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(fā)利用非常規(guī)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(guī)水的消耗,不僅能夠節(jié)約水資源,而且能夠減少污水排放給環(huán)境水體所帶來的污染。這對污水處理行業(yè)提出了更高的要求,帶來了新的挑戰(zhàn)與機遇。為克服傳統(tǒng)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(tǒng)AAO工藝及Bardenpho工藝的基礎上結(jié)合發(fā)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(shù)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(qū)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(qū)規(guī)劃污水量約為80萬m³/d,根據(jù)市政府的規(guī)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(nèi)污水廠對周邊環(huán)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(guī)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(xiàn)-28.2 ℃的極端氣溫。寒冷地區(qū)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(xiàn)行的排放標準。若采用常規(guī)工藝,將消耗更多的資源和能源,能耗過大。因此,針對唐山當?shù)匚鬯|(zhì)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(jié)約碳源,實現(xiàn)污水節(jié)能降耗精準治理和再生。

1.2 水質(zhì)分析

1.2.1 現(xiàn)狀水質(zhì)分析

(1)進水水質(zhì)實測統(tǒng)計分析

對現(xiàn)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(zhì)指標進行統(tǒng)計分析,按85%或以上保證率的水質(zhì)濃度作基本依據(jù)進行確定的進水水質(zhì)如表1所示。

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

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

(3)遠期納管水質(zhì)構(gòu)成分析

根據(jù)規(guī)劃,本工程遠期進水中工業(yè)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(tǒng)計值(175 mg/L)設計。按上述進水水質(zhì)作為設計依據(jù)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(zhì)的最終確定

通過上述分析,本工程進水水質(zhì)如表3所示。

(5)污水性質(zhì)分析

本工程中,進水水質(zhì)設定為TN質(zhì)量濃度為63 mg/L;BOD5質(zhì)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(jié)果顯示,進水水質(zhì)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(jié)約碳源和運行費用,本工程需采用適應低碳高氮污水的節(jié)碳工藝。

1.2.2 設計出水水質(zhì)

本工程中,經(jīng)處理后的廢水,出水指標達到北京地標《城鎮(zhèn)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(zhì)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(jù)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(tǒng)結(jié)構(gòu),此環(huán)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(zhì)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(nèi)循環(huán)系統(tǒng)就可以實現(xiàn),不僅有利于降低項目投資,而且系統(tǒng)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(yōu)點。

(1)交替布置使得缺氧/好氧無需增加內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)就可以實現(xiàn),不僅不需要增加硝化液回流設施來促進內(nèi)循環(huán),而且還能充分發(fā)揮水質(zhì)中碳源的作用,讓反硝化更為充分并持續(xù)進行,在低C/N的污水中能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(qū)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(jié)省投加外部碳源的目的;缺氧區(qū)進水中可利用碳源在反硝化過程中消耗非常大,后續(xù)好氧區(qū)可利用的碳源因此大大減少,可以抑制異養(yǎng)菌的生長,為自養(yǎng)硝化菌創(chuàng)造更有利的生長環(huán)境。

(4)缺氧區(qū)在布置時與好氧區(qū)形成交替形式,缺氧區(qū)產(chǎn)生的堿度可以用來補充好氧區(qū)的堿度,使得系統(tǒng)的堿度能夠維持相對的平衡;缺氧區(qū)與好氧區(qū)交替布置的形式使得每段的缺氧區(qū)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(tǒng)的抗沖擊負荷力。如果是合流制排水系統(tǒng)或者有雨污混接的分流制系統(tǒng),只需調(diào)整流量分配比,就可有效避免暴雨所產(chǎn)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(diào)容積比、反應器段數(shù)、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(guī)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(diào)節(jié)閥,可通過電動調(diào)節(jié)閥對好氧池內(nèi)溶解氧(DO)進行控制,對生物脫氮以及節(jié)能都有較好的效果。生反池分段分區(qū)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(xiàn)深度脫氮的目的。AO池數(shù)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(shù)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(shù)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(zhì)量濃度,mg/L;

Ne——出水TN質(zhì)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(jù)式(1),n=1/(1-76%)/(1+100%)=2.1,為保證脫氮效果,取分段數(shù)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(chǎn)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(tǒng)最后一段的內(nèi)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(shù)值。

當?shù)谝蝗毖醵瓮瓿蓪ο醯姆聪趸?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(zhì)量濃度,mg/L;

S0——進水BOD5質(zhì)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(yǎng)區(qū)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(zhì)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(shù)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(xiàn)出水TN質(zhì)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(diào)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(shù),取3;

Na——生反池中氨氮質(zhì)量濃度,mg/L;

Kn——硝化作用中氮的半速率常數(shù),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(chǎn)率系數(shù)Yt,計算如式(11)。

其中:Yt——污泥總產(chǎn)率系數(shù);

f——污泥產(chǎn)率修正系數(shù),取0.85;

Yh——異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù),取0.6 kg SS/(kg BOD5);

bh——異養(yǎng)菌內(nèi)源衰減系數(shù),取0.08 d-1,d-1;

ft——溫度修正系數(shù),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(zhì)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(chǎn)率系數(shù)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(zhì)量濃度,mg/L;

Se——出水BOD5質(zhì)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(shù)帶入,得到VA∶VO=0.61∶1。

每段AO容積比相同,亦可根據(jù)每段去除TN及BOD5量,優(yōu)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(shù),取125。

圖片 取7 g/L。

(9)反應池內(nèi)污泥濃度Xi,計算如式(17)。

其中:Xi——反應池內(nèi)污泥質(zhì)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(jīng)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(shù)匯總?cè)缦隆?/p>

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

經(jīng)計算,產(chǎn)泥率為0.76 kg DS/(kg BOD5),好氧區(qū)污泥負荷為0.12 kg BOD5/(kg MLSS·d),系統(tǒng)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(qū)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(qū)總停留時間為5.7 h,好氧區(qū)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(tǒng)總的氣水比為6.3∶1,各段好氧區(qū)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(tǒng)進行控制。

(12)后續(xù)深度處理工藝段

本工程后續(xù)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(tǒng),當出水CODCr不達標時,啟用該系統(tǒng)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(tǒng)。

04 效益分析

多點進水多級AO工藝無需內(nèi)回流,根據(jù)內(nèi)回流污泥泵的功率計算,與常規(guī)100%內(nèi)回流相比,多點進水多級AO工藝按30萬m3/d的污水處理規(guī)模計算,全年可節(jié)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(jié)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(guī)模計算,每天可節(jié)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(jié)約運行費用約為1 944萬元。

05 結(jié)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(nèi)循環(huán)系統(tǒng)就可以實現(xiàn)脫氮,節(jié)約能源。

(2)多點進水多級AO工藝在寒冷地區(qū)低碳高氮污水處理中有比較明顯的優(yōu)勢,其可優(yōu)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(jié)約碳源。

(3)多點進水多級AO工藝節(jié)能降耗,節(jié)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。