田旭中

（山東省輕工業(yè)設計院，  濟南  250014）

    摘要  該工藝結合了UCT和CLR 工藝的特點，優(yōu)化了除磷脫氮反應技術，可通過設置低揚程內(nèi)回流泵及選擇合適的曝氣設備達到降低運行費用、減少占地面積的目的，有著較大的推廣應用價值。

關鍵詞  除磷脫氮; 新型改良工藝;  曝氣設備

Design of a New Ameliorated Process for Nitrogen

and Phosphorus Removal

TIAN Xu-zhong

(Shandong Design Institute of Light Industry, Jinan 250014, China)

Abstract: In combination with the characteristics of UCT and CLR process, the new process optimizes the reaction mechanism for phosphorus and nitrogen removal.The goal of reducing operating expense and occupied area can be achieved by installing low-head internal pump and selecting suitable aeration equipments .It is of great value in application for municipal wastewater treatment.

Key words: phosphorus and nitrogen removal; new ameliorated process;aeration equipment

    1、工藝的提出及工藝流程簡介

    隨著我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的頒布實施，強化生物脫氮除磷技術在新建污水處理廠工程中獲得了日益廣泛的應用。作為一項發(fā)展只有20多年的污水處理技術，A2/O工藝因其工藝簡單，能兼顧N、P去除并有較好的效果，故發(fā)展較為迅速。然而傳統(tǒng)A2/O工藝在應用中普遍存在以下缺陷：①混合液的回流方式在工程上不好處理，如用泵回流則電耗較高（混合液回流泵的揚程一般為9.8Kpa）。同時，混合液回流也給污水廠的日常生產(chǎn)運行及曝氣管路布置等帶來了不便[1]；②厭氧池由于回流污泥中富含硝酸鹽的緣故不能保持嚴格的厭氧狀態(tài)，對生物除磷產(chǎn)生了不利影響；③不能較好地解決脫氮和除磷對碳源爭奪的矛盾；④較高的內(nèi)回流比存在著將O段中過多的溶解氧帶入反硝化區(qū)的危險。近些年來，在傳統(tǒng)A2/O工藝基礎上產(chǎn)生了很多變種及改良工藝，如倒置A2/O、A+A2/O、UCT工藝等。這些新型工藝一般是針對缺陷②③所存在的問題，但其本身也存在一些缺陷。A+A2/O及倒置A2/O工藝中為達到分別給脫氮和除磷提供碳源的目的而采取的對進水進行流量分配的措施，不僅增加了設計及運行管理的難度（目前設計中通常采用的管道和閥門配水很難實現(xiàn)流量的合理分配,采用可調(diào)計量堰配水則設計較為復雜），且碳源的分配方式也不盡合理：A+A2/O工藝的A段中以10%左右的進水與回流污泥相混合,可能由于碳源不足而不能使回流污泥中的硝態(tài)氮實現(xiàn)完全反硝化，造成殘余的硝態(tài)氮仍會對厭氧池產(chǎn)生不利影響；增大A段進水分配比例（如JHB工藝）又會相應減少進入?yún)捬醭氐囊咨锝到庥袡C物的數(shù)量，同樣對厭氧池產(chǎn)生不利影響；倒置A2/O工藝厭氧池中的聚磷菌只利用了易生物降解的碳源，其余的含碳有機物得不到利用，白白“浪費”掉了[2]。倒置A2/O工藝雖然取消了內(nèi)回流，但為達到脫氮效果而采用較高的污泥回流比（一般為1.5-2.5）,由于污泥回流泵的揚程≥49Kpa,因而導致電耗較高；另外由于污泥回流比過大，易在二沉池中產(chǎn)生渦流現(xiàn)象而影響出水水質(zhì)。UCT工藝較好地解決了缺陷②③所存在的問題，但增加了一個內(nèi)回流，使缺陷①所存在的問題更加突出。

