改良型A2O工艺的脱氮诊断分析

全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集改良型A2O工艺的脱氮诊断分析陈亚松1，文嘉1，苏大雄2，颜孜佳2，许斌2，胡洪营3（1.北京建工环境发展有限责任公司，北京100192；2.昆山市北区污水处理厂，江苏昆山215300；3.清华大学环境科学与工程系，北京100084）摘要：随着污水排放标准不断提高，基于污水厂现状的A2O工艺的脱氮诊断和优化，是解决脱氮问题最为经济、也是优先采取的方案。本文以昆山市北区污水厂为例，对改良型A2O工艺的脱氮抑制问题进行了系统识别、诊断分析。研究表明，系统的硝化效果较好，出水NH3-N均值为1.2mg/L；针对反硝化不足，提出了碳源、回流比对反硝化脱氮的抑制，当R=200%时，TN的平均去除率提高至73.7%；前置反硝化是TN去除的重要途径，必须权衡与缺氧区脱氮的关系以保证出水TN达标。关键词：A2O工艺；工艺诊断；脱氮；优化调控；北区污水厂A2/O工艺由于能兼顾脱氮除磷并有较好的效果，得到了广泛的应用。但是由于A2O工艺本身存在固有的欠缺[1]，以及运行控制的不当，其高效脱氮一直是待解决的共性问题。目前，重点流域地区普遍提高了污水的排放标准，许多污水处理厂都面临着升级改造，那么，如何在原有设计基础上实现强化脱氮是许多污水厂面临的实际问题。事实上，盲目通过改扩建的方式实现强化脱氮的方式是不科学、也是不经济的，往往现状存在的问题没有得到有效的识别、解决。因此，脱氮限制问题的识别和诊断是进行工艺调控或改造的基础依据。基于污水厂现状的A2O工艺的诊断和优化，目前主要基于活性污泥数学模型的数学模拟、专家系统或软件的研究[2-4]，但是由于模型本身的不完善，对于不同工艺、不同的污水厂现状，其适用范围、准确性、可靠程度限制了其应用。因此，基于污水厂的现状，进行有针对性的问题识别、诊断对于解决污水厂脱氮实际问题具有重要意义。本研究以昆山市北区污水处理厂为例，围绕改良型A2O工艺的脱氮问题，进行了系统的识别、诊断，并提出了工艺优化和调控的措施。1材料与方法1.1北区A2O工艺概况昆山市北区污水处理厂总规模为10万t/d，采用改良型A2O工艺，即增设前置污泥反硝化区。该厂2004年投入运营，按GB18918—2002一级B标准设计，2009年投入深度处理工艺，出水水质达到GB18918—2002一级A标准。目前，出水总氮未能稳定达标，为此本研究选择一组生化池（2.5万t/d）进行了系统的脱氮诊断和调控研究。1.2全程监测分析为进行问题的诊断，对生化池进行了全程的水质监测，主要包括常规水质指标，全程取样分析点如图1所示，监测方法参见《水和废水监测分析方法》（第4版）。基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07313-002）I-39江苏无锡2010年7月全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集图1工艺流程及全程监测点1.3碳源小试方法分别取缺氧区、前置反硝化区始端水样（各1L）置于烧杯中，封口密闭，分别投加不同量的乙酸作为碳源并取空白样作对比，在相同条件下搅拌（转速30~60r/min）反应，定期测定DO及ORP控制其缺氧条件，缺氧区样品均反应2h取样，前置反硝化区分别按0.5h、1h取样分析。2结果与讨论2.1进出水水质分析评价污水处理厂进出水质的现状调查是进行诊断、工艺优化和调控的基础，因此首先对北区污水处理厂长期的运行数据进行了分析和达标率评价。表1统计分析了北区污水厂近一年以来（2007年-2008年）的进出水水质均值浓度。表1北区污水厂2007-2008年进出水水质mg/L水质指标CODBOD5TNNH3-NTPSS实际进水210102.435.027.52.6762.1实际出水47.15.316.22.70.4513.9从进出水的总体浓度来看，进水污染物浓度较低，出水水质较好，随着进水水质浓度的增高，COD、TP、SS等指标经过深度处理后达到一级A标准。