化2.1生物处理效果总氮、氨氮、硝态氮浓度沿程变化如图2所示。其中,折线为平均值,上下限为多次测量值的变化范围。由图2可以看出,进水中氨氮平均浓度为58.92mg/L,占总氮的一半以上,硝态氮含量较低。在预处理过程总氮、氨氮浓度缓慢下降,硝态氮变化不大。在A/A/O生物处理过程中,氨氮浓度迅速降低,好氧段末端出水氨氮仅为2.37mg/L,去除率高达96.0%;在二级生物处理过程中,由于硝化作用硝态氮浓度升高,二沉池中硝态氮含量与总氮浓度接近,大部分氨氮和有机氮已经被去除,总氮去除率为83.2%。以上结果表明,A/A/O工艺对有机氮、氨氮去除效果较好,出水中剩余氮主要为硝态氮。在缺氧段,虽然有硝态氮浓度平均为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现硝态氮浓度的明显增高,表明该阶段反硝化脱氮作用显著。2.2对污水中总磷的去除总磷浓度沿程变化如图3所示。其中,折线为平均值,上下限为多次测量值的变化范围。污水处理工艺过程中,磷的含量变化主要发生在A/A/O阶段:在厌氧段,聚磷菌释放磷,并吸收低级脂肪酸等易降解的有机物,由于聚磷菌释放磷,厌氧段出水总磷浓度迅速升高,由进水的5.82mg/L升高到26.89mg/L;在缺氧段,污水中的磷迅速降低,出水中总磷降至8.49mg/L,污水中总磷含量减少了18.4mg/L,除磷率达到68.4%;在好氧段,总磷浓度下降速度减缓,出水中的浓度为2.99mg/L,污水中总磷浓度降低了5.5mg/L,除磷率64.8%。在二沉池总磷浓度进一步降低,出水中总磷浓度约为1mg/L左右,基本达到一级A标准,总磷去除率在86.3%以上。2.3氧指数和总磷吸磷量由图3可知,A/A/O工艺过程中,磷吸收作用在缺氧段开始发生,直至好氧段完成磷的去除。这是由于反硝化聚磷菌在缺氧条件下,以NO-3作为电子受体吸收磷,氧化胞内贮存的PHB,并从环境中摄磷。采用式(1)、(2)分别计算缺氧段和好氧段的吸磷量:P缺氧=(Q进水+Q回流污泥)C厌氧末端+Q回流硝化液C好氧末端−(Q进水+Q回流污泥+Q回流硝化液)C缺氧末端Q进水+Q回流污泥+Q回流硝化液(1)Ρ缺氧=(Q进水+Q回流污泥)C厌氧末端+Q回流硝化液C好氧末端-(Q进水+Q回流污泥+Q回流硝化液)C缺氧末端Q进水+Q回流污泥+Q回流硝化液(1)P好氧=(Q进水+Q回流污泥+Q回流硝化液)(C缺氧末端−C好氧末端)Q进水+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进水+Q回流污泥+Q回流硝化液)(C缺氧末端-C好氧末端)Q进水+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缺氧为缺氧段吸磷量(mg/L);P好氧为好氧段吸磷量;C分别代表厌氧段、缺氧段和好氧段末端出水中的磷浓度(mg/L);Q分别表示进水、回流污泥和回流硝化液的量(m3/d)。根据污水厂运行数据和采样分析结果,分别计算缺氧段和好氧段的吸磷量平均为4.97mg/L、5.5mg/L,表明缺氧段存在明显的反硝化聚磷作用。吴昌永等利用实验室装置研究了A/A/O工艺中的反硝化作用,在HRT为8h,污泥回流比为70%和内回流比为250%的情况下,A/A/O系统中缺氧区吸磷占总吸磷量的36%左右。张志超等在实验室脱氮除磷膜-生物反应器的除磷效果及特性研究中指出,系统对磷的去除有51.8%为反硝化聚磷作用,48.2%为好氧聚磷,认为反硝化聚磷在系统中起到了重要的作用。王博等对某污水处理厂A/A/O工艺运行过程中反硝化聚磷能力也进行了研究,认为缺氧段能够实现同时反硝化和过量摄磷,其摄磷能力与好氧段相差不大。笔者认为,在实际A/A/O工艺运行中,缺氧段的反硝化除磷作用与好氧段相当,缺氧段反硝化聚磷对于系统总磷的去除至关重要。3氮磷去除及工艺操作控制参数的相关性分析3.1a/a/o工艺条件对磷的去除效果影响在A/A/O工艺过程中,污水在厌氧段与回流污泥混合,部分大分子碳源转化为小分子挥发性脂肪酸(VFA),聚磷菌吸收VFA合成PHB并储存在细胞内,同时将细胞内聚磷水解成正磷酸盐,释放到水中;随后污水进入缺氧池,反硝化菌利用污水中的剩余碳源和回流混合液中的硝酸盐进行反硝化脱氮;当污水进入好氧池时,有机物浓度已很低,聚磷菌主要是靠分解体内储存的PHB来获得能量供自身生长繁殖,同时超量吸收水中的溶解性磷以聚磷酸盐的形式储存在体内,经过二沉池将含磷高的污泥从水中分离出来,达到除磷的目的。