我國淡水資源短缺,全國約有1/5的城市嚴重缺水,為了緩解水資源短缺問題,亟需開發利用非常規水源,減輕用水壓力。再生水是人工的第二水源,城市污水再生水就屬于第二水源。污水再生利用能夠減少對常規水的消耗,不僅能夠節約水資源,而且能夠減少污水排放給環境水體所帶來的污染。這對污水處理行業提出了更高的要求,帶來了新的挑戰與機遇。為克服傳統污水脫氮除磷技術的缺點,多點進水多級AO工藝應運而生。多點進水多級AO工藝是在傳統AAO工藝及Bardenpho工藝的基礎上結合發展而來,在日本應用較為廣泛,最近在我國開始逐步推廣使用,其多級AO的級數在2～4級。我國目前應用該工藝的類似案例包括遼寧錦州、天津張貴莊、石家莊橋西等污水處理廠的提標改造工程,均取得了較好的效果。

本文針對北方寒冷地區污水處理廠污水在冬季一般低碳高氮、達標困難的難題,提出了多點進水多級AO工藝的技術特點、影響因素及設計計算方法,可為類似項目的設計計算提供參考。

01 項目概況

1.1 背景

唐山市中心城區規劃污水量約為80萬m³/d,根據市政府的規劃要求,對再生水的處理必須占到集中處理污水的60%以上。唐山市政府在2018年又出臺了《全域治水清水潤城工程實施方案》,由于原中心城內污水廠對周邊環境影響日益受到公眾關注,以及排放標準的進一步提高,須將原中心城的污水廠進行遷建,新建2座大型規模的污水廠,出水標準達到“準Ⅳ類”水(除TN外,其余指標均達到地表水Ⅳ類標準),同時可為唐山市提供再生水資源。

唐山市地處渤海灣中心地帶,多年年平均氣溫在10.0～11.3 ℃。1月溫度最低,平均溫度只有-6.4 ℃,且曾出現-28.2 ℃的極端氣溫。寒冷地區冬季溫度較低,在生物反應階段,由于污水中的微生物活性以及微生物的生長代謝受到低溫的影響,污水廠的脫氮除磷效果明顯下降。在活性污泥法處理過程中,大部分微生物屬于中溫菌,在低溫條件下微生物對污染物的吸附、降解性能會下降,極大提高了污染物的去除難度,在深度處理階段依靠消耗大量藥劑和能源進行處理,以滿足現行的排放標準。若采用常規工藝,將消耗更多的資源和能源,能耗過大。因此,針對唐山當地污水水質的特點采用多點進水多級AO生物處理工藝進行處理,可顯著節約碳源,實現污水節能降耗精準治理和再生。

1.2 水質分析

1.2.1 現狀水質分析

(1)進水水質實測統計分析

對現狀污水廠2016年1月—2018年11月每天的進水化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、懸浮物(SS)、氨氮、總氮(TN)、總磷(TP)實驗室實測水質指標進行統計分析,按85%或以上保證率的水質濃度作基本依據進行確定的進水水質如表1所示。

實際進水水質一般都會與原設計的水質有一定程度的差異,本工程設計進水水質主要需按照實測水質統計值進行確定。由于D廠和B廠現狀進水量和設計污水量均基本相同,按照二者進水水質加權平均值作為本工程進水水質參考值。(2)按《污水排入城鎮下水道水質標準》復核進水水質在《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)中,對排入城市下水道的工業廢水有明確的水質指標規定,主要水質指標如表2所示。

本工程中,實際進水水質不能超過《污水排入城鎮下水道水質標準》(GB/T 31962—2015)的水質指標要求,因此,將進水水質的標準設計為CODCr≤500 mg/L。

(3)遠期納管水質構成分析

根據規劃,本工程遠期進水中工業污水所占比例會越來越低,生活污水比例逐步提高。目前,進水BOD5較低,遠期隨著生活污水比例上升,BOD5將有所提高,污水BOD5/CODCr會提高,可生化性相應提高,將有利于水處理的效果提升,因此,BOD5按實測統計值(175 mg/L)設計。按上述進水水質作為設計依據可以滿足遠期需求。同時在近期污水廠工藝設計時,也會考慮近期短歷時高濃度進水影響因素,選擇合適的處理工藝。

