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一种新型改良脱氮除磷工艺的设计

浏览次数: 日期:2007-03-13

田旭中

(万博体育手机版客户端,  济南  250014

    摘要  该工艺结合了UCT和CLR 工艺的特点,优化了除磷脱氮反应技术,可通过设置低扬程内回流泵及选择合适的曝气设备达到降低运行费用、减少占地面积的目的,有着较大的推广应用价值。

关键词  除磷脱氮; 新型改良工艺;  曝气设备

Design of a New Ameliorated Process for Nitrogen

and Phosphorus Removal

TIAN Xu-zhong

(Shandong Design Institute of Light Industry, Jinan 250014, China)

Abstract: In combination with the characteristics of UCT and CLR process, the new process optimizes the reaction mechanism for phosphorus and nitrogen removal.The goal of reducing operating expense and occupied area can be achieved by installing low-head internal pump and selecting suitable aeration equipments .It is of great value in application for municipal wastewater treatment.

Key words: phosphorus and nitrogen removal; new ameliorated process;aeration equipment

    1、工艺的提出及工艺流程简介

    随着我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的颁布实施,强化生物脱氮除磷技术在新建污水处理厂工程中获得了日益广泛的应用。作为一项发展只有20多年的污水处理技术,A2/O工艺因其工艺简单,能兼顾N、P去除并有较好的效果,故发展较为迅速。然而传统A2/O工艺在应用中普遍存在以下缺陷:①混合液的回流方式在工程上不好处理,如用泵回流则电耗较高(混合液回流泵的扬程一般为9.8Kpa)。同时,混合液回流也给污水厂的日常生产运行及曝气管路布置等带来了不便[1];②厌氧池由于回流污泥中富含硝酸盐的缘故不能保持严格的厌氧状态,对生物除磷产生了不利影响;③不能较好地解决脱氮和除磷对碳源争夺的矛盾;④较高的内回流比存在着将O段中过多的溶解氧带入反硝化区的危险。近些年来,在传统A2/O工艺基础上产生了很多变种及改良工艺,如倒置A2/O、A+A2/O、UCT工艺等。这些新型工艺一般是针对缺陷②③所存在的问题,但其本身也存在一些缺陷。A+A2/O及倒置A2/O工艺中为达到分别给脱氮和除磷提供碳源的目的而采取的对进水进行流量分配的措施,不仅增加了设计及运行管理的难度(目前设计中通常采用的管道和阀门配水很难实现流量的合理分配,采用可调计量堰配水则设计较为复杂),且碳源的分配方式也不尽合理:A+A2/O工艺的A段中以10%左右的进水与回流污泥相混合,可能由于碳源不足而不能使回流污泥中的硝态氮实现完全反硝化,造成残余的硝态氮仍会对厌氧池产生不利影响;增大A段进水分配比例(如JHB工艺)又会相应减少进入厌氧池的易生物降解有机物的数量,同样对厌氧池产生不利影响;倒置A2/O工艺厌氧池中的聚磷菌只利用了易生物降解的碳源,其余的含碳有机物得不到利用,白白“浪费”掉了[2]。倒置A2/O工艺虽然取消了内回流,但为达到脱氮效果而采用较高的污泥回流比(一般为1.5-2.5),由于污泥回流泵的扬程≥49Kpa,因而导致电耗较高;另外由于污泥回流比过大,易在二沉池中产生涡流现象而影响出水水质。UCT工艺较好地解决了缺陷②③所存在的问题,但增加了一个内回流,使缺陷①所存在的问题更加突出。

本文所述MA2/C工艺系将UCT和CLR工艺相结合的又一种新型改良工艺,M代表改良(modified),A2代表前置厌氧及缺氧区,C代表CLR(closed loop reactor,封闭环流式反应器,即氧化沟,通常采用Carrousel型),其工艺流程及氮的物料平衡见图1。UCT工艺的主要改进是将二沉池污泥回流到缺氧池而不是厌氧池,同时增加从缺氧池出流液到厌氧池的回流r′。污泥回流R和混合液回流r中的硝态氮在缺氧池中被反硝化,进入厌氧池的缺氧回流r′中不再有硝态氮(或很少),因而不会对除磷产生不利影响,同时原水从厌氧池进入,使聚磷菌可优先利用废水中的VFAs,这就较好地解决了脱氮和除磷的矛盾[2]。  UCT工艺中内回流r′及r值均较大(r′一般取1-2,r一般取1-4),这不仅增加了电耗,其管路布置也较复杂。MA2/C工艺则可利用氧化沟优良的水力流态实现无管路、低能耗内回流:只需在各自的内回流渠道隔墙上设置扬程低于4.9Kpa的专用回流泵(穿墙泵)即可。同时,由于内回流r是从主反应区—氧化沟中的缺氧区回流,可将较少量的DO带至缺氧池,对反硝化非常有利。因此,MA2/C工艺基本上克服了传统A2/O及其现有改良工艺在工程应用中所存在的缺点。

