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约翰内斯堡工艺的工程实践 ＊ 刘怀英 1 王升阳 2 李燕敏 3 1.山西安泰集团股份有限公司, 山西 介休 032002; 2.浙江省嘉兴市联合污水处理有限责任公司, 浙江 嘉兴 314001; 3.北京城建亚泰建设工程有限公司, 北京 100013 摘要 通过监测城市污水处理厂约翰内斯堡工艺脱氮除磷各处理单元实际运行情况, 分析该工艺实际运行效果, 探讨 该工艺中溶解氧 DO、污泥龄 SRT 、碳源等因素对系统脱氮除磷效果的影响。 关键词 约翰内斯堡工艺; 脱氮; 除磷 PROJECT PRACTICE OF JOHANNESBURG PROCESS Liu Huaiying1 Wang Shengyang2 Li Yanmin3 1.Shanxi Antai Group Company Limited, Jiexiu 032002, China;2.Jiaxing United Sewerage Treatment Company Limited in Zhejiang Province, Jiaxing 314001, China; 3.Urban Engineering Yatai Construction Company Limited in Beijing, Beijing 100013, China Abstract Through mcnitoring the practical operating situation of every treatment tank with the Johannesburg process for a sewage treatment plant the running effectwas analyzed and summarized. So the effects of dissolved oxygen DO, sludge retain time SRT and carbon source on nitrogen and phosphorus removal were discussed. KeywordsJohannesburg process; nitrogen removal; phosphorus removal ＊江西省自然科学基金资助项目 9920015 。 约翰内斯堡工艺 [ 1] Johannesburg 工艺, 简称 JHB 工艺 首先由南非约翰内斯堡大学创立 。它是传统 A 2 O 工艺的一种变型, 即在传统 A2 O 工艺前增设了 预缺氧池, 二沉池的污泥回流至预缺氧池 ,利用进水 中部分有机物去除硝态氮 ,以减轻硝酸盐对厌氧段释 磷的影响 ,有利于系统的除磷 。该工艺在许多城市污 水处理厂中得到了应用 。本文通过对某城市污水厂 采用 JHB 工艺的运行情况进行探讨 , 以期获得此类 污水处理厂的管理经验 [ 2] 。 1 污水处理厂概况 1. 1 工艺流程 污水处理厂处理规模为 6 10 4 m 3 d, 其工艺流 程如图1 所示。 1. 2 设计进、 出水水质 污水处理厂主要处理城区近郊的工业废水和生 活污水。其中, 工业废水占 70, 生活污水占 30。 设计进水水质和出水水质满足 GB18918-2002城镇 图1 工艺流程 污水处理厂污染物排放标准中一级 B标准见表 1。 表 1 污水处理厂设计进水水质及 JHB 工艺设计出水水质 项目 进水水质 mgL- 1JHB 工艺出水水质 mgL - 1 ρ BOD5220≤ 20 ρ COD450≤ 60 ρ SS300≤ 20 ρ NH3-N26≤8 ρ TN40≤ 15 ρ TP8 . 5≤1. 5 1. 3 生物池设计参数 JHB 工艺平面布置见图 2。首先 30的进水与 回流污泥 污泥回流比为 75 混合后进入预反硝化 池,利用进水中提供的碳源进行反硝化去除回流污泥 中的NOx- N; 然后与70的进水一起进入选择池和厌 54 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 氧池, 利用易降解有机物合成 PHB 等胞内储存物 ,并 释放磷; 经过厌氧池后再与好氧池泥水混合物 污泥 内回流比为 100 混合进入缺氧池, 利用反硝化聚 磷菌 DNPAOs 进行反硝化聚磷; 最后进入好氧池进 行硝化并进一步降解剩余的碳源和吸收磷酸盐。 