(4)設計進水水質的最終確定

通過上述分析,本工程進水水質如表3所示。

(5)污水性質分析

本工程中,進水水質設定為TN質量濃度為63 mg/L;BOD5質量濃度為175 mg/L,BOD5/TN=2.78,而一般認定污水中碳源充足的標準為BOD5/TN≥3,同時計算結果顯示,進水水質中的碳源達不到反硝化菌的供應要求,因此,需補充碳源。為節約碳源和運行費用,本工程需采用適應低碳高氮污水的節碳工藝。

1.2.2 設計出水水質

本工程中,經處理后的廢水,出水指標達到北京地標《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(DB 11/890—2012)中B標準的要求,主要水質指標符合Ⅳ類水體標準的要求,具體要求如表4所示。

02 多點進水多級AO工藝

2.1 工藝概況

多點進水多級AO在流程上與改良Bardenpho工藝相類似,但AO段根據脫氮需求,增加至3段,并通過精確的分點進水,有效分配碳源。多段AO按照缺氧/好氧安排系統結構,此環境下,反硝化菌以及硝化菌能夠更好地生長。通過交替性布置,使得進水的有機碳源,在各段中都能夠進行充分地反硝化,保證最后的出水TN濃度達到標準要求,從而為深度脫氮提供良好的基礎。如果能夠確保最后一段有足夠小的進水量,或在最后一段適量投加一定的碳源,可保證出水TN質量濃度<1 mg/L。本工程通過交替性布置,使得缺氧/好氧無需增加內循環系統就可以實現,不僅有利于降低項目投資,而且系統運行能耗有效下降。這一設計手法有效解決了AO的高效運行難題。多點進水多級AO工藝流程如圖1所示。

2.2 工藝特點

多點進水多級AO工藝的形式使其具有以下優點。

(1)交替布置使得缺氧/好氧無需增加內循環系統就可以實現,不僅不需要增加硝化液回流設施來促進內循環,而且還能充分發揮水質中碳源的作用,讓反硝化更為充分并持續進行,在低C/N的污水中能夠實現效果非常好的高效脫氮。

(2)各段中的污水通過分散進入的方式,來推遲總稀釋作用的發生,使得各段中水體的污泥濃度(MLSS)形成梯度式的分布。相比其他的脫氮工藝,如果二沉池具有同樣的MLSS,假設不增加二沉池負荷,多點進水多級AO工藝的MLSS更高,固體物的停留時間也會更長。多點進水多級AO工藝還可以通過合理設置進水點與進水流量分配比,來提高系統的MLSS平均水平,一般可以提高35%～70%,不僅單位池容處理能力得到有效提升,而且脫氮所需池容也大大減少。

(3)缺氧區進水中的有機物可作為反硝化所需的碳源,反硝化菌充分利用原生污水中易生物降解的CODCr,從而達到節省投加外部碳源的目的;缺氧區進水中可利用碳源在反硝化過程中消耗非常大,后續好氧區可利用的碳源因此大大減少,可以抑制異養菌的生長,為自養硝化菌創造更有利的生長環境。

(4)缺氧區在布置時與好氧區形成交替形式,缺氧區產生的堿度可以用來補充好氧區的堿度,使得系統的堿度能夠維持相對的平衡;缺氧區與好氧區交替布置的形式使得每段的缺氧區成為高負荷選擇器,對絲狀菌的污泥膨脹形成良好的抑制作用。

(5)生反池中的污水,通過分散進入方式,能夠有效增強系統的抗沖擊負荷力。如果是合流制排水系統或者有雨污混接的分流制系統,只需調整流量分配比,就可有效避免暴雨所產生的巨大洪峰流量對污泥的沖刷損失。2.3影響因素

影響多點進水多級AO工藝處理效率的因素主要包括污泥齡、混合液回流、進水分配比、缺氧/好氧可調容積比、反應器段數、溫度、BOD5污泥負荷等。03多點進水多級AO工藝工程設計

本工程近期共設置3座多點進水多級AO生物反應池,單座規模為10萬m³/d,每座設厭氧段、一段AO、二段AO、三段AO。每池空氣管形成支狀,并設有電動調節閥,可通過電動調節閥對好氧池內溶解氧(DO)進行控制,對生物脫氮以及節能都有較好的效果。生反池分段分區如圖2所示。

