城市污水脱氮除磷中试研究及其影响因素分析.pdf

城市污水脱氮除磷中试研究及其影响因素分析 * 李瑞王素兰马艳娜阚灵佳邢传宏 郑州大学水利与环境学院， 郑州 450001 摘要 采用改良 A2/O 工艺对城市污水进行中试研究， 研究了反应系统对各个污染物的去除效果， 并考察了温度、 DO 和混合液回流比对生物脱氮除磷的影响。结果表明 系统稳定运行的情况下， 出水 COD、 TN 和氨氮达 GB 18918 2002 的一级 A 标准， 出水 TP 达一级 B 标准。系统对 COD、 TN、 氨氮和 TP 的平均去除率分别为 91 、 68 、 77. 3 和 80. 6 。温度和 DO 对 COD 和 TP 的去除效果影响较小， 对 TN 和氨氮则影响较大。温度在 26. 5℃ 时， 对氮的去除效 果最好。为保证系统脱氮除磷均能高效进行， DO 应控制在 2 ～ 4 mg/L， 混合液回流比取 1. 5。 关键词 改良 A2/O 工艺; 城市污水; 脱氮; 除磷 EXPERIMENTAL STUDY ON NITROGEN AND PHOSPHORUS REMOVAL OF MUNICIPAL SEWAGE AND THE ANALYSIS OF INFLUENCING FACTORS Li RuiWang SulanMa YannaKan LingjiaXing Chuanhong School of Water Conservancy and Environment Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China AbstractThe modified A2/O process was applied to treat municipal sewage，the purification rate was studied and the influencing factors such as temperature，DO and the mixed liquor reflux ratios were investigated on biological nitrogen and phosphorous removal． The results show that under the steady operation conditions，the average effluent concentrations of COD， TN and NH3-N meet the first level A criteria specified in “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant” GB189182002except that TP meets the first level B． The average removal rates of COD，TN，NH3-N and TP are 91 ，68 ，77. 3 and 80. 6 ，respectively． Temperature and DO have little effect on COD and TP removal， on the contrary，they have greater impact on TN and NH3-N． The highest nitrogen removal rate can be obtained at 26. 5℃ ． In order to ensure efficient nitrogen and phosphorus removal，DO should be controlled at 2 ～ 4 mg/L，the mixed liquor reflux ratio should be taken as 1. 5． Keywordsmodified A2/O process; municipal sewage;nitrogen removal; phosphorous removal * 国家十一五水专项 2009ZX07210- 001- 001 。 0引言 近年来随着工业废水和生活污水排放越来越多， 水体富营养化问题引起社会及专家的重视 ［1］， 污水 中所含的氮、 磷元素是导致江河、湖泊等水体富营养 化的直接诱因 ［2- 3］。自 2003 年 7 月 1 日起实施的 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准 提高了氮磷的排放标准 ［4］， 新建城镇污水处理厂必 须考虑氮磷去除问题， 已运行的一些污水处理厂也正 在进行改造， 增加或强化脱氮除磷功能 ［5］。 