超詳解！多點進(jìn)水多級AO工藝在寒冷地區(qū)大型污水處理廠的應(yīng)用
我國淡水資源短缺,全國約有1/5的城市嚴(yán)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(jī)遇。為克服傳統(tǒng)污水脫氮除磷技術(shù)的缺點,多點進(jìn)水多級AO工藝應(yīng)運而生。多點進(jìn)水多級AO工藝是在傳統(tǒng)AAO工藝及Bardenpho工藝的基礎(chǔ)上結(jié)合發(fā)展而來,在日本應(yīng)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(yīng)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(biāo)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(dá)標(biāo)困難的難題,提出了多點進(jìn)水多級AO工藝的技術(shù)特點、影響因素及設(shè)計計算方法,可為類似項目的設(shè)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(guān)注,以及排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高,須將原中心城的污水廠進(jìn)行遷建,新建2座大型規(guī)模的污水廠,出水標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到“準(zhǔn)Ⅳ類”水(除TN外,其余指標(biāo)均達(dá)到地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)),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(yīng)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(jìn)行處理,以滿足現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。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(dāng)?shù)匚鬯|(zhì)的特點采用多點進(jìn)水多級AO生物處理工藝進(jìn)行處理,可顯著節(jié)約碳源,實現(xiàn)污水節(jié)能降耗精準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)水化學(xué)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(biāo)進(jìn)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(jìn)行確定的進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。
實際進(jìn)水水質(zhì)一般都會與原設(shè)計的水質(zhì)有一定程度的差異,本工程設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)主要需按照實測水質(zhì)統(tǒng)計值進(jìn)行確定。由于D廠和B廠現(xiàn)狀進(jìn)水量和設(shè)計污水量均基本相同,按照二者進(jìn)水水質(zhì)加權(quán)平均值作為本工程進(jìn)水水質(zhì)參考值。(2)按《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》復(fù)核進(jìn)水水質(zhì)在《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(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(biāo)規(guī)定,主要水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。
本工程中,實際進(jìn)水水質(zhì)不能超過《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 31962—2015)的水質(zhì)指標(biāo)要求,因此,將進(jìn)水水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計為CODCr≤500 mg/L。
(3)遠(yuǎn)期納管水質(zhì)構(gòu)成分析
根據(jù)規(guī)劃,本工程遠(yuǎn)期進(jìn)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(jìn)水BOD5較低,遠(yuǎn)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(yīng)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(shè)計。按上述進(jìn)水水質(zhì)作為設(shè)計依據(jù)可以滿足遠(yuǎn)期需求。同時在近期污水廠工藝設(shè)計時,也會考慮近期短歷時高濃度進(jìn)水影響因素,選擇合適的處理工藝。
(4)設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)的最終確定
通過上述分析,本工程進(jìn)水水質(zhì)如表3所示。
(5)污水性質(zhì)分析
本工程中,進(jìn)水水質(zhì)設(shè)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(rèn)定污水中碳源充足的標(biāo)準(zhǔn)為BOD5/TN≥3,同時計算結(jié)果顯示,進(jìn)水水質(zhì)中的碳源達(dá)不到反硝化菌的供應(yīng)要求,因此,需補(bǔ)充碳源。為節(jié)約碳源和運行費用,本工程需采用適應(yīng)低碳高氮污水的節(jié)碳工藝。
1.2.2 設(shè)計出水水質(zhì)
本工程中,經(jīng)處理后的廢水,出水指標(biāo)達(dá)到北京地標(biāo)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/890—2012)中B標(biāo)準(zhǔn)的要求,主要水質(zhì)指標(biāo)符合Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)的要求,具體要求如表4所示。
02 多點進(jìn)水多級AO工藝
2.1 工藝概況
多點進(jìn)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(jìn)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(jìn)水的有機(jī)碳源,在各段中都能夠進(jìn)行充分地反硝化,保證最后的出水TN濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,從而為深度脫氮提供良好的基礎(chǔ)。如果能夠確保最后一段有足夠小的進(jìn)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(shè)計手法有效解決了AO的高效運行難題。多點進(jìn)水多級AO工藝流程如圖1所示。
2.2 工藝特點
多點進(jìn)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(shè)施來促進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shè)不增加二沉池負(fù)荷,多點進(jìn)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(jìn)水多級AO工藝還可以通過合理設(shè)置進(jìn)水點與進(jìn)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(jìn)水中的有機(jī)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(dá)到節(jié)省投加外部碳源的目的;缺氧區(qū)進(jìn)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(bǔ)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(fù)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(jìn)入方式,能夠有效增強(qiáng)系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)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(jìn)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(jìn)水分配比、缺氧/好氧可調(diào)容積比、反應(yīng)器段數(shù)、溫度、BOD5污泥負(fù)荷等。03多點進(jìn)水多級AO工藝工程設(shè)計
本工程近期共設(shè)置3座多點進(jìn)水多級AO生物反應(yīng)池,單座規(guī)模為10萬m3/d,每座設(shè)厭氧段、一段AO、二段AO、三段AO。每池空氣管形成支狀,并設(shè)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(jìn)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(yīng),因此,最后一段AO池的污水進(jìn)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(jìn)水多級AO工藝工程設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)水,假設(shè)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(jìn)水比例有關(guān),變比例進(jìn)水脫氮效率如式(3)。
其中:αn——最后一段進(jìn)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(jìn)水計算的脫氮效率需大于此數(shù)值。
當(dāng)?shù)谝蝗毖醵瓮瓿蓪ο醯姆聪趸?且第一段進(jìn)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(jī)物的量,取圖片
Nc——出水硝氮質(zhì)量濃度,mg/L;
S0——進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度,mg/L。
可利用此公式校核第一缺氧段進(jìn)水中反硝化需要的碳源是否充足。
流量分配比例的兩種設(shè)計計算方法如下。
(a)等負(fù)荷流量分配法:保持各段好養(yǎng)區(qū)硝化菌的污泥負(fù)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(fù)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(jìn)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(fù)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(yīng)受低溫限制,應(yīng)適當(dāng)延長硝化時間,可通過調(diào)整減少最后1～2級的進(jìn)水量,以此來彌補(bǔ)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(shè)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(jìn)水中不可降解SS與總SS比例,取0.5;
S00——進(jìn)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(jìn)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(guān)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(guān)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(yīng)池內(nèi)污泥濃度Xi,計算如式(17)。
其中:Xi——反應(yīng)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(fù)核,各段AO停留時間分別為T1=2.68 h,T2=4.77 h,T3=6.85 h,設(shè)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(shè)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(shè)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(fù)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(jìn)水分配比例采用2.5∶3.5∶4.0,設(shè)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(jìn)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(jìn)一步去除生反池出水中的SS和TP。同時在末端設(shè)置了O3催化氧化系統(tǒng),當(dāng)出水CODCr不達(dá)標(biāo)時,啟用該系統(tǒng)投加O3進(jìn)行強(qiáng)化處理,確保出水達(dá)標(biāo),在平時能達(dá)標(biāo)時則不開啟O3催化氧化系統(tǒng)。
04 效益分析
多點進(jìn)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(jìn)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(jìn)水多級AO工藝無需額外補(bǔ)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)地被用于脫氮除磷,節(jié)約碳源。
(3)多點進(jìn)水多級AO工藝節(jié)能降耗,節(jié)約碳源,是新時代碳達(dá)峰碳中和背景下值得廣泛推廣的技術(shù)。