      2、工艺设计

MA2/C工艺由3部分组成,即(前置)厌氧池、(前置)缺氧池及主反应区——氧化沟, 

    2.1  厌氧池

    厌氧池的主要作用是使在好氧池过度摄磷的活性污泥在该池进行磷释放。聚磷菌(PAO)在厌氧池中能够有效释磷需满足以下两个条件:①进水中必须含有足够的VFAs,即合适的VFA/TP值;②厌氧池必须保持绝对的厌氧状况,即混合液中游离溶解氧趋于零,硝酸态氧也趋于零。MA2/C工艺较好地满足了条件②的要求,因而条件①成为制约因素,即厌氧池泥龄(或池容)取决于进水中的VFAs。若进水中含有大量VFAs,则PAO对VFAs的吸附可迅速完成,厌氧SRT(ΘC,ANA)可短至0.5d(20℃,下同);若进水中不含VFAs,但含有的易降解有机物可在厌氧段进行发酵反应产生所需要的VFAs,这就需要较长的泥龄,其SRT值大约为1.5d;若进水中含有部分VFAs,但仍需要部分发酵,则SRT为0.5-1.5d;若进水中易降解物质数量不充足,则慢速降解有机物尚需要水解反应,再通过发酵反应产生VFAs,此时SRT值约为2.5-3d[3]。事实上,由于工艺反应过程的复杂性而无法测定厌氧发酵产物的产生速率,因而一般将进水的BOD5/TP值作为VFA/TP的替代值。运行实践证明,只有当进水BOD5/TP≥20时,采用强化生物除磷工艺(EBPR)出水TP才有可能达到1~1.5mg/L。

    在本工艺中,厌氧池污泥浓度与缺氧池及氧化沟不同,其值按下式计算:

               r′

        NWA= ——  NW                                 (1)

              1+r′          

    式中:NWA——厌氧池MLSS浓度,g/L;

          NW——缺氧池及氧化沟MLSS浓度,g/L;

           r′——缺氧池混合液内回流比,一般取1-2

通常情况下,一般控制厌氧池污泥量占总污泥量的比例不低于10%[2]

 2.2  缺氧池、氧化沟

    泥水混合液由前置厌氧池进入缺氧池,和从主反应区——氧化沟回流的混合液r相混合,二沉池回流污泥R也回流至该池。反硝化菌利用内回流及外回流带来的硝酸盐以及污水中可生物降解的有机物进行反硝化,达到部分脱碳与大部分脱硝的目的。需经反硝化去除的硝酸盐氮可通过系统氮平衡计算求得。

    系统氮平衡方程式为:

        NDN=TKNj-Noe-Nme-Ns                    (2)

    式中:NDN——需经反硝化去除的氮,mg/L;

  TKNj——进水总凯氏氮,mg/L

  Noe——出水中有机氮,一般取1~2mg/L

  Nme——出水无机氮之和,包括氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐         氮,mg/L(德国标准对该项的控制值为18mg/L,设计取0.67×18=12mg/L);

   Ns——剩余污泥排出的氮,可按系统BOD5去除值的0.05

          倍估算,mg/L

    按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中一级B标准,出水TN=20mg/L,NH3―N值NHch=8mg/L(该值为水温>12℃时的控制指标,为达到稳定硝化水温按10℃进行设计),则出水硝酸盐氮NOch=TN―Noe―NHch=10mg/L,因此,

    NDN=TKNj-2―(8+10)×0.67―0.05(Lj―Lch

       =TKNj-14―0.05(Lj―Lch)                    (3)

    式中:Lj——进水BOD5浓度,mg/L;

          Lch——出水BOD5浓度,mg/L;

          0.67系设计时取用的安全系数。

    在反硝化工艺中,能否达到设计所需要的反硝化速率还取决于进水BOD5值,即为反硝化菌提供的碳源的数量。通常以反硝化率表示系统反硝化能力:

            KDN=DN/BOD5                            (4

    式中:KDN——反硝化率(kgNO3/kgBOD5);

          DN——缺氧池反硝化去除的总硝态氮量(以N计),kg;

          BOD5——进入缺氧池的BOD5总量,kg。

反硝化率值越高,说明供反硝化使用的有机物的数量越少,反硝化速率较低,所需池容越大;反之所需池容越小。反硝化过程可分为同步及前置反硝化。MA2/C工艺中的缺氧池属前置反硝化,根据德国ATV标准,当KDN =0.11-0.15 kgNO3/kgBOD5(t=10-12℃),对应的缺氧池池容占总池容(缺氧池+氧化沟)的比率介于0.2-0.5之间[4]。当KDN >0.15时,表明原污水中的碳源不能满足反硝化要求,不能通过增加池容来提高脱氮效率,需采取其他措施,如采用短时初沉池或不设初沉池以增加碳源,特殊情况下需设计外加碳源。