缺氧與好氧交替布置的形式使得原水中的碳源得到充分利用,從而讓污水在各段中完全完成反硝化反應,因此,最后一段AO池的污水進水量決定了生反池的出水TN濃度,這種缺氧與好氧的交替布置能實現深度脫氮的目的。AO池數量為3座,每座分2組,每組可獨立運行,每組處理能力為5萬m3/d,有效水深為7.0 m。多點進水多級AO工藝工程設計方法主要參考《廢水工程:處理及回用》(第4版)。

(1)分段數量n

等比例進水情況下,各段的脫氮效率計算如式(1)。

其中:η——脫氮效率;

n——分段數量;

r——污泥回流比,取100%。

實際脫氮效率η計算如式(2)。

η=(1-Ne/N0)×100%? (2)

其中:N0——進水TN質量濃度,mg/L;

Ne——出水TN質量濃度,mg/L。

本工程實際脫氮效率η=(1-Ne/N0)×100%=(1-15/63)×100%=76%。

根據式(1),n=1/(1-76%)/(1+100%)=2.1,為保證脫氮效果,取分段數n=3。

(2)流量分配比例αn

采用變比例進水,假設前一段硝化產生的在隨后的缺氧段完全反硝化,則工藝最后出水的含量僅與末端進水比例有關,變比例進水脫氮效率如式(3)。

其中:αn——最后一段進水比例;

R——系統最后一段的內回流比,取100%。

由于實際脫氮效率為76%,校核變比例進水計算的脫氮效率需大于此數值。

當第一缺氧段完成對硝氮的反硝化,且第一段進水中的BOD5全部用于反硝化時,則式(4)成立。

其中:k——反硝化單位所需要的有機物的量,取圖片

Nc——出水硝氮質量濃度,mg/L;

S0——進水BOD5質量濃度,mg/L。

可利用此公式校核第一缺氧段進水中反硝化需要的碳源是否充足。

流量分配比例的兩種設計計算方法如下。

(a)等負荷流量分配法:保持各段好養區硝化菌的污泥負荷相等(假定各段AO容積相同),如式(5)和式(6)。

求解得到α1=39.8%;α2=32.4%;α3=28.1%。

采用式(7)復核缺氧池反硝化所需碳源是否充足。

αi/αi-1=k×Nk/S0 (7)

其中,Nk——進水凱氏氮(TKN)質量濃度,mg/L。

本工程k×Nk/S0=3×59.85/149=1.21,缺氧池碳源不足,無法采用等負荷流量分配法。

(b)流量分配系數法,如式(8)和式(9)。

求解得到α1=25.79%;α2=32.71%;α3=41.50%。

校核缺氧1段碳源：

α1=25.79%>kr（Nc/S0）=3×100%×（10.5/149）=21%，碳源充足。

校核脫氮效率：

η=[1-41.50%/(1+100%+100%)]×100%=86.2%>75%,可實現出水TN質量濃度<15 mg/L。

冬季時硝化反應受低溫限制,應適當延長硝化時間,可通過調整減少最后1～2級的進水量,以此來彌補低溫帶來的影響。

(3)好氧段泥齡θco,計算如式(10)。

其中:θco——好氧段泥齡,d。

F——安全系數,取3;

Na——生反池中氨氮質量濃度,mg/L;

Kn——硝化作用中氮的半速率常數,一般取1 mg/L,mg/L;

T——設計最低水溫,取12 ℃,℃。

計算得到：

θco=3×1/[0.47×1.5/(1+1.5)×e0.098×(12-15)]=14.3 d,取θco=14.3 d。

(4)污泥總產率系數Yt,計算如式(11)。

其中:Yt——污泥總產率系數;

f——污泥產率修正系數,取0.85;

Yh——異養菌產率系數,取0.6 kg SS/(kg BOD5);

bh——異養菌內源衰減系數,取0.08 d-1,d-1;

ft——溫度修正系數,為1.072(T-15);

ψ——進水中不可降解SS與總SS比例,取0.5;

S00——進水SS質量濃度,mg/L。

計算得到：

Yt=0.85×[0.6-（0.9×0.08×0.6×1.07212-15）/（1/14.3+0.08×1.07212-15）+0.5×165/149]=0.76 kg SS/（kg BOD5）。

(5)污泥凈產率系數Y,計算如式(12)。

求解得到：

Y=0.85×[0.6-（0.9×0.08×0.6×1.07212-15）/（1/14.3+0.08×1.07212-15）]=0.29 kg VSS/（kg BOD5）。