但表中反映出水TN难以满足一级A排放标准要求，且难以在深度处理中去除。为进一步分析系统TN的达标的稳定性、及变化趋势，图2分析了总氮的进出水浓度及去除率概率，图3分析了全年TN达到一级A标准的达标率。05101520253051012131415161718192020浓度区间(mg/L)频率0%20%40%60%80%100%累积频率，%频率累积%0102030405060102030405060进水TN浓度(mg/L)出水TN浓度(mg/L)0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%出水TN浓度TN去除率图2进出水TN浓度概率分布图3出水TN浓度累积频率分布曲线I-40江苏无锡2010年7月全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集图2反映了TN的进水、出水浓度均表现出较大的波动性，其出水TN随着进水浓度的增高有增高趋势，系统对TN的去除率不高（约50%-70%），出水TN稳定性较差。通过图3对出水TN的累积频率分布分析，出水TN的达标率仅为54%。因此，如何提高TN的去除率、且提高其达标稳定性，是进行脱氮诊断和优化的重要任务。2.2脱氮抑制环节分析针对改良型A2O工艺的特点分析，脱氮的途径主要包括三个方面：（1）传统的硝化-反硝化脱氮，主要包括好氧区的硝化和缺氧区的反硝化；（2）同步硝化和反硝化，研究表明这部分脱氮比例较小[5]；（3）前置的污泥反硝化区对污泥中硝酸盐的反硝化脱氮。因此，反硝化脱氮是A2O工艺最主要的脱氮途径，它一般包括两个过程，即硝化和反硝化。由于本工艺硝化液的回流点位于好氧段2/3处（推流式），可能存在硝化反应不完全，故图4、图5首先从硝化环节分析了回流点及整个好氧段的硝化效果。10-1410-1910-2311-411-911-1812-1012-171-402468101214161820NH3-N浓度(mg/L)日期好氧初回流点好氧末10-1410-1910-2311-411-911-1812-1012-171-412345678910111213141516NO3-浓度(mg/L)日期好氧初回流点好氧末图4好氧段NH3-N的硝化效果图5好氧段硝酸盐的变化规律从图4、图5看出，好氧段出水及回流点处NH3-N浓度较低(均值1.2mg/L)，而硝酸盐浓度均较高(均值12.1mg/L)，说明好氧段的硝化效果良好；而回流点处与最终出口的NH3-N浓度和硝酸浓度的差异均1mg/L，第三廊道对硝化反应的贡献较小，这也说明回流点位置不是影响脱氮的限制性因素。图5表明好氧段初（即缺氧出水）的硝酸盐浓度较高（1-7mg/L），显然缺氧区的硝酸盐反硝化不完全。因此，影响系统脱氮的主要环节在于反硝化，硝化环节对脱氮的抑制较小。系统良好的硝化效果主要跟工艺的控制及进水水质有关，系统控制的实际泥龄11d，而好氧段曝气量控制较大，出口DO一般维持在2mg/L以上，而由于进水COD浓度不高，经过缺氧和厌氧利用碳源后进入好氧段的COD浓度一般100mg/L，有机物的减少削弱了异养菌与自养菌的竞争，而高浓度的DO为自养菌的生存提供了有利条件。2.3影响反硝化的因素分析脱氮的抑制环节分析表明脱氮的限制因素在于反硝化过程、而不在于硝化。抑制反硝化的因素主要包括：内回流比（R）、缺氧区容积（或HRT）、可利用碳源、温度等，还包括环境条件如水质波动、ORP、DO、碱度等因素。根据对污水厂运行现状的调查分析，工艺运行良好，表观指标如DO、pH、ORP等都满足反硝化的要求，由于分析期间温度较高（15-30℃），温度对反硝化及硝化的影响均较小。因此，本研究重点分析了反硝化区容积（或HRT）、内回流比、及碳源对反硝化效能的影响。I-41江苏无锡2010年7月全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集2.3.1缺氧区的容积（HRT）的影响为了验证缺氧区容积（HRT）对反硝化的影响，试验将调整区（见图1）改成了缺氧区以增大缺氧区的容积，改用搅拌器取代曝气，新增缺氧区停留时间约1.5h，原缺氧HRT约为2.3-3.4h，则增加缺氧区后总缺氧HRT为3.7-4.9h。