響應面法優(yōu)化實際污水廠的除磷過程

韓 微,雷志超,韓蕊敏,張媛媛,彭趙旭

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響應面法優(yōu)化實際污水廠的除磷過程

韓 微,雷志超,韓蕊敏,張媛媛,彭趙旭*

(鄭州大學水利與環(huán)境學院,河南 鄭州 450001)

實際污水廠除磷過程是一系列復雜的生物和化學反應集合,為綜合考察各因素對總磷去除的影響,采用響應面法分析了碳氮比(C/N),碳磷比(C/P),有機負荷(F/M)等水質參數(shù),以及排泥量,加藥量,外回流比()等工藝參數(shù)和除磷表現(xiàn)之間的關系,并根據(jù)物料守恒建立了磷含量平衡模型.結果表明,從水質方面,C/N,C/P和F/M的最優(yōu)范圍分別是5.50~7.00,50.00~70.00和0.06~0.08d-1,從運行方面,排泥量,加藥量,R的最優(yōu)范圍分別為14.3t/萬m3,35~40mg/L和65%~70%.分析建立的磷含量平衡模型,發(fā)現(xiàn)各參數(shù)對除磷影響程度的強弱依次是C/N,F/M,R,排泥量,C/P和加藥量.當C/N和F/M等主要影響因素處于最優(yōu)范圍,且水廠運行狀況穩(wěn)定時,利用該模型能準確預測出水TP濃度.

除磷；響應面法；磷平衡模型；總磷去除率

磷是化工生產、生命活動中非常重要的元素,水體含磷量過多時易引發(fā)富營養(yǎng)化現(xiàn)象[1-2].我國污水排放標準已普遍提升到一級A,要求出水總磷(TP)不大于0.5mg/L[3].采取可行方法降低污水中磷含量,是急需解決的問題.實際水廠中除磷主要依靠聚磷菌(PAOs)的生物作用[4],輔以藥劑的化學作用[5].除磷過程的影響因素眾多,一般來講,碳氮比(C/N),碳磷比(C/P)越大時TP去除率越大[6];當出水TP在0.5~1.0mg/L時,去除1molTP需投加1.0~2.0mol金屬鹽[7];當外回流比在70%~80%時,有助于PAOs的富集[8].但是現(xiàn)有研究多集中在實驗室規(guī)模的單因素考察,實際除磷過程各因素的綜合影響還鮮有報道.本文利用響應面法,考察了實際水廠運行中C/N, C/P, F/M,排泥量,加藥量,外回流比()與除磷的關系,旨在尋找瓶頸因素.并建立出水TP預測模型,為實際水廠的優(yōu)化除磷提供理論指導和技術支持.

1 材料與方法

1.1 用水來源和水質

表1 進水水質

某污水處理廠設計規(guī)模15′104m3/d,處理當?shù)馗咝录夹g開發(fā)區(qū),工業(yè)園區(qū),縣城區(qū)內的生活污水,以及部分工業(yè)廢水(造紙制藥).采用水解酸化+二級生化(改良氧化溝)+深度處理,改良氧化溝分為厭氧缺氧和好氧區(qū).設計與實際進水水質如表1所示.可見實際來水的可生化性較差,僅靠生物除磷難以達標排放.為保證出水水質,在深度處理單元中通過投加聚合氯化鋁(PAC)來強化除磷.

1.2 研究方法

根據(jù)響應面原理[9],采用Box-Behnken法探究C/P,C/N,F/M(本文指COD/TP,COD/TN,COD/MLSS)等水質參數(shù),以及排泥量,加藥量,等工藝因素對除磷的影響.每因素設定3個水平,C/P取40.0,85.0, 130.0;C/N取4.00,7.00,10.00;F/M取0.04,0.07,0.11d-1;排泥量(處理每萬t污水排放污泥的質量)取4.30,9.30,14.30t/萬m3;加藥量取39,112,185mg/L;外回流比取45%,60%,75%.分別對水質參數(shù)和工藝參數(shù)進行考察,具體設計如表2,表3所示[10].根據(jù)設計工況,從水廠日報表中選擇相似工況的運行數(shù)據(jù).每工況數(shù)據(jù)至少選擇三組,取平均值后填入表中相應位置.

