阶段流入式多级A_O生物脱氮工艺设计及应用.pdf

阶段流入式多级 A/O 生物脱氮工艺设计及应用 李常留张兴文徐鹏飞 大连理工大学， 辽宁 大连 116024 摘要 阐述了阶段流入式多级 A/O 生物脱氮工艺的原理和特点。结合国内外的设计、 运行经验， 对脱氮率、 反应器级 数、 配水比、 各级容积比、 污泥回流比等工艺参数的设计计算进行探讨。在此基础上， 对该工艺在我国首个应用案例 设计水量 2 万 m3/d， 出水达到 GB18918 － 2002 一级 A 标准 的工艺设计进行简要介绍， 为该工艺的推广应用提供了 依据。 关键词 阶段流入;多级 A/O 工艺;生物脱氮;工艺设计;一级 A DESIGN AND APPLICATION OF STEP- FEED MULTISTAGE A/O BIOLOGICAL NITROGEN REMOVAL PROCESS Li ChangliuZhang XingwenXu Pengfei Dalian University of Technology，Dalian 116024，China AbstractThe principle and characteristics of step-feed multistage A/O biological nitrogen removal process were described. Combined with design and operation experiences of domestic and overseas，design and calculation of parameters such as nitro- gen removal efficiency，stages of reactor，distribution ratio of feed water，the volumetric ratio of each stage and the sludge re- flux ratio were also discussed. On this basis，the design and calculation of parameters of the first project application using this process in China was briefly introduced，the design flow was 20， 000m3/d and the effluent quality could meet A level of first order of GB18918 － 2002，which provided a basis for the application extension of the process. Keywordsstep-feed;multistage A/O process;biological nitrogen removal;process design;A level of first order 为了减轻氮 磷等污 染 物 对 环 境 的 危 害， 落 实 GB18918 － 2002 一级 A 标准， 国内展开了一系列一 级 A 标准的技术研究。根据太湖流域除磷脱氮研究 成果， 实施一级 A 稳定达标控制的主要难题是如何 实现总氮和 COD 指标值的稳定达标 ［ 1］。阶段流入式 多级 AO 生物脱氮工艺具有脱氮效率高、 出水水质能 稳定达到一级 A 标准、 建设投资和运行成本低、 维护 管理简单等特点。 1多级 AO 工艺简介 阶段流入式多级 AO 工艺是一种采用多级短时 好氧与缺氧重复操作来替代单级连续长时好氧和缺 氧操作， 并在此基础上把进水负荷分成若干等分， 分 别进入各级缺氧段， 营造有利于脱氮微生物生长的环 境， 最终使污水得到净化的工艺技术。典型阶段流入 式多级 AO 工艺流程， 如图 1 所示。一个缺氧段与一 个好氧段组成一级 AO 单元， 进水按比例分配后进入 各缺氧段， 回流污泥在第一缺氧段首端进入， 采用高 效潜水搅拌曝气机实现泥、 水、 气三相的完全混合， 并 利用曝气后好氧段与缺氧段的液位差实现硝化液内 部循环， 在经过多次缺氧、 好氧交替过程中， 完成有机 物的降解、 硝化和反硝化过程， 最后经过二沉池沉淀 后排出。 