低溫低C/N下改良Bardenpho工藝與多級AO工藝的比較

鮑任兵,徐 健,杜 敬,劉 賽,陳 鵬,雷培樹,汪博飛

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.武漢市城市排水發展有限公司,湖北武漢 430070;3.中信清水入江<武漢>投資建設有限公司,湖北武漢 430200;4.中信工程設計建設有限公司,湖北武漢 430014)

隨著我國污水處理要求和排放標準的日益提高,對于TN、TP等出水指標的要求也日趨嚴格。目前改良Bardenpho工藝和多級AO工藝因其脫氮性能好、抗沖擊負荷能力強,在現有污水廠的提標改造時,相較新建深度處理單元具有建設投資少、運行成本低等特點,逐漸應用于污水處理廠新建和提標改造工程[1]。改良Bardenpho工藝的反應區設置一般為“厭氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧”,多級AO工藝一般為“厭氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧……”。前者在形式上與兩級AO類似,加之目前尚缺乏相關的技術標準和設計規范性文件,在實際工程中改良Bardenpho工藝有時也被稱為多級AO工藝,這大大增加了對設計人員的迷惑性。

在處理低C/N污水時,改良Bardenpho工藝和多級AO工藝的相關案例通常采取多點進水[2]、低氧曝氣[3]等方式,通過加大進水碳源利用,提升反硝化脫氮效果。然而在冬季低溫條件下,低氧曝氣往往會造成硝化反應受到抑制,加大了出水氨氮的超標風險[4]。如何在低溫低C/N下保證良好的氮、磷去除效果是生化處理的研究難點。本研究通過設置多模式生化處理裝置,在水溫為9～13 ℃下,分別以改良Bardenpho工藝和多級AO工藝進行不同水量負荷率試驗,對比兩種工藝的氮、磷去除性能及建設運行成本,并通過工藝原理分析提出兩種工藝的設計思路和要點,為后續工程設計標準化提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗裝置包括多模式生化池[5]和二沉池。如圖1所示,生化池尺寸(長×寬×高)為2.0 m×1.3 m×1.3 m,有效容積為2.6 m3。生化池共分為9個區域,污水依次通過1#～9#區,其中相應反應區內同時設有攪拌器和曝氣器,可實現多種工藝的切換運行。裝置設有多點進水系統、污泥回流系統、混合液回流系統和曝氣系統。

圖1 多模式生化池Fig.1 Multi Mode Biochemical Reactor

1.2 工藝流程與設計參數

本試驗處理規模為0.15 m3/h,總水力停留時間(HRT)為19.1 h。如圖2所示,通過相應反應區的曝氣/攪拌切換,分別以改良Bardenpho工藝[圖2(a)]和多級AO工藝[圖2(b)]運行試驗裝置。在本試驗階段前期已分別對兩種工藝的分段進水比例進行了相關優化試驗研究,因此,本階段采用最佳工況作為本對比試驗運行條件。改良Bardenpho工藝運行時,預缺氧+厭氧、缺氧和好氧的HRT分別為2.4、7.0 h和9.7 h,進水分配設定為10%∶45%∶30%∶15%,污泥回流比設為100%,混合液回流比設為200%;多級AO工藝運行時,厭氧、缺氧和好氧的HRT分別為1.2、6.5 h和11.4 h,進水分配設定為30%∶20%∶30%∶20%,污泥回流比設為100%。曝氣系統的總氣水比設為3∶1。剩余污泥系統的污泥齡為15 d。

圖2 試驗裝置工藝流程Fig.2 Process Flow Chart of Test Device

1.3 試驗原水水質及分析

試驗原水取自某污水處理廠曝氣沉砂池出水。如表1所示,試驗進水溫度為9～13 ℃,C/N(BOD5/TN)在2.0～2.7,滿足低溫低C/N的特性。在試驗過程中應注重好氧區溶解氧與硝化反應程度,在保證出水氨氮達標的前提下,優化氮、磷去除性能。