表2 水質參數(shù)的設計工況及運行數(shù)據(jù)

表3 工藝參數(shù)的設計工況及運行數(shù)據(jù)

續(xù)表3

1.3 檢測分析項目

水樣采集后用0.45μm微孔濾膜過濾,TP和TN采用離子色譜法測定;COD采用重鉻酸鉀法測定;MLSS和MLVSS的檢測方法采用重量法[11].進水流量依靠接入水廠總管上的流量計讀取,出水流量依靠巴氏計量槽的液位讀取,排泥總量參照每日地磅顯示的數(shù)值,除磷藥劑投加量根據(jù)加藥設備上的計量泵顯示數(shù)值.

TP去除率=100′(TP進-TP出))/TP進

TP去除量=TP進-TP出

2 結果與討論

2.1 水質對除磷的影響

活性污泥生長需要碳源,生物除磷時C/P一般不宜低于17[12].生物脫氮同樣需要碳源,與除磷存在競爭.另外碳源還會影響F/M,改變微生物生長狀態(tài).

由圖1可見,C/N偏低時(TN濃度高),提高C/N有助于強化除磷.當C/N為5.50~7.00時除磷效果最優(yōu),C/N過高(TN濃度低)對除磷不利,這是因為氮是聚磷菌生長必需的元素.C/P偏低時(碳源濃度低),增加C/P會強化除磷,C/P在70左右時除磷效果最佳.C/P偏高時(碳源濃度高)除磷出現(xiàn)惡化.因為高碳源環(huán)境下,生活習性和聚磷菌相似的聚糖菌同樣吸收有機物,卻不涉及磷的轉移[13].F/M對除磷的影響較為復雜,從去除率角度看越高越好,但是高F/M時除磷更多依靠同化作用.從除磷量角度看高F/M時生物量偏低,并且容易滋生聚糖菌,對生物除磷是不利的.

圖1 水質對TP去除量(率)的影響

(a)碳氮比;(b)碳磷比;(c)有機負荷比

由此得知C/N,C/P,F/M都需控制在合理水平.張淼等[14]發(fā)現(xiàn)C/N在4~5時,除磷較好.一般缺乏碳源是水廠面臨的主要問題.為了補充碳源,常投加外碳源.比如水解酸化剩余污泥產生小分子脂肪酸,或者購買乙酸鈉,葡萄糖等.本水廠并未投加碳源, C/N, C/P, F/M分別在5.50~7.00, 50.00~70.00和0.06~ 0.08d-1時比較有助于除磷.

2.2 工藝參數(shù)對除磷的影響

通過調節(jié)排泥量,加藥量,外回流比等工藝參數(shù),同樣可以改變除磷的效果.李子富等[15]發(fā)現(xiàn),PAC投加量在60mg/L時,除磷效果最好.

由圖2可見,加藥量35~40mg/L時效果最優(yōu),偏高或偏低都不理想.因為化學除磷是結晶,絮凝,吸附等多重效應的作用[16].無論生物法還是化學法,除磷都是通過排泥實現(xiàn)的,排泥量越大效果越好,TP去除率和去除量都印證了這一規(guī)律.但是過高會增加運維成本,也不利于硝化菌生長,本水廠上限值在14.3t/萬m3左右.聚磷菌生長需要厭氧好氧交替的環(huán)境,理論上R為100%時最有助于聚磷菌生長.但是高R條件帶入的硝酸鹽和溶解氧會嚴重破壞厭氧環(huán)境,影響PAOs放磷[17-18].權衡各影響因素,R在65~70%時是比較合適的.