图 1典型阶段流入式多级 AO 生物脱氮工艺流程 54 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 2工艺主要特点 2. 1提供良好的硝化反硝化环境 进水负荷的分段加入不但为反硝化菌提供充足 的碳源， 还减少了前级出水的溶解氧、 pH 对后级缺氧 段的影响。此外， 由于硝化菌属于化能自养型好氧细 菌， 要 求 环 境 的 有 机 碳 浓 度 不 应 过 高， 一 般 应 在 20 mg/L以下， 过高的 BOD 会使增殖速率大的异养菌 优势菌种， 硝化菌处于竞争劣势使硝化难以进行 ［ 2］。 反应器分级和阶段进水使得经过缺氧段后， 有机物得 到有效降解， 为硝化菌提供良好的生长环境。 2. 2脱氮率高， 出水水质好［ 3- 4］ 阶段流入式多级 AO 工艺强化了生物脱氮的功 能， 且级数越多， 脱氮率越高。在污泥回流比为 0. 5， 最后级内部循环比为 0. 5 时， 2 级 AO 的理论脱氮率 为 75 ， 3 级 AO 理论脱氮率为 83 。实际运行结果 表明， 多级 AO 工艺的总脱氮率达 75 ～ 85 ， 出水 平均 ρ TN 为 2. 9 ～ 6 mg/L， ρ BOD5 约3 mg/L， ρ CODMn 约9 mg/L， 低于我国一级 A 标准的要求。 而传统的前置反硝化工艺的总脱氮率 65 ～ 75 ， 出水水质一般只能达到一级 B 标准。 2. 3节省池容， 基建投资省［ 3］ 由于采用阶段进水， MLSS 浓度随级数的增加而 降低。在最终段 MLSS 浓度相等和其他条件相同的 情况下， 多级 AO 工艺平均 MLSS 浓度比其他前置反 硝化工艺大， 所需池容小， 且级数越多， 所需的池容 越小。 在等比 例进水、 污泥 回流 比 0. 5、 进 入 二 沉 池 MLSS 浓度相同， 其他条件相同的情况下， 多级 AO 工 艺的平均污泥浓度比前置反硝化工艺大 30 左右， 相应池容节省约 20 以上， 详见表 1。 表 1多级 AO 工艺与前置反硝化平均 MLSS 浓度 和池容比较 前置反硝化工艺阶段流入式多级 AO 工艺 ρ MLSS / mgL － 1 池容 / 级数 平均 ρ MLSS / mgL － 1 池容 / 2500 100 2 级 AO 3 级 AO 4 级 AO 3 000 3 215 3 333 83 78 75 2. 4运行能耗低［ 3］ 前一级好氧段的混合液直接流入下一级的缺氧 段， 同时利用曝气后好氧段与缺氧段因密度差形成的 液位差来实施内部循环， 因此， 不需设置硝化液回流 设施。潜水搅拌曝气机可以自由选择曝气量和搅拌 强度， 能够灵活应对水量、 水质变化， 节省曝气能耗。 经测算 3 级 AO 运行能耗约0. 28 kWh /m3， 仅为 传统工艺的 70 。 2. 5耐冲击负荷能力强 由于污水阶段流入， 暴雨天可以适当增大后级 AO 的水力负荷， 减少因暴雨引起的污泥流失。且在 池容和最终段污泥浓度相同条件下， 阶段流入式多级 AO 工艺比前置反硝化工艺的污泥浓度高 30 左右， 因此可承受较大的冲击负荷。 3工艺设计 3. 1设计流程 工艺设计流程如图 2 所示 ［ 4］。 图 2阶段流入式多级 AO 工艺设计流程 3. 2理论脱氮率计算 该工艺的总脱氮率包含两部分， 一是硝化、 反硝 化脱除的氮， 二是剩余污泥排放去除的氮。当硝化、 反硝化条件良好， 达到完全反应时， 理论脱氮率计算 见式 1 ［ 5］ ηDN， max 1 N 1 1 r RN 1 式中ηDN， max 理论脱氮率; N 反应器级数; 64 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 r 污泥回流比; RN 最终段内部循环比。 3. 3脱氮率和反应器级数确定［ 3］ 反应器级数对脱氮率的影响很大， 随着反应器级 数增加， 脱氮率增加、 处理效果更好， 但是设备数量、 设计和管理难度也相应增加， 且对于 4 级以上设施因 级数增加带来的脱氮率增幅不大， 故工程上一般采用 2 ～ 4 级。根据进出水水质， 计算所需脱氮率 ηDN， 并 综合占地面积、 投资指标等因素， 确定合适的理论脱 氮率 ηDN，max、 级数 N 和综合循环比 r Rn 。常见的 理论脱氮率见表 2。 表 2综合循环比 r Rn 与理论脱氮率 ηON， max r Rn 1 级 2 级 3 级 4 级 0. 