因此,聚磷生物和反硝化细菌的生成量与可利用的低级脂肪酸的含量有关,进水中低级脂肪酸等易生物降解碳源数量是生物脱氮除磷反应中主要的碳来源;A/A/O脱氮除磷效率与进水碳源数量、质量,以及碳氮比、碳磷比密切相关。侯红娟等采用SBR工艺对进水COD浓度及C/N值对反硝化效果的影响研究认为,进水COD为150mg/L和200mg/L左右时,脱氮率随C/N值的增加而增加;当进水有机碳源浓度较低时,需要以进水COD浓度及C/N值共同来表示系统的脱氮能力。由于该污水厂进水主要是城市生活污水,进水COD平均在500~600mg/L范围内,BOD5/COD>0.46,而且在A/A/O工艺之前未设初沉池,因此,进水中碳源数量和质量基本满足脱氮除磷的需要。据文献报道,满足或完成反硝化的COD/N值一般为4~15;当进水C/P比小于32时,A/A/O系统对磷的去除效果随C/P比的上升而线性增加,当进水C/P比高于32时就可以实现稳定高效的出水水质。氮磷去除率与COD/TN、COD/TP的对比关系如图4所示。图4表明,该厂进水中COD/TN、COD/TP在4~6、80~100左右,基本处于文献提出的适宜范围;对总氮、总磷去除率有一定的影响,但影响不明显,其原因与该厂进水主要来自城市生活污水,且A/A/O工艺前端未设一沉池有关。3.2泥龄和污泥负荷对氮磷去除的影响污泥龄(SRT)是影响除磷脱氮的主要运行控制参数之一,除磷脱氮二者对污泥龄的要求是相矛盾的。对于典型的城市污水水质,同化除磷效率与泥龄密切相关,泥龄越短,同化除磷的效率越高。污泥负荷(F/M)是活性污泥法的一个重要运行、控制参数,污泥负荷与出水水质有明显的关系。因此泥龄和污泥负荷对氮磷的去除有重要影响。总氮去除率与泥龄、污泥负荷关系如图5所示。总磷的去除率与泥龄、污泥负荷关系如图6所示。图5表明,该厂泥龄一般控制在5d以上,满足硝化细菌生长的世代期需要,脱氮效果与泥龄的相关性不显著,与污泥负荷呈现明显的反向变化趋势。图6表明,系统除磷效率与泥龄、污泥负荷表现出明显的反向相关性。如果兼顾脱氮除磷效果,F/M一般应控制在0.15kgBOD5/(kgMLVSS·d)左右,泥龄一般应控制在10~12d较为适宜,脱氮与除磷的效果都比较好,分别可以达到81%、88%左右。3.3p时系统磷的积累与排泥量的关系污水处理系统进水中的磷主要是通过排泥、排水等途径排除,正常运行时系统内部磷的输入与输出达到平衡状态时可以获得稳定的除磷效果,因此通过计算系统内部磷的积累能够判断磷的去除效果以及排泥量是否适宜。该污水厂处理系统内部磷物料平衡核算如图7所示。系统内部磷的积累量用△P表示,当△P<0时,说明系统除磷效果较好,磷过量排放;当△P=0时,系统磷处于输入与输出平衡状态,此时运行效果最佳;当△P>0时,系统中磷有积累,需要加大排泥量。系统内部磷的积累量可用下式表示:ΔP=Q进水C进水+Q脱水废液C脱水废液-Q剩余污泥C剩余污泥-Q出水C出水-P砂-P渣(3)其中,栅渣与沉砂主要是拦截固体与去除油脂,磷的含量P砂、P渣相对较少,相对于污水厂进水输入的磷较小,分别约占0.003%与0.007%,可忽略不计。故磷的积累量可表示为:ΔP=Q进水C进水+Q脱水废液C脱水废液-Q剩余污泥C剩余污泥-Q出水C出水(4)根据污水厂实际运行日报和分析结果计算了系统内磷的积累与排泥量的关系,如图8所示。由图8可以看出,系统内部磷的变化与排泥量具有显著的反向相关关系,排泥量大时系统内部磷积累量减少,反之相反;系统磷的正负积累量占磷输入量的10%左右。排泥量一般控制在每天4000~5000m3左右(约占进水量的2%~2.5%)可以保持系统稳定除磷状态,保证出水质量,同时也可以减少过量排泥造成经济浪费。4系统脱氮除磷效果(1)A/A/O工艺总氮去除率为83.2%,出水中剩余氮主要为硝态氮;出水总磷浓度约为1mg/L左右,基本达到一级A标准,总磷去除率在86.3%以上;在缺氧段存在反硝化脱氮与聚磷作用。(2)由于A/A/O工艺前端未设初沉池,进厂水经过预处理后直接进入厌氧段,从而确保了进水中有机碳源的质量和数量满足脱氮除磷生物的需要;进水碳氮比、碳磷