圖2 工藝參數(shù)對總磷去除量(率)的影響

(a)外回流比;(b)排泥量;(c)加藥量

加藥量、排泥量、都需合理控制.當生物除磷能夠達標時,不用開啟化學除磷.排泥量需根據(jù)脫泥設備,污泥齡等因素決定.為了兼顧脫氮,污泥齡一般不宜低于8d.高時要維持厭氧環(huán)境,可在不影響硝化的前提下盡量降低溶解氧.對于本水廠加藥量和分別在35~40mg/L和65%~70%是有助于除磷的.

2.3 多因素除磷的響應面分析

對TP去除率(量)與C/P,C/N,F/M進行響應面分析,得到最優(yōu)工況如表4所示,結合實際確定最優(yōu)參數(shù)為:C/N=8.5,C/P=72,F/M= 0.11d-1.在水廠日報表中,核對相似條件下的運行數(shù)據(jù),TP去除率為83%,與響應面預測值85.17%接近,出水TP為0.38mg/L.

表4 響應面法優(yōu)化分析結果

對TP去除率(量)與加藥量,排泥量,進行響應面分析,得到最優(yōu)工況.結合實際確定最優(yōu)參數(shù)為:加藥量= 40mg/L,排泥量=14.3t/萬m3,=75%.在水廠日報表中,核對相似條件下的運行數(shù)據(jù),TP去除率為90%,與預測值90.36%接近,出水TP為0.40mg/L.

2.4 磷含量平衡模型的建立

為了明晰各因素對除磷過程的影響權重,建立磷含量平衡模型.

2.4.1 建立假設條件 (1)微生物濃度和有機底物濃度不隨時間變化,系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定;(2)微生物濃度和有機底物濃度不隨空間變化,系統(tǒng)完全混合;(3)反應過程中供氧充分;(4)參數(shù)設定:通過查找設計手冊并結合其他人的相關研究[19-20],得知碳氮磷比應在一個范圍.結合本水廠實際情況,確定生物脫氮時C/N為3.8:1;生物除磷時C/P為100:1;根據(jù)污水廠實際測量數(shù)據(jù),脫水污泥密度大約為1.145×106mg/L,含水率為82%左右.

2.4.2 磷含量平衡方程:分析系統(tǒng)磷轉化途徑,磷的來源只有進水,磷的去處有排水,以及剩余污泥.根據(jù)轉移途徑(圖3所示),建立磷的物料平衡方程:

(4)

式中:V為反應池體積,m3;Qi為進水流量,m3/d; Qe為出水流量,m3/d; Si為進水TP濃度,mg/L; Se為出水TP濃度,mg/L; m無為化學除磷的質量,g/d; m有為生物除磷的質量g/d; SCOD為進水COD濃度,mg/L;C/P為進水碳磷比;m為排泥量,t/萬m3; R為外回流比,%; SCOD'為出水COD濃度,mg/L;K為加藥量,mg/L;F/M為有機負荷,d-1.

設C/P為1,排泥量為2,加藥量為3,C/N為4,外回流比為5,有機負荷F/M為6,當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(即d/d0),得到式(5).

2.4.3 磷含量平衡模型的驗證 采用水廠實際數(shù)據(jù),帶入所建模型進行出水TP預測,把預測值和實際值進行對比(圖4).利用spss軟件得到相關系數(shù)2為0.9411,相關性良好.分別對6個自變量求導,結果如表5所示.可見每個參數(shù)的影響受多方面制約.以水廠設計平均值為例,即i=e=15′104m3/d,COD=350mg/L,COD=40mg/L,i=2.5mg/L. MLSS= 4000mg/L.加藥量,排泥量和分別取40mg/L,14.3t/萬m3,75%,得到6個斜率.由大到小依次是C/N,F/ M,,排泥量,C/P和加藥量.相比于工藝因素,水質因素影響更大,尤其是C/N和F/M.C/N之所以重要,是因為在碳源利用方面脫氮比除磷強勢.當來水碳源有限時優(yōu)先被反硝化菌利用.