5033677883 0. 7543718186 1. 0050758388 3. 4MLSS 浓度确定［ 3］ 最终段 MLSS 浓度对反应器的设计和运行有重 要影响， 若最终段 MLSS 浓度高， 反应池占地变小， 基 建投资降低， 但二沉池的处理难度增加。工程上， 最 终段 MLSS 质量浓度一般为2 000 ～ 3 000 mg/L， 其他 各级好氧段 MLSS 质量浓度 XO，i由式 2 计算， 各级 缺氧段的 MLSS 质量浓度 XA，i可由缺氧段与好氧段 的容积比计算得出 ［ 3］。 XO， i r 1 4 i/NXN 2 式中XO，i 第 i 级好氧段 MLSS 质量浓度， mg/L; XN 最终段 MLSS 质量浓度， mg/L; i 第 i 级; N 反应器级数。 3. 5反应池容积确定［ 3］ 3. 5. 1必要好氧泥龄确定 由于硝化菌的增长速度比反硝化菌和异养菌的 增长速度慢， 脱氮系统要稳定运行， 就必须保证硝化 时的好氧泥龄大于硝化菌的繁殖世代周期。在流入 水量日变化较小的大中型污水处理厂， 必要好氧泥龄 θCA计算见式 3 θCA 29. 7exp －0. 102T 3 式中θCA 必要好氧泥龄; T 设计水温。 3. 5. 2好氧段的容积确定 硝化菌属化能自养菌， 呼吸类型为专性好氧。根 据 剩 余 污 泥 法，最 后 级 好 氧 段 容 积 VO， N计 算 见式 4 VO， N θCAQin aCBOD， in bCSS， in NXN 1 CθCA 4 由于各反应池的总固形物相等， 第 i 级好氧段容 积 VO，i计算见式 5 VO， i XN Xi VO， N r i/N r 1 VO， N 5 式中Qin 设计日平均污水量， m 3 /d; VO， N 最后级好氧段容积， m3; VO， i 第 i 级好氧段容积， m3; CBOD，in 生物反应池进水 BOD 质量浓度， mg/L; CSS，in 生物反应池进水悬浮物质量浓度， mg/L; a BOD 污泥转换率， mg/mg; b SS 的污泥转换率， mg/mg; C 衰减系数， d － 1。 其他符号同前。 3. 5. 3缺氧段容积确定 反硝化细菌属于兼性异养菌， 增殖速度快， 但碳 源、 温度、 pH、 溶解氧和硝化程度都制约着脱氮过程。 因此， 缺氧段和好氧段最佳容积比确定比较困难， 根 据经验， 容积比小于 1∶ 1. 5 时， 硝态氮的残余可能性 增加， 大于 1∶ 1时脱氮能力可能会过剩。工程一般采 用 1∶ 1［ 3］。 3. 6进水流量分配 进水流量分配可采用等比例分配方式， 但配水方 案还受到水质、 水量和水温等因素的影响。如暴雨期 间， 可以调整进水配水比， 加大后 1 或 2 级的配水量， 以减少暴雨冲刷导致的污泥流失， 从而使系统在雨后 能快速恢复到正常水平。 3. 7污泥回流比 在阶段流入式多级 AO 工艺中， 回流污泥返送至 反应池首段。污泥回流比的大小对脱氮率、 MLSS 浓 度等参数有一定影响。假设系统达到完全反硝化， 大 的污泥回流量增强了第 1 级脱氮池对回流污泥携带 的硝酸盐的反硝化反应， 一定程度上降低出水总氮。 但大回流量会导致回流能耗增加， 且多级 AO 工艺污 泥的硝酸盐含量较低， 因此， 污泥回流对脱氮作用不 大。此外， 回流污泥含有的溶解氧会破坏第一级缺氧 段的缺氧环境。所以不宜采用大的污泥回流比， 一般 取 50 ， 设备选型取 100 。 74 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期 4工程实例 我国首座采用阶段流入式多级 AO 生物脱氮工 艺的 污 水 处 理 厂 正 在 建 设，其 设 计 处 理 量 为 20 000 m3/d， 设计水质见表 3。设计水温夏季20 ℃ ， 冬季13 ℃ 。 表 3设计水质表 mg/L 项目 ρ BOD5ρ COD ρ SSρ TN ρ TP 进水180380200354 初沉出水108228100303. 2 出水105010150. 5 由表 3 算出脱氮率为 50 ， 根据式 1 和表 2， 采 用 2 级 AO， 理论脱氮率为 67 ，污泥回流比 r 为 0. 5， 硝化液循环比 Rn设为 0 因循环量难以定量， 内 部循环比在设计时假定为 0 ， 等比例进水。 