本文所述MA2/C工藝系將UCT和CLR工藝相結合的又一種新型改良工藝，M代表改良（modified），A2代表前置厭氧及缺氧區(qū)，C代表CLR（closed loop reactor，封閉環(huán)流式反應器，即氧化溝，通常采用Carrousel型），其工藝流程及氮的物料平衡見圖1。UCT工藝的主要改進是將二沉池污泥回流到缺氧池而不是厭氧池，同時增加從缺氧池出流液到厭氧池的回流r′。污泥回流R和混合液回流r中的硝態(tài)氮在缺氧池中被反硝化，進入?yún)捬醭氐娜毖趸亓鱮′中不再有硝態(tài)氮（或很少），因而不會對除磷產(chǎn)生不利影響，同時原水從厭氧池進入，使聚磷菌可優(yōu)先利用廢水中的VFAs，這就較好地解決了脫氮和除磷的矛盾[2]。  UCT工藝中內(nèi)回流r′及r值均較大（r′一般取1-2,r一般取1-4），這不僅增加了電耗，其管路布置也較復雜。MA2/C工藝則可利用氧化溝優(yōu)良的水力流態(tài)實現(xiàn)無管路、低能耗內(nèi)回流：只需在各自的內(nèi)回流渠道隔墻上設置揚程低于4.9Kpa的專用回流泵(穿墻泵)即可。同時，由于內(nèi)回流r是從主反應區(qū)—氧化溝中的缺氧區(qū)回流，可將較少量的DO帶至缺氧池，對反硝化非常有利。因此，MA2/C工藝基本上克服了傳統(tǒng)A2/O及其現(xiàn)有改良工藝在工程應用中所存在的缺點。

      2、工藝設計

MA2/C工藝由3部分組成，即（前置）厭氧池、（前置）缺氧池及主反應區(qū)——氧化溝， 

    2.1  厭氧池

    厭氧池的主要作用是使在好氧池過度攝磷的活性污泥在該池進行磷釋放。聚磷菌（PAO）在厭氧池中能夠有效釋磷需滿足以下兩個條件：①進水中必須含有足夠的VFAs，即合適的VFA/TP值；②厭氧池必須保持絕對的厭氧狀況，即混合液中游離溶解氧趨于零，硝酸態(tài)氧也趨于零。MA2/C工藝較好地滿足了條件②的要求，因而條件①成為制約因素，即厭氧池泥齡（或池容）取決于進水中的VFAs。若進水中含有大量VFAs，則PAO對VFAs的吸附可迅速完成，厭氧SRT(ΘC,ANA)可短至0.5d(20℃,下同)；若進水中不含VFAs，但含有的易降解有機物可在厭氧段進行發(fā)酵反應產(chǎn)生所需要的VFAs，這就需要較長的泥齡，其SRT值大約為1.5d；若進水中含有部分VFAs，但仍需要部分發(fā)酵，則SRT為0.5-1.5d；若進水中易降解物質(zhì)數(shù)量不充足，則慢速降解有機物尚需要水解反應，再通過發(fā)酵反應產(chǎn)生VFAs，此時SRT值約為2.5-3d[3]。事實上，由于工藝反應過程的復雜性而無法測定厭氧發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)生速率，因而一般將進水的BOD5/TP值作為VFA/TP的替代值。運行實踐證明，只有當進水BOD5/TP≥20時，采用強化生物除磷工藝（EBPR）出水TP才有可能達到1~1.5mg/L。

    在本工藝中，厭氧池污泥濃度與缺氧池及氧化溝不同，其值按下式計算：

               r′

        NWA= ——  NW                                 （1）

              1+r′          

    式中：NWA——厭氧池MLSS濃度，g/L；

          NW——缺氧池及氧化溝MLSS濃度，g/L；

           r′——缺氧池混合液內(nèi)回流比，一般取1-2。

通常情況下，一般控制厭氧池污泥量占總污泥量的比例不低于10%[2]。

 2.2  缺氧池、氧化溝

    泥水混合液由前置厭氧池進入缺氧池，和從主反應區(qū)——氧化溝回流的混合液r相混合，二沉池回流污泥R也回流至該池。反硝化菌利用內(nèi)回流及外回流帶來的硝酸鹽以及污水中可生物降解的有機物進行反硝化，達到部分脫碳與大部分脫硝的目的。需經(jīng)反硝化去除的硝酸鹽氮可通過系統(tǒng)氮平衡計算求得。