A2/O 脱氮除磷工艺处理城市污水具有技术先 进、 高效低能、 投资省、 运行稳定、 出水水质好的优点。 但传统的 A2/O 工艺除磷效果有一定的限度， 且脱氮 效果也难进一步提高。 ［6］ 本试验依托某城市污水处理厂开展中试研究， 在 传统 A2/O 工艺基础上进行改良， 将 A2/O 工艺中的 好氧池改成单沟式氧化沟， 内设好氧缺氧段， 强化系 统脱氮除磷效果。 1试验部分 1. 1试验用水与接种污泥 进水采用某城市污水厂二期曝气沉砂池出水， 设 计进水量为 50 L/h， 实际进水 43. 8 L/h， 进水水质如 表 1 所示。接种污泥取污水厂二沉池回流污泥， 其 MLSS 约为 18 400 mg/L。污泥培养采用低负荷连续 培养法， 将各反应器按设计污泥量进泥， 闷曝 1 d， 然 后开始进水， 进水量采用依次增加方式 10， 20， 30， 40 L/h 循序进水， 待污泥絮体出现时， 将回流 氧化 沟→缺氧池， 二沉池→厌氧池 系统打开， 取回流比 43 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 25 。至各区 MLSS 超过 1 000 mg/L 时， 开始按设计 流量进水， 正常运行时各装置污泥浓度保持在1 000 ～ 4 000 mg/L，SVI ＜ 100。 曝 气 量 取 设 计 曝 气 值 1. 0 m3/h， MLSS 至设计值时， 开始以设计回流比回 流， 并开始排放剩余污泥。 表 1进水水质 mg/L pH 除外 ρ BOD5 ρ CODρ 氨氮 ρ TNρ TP pH 78 ～ 200300 ～ 60012 ～ 3020 ～ 403 ～ 76. 8 ～ 7. 5 1. 2试验装置 试验装置流程如图 1 所示， 各反应器均采用有机 玻璃制成， 其中厌氧池和缺氧池为圆柱体， 氧化沟为 单沟式， 二沉池采用斜板沉淀池， 斜板倾斜角度为 60。除进水和回流采用泵以外， 各反应器之间靠重 力流动连接。从氧化沟回流到缺氧池的硝化液量为 实际进水量的 100 ～ 400 ， 从二沉池回流到厌氧 池的污泥量为实际进水量 60 ～ 200 ， 各反应器设 计参数如表 2 所示。缺氧池内采用机械搅拌和气搅 拌， 气搅拌强度为 0. 8 m3/h。氧化沟内设有两根穿 孔曝气管交错放置， 使氧化沟内形成好氧缺氧段， 设 计曝气强度为 1. 0m3/h， 可以根据实际情况有选择性 地调整曝气量。斜板沉淀池定期用自来水清洗去除 斜板上附着污泥， 清洗周期为 10 ～ 15 d。 图 1试验装置 表 2各反应器设计参数 反应器HRT/h溶解氧 DO / mg L － 1 污泥浓度 / g L－ 1 厌氧池2. 0 ～ 4. 0＜ 0. 22 ～ 5 缺氧池2. 0＜ 0. 51 ～ 4 氧化沟6. 01. 5 ～ 6. 01 ～ 5 二沉池2. 0 2结果分析与讨论 2. 1对 COD 的去除效果 系统进出水 COD 及其去除率变化情况见图 2。由 图 2 可知 进水 ρ COD 稳定在 300 ～600 mg/L。出水为 20 ～40 mg/L， 达 GB 189182002 一级 A 标准， 系统对 COD 去除率在 84以上， 平均去除率为 91。 各反应器中厌氧出水 ρ COD 在 100 ～ 400 mg/ L， 厌氧区 COD 平均去除率为 43 ， 缺氧区平均去除 图 2 COD 去除效果随时间变化 率为 17 。系统出水仅有 8 月后 3 次和 9 月第 1 次 所测数据略高， 大于 50 mg/L， 其原因是进水泵堵， 进 水量较小， 造成微生物营养缺失， 氧化沟污泥发黑， 对 COD 去除效果不好。9 月、 10 月随着温度的降低， 系 统对 COD 的去除并未受到任何影响。 2. 2对 TP 的去除效果 系统进、 出水 TP 及其去除率变化情况如图 3 所 示。由图 3 可知， 进水 ρ TP 在 3 ～ 6 mg/L， 个别情 况进水水质发生变化或者雨天造成 TP 突变。厌氧 释磷上清液 ρ TP 在 2 ～ 6 mg/L。系统稳定运行情 况下， 出水 ρ TP＜ 1. 0 mg/L， 甚至可达到0. 5 mg/L 以下， 稳定达一级 B 标准， 系统对 TP 的平均去除率 为 80. 6 ， 但是去除率随进水有一定的波动。系统 对 TP 的去除效果与二沉池污泥回流状况相关， 试验 中有 2 次数据较高 ρ TP 达 2 mg/L 以上， 是因为二 沉池污泥回流流量计堵， 造成污泥无法回流至厌氧 池， 污泥在二沉池内停留时间过长从而厌氧释磷， 因 此造成出水 TP 较高。另外， 除磷是通过将高磷污泥 排出系统外， 达到从污水中除磷的效果 ［9］， 因此排出 系统的污泥量越多， 系统的除磷效果越好。本试验平 均污泥龄为 18 d， 每日排除剩余污泥 60 L， 为保证系 统良好的出水效果， 必须及时排除剩余污泥。 