泥水混合液通过渠道由缺氧池送至MA2/C主反应区——氧化沟。氧化沟一般由好氧段和缺氧段组成。在氧化沟好氧段(控制该段DO不低于2mg/L),最主要的生物化学反应在此发生:硝化、除磷、分解氧化有机物。硝化反应系所有反应中的限速反应,通常情况下只有当该段泥龄(ΘC,AER)≥8d(t=10℃)时,才能保证硝化作用的顺利进行。氧化沟中设置的缺氧段,承担部分反硝化任务(DO在0.5mg/L左右,实现同步反硝化)。在传统氧化沟中,通过曝气机的布置使沟中自然形成好氧区和缺氧区。如果采用鼓风曝气,也建议在氧化沟中设置缺氧区,并将该区中的混合液回流至前置缺氧池(其平面布置示意参见图3),这样一方面可最大限度地将最少量的DO带至缺氧池,对反硝化非常有利,另外可形成较大的溶解氧浓度梯度,有利于提高充氧效率。为了弥补氧化沟中的缺氧区对好氧造成的影响,确保有足够的好氧泥龄,设计中计算泥龄建议取10-12d[2]

只要回流至前置缺氧池的硝酸盐[Q(R+r)NOch] 不超过系统反硝化能力(KDN =0.11-0.15 kgNO3/kgBOD5,t=10-12℃),则可能达到的最大反硝化程度取决于总回流比R′。因此,可根据需经前置缺氧池反硝化去除的氮计算所需的最小回流比。

NDN= R′NOch                                                        (5)

R′=R+r                                     (6)

为安全计,上式中忽略了氧化沟中的缺氧区对反硝化作出的贡献。

3、MA2/C工艺的充氧方式

3.1 表面曝气

表面曝气是应用于氧化沟工艺的传统曝气方式。大功率倒伞型表面曝气机的使用,使曝气池有效水深可提高到4.0m以上,在一定程度上克服了氧化沟占地面积较大的缺点。其主要缺陷是:采用大功率的表面曝气机进行曝气,对于处理规模小的污水处理厂,工艺过程的可调节性较差;为了维持沟底最小流速,有时需借助潜水推进器做动力;动力效率相对较低(≤2.10kgO2/ kW·h),运行能耗较大;由于采用表面曝气,易对周围空气造成污染。其平面布置示意参见图2。

3.2 鼓风微孔曝气

   目前采用鼓风微孔曝气的氧化沟工艺得到了越来越多的应用,该工艺被认为提升了我国城市污水处理技术水平,是对普通A2/O工艺的重大改进[5]。其主要优点是将微孔曝气设备应用于氧化沟工艺,氧利用率高,动力效率远高于表面曝气,从而使得能耗较低。其主要缺陷是:使用的曝气器数量巨大,易受堵塞和破损的困扰,维修工作量较大;沟内混合液流动依靠潜水推流器完成,设备数量多,管理不便。其平面布置示意参见图3。

3.3 鼓风射流曝气

   这是一种由鼓风机、射流循环泵、射流曝气器组成的充氧系统。其主要特点是:曝气池有效水深通常采用7.0m,使得占地面积显著降低;综合动力效率一般不低于3.0kgO2/kW·h,能耗低于表面曝气;射流曝气器一般为复合FRP材质,喷嘴口径达20mm,水下无运动部件,使得该种曝气器寿命长,免维护;射流器对混合液中活性污泥的剪切作用可改善活性污泥的性状,提高污水净化效率;充氧后的混合液通过喷嘴水平射出,不仅延长了气、水接触时间,而且使混合、推流、充氧达到完美的统一。因此,从总体上讲,鼓风射流曝气是目前氧化沟工艺最适用、最具推广价值的充氧方式。

4、MA2/C工艺的主要技术特点

 (1)充分利用了UCT和CLR工艺各自的技术优势,实现了两者的成功结合,形成了又一种新型改良除磷脱氮工艺;

 (2)克服了传统A2/O及其现有改良工艺在工程应用中存在的缺陷, 可通过设置低扬程内回流泵及选择合适的曝气设备达到降低运行费用、减少占地面积的目的;

 (3)和常规工艺(如传统A2/O)相比,对于C/N、C/P值较低的城市污水采用该工艺也能取得较好的除磷脱氮效果,这对于目前我国城市污水处理厂普遍存在的既碳源不足又需除磷脱氮的问题有着重要意义。

参考文献

1 万年红.  A2/O工艺的改良与设计应用[J],中国给水排水,2003,19(8):81-83

2 周雹.活性污泥工艺简明原理及设计计算[M],北京:中国建筑工业出版社,2005

3  C.P.Leslie Grady Jr,Glen T.Daigger,Henry C.Lim著,张锡辉等译,废水生物处理(第二版,改编和扩充)[M],北京:化学工业出版社,2003

4 ATV-DVWK ARBEITSBLATT A131 Bemessung von einstufigen belebungsanlagen(2000)

5 周雹. 城镇污水生物处理新工艺及其应用[J],中国给水排水,2003,19(12):36-39

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