SBR脱氮除磷工艺分析与优化设计沈耀良

第14卷第4期污染防治技术20()l年12月·研究报告·SBR脱氮除磷工艺分析与优化设计沈耀良(苏州城建环保学院,江苏苏州215011)摘要:结合具有脱氮除磷功能的SBR工艺的运行和动力学分析,介绍了SBR工艺优化设计的统一数学模式,并指出了该工艺在实际应用中的控制要点。关健词:SB;R脱氮除磷;工艺分析;优化设计中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:l0(辫一695X(2oolj04~(刃01一03AnalysisandOPtimizedDesignofSBRProcessforN诚rientRemovalSHENYao一Iiangs诚ounIszituzeofrUbanoCnsjt、tionandE二iornmentalporteetion,s诚ou,Jia哪u215011,hCina)Abstract:InthisPal)eraartionalanduni6eddimensioningdesignapp功aehofSBR呱51川,posdefornu的ent陀movalhased朋theoPeartionalanalyois,nuitrentremovaldyanmiesandmodellingoftheporeess,andalsoemphasizedsomemain一pointsofrparetie目applieationanddesi,andopeartionof51弓R.eKywords:SBR;Nliitrentermoval;Pn〕eessanalysis;optimizeddesi,随着对废水中氮、磷物质排放要求的日趋严格,具有脱氮除磷功能的废水处理工艺技术得到越来越多地应用,促进了对于不同工艺系统脱氮除磷机理及运行控制不断深人研究和处理工艺的合理设计。SBR工艺作为广泛应用于工业和城市污水处理的脱氮除磷新工艺,同样得到了广泛的研究[’浏。sBR系统适用范围较广、运行方式灵活,但由于不同的处理功能对工艺设计的要求不同,目前又尚无普遍适用的工艺设计方法,故在一定程度上影响了其实际应用和处理功能的有效发挥。今结合具有脱氮除磷功能的SBR工艺的运行和动力学分析,介绍SBR工艺优化设计的统一数学模式,并指出该工艺在实际应用中的控制要点。1关键运行参数分析1.1运行周期(跳)作为间歇运行工艺,SBR反应器可单池运行,亦可多池并联运行。它与连续流工艺的区别之一是后者的曝气和沉淀过程属于空间序列方式,而前者则属于时间序列方式。SBR反应器所需的总容积(VT)包括污泥区(固定容积,Vs)和充水容积(VF)两部分,其Vs/V;相应于连续流工艺中污泥回流比,它是工艺设计的重要参数。sBR工艺是以周期方式运行,一般由充水(TF)、反应(TR)、沉淀(TS)、排水排泥(TD)和闲置(T;)等5个阶段构成一个周期。目前,多将各阶段的运行时间之和作为其运行周期(TC)并据此进行工艺设计。事实上,这种设计思路是仅以有机底物的去除为考虑对象,而在具有脱氮除磷要求的SBR工艺中,存在厌氧(搅拌)、缺氧(搅拌)和好氧(曝气)多个操作阶段,同时一般假定在沉淀、排水排泥和闲置阶段不存在生物转化过程。因而从严格意义上讲,其理论有效运行时间(T。)应为好氧反应时间(TA)和混合搅拌时间(包括厌氧八N和缺氧几N)之和,即:Tp二TA+TNA十TND二TC一(TS+T。+T;)(l)BSR的充水时间(TF)以其运行方式及所处理废水特性的不同而各不相同,有的很短,有的则可接近TC(如以cAss方式运行时图)。根据.fT/TC比值的不同,SBR可与推流(PF)或完全混合(CSTR)的流态收稿日期二2《瓦〕1一08一18作者简介:沈耀良(1%l一),男,江苏无锡人,博士,教授,从事水污染控制工程教学和研究工作,发表论文80余篇,出版专著1部,主编和主审全国统编教材、专著3部。第14卷第4期沈耀良.SBR脱氮除磷工艺分析与优化设计2)X(z年12月运行闭。