图 3 TP 去除效果随时间变化 2. 3对氮的去除效果分析 反应系统对氮的去除效果如图 4 所示， 由图 4 可 知 进水 ρ TN 为 20 ～ 40 mg/L， 系统对 TN 的去除效 果较好， 出水 ρ TN＜ 15 mg/L 达一级 A 标准， 系统 对 TN 平均去除率为 68 。对氨氮平均去除率为 53 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 77. 3 ， 出水氨氮大部分在 5 mg/L 以下， 达一级 A 标 准， 部分所测数据在 5 ～ 10 mg/L， 因为这部分监测到 的氧化沟溶解氧较低 小于 1. 5 mg/L ， 而氨氮的去 除是靠好氧条件下亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用将 氨氮氧化成硝酸盐和亚硝酸盐去除的 ［8］， 因此较低 的溶解氧势必会影响硝化反应的进行， 从而造成出水 氨氮较高。出水 TN 中氨氮占很大比例， 因此出水氨 氮直接影响 TN 出水效果。 图 4TN 和氨氮去除效果随时间变化 2. 4影响因素分析 2. 4. 1温度对处理效果的影响 温度是影响微生物生长活动的重要因素， 主要体 现在细菌的增值速度和活性两个方面 ［9］， 任何一种 微生物都有一个与之匹配的最适生长 ［7］温度。就硝 化细菌而言， 其最适宜的生长温度是 25 ～ 30 ℃［10］。 本试验研究了温度在 19 ～ 30 ℃ 时各种污染物质的去 除效果情况， 其随温度变化关系见图 5 所示。 由图 5 可知 在 19 ～ 30 ℃ ， 温度对出水 COD 几 乎没有影响， 出水 ρ COD＜ 50 mg/L， 达一级 A 标 准， 系统对 COD 去除率为 91 ， 平均去除率为 93 。 温度对 TN 和氨氮去除效果影响较大， 温度在26. 5 ℃ 时， TN 去除效果最好， 系统对 TN 和氨氮平均去除率 分别为 67 和 85 。温度 19 ～ 30 ℃ 时对 TP 出水影 响也不大， 出水 ρ TP＜ 0. 62 mg/L， 系统对 TP 平均 去除率为 91 ， 温度不是除磷的主要影响因素。 图 5各污染物去除效果随温度变化关系 2. 4. 2DO 对处理效果影响 结合 A2/O 的实际特点分析， 好氧池内 DO 浓度 不足可抑制微生物生物活性， 从而抑制碳氧化、 硝化 及吸磷作用。提高系统中 DO， 可提高好氧微生物的 活性和氧化分解有机物速率， 出水效果较好 ［11］。但 过度曝气会造成能量浪费， 导致有机污染物分解过 快， 进而使活性污泥易于老化 ［12- 13］。本试验研究了 氧化沟 DO 出水口处 在 0. 5 ～ 6. 25 mg/L 时各污染 物去除情况， DO 与污染物质去除关系如图 6 所示。 由图 6 可知 当 DO 从 0. 5 mg/L 上升到 6. 25 mg/L 时， 出水 COD 稳定， DO 对 COD 去除影响不大， 系统 对 ρ COD 平均去除率为 92。DO 在 0. 5 ～6. 25 mg/L 时出水 TP 先下降后上升， 系统对 TP 的去除率先上升 后下降。这是因为聚磷菌是好氧菌， 在好氧环境中才 能够有效摄磷， 因此随着溶解氧浓度的上升， 摄磷数 量增多， 使得 TP 出水浓度下降， 去除率上升。DO 在 63 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 图 6各污染物去除效果随 DO 变化情况 2 ～ 5 mg/L 时， 出水 TP 最低， 此时聚磷菌对 TP 的去 除效果最好。DO 在 0 ～ 2 mg/L 时， 出水氨氮和 TN 较高， 在 2 ～ 4 mg/L 时系统对 TN 和氨氮去除效果最 好， 这是因为硝化菌是好氧菌， 只有在有氧存在的条 件下才能进行硝化反应将氨氮转化为硝氮。DO 在 4 ～ 6 mg/L， 出水 TN 和氨氮有上升的趋势， 过高的溶 解氧使得回流到缺氧区的硝化液影响了缺氧区的缺 氧环境， 不利于反硝化反应， 造成出水 TN 较高。总 之， 若使反应系统对各个指标均取得较好的去除效 果， 氧化沟内 DO 需控制在 2 ～ 4 mg/L。 2. 4. 3混合液回流比对处理效果的影响 本试验研究了混合液回流比 R 即内回流比 在 1. 5 ～4时各污染物的去除情况， 其关系图如图 7 所示。 由图7 可知 随着 R 增大， 出水 ρ COD 一直稳定在30 ～ 45 mg/L， 去除率在 91以上， 去除率变化不大。这是因 为 A2/O 工艺中 COD 去除主要依靠厌氧段聚磷菌释磷、 反硝化菌脱氮对有机物的利用以及好氧段中异养菌在 有氧条件下对有机物的降解， 受污泥浓度及有机物可生 化性的影响较大， 而受内回流比的影响较小 ［8 ］。