圖4 模擬值和實際值對比

F/M與生長速率,菌群組成等有關,直接決定聚磷菌的活性.排泥量的影響沒有F/M大,因為它僅能改變F/M中的MLSS.當MLSS很高時,即使增加排泥量F/M仍然很低.加藥量影響最弱,因為化學除磷只是輔助手段.

對于出水磷的模擬值與實際值相差較大的點,主要原因是C/N,F/M等關鍵參數(shù)不在最優(yōu)范圍內.每個參數(shù)都有最優(yōu)范圍,在該范圍內TP去除率(量)變化幅度較小,不在時則非常顯著.因此本模型的適用條件為:C/N在5.50~7.00,F/M在0.06~0.08d-1,在65%~ 70%,C/P在50.00~70.00,加藥量在35~40mg/L,該范圍內其指導性較強.排泥量在兼顧設備和脫氮前提下越大越好,本水廠是14.3t/萬m3.實際使用時滿足主要影響因素在最優(yōu)范圍即可,對于加藥量等次要因素,在0~120mg/L內波動都不會導致模擬值失真.當系統(tǒng)不穩(wěn)定時,預測值偏差較大,建議在之后的研究中,把處理流程分成若干單元,以各單元為研究對象,通過對各單元系統(tǒng)地耦合來考察整體的運行情況.

表5 出水總磷模型求導結果

3 結論

3.1 水質參數(shù)和工藝參數(shù)均對除磷有較大影響.考察單因素時,最優(yōu)的C/N,C/P,F/M分別是5.50~7.00, 50.00~70.00和0.06~0.08d-1,最優(yōu)的加藥量和外回流比分別35~40mg/L和65%~70%.排泥量在兼顧脫泥設備和脫氮的前提下越大越好.

3.2 通過響應面法分析,從水質方面,C/N=8.50, C/P=72.00,F/M=0.11d-1時最有助于除磷;從工藝方面,加藥量=40mg/L,排泥量=14.3t/萬m3,外回流比= 75%時最有助于除磷.

3.3 建立磷含量平衡模型并考察了多因素對除磷的綜合影響,影響力大小依次是C/N,F/M,R,排泥量, C/P和加藥量.當主要影響因素處于最優(yōu)范圍時,模型預測值與實際檢測值具有很高的相關性.

[1] 張 雷,曹 偉,馬迎群,等.大遼河感潮河段及近岸河口氮,磷的分布及潛在性富營養(yǎng)[J]. 環(huán)境科學, 2016,37(5):1677-1684.

[2] Shu X, Hong W, Hong B, et al. Assessment of the Spatial and Temporal Water Eutrophication for Lake Baiyangdian Based on Integrated Fuzzy Method [J]. Journal of Environmental Protection, 2013,4(1):120-125.

[3] GB18918-2002 中華人民共和國國家標準:《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》[S].

[4] Smith S, Kim G, Doan L, et al. Improving biological phosphorus removal in membrane bioreactors - a pilot study [J]. Journal of water reuse and desalination, 2014,1:25-33.

[5] 劉 寧,陳小光,崔彥召,等.化學除磷工藝研究進展[J]. 化工進展, 2012,31(7):1597-1603.

[6] 鄧 靖,呂錫武,徐 微,等. A2N反硝化脫氮除磷工藝厭氧釋磷的影響因素[J]. 中國給水排水, 2009,25(7):26-29.

[7] 黃 健,湯利華,唐玉朝,等.化學除磷比值對低碳源污水脫氮除磷的影響[J]. 中國給水排水, 2012,28(3):94-97+101.

[8] 廖建勝,林元昆,吳 亨,等.低碳源污水的奧貝爾氧化溝脫氮除磷影響因素分析[J]. 中國給水排水, 2017,33(11):27-32.

[9] Vembu V, Ganesan G. Heat treatment optimization for tensile properties of 8011Al/15% SiCp metal matrix composite using response surface methodology [J]. Defence Technology, 2015,11(4): 390-395.