(6)每段AO容積比VA∶VO,計算如式(13)。

其中:Q——生反池進水量,萬m3/d;

SMLSS——污泥質量濃度,mg/L;

Se——出水BOD5質量濃度,mg/L;

Rn——剩余污泥含氮率,取12%;

kde——20 ℃時脫氮速率,取0.05kg NO3--N/(kg MLSS·d）

將相關參數帶入,得到VA∶VO=0.61∶1。

每段AO容積比相同,亦可根據每段去除TN及BOD5量,優化每段AO采用不同的容積比。

(7)總泥齡θc、好氧段泥齡θco、缺氧段泥齡θcd之間的關系如式(14)和式(15)。

θcd∶θco=VA∶VO (14)

θc=θcd+θco (15)

其中:θc——總泥齡,d;

θcd——缺氧段泥齡,d。

計算得：

θcd∶θco=VA∶VO=0.61；

θc=θcd+θco=14.3×1.61=23.0 d。

(8)回流污泥濃度Xr,計算如式(16)。

其中:tE——二沉池濃縮時間,取2 h,h。

RSVI——污泥容積指數,取125。

圖片 取7 g/L。

(9)反應池內污泥濃度Xi,計算如式(17)。

其中:Xi——反應池內污泥質量濃度,g/L。

求解得到：

X1=7×100%/(100%+25%)=5.6 g/L;

X2=7×100%/(100%+35%+25%)=4.4 g/L;

X3=7×100%/(100%+1)=3.5 g/L。

(10)每段AO池容Vi,計算如式(18)。

其中:Vi——每段AO池容,m³。

經復核,各段AO停留時間分別為T1=2.68 h,T2=4.77 h,T3=6.85 h,設計取值分別為T1=3.0 h,T2=5.0 h,T3=7.0 h。

(11)單組生反池設計參數匯總如下。

本工程單組生反池處理規模為5m3/d,設計最低水溫為12 ℃,最高水溫為25 ℃。

經計算,產泥率為0.76 kg DS/(kg BOD5),好氧區污泥負荷為0.12 kg BOD5/(kg MLSS·d),系統泥齡為23.0 d,好氧泥齡為14.3 d。

停留時間方面,厭氧停留時間為1.0 h,多段AO區停留時間為15 h,總停留時間為16 h,其中各段AO停留時間比例為3∶5∶7,每段AO停留時間比例為0.61∶1,缺氧區總停留時間為5.7 h,好氧區總停留時間為9.3 h。

進水分配比例采用2.5∶3.5∶4.0,設計水深為7.0 m,外回流污泥為50%～100%。

曝氣系統總的氣水比為6.3∶1,各段好氧區曝氣量比例為1.0∶1.6∶2.0,采用曝氣管,通過精確曝氣系統進行控制。

(12)后續深度處理工藝段

本工程后續污水深度處理工藝方案為“高效沉淀池+深床濾池”工藝,以進一步去除生反池出水中的SS和TP。同時在末端設置了O3催化氧化系統,當出水CODCr不達標時,啟用該系統投加O3進行強化處理,確保出水達標,在平時能達標時則不開啟O3催化氧化系統。

04 效益分析

多點進水多級AO工藝無需內回流,根據內回流污泥泵的功率計算,與常規100%內回流相比,多點進水多級AO工藝按30萬m3/d的污水處理規模計算,全年可節約用電228萬kW·h,約占全廠用電量的2%,按0.573元/(kW·h)電核算,可每年節約運行成本約為131萬元。

多點進水多級AO工藝無需額外補充碳源,按30萬m3/d的污水處理規模計算,每天可節約33%濃度的乙酸鈉溶液約為18 m3,按乙酸鈉3 000元/m3計算,全年可節約運行費用約為1 944萬元。

05 結語

(1)多點進水多級AO工藝交替布置缺氧和好氧段,使得無需增加內循環系統就可以實現脫氮,節約能源。

(2)多點進水多級AO工藝在寒冷地區低碳高氮污水處理中有比較明顯的優勢,其可優化分配污水中的碳源,使得碳源能夠精準地被用于脫氮除磷,節約碳源。

(3)多點進水多級AO工藝節能降耗,節約碳源,是新時代碳達峰碳中和背景下值得廣泛推廣的技術。

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