表1 試驗原水水質Tab.1 Raw Water Quality in Test

1.4 接種污泥及試驗方案

(1)污泥接種

試驗裝置厭氧區、缺氧區和好氧區活性污泥分別取自廠區生化池相應區域。經一周時間穩定運行后,裝置內污泥濃度達到穩定,沉降性能良好,混合液懸浮固體(MLSS)質量濃度為4 000 mg/L左右。

(2)試驗方案

試驗裝置運行穩定后,分別以改良Bardenpho工藝(不加碳源)與多級AO工藝運行12 d,期間分別開展兩種工藝的水量沖擊負荷試驗,進水量設為3.60、4.68 m3/d和5.40 m3/d(100%、130%和150%)。以地表水準Ⅳ類水為出水標準(CODCr質量濃度≤30 mg/L,氨氮質量濃度≤1.5 mg/L,TN質量濃度≤15 mg/L,TP質量濃度≤0.3 mg/L),通過水量變化獲得不同HRT下兩種工藝的出水水質情況,探究在低溫情況(水溫為9～13 ℃)下的污染物去除能力,獲得滿足出水要求下的最低HRT,并進一步對比分析建設和運行成本。

1.5 檢測指標及分析方法

中試裝置穩定運行后,每日進行進出水水質監測。檢測指標包括:CODCr、氨氮、TN、TP、MLSS/混合液揮發性懸浮固體濃度(MLVSS)等,測試方法參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)。

2 結果與討論

2.1 污染物去除效果對比分析

2.1.1 對CODCr的去除效果分析

如圖3所示,在進水CODCr質量濃度為(133.83±11.55)mg/L時,即使進水量增大至150%,多級AO工藝與改良Bardenpho工藝的出水CODCr仍能滿足一級A排放標準(出水CODCr質量濃度≤50 mg/L);在進水量為130%下,兩者出水CODCr質量濃度均能達到30 mg/L左右,去除率分別為78.80%±0.77%和77.80%±0.91%。可見在低溫條件下、總HRT為12.7 h以上時,兩種工藝設有缺氧/好氧的快速交替,能有效促進好氧微生物的共代謝作用,促進部分難降解有機物的去除[6],在現狀進水條件下均具有CODCr去除優勢,相對于傳統AAO工藝有很好的氧化有機物的能力和抗沖擊負荷能力。

圖3 多級AO工藝與改良Bardenpho工藝的CODCr去除效果對比Fig.3 Comparison of CODCr Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.1.2 對氨氮的去除效果分析

兩種工藝的氨氮去除效果如圖4所示,其去除性能變化整體上與CODCr去除趨勢一致,隨著進水量的增加,出水氨氮逐漸升高,去除率也逐漸降低。其中,當進水量由130%升高至150%時,去除率均顯著降低,說明進水達到150%后,硝化反應已無法有效進行,出現了氨氮穿透。當進水量為130%時,多級AO工藝的出水氨氮質量濃度為(1.10±0.11)mg/L,改良Bardenpho工藝出水氨氮質量濃度為(1.64±0.14)mg/L。可見在冬季低溫下,進水氨氮質量濃度為(15.91±2.00)mg/L時,進水量達到130%時,多級AO工藝尚能滿足準Ⅳ類出水標準(出水氨氮質量濃度≤1.5 mg/L),而改良Bardenpho工藝無法有效保證出水達標。在本試驗中進水量為100%時,兩者好氧區總HRT分別為11.4 h和9.7 h。以硝化反應為計算依據,針對該進水環境,為保證出水氨氮質量濃度達到1.5 mg/L以下,多級AO工藝的好氧區總HRT至少需要8.8 h,改良Bardenpho工藝的好氧區總HRT至少需要9.7 h。

圖4 多級AO工藝與改良Bardenpho工藝的氨氮去除效果對比Fig.4 Comparison of Ammonia Nitrogen Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.1.3 對TN的去除效果分析

