污水處理多級(jí)AO工藝配水比例算法的改進(jìn)

劉海山，王 拓，王繼苗

（1.青島雙元水務(wù)有限公司，山東 青島 266109；2.天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

分段進(jìn)水多級(jí)AO工藝[1～2]是AO活性污泥法的變形工藝，具有脫氮效率高、所需池容小、建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)行有若干座采用多級(jí)AO工藝的污水處理廠，但多級(jí)AO工藝的計(jì)算目前并沒(méi)有統(tǒng)一的方法。王舜和等[3]和劉長(zhǎng)榮等[4]介紹了該工藝特點(diǎn)并在一定理論分析基礎(chǔ)上提出了采用泥齡法計(jì)算，但設(shè)置了前提條件。此前提是理想狀態(tài)，在實(shí)際工程中幾乎不可能出現(xiàn)；所以如何確定每分段中硝態(tài)氮未能進(jìn)行反硝化的比例，成為工藝調(diào)試中確定進(jìn)水分配比例的難點(diǎn)。

本文對(duì)目前報(bào)導(dǎo)的計(jì)算方法提出了改進(jìn)并基于青島市城陽(yáng)區(qū)污水處理廠三期工程的實(shí)際運(yùn)行調(diào)試數(shù)據(jù)，對(duì)改進(jìn)后的計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 傳統(tǒng)計(jì)算方法

分段進(jìn)水多級(jí)AO工藝由多個(gè)串聯(lián)AO組成[5]，回流污泥從首端進(jìn)入，而污水則按一定比例從每個(gè)A段進(jìn)入，為反硝化提供碳源。理想狀態(tài)下系統(tǒng)將發(fā)生如下反應(yīng)：A1段進(jìn)入的污水（Q1）為回流污泥中的硝態(tài)氮提供碳源，剩余的BOD5在O1段去除，氨氮氧化成硝態(tài)氮；O1段出水與A2段進(jìn)入的污水（Q2）混合，反硝化O1段產(chǎn)生的硝態(tài)氮，A2段剩余的BOD5在O2段去除，氨氮繼續(xù)完全氧化；依次類推，至最后一段An時(shí)，進(jìn)入的污水（Qn）為反硝化提供碳源，Qn中的剩余BOD5在好氧段被去除，氨氮?jiǎng)t被氧化為硝態(tài)氮后直接排放至二沉池。見(jiàn)圖1。

圖1 分段進(jìn)水多級(jí)AO工藝原理

主要計(jì)算公式為

式中：V多為多級(jí)AO總池容，m3；α1……αn為各段進(jìn)水比例；r為污泥回流比；Q為進(jìn)水量，m3；θc為總污泥齡；Y為污泥產(chǎn)率系數(shù)；So為進(jìn)水BOD5濃度，mg/L；Se為出水BOD5濃度，mg/L；XR為回流污泥濃度，mg/L。

2 計(jì)算方法的改進(jìn)

上述公式在推導(dǎo)上無(wú)任何問(wèn)題，但公式推導(dǎo)的前提是：前一段硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮在隨后的缺氧段完全反硝化，假設(shè)所有步驟反應(yīng)完全，則工藝最后出水硝態(tài)氮的含量?jī)H與末端進(jìn)水比例有關(guān)。在實(shí)際工程中該前提無(wú)法實(shí)現(xiàn)；另外，每段的泥齡、產(chǎn)泥系數(shù)也不是完全相同的固定值。在實(shí)際工程中：前一段硝化產(chǎn)生的硝態(tài)氮在隨后的缺氧段發(fā)生反硝化，但并不完全，部分尚未反硝化的硝態(tài)氮進(jìn)入下一個(gè)好氧段。這部分尚未反硝化的硝態(tài)氮的量可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)情況人為確定，但不能超過(guò)最終設(shè)計(jì)出水水質(zhì)中的總氮。

設(shè)進(jìn)水水質(zhì)中總氮和BOD5的濃度分別為N0、S0，假設(shè)出水中不含BOD5，則

第一段缺氧區(qū)進(jìn)水硝態(tài)氮濃度N1=（α1Nj+rNc）/（r+α1）；BOD5濃度S1=α1S0/（r+α1）。

式中：Nc為出水硝態(tài)氮濃度，mg/L；Nj為進(jìn)水硝態(tài)氮濃度，mg/L。

根據(jù)反硝化比例關(guān)系S1=k（N1-Nk）。

式中：k為反硝化速率；Nk為本段未反硝化掉的硝態(tài)氮濃度，mg/L。

第一段缺氧區(qū)將回流污泥中除Nk外的硝態(tài)氮全部反硝化，第一段進(jìn)水中的BOD5剛好完全用于反硝化；而第一段好氧區(qū)將進(jìn)水的TKN全部氧化為硝態(tài)氮，其數(shù)量為α1N0，與第二段進(jìn)水混合。

第二段缺氧區(qū)進(jìn)水硝態(tài)氮濃度N2=（α1N0+M1Nk）/（r+α1+α2），其中M1=α1/（α1+α2）；BOD5濃度S2=α2S0/（r+α1+α2）。

根據(jù)反硝化比例關(guān)系S2=k（N2-Nk），則

依次類推，第n段缺氧區(qū)進(jìn)水硝態(tài)氮濃度Nn=(αn-1N0+M(n-1)Nk)/（r+α1+α2+……+αn），M(n-1)≈1；BOD5濃度Sn=αn S0/（r+α1+α2+……+αn）；Sn=k（Nn-Nk）；αn=k[αn-1N0-(r+1-M(n-1))Nk]/S0，由于M(n-1)≈1，則αn=k(αn-1N0-rNk)/S0。