图6对比了原缺氧区、新增缺氧区出水硝酸盐的浓度，图7分析了反硝化出水硝酸盐浓度与HRT的对比。8-178-198-218-238-268-279-99-109-150123456缺氧区NO3-浓度（mg/L）日期原缺氧区新增缺氧区R=200%R=100%8-178-198-218-238-268-279-99-109-150123456缺氧区NO3-浓度（mg/L）日期原缺氧区新增缺氧区R=200%R=100%2.22.42.62.83.03.23.40123456缺氧出水NO3-浓度(mg/L)缺氧区HRT图6新增缺氧区对反硝化的影响图7缺氧HRT对反硝化的影响图6表明新增缺氧区出水与原缺氧区出水硝酸盐浓度几乎相等，说明新增缺氧区（HRT）对反硝化的影响极小，且不受回流比的影响。图7表明缺氧区HRT对出水硝酸盐并无直接关系。分析原因主要可能在于原有缺氧区的HRT（2-3h）已经能满足反硝化的要求，在此温度下（15-30℃），反硝化速率基本满足反硝化的要求。因此，在现有条件下，不论是回流比100%还是200%，缺氧区HRT不是影响反硝化的限制因素。2.3.2内回流比对反硝化的影响内回流比决定了缺氧区反硝化硝酸盐的量，回流比是脱氮的重要因素，过高的回流比会造成系统能耗的浪费，过低的回流比不能满足反硝化脱氮的要求。根据现场回流泵的设置情况（Rmax=200%），分析了R=100%和R=200%对反硝化的影响，图8直观反映了不同回流比对出水TN的影响；由于现场监测反硝化速率受到多种因素的干扰，准确性较差，故图9从缺氧池出口硝酸盐浓度的变化反映了不同回流比对反硝化程度的影响。0.60.70.80.91.0图8回流比对TN去除的影响图9回流比对硝酸盐的影响从图8看出，R=200%时，出水TN明显降低，达到一级A标准，TN的平均去除率由65.2%（R=100%）提高至73.7%（其中包括前置区对脱氮的贡献），因此，增加系统的内回流比，能够5-65-75-85-105-115-125-136-166-176-186-196-226-236-29510152025353040455055名义去除率(%)TN浓度(mg/L)日期进水出水TN去除率0.60.70.80.91.0R=100%R=200%5-65-75-85-105-115-125-136-166-176-186-196-226-236-29525351015203040455055名义去除率(%)TN浓度(mg/L)日期进水出水TN去除率R=200%R=100%R=100%R=200%I-42江苏无锡2010年7月全国城镇污水处理厂除磷脱氮及深度处理技术交流大会论文集提高缺氧区反硝化能力，是调控脱氮的重要途径。尽管如此，图9表明增大回流比，缺氧出口硝酸盐浓度明显增高，说明R=200%时，缺氧区仍存在大量未进行反硝化的硝酸盐，缺氧区反硝化并不完全。因此，增大回流比后抑制缺氧反硝化的因素可能包括碳源等其他条件，而最经济合理的回流比也有待评价分析。2.3.3碳源对反硝化的影响碳源是影响脱氮的重要因素，污水中的碳源是否被反硝化、除磷合理分配利用也是影响处理效能的关键因素。针对北区污水厂工程实际，进水碳源的分配上采用了两点进水的方式，一部分污水（15%）进入污泥反硝化区，另一部分污水（85%）直接进入厌氧区。为了研究碳源对反硝化的影响，分别对前置反硝化区、缺氧区取样（1L）进行了投加碳源的小试试验（R=200%），图10分析了碳源投加量对缺氧区反硝化的影响（均反应2h）；由于前置反硝化区HRT仅为0.5h，图11同时分析了碳源投加量、反应时间对前置反硝化的影响。原液不加碳源0.5h不加碳源1.5h加乙酸0.5h加乙酸1.5h012345NO3-N浓度(mg/L)原液不加碳源加0.1ml乙酸加0.2ml乙酸加0.3ml乙酸0246810121416NO3-N浓度