如圖5所示,進水TN質量濃度為(29.33±2.85)mg/L時,隨著進水量的不斷提升,TN去除率逐步降低,但在不同的進水量下多級AO工藝的TN去除率均高于改良Bardenpho工藝,可見在不加碳源的情況下,前者有更好的脫氮能力。進水量為100%時,多級AO工藝TN去除率能達到70%左右,出水能實現10 mg/L以下;增大至130%時,TN去除率能達到63%左右,出水TN質量濃度保持在12 mg/L以下;繼續增大進水至150%,TN去除率明顯大幅下降,為45%左右,出水TN也接近15 mg/L。然而改良Bardenpho工藝在進水量在130%時去除率已下降至60%以下,出水TN已接近15 mg/L,在進水水質波動時有超標風險。在本試驗中,多級AO工藝缺氧區總HRT為6.5 h,改良Bardenpho工藝缺氧區總HRT為7.0 h。為滿足一級A標準(出水TN質量濃度≤15 mg/L),在該試驗條件下,多級AO工藝缺氧區總HRT至少需要4.3 h,改良Bardenpho工藝缺氧區總HRT至少需要5.4 h。可見對于同一個進水條件,達到同樣的脫氮效果,多級AO工藝缺氧區總HRT相對改良Bardenpho工藝可減小約20.37%,說明多級AO工藝設置的3段處理單元和多點進水系統能夠有效增大進水碳源的充分利用,減小了缺氧區池容要求。

圖5 多級AO工藝與改良Bardenpho工藝的TN去除效果對比Fig.5 Comparison of TN Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

如圖6所示,隨著水量負荷的逐級增加,兩種工藝的進出水ΔCODCr/ΔTN均逐漸上升,說明增大水量后脫氮對進水碳源的需求量增加,在低溫低進水C/N下降負荷運行能有效保證出水TN達標。另外,多級AO工藝生化反應進出水ΔCODCr/ΔTN在各水量負荷下均低于改良Bardenpho工藝,說明在三級“缺氧-好氧”的溶解氧環境下,去除單位TN所需要的碳源量更低,更有利于脫氮反應,在處理低碳源進水方面具有較大優勢。

圖6 多級AO工藝與改良Bardenpho工藝ΔCODCr/ΔTN對比Fig.6 Comparison of ΔCODCr/ΔTN between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.1.4 對TP的去除效果分析

多級AO工藝和改良Bardenpho工藝對TP的去除效果如圖7所示,兩者對TP的去除性能和趨勢大致相同。在進水TP質量濃度為(3.42±0.62)mg/L,進水量為100%時,兩種工藝均能穩定達到一級A排放標準(出水TP質量濃度≤0.5 mg/L),出水質量濃度接近0.3 mg/L,去除率均達到87%～90%;當進水量達到130%時,兩者出水TP質量濃度均超過0.5 mg/L,去除率也都降低至80%左右;繼續增大進水量至150%,出水TP迅速升高至1.0 mg/L以上。因此,為保證出水TP穩定達到一級A排放標準甚至接近0.3 mg/L,改良Bardenpho工藝的“預缺氧+厭氧區”或者多級AO工藝的前段“厭氧區+缺氧1區”總HRT應不低于2.4 h。

圖7 多級AO工藝與改良Bardenpho工藝的TP去除效果對比Fig.7 Comparison of TP Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

結合兩種工藝的出水SS,如圖8所示,當進水量為100%時,兩種工藝的出水SS均未檢出(SS質量濃度為3 mg/L為檢測下限);當進水量提高至130%后,出水SS質量濃度增大,但還能保證達到5 mg/L以下;當進水量達到150%時,出水SS質量濃度增大至7～9 mg/L。經計算,3種進水量的條件下,二沉池的表面水力負荷分別為0.30、0.39、0.45 m3/(m2·h)。由于SS中尚存在部分TP,隨著進水量的增大,二沉池出水SS升高,也會造成出水TP的升高。

圖8 多級AO工藝與改良Bardenpho工藝的SS去除效果對比Fig.8 Comparison of SS Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.2 建設及運行成本對比分析