TF越短,在反应器的一个运行周期内,底物的丰贫差距越大,有利于絮凝微生物的生长困。然而TF越短,则所需的反应器数(n)越多或所需的调节池容积越大(若不设调节池,则n取决于cT/几的比)。因而,在实际应用设计中,一般应考虑设置容积合适的调节池,以避免因池数过多而增加投资或造成运行操作复杂。sBR工艺的沉淀时间(TS)主要与灌水方式、灌水高度、泥面下降速度有关,而排水时间则主要与vF和排水速率有关喊7〕,通常均为o.sh~Zh。闲置时间(T,)则是一个独立参数,常作为保留时间,在需要时分配到其他操作阶段。由上述分析可知,BSR工艺的有效运行时间TP一般要比运行周期cT短lh一4h〔8〕。1.2名义水力停留时间HRT(sh)对SBR反应器而言,名义水力停留时间(O二V/Q)可用于不同SBR之间和与连续流系统的比较。对每天运行m周期的单个SBR反应器而言有:Q二mVF和TC二1/m,则名义HRT可表示为:0、=TC(vT/VF)二(l+VS/VF)Tc(2)1.3污泥的有效停留时间SRT(oxE)如前所述,SBR运行过程中,一般假设沉淀和排水排泥阶段是不发生生物转化作用的,因而反应器中污泥“有效停留时间SRT,,应以污泥的有效停留时间(TE)来考虑。则污泥的有效SRT(sxE)为:sxE二夕xTE/TC(3)对硝化一反硝化系统而言,有效停留时间应为TP,而对强化生物除磷系统(EBPR)来讲,由于在厌氧阶段自养微生物的生长和内源呼吸作用几乎停止,一般可不计困。因而其有效停留时间应为:TE二TP一TAN二TDN+,A(4)对硝化过程而言,由于自养微生物的生长仅在好氧条件下发生,好氧阶段的SRT(OxA)则可表示为:sxA二夕xTA/TC(5)2反应动力学参数分析2.1峭化容量(万ox)和反稍化容量(刀nP)为合理确定硝化一反硝化sBR工艺的oxE,必须了解两个重要的反应动力学参数,即硝化容量(Nox)和反硝化容量(万DP)。2首先,硝化容量可根据反应过程中氧化的氮氮浓度和所产生硝态氮浓度的物料衡算计算,即:Nox=CNn;+SNH:一SNH一SND一Nx(6)式中:cNDI—进水中可生物降解有机氮,酬衬;sNIH—进水中氨氮,g/耐;sNH—出水中氨氮,岁时;sND—出水中溶解性可生物降解有机氮,岁时;Nx—通过剩余污泥去除的氮,g/砰。假定不计固定到自养菌微生物去除的氮,则Nx可根据下式物料衡算方程进行计算:万x二iNEMYNHCsl(7)yNH=(l+介6H口xE)yH/(l一bH口xE)(8)式中:YH—异养菌产率系数;bH—内源呼吸速率,l/;d介—污泥中的无机成分比例;iNME—污泥中的氮含量,;gCsl—进水中可生物降解COD浓度,mg/L。反硝化容量(NDP)是SBR系统的重要设计参数,它反映缺氧阶段存在足够硝酸盐时,通过反硝化可能去除的硝酸盐浓度,可表示为去除有机物过餐中所需要电子受体总数的硝态氮当量分数,即:NDP=FnN专ORH/(2.86口)(9)式中:oRH—异氧菌需氧速率,可表示为:O五H=(l一rNH)eCsl(10)由此,NDP可表示为:NDP二(TnN/TE),(l一YNH)Cs;/2.86(川如果进水阶段为缺氧运行,在此条件下电子受体的吸收速率高于好氧条件,对一定的TND/TE而言,反硝化容量将增加。假定去除易生物降解基质(ORHS,)对电子受体的需求全部发生在缺氧阶段,则剩余部分有机基质(oRH一oRHs,)的去除率取决于TND/TE,并有如下物料衡算方程:2.86口NnP二刀oRH。。+,(oRH一ORH。。)TDN/TE(12)ORHs。二(1一珠H)Qss,(13)式中:551—进水中易生物降解coD浓度,m酬L。将式(or)和(13)代人(12),可得到下式:第14卷第4期沈耀良.SBR脱氮除磷工艺分析与优化设计2《X)1年12月N。。二(TD、/TE),(l一YNH)Csl/2.86十(T^/TE)军(l一Y、H)55,/2.86(14)式(14)清楚地表明,进水中易生物降解COD浓度(55,)对NDP有明显的影响,在较低的TDN/T;时尤其如此。