    系統(tǒng)氮平衡方程式為：

        NDN=TKNj－Noe－Nme－Ns                    （2）

    式中：NDN——需經(jīng)反硝化去除的氮，mg/L；

  TKNj——進水總凱氏氮，mg/L；

  Noe——出水中有機氮，一般取1~2mg/L；

  Nme——出水無機氮之和，包括氨氮、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽         氮，mg/L（德國標準對該項的控制值為18mg/L，設計取0.67×18=12mg/L）；

   Ns——剩余污泥排出的氮，可按系統(tǒng)BOD5去除值的0.05

          倍估算，mg/L。

    按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》GB18918-2002中一級B標準，出水TN=20mg/L，NH3―N值NHch=8mg/L（該值為水溫＞12℃時的控制指標，為達到穩(wěn)定硝化水溫按10℃進行設計），則出水硝酸鹽氮NOch=TN―Noe―NHch=10mg/L，因此，

    NDN=TKNj－2―（8+10）×0.67―0.05（Lj―Lch）

       =TKNj－14―0.05（Lj―Lch）                    （3）

    式中：Lj——進水BOD5濃度，mg/L；

          Lch——出水BOD5濃度，mg/L；

          0.67系設計時取用的安全系數(shù)。

    在反硝化工藝中，能否達到設計所需要的反硝化速率還取決于進水BOD5值，即為反硝化菌提供的碳源的數(shù)量。通常以反硝化率表示系統(tǒng)反硝化能力：

            KDN=DN/BOD5                            （4）

    式中：KDN——反硝化率（kgNO3－/kgBOD5）；

          DN——缺氧池反硝化去除的總硝態(tài)氮量（以N計），kg；

          BOD5——進入缺氧池的BOD5總量，kg。

反硝化率值越高，說明供反硝化使用的有機物的數(shù)量越少，反硝化速率較低，所需池容越大；反之所需池容越小。反硝化過程可分為同步及前置反硝化。MA2/C工藝中的缺氧池屬前置反硝化，根據(jù)德國ATV標準，當KDN =0.11-0.15 kgNO3－/kgBOD5（t=10-12℃），對應的缺氧池池容占總池容（缺氧池+氧化溝）的比率介于0.2-0.5之間[4]。當KDN ＞0.15時，表明原污水中的碳源不能滿足反硝化要求，不能通過增加池容來提高脫氮效率，需采取其他措施，如采用短時初沉池或不設初沉池以增加碳源，特殊情況下需設計外加碳源。

泥水混合液通過渠道由缺氧池送至MA2/C主反應區(qū)——氧化溝。氧化溝一般由好氧段和缺氧段組成。在氧化溝好氧段（控制該段DO不低于2mg/L），最主要的生物化學反應在此發(fā)生：硝化、除磷、分解氧化有機物。硝化反應系所有反應中的限速反應，通常情況下只有當該段泥齡（ΘC,AER）≥8d（t=10℃）時，才能保證硝化作用的順利進行。氧化溝中設置的缺氧段，承擔部分反硝化任務（DO在0.5mg/L左右,實現(xiàn)同步反硝化）。在傳統(tǒng)氧化溝中，通過曝氣機的布置使溝中自然形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)。如果采用鼓風曝氣，也建議在氧化溝中設置缺氧區(qū)，并將該區(qū)中的混合液回流至前置缺氧池（其平面布置示意參見圖3），這樣一方面可最大限度地將最少量的DO帶至缺氧池，對反硝化非常有利，另外可形成較大的溶解氧濃度梯度，有利于提高充氧效率。為了彌補氧化溝中的缺氧區(qū)對好氧造成的影響，確保有足夠的好氧泥齡，設計中計算泥齡建議取10-12d[2]。

只要回流至前置缺氧池的硝酸鹽[Q（R+r）NOch] 不超過系統(tǒng)反硝化能力（KDN =0.11-0.15 kgNO3－/kgBOD5，t=10-12℃），則可能達到的最大反硝化程度取決于總回流比R′。因此，可根據(jù)需經(jīng)前置缺氧池反硝化去除的氮計算所需的最小回流比。