2.2.1 建設成本分析

根據以上研究,在出水要求準Ⅳ類標準下,兩種工藝各反應區的HRT如表2所示,多級AO工藝在缺氧區和好氧區需要的HRT均低于改良Bardenpho工藝,即多級AO工藝可節省總占地面積約11.43%。

表2 滿足排放標準要求下改良Bardenpho工藝與多級AO工藝各反應區最低HRTTab.2 Minimum HRT in Each Reaction Zone of Modified Bardenpho and Multilevel AO Processes under the Discharge Standard Requirements

但在試驗過程中發現,與改良Bardenpho工藝相比,多級AO工藝由于分區較多,溶解氧調節較為困難,特別對于小流量試驗裝置,多點進水的分配上無法做到精確調整,需要在實際工程設計中考慮分配調節及精確曝氣系統下,才能發揮最大的處理優勢和潛能,達到低碳節能的目的,但這也會增加一部分建設投資。另外,針對現有污水處理廠的提標改造,可通過將常規AAO工藝的好氧區分隔出后置AO單元,改造為改良Bardenpho工藝,改造成本低,適用于大部分污水處理廠;多級AO工藝由于各反應區的HRT較為平均,不太適用于現有污水廠的提標改造。

2.2.2 運行成本分析

在本試驗過程中,兩種工藝均未投加碳源及其他藥劑,因此,僅存在電費成本。生化池用電設備主要有進水泵、混合液回流泵、污泥回流泵、曝氣風機、攪拌器等,改良Bardenpho工藝與多級AO工藝在生化池運行中主體設備大致相同,但在進水條件好的情況下多級AO工藝通常不開啟混合液回流。在本試驗中改良Bardenpho工藝運行,開機設備總裝機功率為1.0 kW;多級AO工藝為0.79 kW,在以準Ⅳ類為出水標準的要求下可節省約20%的運行電耗。另外,在實際污水處理廠運行成本中,曝氣電耗占比通常達到50%以上[7],因此,在保證出水水質達標的前提下降低曝氣量可達到節能效果。根據試驗運行情況,多級AO工藝工況下降低16%的曝氣量仍能保證出水水質達標,而改良Bardenpho工藝出水無法穩定達標。多級AO工藝有利于進水碳源的有效利用,使反硝化過程消耗更多的CODCr,可減小好氧區對氧氣的需求量,因此,可適當降低曝氣量,有更好的節能效果。

3 工藝原理及設計要點對比分析

3.1 工藝原理

改良Bardenpho工藝和多級AO工藝雖然從形式上類似,但在污染物處理功能分區上存在較大不同。現階段的改良Bardenpho工藝是由傳統Bardenpho工藝與AAO工藝相結合產生的。針對AAO工藝存在的脫氮性能有限,無法應對現階段污水處理廠進水水質濃度低、C/N低、無機SS濃度高的處理難題,采取在AAO工藝后段增設單獨的反硝化功能AO單元并投加碳源,實現了出水TN去除率的大幅提升。因此,其混合液回流也是由第一段好氧區回流至缺氧區,為其反硝化提供硝酸鹽;后段AO單元不存在回流,但設有碳源投加點,以應對進水碳源不足及出水TN要求嚴格的情況。大部分污染物已在前一段的AAO工藝中去除,后一段僅能需要去除少部分的TN,因此,在設計時通常后段AO單元HRT較小。經過本試驗研究,為節省外碳源投加,減少藥劑成本,可采用多點進水方式,充分利用進水中的有機碳源。

多級AO工藝是由多組缺氧/好氧單元相連接而成,通常采用三級AO形式,與改良Bardenpho工藝相區別的是其設計理念是前一段好氧硝化產生的硝酸鹽進入后一段缺氧區進行反硝化,因此,一般不需要混合液回流。由于改良Bardenpho工藝后段僅需要承擔小部分的TN去除,應分配較多的進水至前段AAO工藝,而后段AO單元需要的進水比較小;而多級AO工藝缺氧段較多,且需要反硝化上一段好氧產生的硝酸鹽,因此,需要向各缺氧區分配近乎等量的進水以提供反硝化碳源。各AO段均要承擔有機物、氨氮和TN的去除,因此各段AO在功能上沒有很大的側重點。