试验结 果表明 当 R 为 1. 5 时， TN 去除率最高， 为 79. 4， 出水 ρ TN 为 7. 4 mg/L， 此时氨氮去除率也最高为 96. 1。 随着 R 的增大， 出水 TN 和氨氮并未呈现降低的趋势。 理论上根据经典脱氮公式， 内回流比越大， 脱氮效果就 越好， 但是当回流比过高时， 回流混合液携带了大量的 溶解氧进入缺氧池， 破坏了缺氧区的缺氧环境， 系统对 氮的去除效果变差 ［10 ］。另外脱氮效果还与温度、 溶解 氧、 碳源等条件有关。 对 TP 来讲， TP 去除率随混合液回流比的增大有 增大的趋势， 当 R 为 1. 5 和 2 时， 出水 ρ TP 分别为 0. 59， 0. 66 mg/L， 去除率分别为 89. 5 和 80. 9 。 当 R 为 3 和 4 时， 出水 ρ TP 分别为0. 27， 0. 13 mg/ L， 去除率分别为 96. 6 和 98. 0 。这是因为随着回 流比的增大， 硝态氮大量回流到缺氧区进行反硝化， 从而回流到厌氧池的硝态氮降低， 为厌氧释磷节省了 碳源， 从而系统的除磷效果较好。综合考虑确定混合 液回流比 R 为 1. 5。 3结论与建议 采用改良 A2/O 工艺对城市污水进行脱氮除磷 中试以及影响因素分析， 试验历时 3 个月， 系统运行 稳定， 试验过程中无污泥膨胀现象， 出水水质良好， 结 论如下 1系统稳定运行时， 出水 COD、 TN 和氨氮均达 一级 A 标准。系统对 COD 去除率在 84 以上， 平均 去除率为 91 。对 TN 和氨氮的平均去除率分别为 68 和 77. 3 。出水 TP 达一级 B 标准， 系统对 TP 平均去除率为 80. 6 。 2 温度在 19 ～ 30℃ 时， 对 COD 和 TP 去除效果 影响较小， 对 TN 和氨氮去除效果影响较大。系统对 COD 和 TP 的平均去除率分别为 93 和 91 。温度 在 26. 5℃ 时， TN 去除效果最好， TN 和氨氮平均去除 73 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 图 7各污染物在不同混合液回流比下的去除情况 率分别为 67 和 85 。 3 DO 在 0. 5 ～ 6. 25 mg/L 时， 系统对 COD 和 TP 的去除率随 DO 的改变变化不大， COD 的平均去除率 为 92 ， 但 DO 在 2 ～ 5 mg/L 时， 出水 TP 最低。DO 对脱氮影响较大。DO 在 2 ～ 4 mg/L 时， 系统对 TN 和氨氮的去除效果最好。因此在实际运行中氧化沟 内 DO 应控制在 2 ～ 4 mg/L。 4 为保证系统脱氮除磷效果， 最佳混合液回流 比 R 为 1. 5。 参考文献 ［1］仝恩丛， 郭会杰， 赵福欣， 等． 保定市污水处理总厂 A2/O 工艺 运行管理［J］． 给水排水， 2000， 26 2 6- 8． ［2］Lau P S， Tam N F Y， Wang Y S． Wastewater nutrients N and P removal by earrageenan and alginatee immobilized cblorella vulgaris ［J］． Environ Technol， 1997， 18 9 945- 951． ［3］Trepanier C， Parent S， Comeau Y， et al． Phosphorus budget as a water quality management tool for closed aquatic mesocosms ［J］． Water Res， 2002， 36 4 1007- 1017． ［4］李楠， 王秀衡， 任南琪， 等． 我国城镇污水处理厂脱氮除磷工艺 的应用现状［J］． 给水排水， 2008， 34 3 39- 42． ［5］张宝军，耿德强， 张雁秋， 等． A2/O 工艺处理城市污水的应用 研究［J］． 煤矿环境保护， 2002， 16 3 2- 5． ［6］张自杰． 排水工程． ［M］ ． 4 版北京 中国建筑工业出版社， 1999 322． ［7］唐致文． A2/O 工艺处理系统脱氮除磷优化研究［D］． 黑龙江 哈尔滨工业大学， 2010． ［8］王伟． A2/O 工艺在城市污水处理厂的实践 ［J］． 山西科技， 2009 1 116- 119． ［9］翟景琛． 倒置 A2/O 工艺处理城市污水试验研究［D］． 山西 太 原理工大学， 2007． ［ 10］张自杰． 废水处理理论与设计［M］． 北京 中国建筑工业出版 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