出水硝態(tài)氮濃度為末端進(jìn)水的TKN及前段未反硝化的硝酸鹽氮，表示為Nc=（αnN0+M(n-1)Nk）/（r+α1+α2+……+αn）=（αnN0+M(n-1)Nk）/（r+1）≈（αnN0+Nk）/（r+1）。

將Nc代入α1=kr（Nc-Nk）/S可以看出，第一段進(jìn)水比例與出水比例、污泥回流比例、進(jìn)水硝態(tài)氮濃度及第一段出水總氮濃度有關(guān)。

3 在實(shí)際運(yùn)行中的應(yīng)用

3.1 工程概況

青島市城陽(yáng)區(qū)污水處理廠三期項(xiàng)目處理規(guī)模5×104m3/d，其中二級(jí)處理采用四級(jí)AO工藝。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)mg/L

3.2 生物池進(jìn)水比例調(diào)試

3.2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水比例

首先根據(jù)設(shè)計(jì)給出的配水比例，采用了2.5∶2.5∶2.5∶2.5四段等比例進(jìn)水調(diào)試，經(jīng)過(guò)連續(xù)5 d較為穩(wěn)定的調(diào)試過(guò)程，生物池各段AO水質(zhì)見(jiàn)表2和表3。

表2 根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)水比例調(diào)試的進(jìn)水水質(zhì)mg/L

表3 根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)水比例調(diào)試的出水水質(zhì)mg/L

續(xù)表3mg/L

由表3可以看出：第一段、第二段硝化反應(yīng)充足，反硝化反應(yīng)不足，導(dǎo)致前期硝態(tài)氮大量積累；第三段、第四段硝化反應(yīng)不足，氨氮濃度逐漸提高，前期積累的硝態(tài)氮量較大，反硝化效果不明顯。通過(guò)分析，第一段、第二段進(jìn)水量不足，進(jìn)水中BOD5含量不足以支撐反硝化的充分進(jìn)行，第三段、第四段進(jìn)水量過(guò)剩，導(dǎo)致硝化反應(yīng)不充分，最終出現(xiàn)的結(jié)果為氨氮和總氮均無(wú)法滿足出水要求。

3.2.2 傳統(tǒng)算法進(jìn)水比例

根據(jù)傳統(tǒng)算法的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)水比例為4∶3∶2∶1，經(jīng)過(guò)連續(xù)5 d較為穩(wěn)定的調(diào)試過(guò)程，生物池各段AO水質(zhì)見(jiàn)表4和表5。

表4 傳統(tǒng)算法進(jìn)水比例調(diào)試的進(jìn)水水質(zhì)mg/L

表5 傳統(tǒng)算法進(jìn)水比例調(diào)試的出水水質(zhì)mg/L

續(xù)表5mg/L

由表5可以看出：第一段、第二段硝化反應(yīng)不充分，產(chǎn)生的硝態(tài)氮過(guò)少，導(dǎo)致污水中總氮大量以氨氮形式存在，反硝化未能起到良好作用；因前期積累大量的氨氮在第三段、第四段無(wú)法完全去除，反硝化效果減弱。

造成這種現(xiàn)象的主要原因是：第一段、第二段進(jìn)水量過(guò)高，氨氮無(wú)法被完全硝化，反硝化能夠去除的硝態(tài)氮減少，進(jìn)水中BOD5未完全被利用就在好氧段進(jìn)行了分解，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)；前期積累的大量氨氮在第三段、第四段無(wú)法完全被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，同時(shí)進(jìn)水量過(guò)少，導(dǎo)致反硝化所需能量不夠，抑制了反硝化的進(jìn)行，最終出現(xiàn)的結(jié)果為總氮無(wú)法滿足出水要求。

3.2.3 優(yōu)化算法進(jìn)水比例

根據(jù)改進(jìn)算法的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)水比例為3∶3∶2∶2，經(jīng)過(guò)連續(xù)5 d較為穩(wěn)定的調(diào)試過(guò)程，生物池各段AO水質(zhì)見(jiàn)表6和表7。

表6 改進(jìn)算法進(jìn)水比例調(diào)試的進(jìn)水水質(zhì)mg/L

由表7可以看出：第一段到第四段硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)均較為充足，出水水質(zhì)明顯優(yōu)于前兩次試驗(yàn)。進(jìn)水中的氨氮得到有效分解，反硝化過(guò)程較為充分地利用了進(jìn)水中的BOD5，反硝化效果較為理想，最終出水水質(zhì)能夠較為穩(wěn)定的滿足生產(chǎn)要求。

表7 改進(jìn)算法進(jìn)水比例調(diào)試出水水質(zhì)

4 結(jié)論

以青島市城陽(yáng)區(qū)污水處理廠三期工程實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)為依據(jù)，應(yīng)用改進(jìn)后的算法進(jìn)行計(jì)算，得出各段進(jìn)水比例建議值。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證，該算法貼合實(shí)際，能夠較好地指導(dǎo)污水處理廠運(yùn)行，也可以為其他采用多級(jí)AO工藝的污水處理廠提供計(jì)算及運(yùn)行借鑒。