3.2 工藝設計

目前改良Bardenpho工藝的工程設計尚無相關標準規范,在現階段設計時,前AAO段通常按照進出水水質要求進行設計,后一組AO單元僅進行強化脫氮,故其HRT較短。如圖9所示,該工藝在碳氮比(BOD5∶TKN)小于4的情況能發揮脫氮潛能,因此,后段AO單元的設計應參考進水的C/N,收集現有污水廠在現狀工藝下的出水水質,經過理論模擬計算(通常根據現有缺氧池體積和進水TN濃度,并依據《室外排水設計標準》進行反算出水TN濃度)常規AAO工藝對TN的去除效果,以確定后續缺氧區的HRT及碳源投加量。后段AO單元承擔著額外的反硝化和氧化剩余碳源的功能,因此,通常占地比常規AAO工藝更大。

圖9 改良Bardenpho工藝設計思路Fig.9 Design Idea of Modified Bardenpho Process

對于多級AO工藝,應從多段分配處理的角度進行設計。根據本試驗研究,反應池內的污泥濃度在三段AO區中有逐漸降低的趨勢,經過多級回流可保持各反應區內污泥濃度趨于平衡。如圖10所示,多級AO工藝生化池進行工程設計時,應以單個AO段為研究對象,按照進入各段的有機物和氨氮的量及該區域的污泥濃度進行好氧區HRT計算,通常與進水分配比相一致。各段缺氧區需要對前一段的好氧反應產生的硝酸鹽進行反硝化,因此,需按照進入各段的硝酸鹽濃度及污泥濃度進行缺氧區HRT計算。可見,多級AO工藝的多點進水分配比至關重要,其影響著各段的好氧區與缺氧區容積。目前,多級AO工藝在工程設計中通常采用HRT相等的3段AO區,其設計進水分配也大致相等,在后期運行中可根據進水水質進行微量調控運行。在本試驗中由于考慮兩種工藝的調整,3段AO區HRT比為31%∶38%∶31%。多級AO工藝在設計過程中各段AO區同時進行碳、氮的去除,且需保持較高的污泥濃度,因此,占地較其他工藝較小。

圖10 多級AO工藝設計思路Fig.10 Design Idea of Multilevel AO Process

4 結論

(1)改良Bardenpho工藝與多級AO工藝的主要區別在于反應功能區的設置段數、進水分配、池容分配、混合液回流設置、溶解氧控制等方面。兩者最大區別是反應順序不同,改良Bardenpho工藝是以前段為主體,通過硝化液回流進行反硝化的“前反硝化后硝化”的方式,并依靠后段強化脫氮效果;多級AO工藝是主要依靠多點進水加大了進水碳源的充分利用,并按照“前硝化后反硝化”的模式脫氮。

(2)池容分配上,在出水要求準Ⅳ類標準下,多級AO工藝在缺氧區和好氧區需要的HRT均低于改良Bardenpho工藝,可節省總占地面積約11.43%;在準Ⅳ類為出水標準的要求下,采用多級AO工藝可節省約20%的運行電耗。

(3)多級AO工藝由于分區較多,溶解氧調節較為困難,加之多點進水的分配上無法做到精確調整,需要在實際工程設計中考慮分配調節及精確曝氣系統下,才能發揮最大的處理優勢和潛能,達到低碳節能的目的。

(4)針對現有污水處理廠的提標改造,可通過將常規AAO工藝的好氧區分隔出后置AO單元,改造為改良Bardenpho工藝,改造成本低,適用于大部分污水處理廠;多級AO工藝由于各反應區的HRT較為平均,不太適用于現有污水廠的提標改造。