图2 JHB 工艺示意 JHB 工艺的反应池总容积为26 730 m 3 , 其中, 预 缺氧池容积3 500 m 3 , 选择池520 m 3 ,厌氧池3 710 m 3 , 缺氧池1 500 m 3 , 好氧池容积17 500 m 3 。该生物池的 设计参数如表 2 所示 。 表 2 JHB工艺的设计参数 污泥龄 SRT d 污泥负荷 kgkg - 1d- 1 水力停留 时间 h 曝气池中的 MLSS mgL- 1 11. 3 其中好氧的 SRT 为 7 . 4 d 0 . 0910. 7 4 300 最低水温 13 ℃ 表 3 典型时段 JHB 工艺的进出水水质及脱氮除磷效果 时间 ρ COD ρ NH3- N ρ PO3 - 4 -P 进水 mgL - 1出水 mgL- 1去除率 进水 mgL- 1出水 mgL- 1 去除率 进水 mgL- 1出水 mgL- 1 去除率 200701194. 833. 283 35 . 715. 357. 19. 10 . 792. 3 200702147. 735. 875. 839 . 314. 962. 19. 30 . 297. 8 表 4 JHB工艺各反应池处理效果mg L 时间项目 预反硝化阶段厌氧阶段缺氧阶段好氧阶段 进水出水进水出水进水出水进水出水 200701ρ COD79. 4170. 28120 . 0867. 4355. 0145. 1045 . 1033. 27 ρ PO3 - 4 -P3. 1118. 0014 . 4234. 0121. 9115. 9015 . 90. 74 ρ NH3-N 21. 1427. 5630 . 8133. 8827. 1327. 3827 . 3815. 31 ρ NO - 3-N 5. 770. 100 . 960. 332. 820. 410 . 417. 17 ρ NO - 2-N 2. 560. 030 . 030. 021. 310. 160 . 163. 58 200702ρ COD67. 7840. 4983 . 4095. 1473. 5646. 6746 . 6735. 78 ρ PO3 - 4-P 2. 816. 1113 . 3730. 9319. 7612. 6312 . 630. 21 ρ NH3-N 21. 8824. 6730 . 5230. 6324. 9124. 1224 . 1214. 91 ρ NO- 3-N 5. 230. 510 . 670. 532. 870. 820 . 826. 97 ρ NO - 2-N 2. 950. 040 . 040. 041. 520. 910 . 914. 12 注 进水量为 Q,预反硝化池的流量为 1. 05Q, 厌氧池的流量为1. 75Q, 缺氧池和好氧池的流量为2. 75Q。 2 JHB工艺运行效果分析 该厂自2004 年正式运行以来,每年的 1 月、 2 月, 进水中 N 和 P 的含量较高 这是因大量的洗涤废水 和屠宰废水引起 ,超出设计进水水质,直接影响整个 系统的脱氮除磷效果 。因此选择 2007 年 1 月 2007 年2 月时段进行各反应池运行效果分析。 该时段进出水水质和相应的 N 、 P 去除效果见 表3。 当进水 PO 3- 4- P 的浓度在9 mg L以上时 , P 去除 率在 92 以上, 而 N 的去除率在 62以下。此时系 统具有良好的除磷能力, 污泥中磷的含量在 5. 2～ 8. 6之间 ,是一般生物体含磷量的 1. 9 倍 ～ 3. 2 倍, 但系统难以达到同时高效去除氮、 磷的目的。表 4 为 该时段 JHB 工艺各反应池实际运行情况 。 2. 1 预缺氧阶段 在JHB 工艺中, 设置预缺氧段其主要目的是通 过反硝化作用利用进水中的部分有机碳源将回流污 泥中携带的部分硝酸盐还原为氮气。理论上 ,将1 g NO - 3- N 和 NO - 2- N 还原为 N2分别需要的 BOD5为 2. 