NDN= R′NOch                                                        （5）

R′=R+r                                     （6）

為安全計，上式中忽略了氧化溝中的缺氧區(qū)對反硝化作出的貢獻。

3、MA2/C工藝的充氧方式

3.1 表面曝氣

表面曝氣是應用于氧化溝工藝的傳統(tǒng)曝氣方式。大功率倒傘型表面曝氣機的使用，使曝氣池有效水深可提高到4.0m以上，在一定程度上克服了氧化溝占地面積較大的缺點。其主要缺陷是：采用大功率的表面曝氣機進行曝氣，對于處理規(guī)模小的污水處理廠，工藝過程的可調(diào)節(jié)性較差;為了維持溝底最小流速，有時需借助潛水推進器做動力；動力效率相對較低（≤2.10kgO2/ kW·h），運行能耗較大；由于采用表面曝氣，易對周圍空氣造成污染。其平面布置示意參見圖2。

3.2 鼓風微孔曝氣

   目前采用鼓風微孔曝氣的氧化溝工藝得到了越來越多的應用，該工藝被認為提升了我國城市污水處理技術水平，是對普通A2/O工藝的重大改進[5]。其主要優(yōu)點是將微孔曝氣設備應用于氧化溝工藝，氧利用率高，動力效率遠高于表面曝氣，從而使得能耗較低。其主要缺陷是：使用的曝氣器數(shù)量巨大，易受堵塞和破損的困擾，維修工作量較大；溝內(nèi)混合液流動依靠潛水推流器完成，設備數(shù)量多，管理不便。其平面布置示意參見圖3。

3.3 鼓風射流曝氣

   這是一種由鼓風機、射流循環(huán)泵、射流曝氣器組成的充氧系統(tǒng)。其主要特點是：曝氣池有效水深通常采用7.0m，使得占地面積顯著降低；綜合動力效率一般不低于3.0kgO2/kW·h，能耗低于表面曝氣；射流曝氣器一般為復合FRP材質(zhì)，噴嘴口徑達20mm，水下無運動部件，使得該種曝氣器壽命長，免維護；射流器對混合液中活性污泥的剪切作用可改善活性污泥的性狀，提高污水凈化效率；充氧后的混合液通過噴嘴水平射出，不僅延長了氣、水接觸時間，而且使混合、推流、充氧達到完美的統(tǒng)一。因此，從總體上講，鼓風射流曝氣是目前氧化溝工藝最適用、最具推廣價值的充氧方式。

4、MA2/C工藝的主要技術特點

 （1）充分利用了UCT和CLR工藝各自的技術優(yōu)勢，實現(xiàn)了兩者的成功結合，形成了又一種新型改良除磷脫氮工藝；

 （2）克服了傳統(tǒng)A2/O及其現(xiàn)有改良工藝在工程應用中存在的缺陷, 可通過設置低揚程內(nèi)回流泵及選擇合適的曝氣設備達到降低運行費用、減少占地面積的目的；

 （3）和常規(guī)工藝（如傳統(tǒng)A2/O）相比，對于C/N、C/P值較低的城市污水采用該工藝也能取得較好的除磷脫氮效果，這對于目前我國城市污水處理廠普遍存在的既碳源不足又需除磷脫氮的問題有著重要意義。

參考文獻

1 萬年紅.  A2/O工藝的改良與設計應用[J]，中國給水排水，2003，19（8）：81-83

2 周雹.活性污泥工藝簡明原理及設計計算[M]，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005

3  C.P.Leslie Grady Jr，Glen T.Daigger，Henry C.Lim著，張錫輝等譯，廢水生物處理（第二版，改編和擴充）[M]，北京：化學工業(yè)出版社，2003

4 ATV-DVWK ARBEITSBLATT A131 Bemessung von einstufigen belebungsanlagen(2000)

5 周雹. 城鎮(zhèn)污水生物處理新工藝及其應用[J]，中國給水排水，2003，19（12）：36-39

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