由此可知,当废水的COD/TKN较低时,为提高或达到硝酸盐的处理要求,必须将充水阶段控制在缺氧条件下运行。2.2出水中峭酸盐浓度(靳。)在SBR运行的一个周期末了,反应器(V,)中所残留的氮均为硝酸盐,假如反硝化容量足以去除所有硝酸盐,前置反硝化的脱氮效率则取决于价/Vs的比值。出水中的硝酸盐浓度可按下式计算:sN。=Nox/(l+yF/Vs)(15)由上式可知,为提高上一周期所产生硝酸盐的浓度而提高反硝化的效率,一般做法是延长HRT而不是提高yF/FS的比值。当刀nP大于或等于Nox时,可通过间歇曝气使出水中的硝酸盐浓度降至最低水平。如果废水的COD/TKN足够高,则可通过合理的确定污泥龄而实现彻底的反硝化。2.3强化生物除磷(EBP)R的途径使用SBR工艺进行脱氮除磷处理时,在运行周期内必须考虑厌氧阶段的问题。反应器的除磷效率取决于厌氧阶段聚磷菌(PAO)所能利用的低分子有机物或溶解性可发酵有机物的数量和厌氧阶段的持续时间,并必须将反硝化过程对有机底物的消耗控制在最低的水平,即须尽可能地降低价/VS的比值,同时也可利用闲置阶段处于内源呼吸阶段污泥的反硝化作用而尽量降低厌氧运行阶段硝酸盐的浓度(如Jphannesbu吧和R一D一Nl艺)。由此可计算反应器中的污泥量(Mx):MX=YNQCslox(17)式中:yN—污泥净产率系数,STS/COD。污泥净产率系数(YN)与观察异养菌产率以及进水中的惰性颗粒物含量密切相关,可用下式计算:YN二iTC(NYH+X。/Csl)(18)式中:xH—进水中惰性颗粒物的coD浓度,岁衬;irc—污泥的STS/COD比。当进水中含有无机SS时,则反应器中的污泥浓度,可按下式计算:MX二YNQCs,sxE(T(:/T*:)(19)由上式可计算在一定SVI时污泥沉淀区所需要的容积(V、)。进行SBR工艺所需污泥沉淀区的容积计算时,应考虑一定的安全系数(Sf),以保证污泥的良好沉淀并防止排水期间污泥的流失而影响出水水质川。s。一般为1.1一1.2。具体计算如下:VS二s:Mx(svl)x20一6(20)vs将随运行循环数(即周期数)的增加而降低。此外,由于cT/TE的比随循环数而增加,为维持有效污泥龄所需要的污泥量及污泥区容积也将相应增加。因此,对一定的进水污染物浓度和有效污泥龄而言,应以尽量减少反应器容积为原则,确定合理的运行周期。图1所示为在一定废水浓度和有效污泥龄条件下处理单位水量所需要的反应器容积。对不同m值,可根据TE二TC一2计算有效停留时间。l.1.叭一叭一外日汝彩神侧串以3SBR反应器工艺的设计SBR工艺具有抗冲击负荷能力强的特点,一般是非稳态运行。如果进水浓度在长期内相对稳定,则其不同周期间的运行状况是相同的,或说是稳态的。此时,SBR反应器可根据稳态条件下的SRT进行设计。当应用SBR进行脱氮处理时,其设计的关键是合理确定SRT,包括自养菌的Ox*和异养菌口x:}o实现高效脱氮的关键是实现良好的硝化。由于硝化菌为自养菌,因而合理确定好氧阶段污泥龄就显得极为重要。口x人可根据特定温度下自养菌的最大生长速率确定,并适当考虑安全系数。而oxE则可根据下式计算:ox:=sxA/(l一TDN/TE)(16)1.1.CS二205mg/LCODX、、二25mg/LCOD夕x。二20dSVI=140mL/gQ=1m3/dO.O.0.O.3周期数,/d图1SBR反应器容积与每天周期数的关系由图1可见,当m二3一6时,所需的SBR反应器总容积(vT)基本相等,而价/VS值则在1.0一3.0之间变化。vF/vs值可根据不同m,利用下式进行计算:(下转第6页)第14卷第4期李健生等.中空纤维膜萃取法处理含酚废水的试验研究20()1年12月2.4萃取相流速对总传质系数的影响固定水相流速,随着萃取相流速的增大,总传质系数无明显变化。这是由于在这种情况下总传质系数可化为:为有效的方法,经过萃