7 g和1. 7 g 。 考虑到城市污水成分复杂性, 只有部分 快速生物降解的 BOD5可以作为反硝化的碳源物质, 因此 SCOD NOx- N 要远大于理论值 。当该阶段 COD NOx- N 在 8. 3 以上 ,NOx- N 的去除率在 90以上 , 出 水NOx- N 浓度在1 mg L以下, 充足的碳源保证了硝酸 55 环 境 工 程 2009年 12 月第 27卷第 6 期 盐和亚硝酸盐完全还原为 N2。 由表 4 可以看出 , 该阶段开始亚硝酸盐浓度在 2. 5 mg L以上 , 这间接说明整个系统的硝化不完全。 大量的研究结果表明 ,运行良好的实际污水处理厂没 有硝酸盐积累的现象存在 。 由表 4 还可以看出 , 在该阶段 ,磷酸盐的浓度显 著升高,释磷量在13 mg L以上 ; 污泥中 PHB 含量达到 0. 7以上 。 综上所述, 预缺氧阶段由于硝酸盐浓度太低, 聚 磷菌在该阶段利用外碳源进行显著的厌氧释磷。 2. 2 厌氧阶段 JHB 工艺通过设置预缺氧阶段, 使回流污泥中携 带的硝酸盐在进入厌氧阶段之前完全还原,从而理论 上保证 了聚磷菌的有效释磷。 当进水磷浓度在 9 mg L以上时 ,厌氧段释磷量达30 mg L以上, 污泥中 PHB含量达到 1. 1。本工艺显示厌氧阶段污泥释 磷能力较强。 2. 3 缺氧阶段 缺氧 段 COD 浓 度 分 别 减 少 了 9. 9 mg L 和 26. 8 mg L ,PO 3- 4- P 分别减少了6. 0 mg L和7. 1 mg L, NO - 3-N 分别减少了2. 4 mg L和2. 1 mg L 。 这说明在该 阶段至少发生了两种反应 一是反硝化菌利用外碳源 还原硝酸盐 ; 二是反硝化聚磷菌 DNPAOs 利用体内 的储存物以硝酸盐为电子受体进行吸磷 [ 3] 。 2. 4 好氧阶段 2007年 1 月至 2007 年 2 月的数据显示, 好氧段 出水中氨氮浓度分别为15. 3 mg L和14. 9 mg L , 氨氮 去除率分别仅为 44和 38, 此时反应池内的溶解 氧 DO 低于1 mg L。研究结果表明 ,一般为保证好氧 段的硝化效果, 为 PAOs 提供一个有氧环境以利于超 量吸收磷 ,同时也为使混合液进入二次沉淀池后不会 因为缺氧反硝化而导致污泥上浮, 好氧段 DO 要求在 2. 0 mg L以上。好氧反应池内 DO 太低导致氨氧化不 完全 ,出水中含有未去除的氨 。 另一方面好氧段磷酸盐的去除率在 95以上, 污泥中 PHB 的利用率在 32以上, 表现出较强的吸 磷能力。这说明在高磷酸盐进水条件下污泥中的聚 磷菌数量较多, 有利于系统对磷的去除 。 生物除磷需要短的 SRT , 但不能太短, 以保证 BOD5的有效去除为前提; 生物脱氮需要长的 SRT 。 同步生物脱氮除磷工艺当以除磷为重点时,SRT 一般 控制在 7～ 10 d; 当以脱氮为重点时,SRT 一般控制在 至少8 d以上 ; 若两者兼顾, SRT 一般控制在 8～ 12 d。 本工艺的好氧池的泥龄只有7. 4 d, 对脱氮不利 [ 2,4-5] 。 3 运行总结 1 预缺氧段是 JHB 工艺为消除污泥回流液中携 带硝酸盐对除磷影响而提出的特定阶段 。本工艺实 际运行情况表明 ,预缺氧阶段有效地的降低了硝酸盐 对后续厌氧释磷的影响。 2 进水中氮磷的含量对污泥中微生物种群的分 布影响很大 。当磷的浓度较高时,污泥中聚磷菌份额 增大使系统能达到高效去除磷的目的, 但脱氮效果 较差 。 3 DO 对脱氮 、 除磷和污泥的沉降性能影响很大。 由于好氧段 DO 太低 低于1 mg L , 出水中含有未反 应的氨。因此, 建议适当提高好氧段的 DO 在2 mg L 左右 。 4 SRT 对脱氮除磷的效果影响很大 。较短的 SRT 对脱氮不利,适当提高好氧段的 SRT 在8 d,增加 氨氧化细菌在污泥中份额 ,提高系统的脱氮能力。 参考文献 [ 1] Bortone G , Marsili Libelli S, Tilche A , et al . 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