各级污泥质量浓度分别为3 750， 2 500 mg/L， 平 均为3 000 mg/L。反应池分 4 个组， 每组设计处理水 量为5 000 m3/d， 有 效 水 深6 m。水 力 停 留 时 间 为 13. 4 h， 各级容积比为 1∶ 1. 5， 脱氮池与硝化池容积比 为 1∶ 1。各反应池的尺寸见表 4。 表 4各反应池尺寸和 HRT 名称尺寸 长 宽 深 /m数量 /个容积 /m3HRT/h A18. 1 11. 5 742 2362. 7 O18. 1 11. 5 742 2362. 7 A212. 1 11. 5 743 3404. 0 O212. 1 11. 5 743 3404. 0 总计1611 15213. 4 5结论 1 阶段流入式多级 AO 生物脱氮工艺是日本近 年来开发的新工艺， 与传统的脱氮工艺相比， 具有脱 氮效率高 75 ～ 85 、 出水水质能稳定达到一级 A 标准、 建设投资和运行成本低、 维护管理简单等优点， 适合各种规模污水处理厂的新建、 改建和扩建工程。 2 脱氮率随反应器级数增加而增大， 但管理和 运行也随之复杂。对于 4 级以上反应器， 因级数变化 引起脱氮率增加不明显， 工程上一般采用 2 ～ 3 级。 3 工艺取消了硝化液内循环设施， 采用高效潜 水搅拌曝气机， 强化了处理效果， 降低了运行能耗。 经测算， 3 级 AO 运行能耗约0. 28 kWh /m3， 仅为 传统工艺的 70 。 4 在不增加二沉池处理负荷前提下， 阶段流入 式多级 AO 工艺的平均污泥浓度比其他前置反硝化 工艺大 30 ， 池 容 节 省 20 以 上， 因 此 节 省 建 设 费用。 5 设定最终段 MLSS 浓度， 其他各反应池 MLSS 浓度按照比例算出。最终段 MLSS 质量浓度一般为 2 000 ～ 3 000 mg/L。污泥回流一般按 50 回流， 按 100 设备选型。 6 进水按照等比例进入各级缺氧段， 暴雨时可 以适当增大后 1 或 2 级的进水量， 减少暴雨冲刷对系 统运行的冲击。 参考文献 ［ 1］ 郑兴灿. 太湖流域城镇污水处理厂执行一级 A 标准的问题讨论 ［J］ . 建设科技， 2008 14 8- 12. ［ 2］ 张自杰. 排水工程下册. 4 版［M］ . 北京 中国建筑工业出版社， 2002 308- 309. ［ 3］ 日本下水道事業団技術評価委員会. ステップ流入式多段硝化 脱窒法の技術評価に関する報告書［R］ . 東京都 日本下水道事 業団技術評価委員会， 平成 14 年 5 月. ［ 4］ 日本下水道協会. 下水道施設計画設計指針と解說 － 後編 2001 年 版［M］ .東 京 都 日 本 下 水 道 協 会， 平 成 13 年 5 月 24 日. ［ 5］ 堺好雄， 小池秀三. ステップ流入式多段硝化脱窒法について- 第 2 報［C］ / /下水道研究発表会講演集， 東京都 日本下水道協 会， 平成 9 年 758- 760. 作者通信处张兴文116024辽宁省大连市大连理工大学环境 与生命学院 电话 0411 88857252 E- mailqq258399092 yahoo. cn;zhangxinwensl h63. com 2009 － 06 － 26 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 加强宠物和环境消毒 中国农业大学日前从发病犬中检出 2 份 “甲流” 病原学阳性样品。对此， 农业部有关负责人 2009 年 12 月 1 日就相关问题接 受记者采访时， 就有效防止人与动物交叉感染， 保护人和动物健康安全提出具体要求和建议。 这位负责人说， 鉴于我国大中城市宠物与人类接触密切， 农业部要求加强宠物“甲流” 监测和流行病学调查， 密切关注“甲 流” 病毒跨种间传播后病毒基因的变异情况。 为有效防范人与宠物交叉感染， 这位负责人建议 加强宠物饲养防疫管理， 加强宠物及其饲养环境的日常清洗和消毒， 消除 隐患; 减少或避免 “甲流” 患者与宠物的亲密接触， 宠物主人患病时， 应及时到医院诊断和治疗; 发现猫、 狗等宠物出现咳嗽等类 似流感症状时， 立即送有条件的动物医院进行诊疗并及时报告; 在加强宠物“甲流” 防范工作的同时， 切实做好狂犬病等人畜共 患病的防控。 摘自 健康报 84 环境工程 2010 年 4 月第 28 卷第 2 期