[10] Huang Y, Chao-Yen H. Influence analysis in response surface methodology [J]. Quality Control and Applied Statistics, 2015,1(2): 101-102.

[11] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版) [M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社, 2002:425-426+109.

[12] 史 靜,呂錫武,朱光燦,等.進水碳磷比對連續(xù)流反硝化除磷工藝脫氮除磷效果的影響[J]. 東南大學學報(自然科學版), 2012,42(1): 94-98.

[13] 王然登,程戰(zhàn)利,彭永臻,等.強化生物除磷系統(tǒng)中胞外聚合物的特性[J]. 中國環(huán)境科學, 2014,34(11):2838-2843.

[14] 張 淼,彭永臻,張建華,等.進水C/N對A2/O-BCO工藝反硝化除磷特性的影響 [J]. 中國環(huán)境科學, 2016,36(5):1366-1375.

[15] 李子富,云玉攀,曾 灝,等.城市污水處理廠化學強化生物除磷的試驗研究 [J]. 中國環(huán)境科學, 2014,34(12):3070-3077.

[16] 龐洪濤,薛曉飛,邱 勇,等.城市污水化學除磷優(yōu)化控制技術及工程應用[J]. 中國給水排水, 2014,30(23):16-18.

[17] 李銀波,周少奇,邱育真,等.回流比對投料A~2/O工藝脫氮除磷影響的中試研究[J].環(huán)境科學與技術, 2010,33(2):142-145.

[18] Amir M, Ananda S, Ramesh G, et al. Microbiological study of bacteriophage induction in the presence of chemical stress factors in enhanced biological phosphorus removal (EBPR) [J]. Water Research, 2015,81:1-14.

[19] 高春娣,彭永臻,王淑瑩.磷缺乏引起的非絲狀菌活性污泥膨脹[J].中國環(huán)境科學, 2002,22(1):41-44.

[20] 劉之慧.碳氮磷比對菌膠團的影響與活性污泥膨脹的關系[J]. 重慶環(huán)境科學, 1994,(1):12-15+43.

Phosphorus removal process optimization of wastewater treatment plant by response surface methodology.

HAN Wei, LEI Zhi-chao, HAN Rui-min, ZHANG Yuan-yuan, PENG Zhao-xu*

(College of Water Conservancy & Environmental Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)., 2018,38(8)：2968~2973

The phosphorus removal is a series complex biological and chemical reactions in actual wastewater treatment plant (WWTP). In order to analyze the effects of various factors on total phosphorus (TP) removal, response surface methodology (RSM) was used. The water quality parameters such as carbon/nitrogen ratio (C/N), carbon/phosphorus ratio (C/P), organic load ratio (F/M), and process parameters such as sludge discharge amount (m), agent dosage and external reflow ratio () were all investigated. Phosphorus balance model was also established according to the material conservation. The results showed the optimal ranges of C/N, C/P and F/M were 5.50~7.00, 50.00~70.00 and 0.06~0.08d-1, respectively. From operation aspect, the optimal ranges of m, agent dosage and R were 14.3t/104m3, 35~40mg/L and 65%~70%, respectively. Through analyzing phosphorus balance model, it was found influence degree on phosphorus removal was C/N, F/M, R, m, C/P and agent dosage from largest to smallest. When the main influence factors such as C/N and F/M were in optimal ranges, and WWTP was stable, the model could predict the effluent TP concentration precisely.

phosphorus removal；response surface methodology；phosphorus balance model；TP removal rate

X703

A

1000-6923(2018)08-2968-06

韓 微(1995-),女,內蒙古赤峰人,鄭州大學碩士研究生,主要研究生態(tài)法水環(huán)境修復.

2018-01-19

高等學校重點科研項目(17A560029);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2015ZX07204-002-004)

* 責任作者, 講師, pzx@zzu.edu.cn