传统活性污泥工艺运行方式的改进
| 黄甦 刘瑾 摘 要：改变传统活性污泥法的运行方式，使其成为AO工艺或连续流间隙曝气工艺，具备生物除磷脱氮功能。经两种工艺处理后出水NH3-N＜3 mg/L；TP、TN去除率分别为72%和80%。适用于老污水处理厂的改造和新建污水厂的设计。 关键词：AO工艺； 连续流间隙曝气； 生物除磷脱氮 中图分类号：X703.1 文献标识码：C 文章编号：1000-4602(2000)01-0042-03▲ 1 传统工艺低负荷运行除磷脱氮的限度 由于传统工艺运行的污水厂没有深度净化功能，也没有更多资金新建大规模污水处理厂，因此对老厂原工艺进行改进，使其成为AO或连续流间隙曝气工艺是十分必要的。 常规的活性污泥法采用的污泥负荷为0.2～0.3 kgBOD5/(kgMLSS.d)，曝气池活性污泥浓度控制在2～3 g/L之间，泥龄维持在4～5 d以内。由于泥龄短，活性污泥中硝化菌的增殖速率小于其随剩余污泥排出的速率，因而常规活性污泥法在满负荷的条件下，氨氮去除率低，一般仅为20%～30%。 为使按常规法设计的污水厂获得满意的硝化效果，必须减小污泥负荷，提高污泥泥龄。在不增加曝气池容积的前提下，可采用的办法就是提高曝气池污泥浓度。为了达到这一目标，要保证做到以下两点：一是活性污泥具有良好的沉降性能；二是曝气系统具有足够的供氧能力。 为了改善污泥的沉降性能，可采用超越初沉池的办法，这样进水中悬浮颗粒可能成为细菌絮凝的核心。 某污水处理厂采用超越初沉池的低负荷活性污泥法，严格控制曝气池溶解氧(前段1.1 mg/L，中段1.6 mg/L，后段2.8 mg/L)，运行结果表明，BOD5的去除很好，出水平均值＜10 mg/L，去除率达95.4%；NH3-N硝化相当完全，出水为0.1 mg/L，硝化率为99.6%；氮磷的去除情况见表1。 表1 污染物降解指标 |
| 工 艺 | BOD5/TN | BOD5/TP | TN(mg/L) | TP(mg/L) | 有机氮(mg/L) | ||||||
| 流入 | 流入 | 流入 | 流出 | 去除率(%) | 流入 | 流出 | 去除率(%) | 流入 | 流出 | 去除率(%) | |
| 传统工艺 | 4.1 | 19.1 | 50.8 | 21.8 | 57.0 | 11.1 | 5.6 | 49.3 | 23.6 | 1.6 | 93.3 |
| AO工艺 | 4.3 | 26.7 | 60.0 | 12.0 | 80.0 | 9.6 | 2.7 | 72.0 | 29.1 | 3.6 | 87.6 |
| 连续流 间隙曝气 | 4.4 | 31.2 | 33.9 | 9.3 | 72.5 | 5.3 | 1.3 | 74.6 | 12.1 | 1.8 | 84.9 |
超越初沉池，提高曝气池污泥浓度的运行结果表明，硝化的效果相当好，氨氮去除率达99%，但出水的总氮在20 mg/L以上，去除效果还不是很理想。 某污水厂设计处理能力27 000 m3/d，实际水量为15 000 m3/d，进水中很大部分为工业废水。超越初沉池低负荷活性污泥法运行数据表明，在平均水温为26.6 ℃，MLSS为4.98 g/L，SVI为50.5 mL/g时，COD、BOD5的去除率达90%以上，出水NH3-N为3.0 mg/L，硝化率为85.3%，当BOD5/TN为4.4时，总氮去除率为48.5%。 总之，低负荷传统活性污泥法除磷脱氮的量是很有限的。为了进一步提高总氮去除率，可充分利用传统工艺的现有设施和设备，对工艺进行切实可行的改进，使之成为高浓度活性污泥AO工艺，使氮、磷的去除提高到一定水平。2 低负荷AO工艺 利用传统工艺的全部设施，关闭曝气池前1/3段空气管，安装搅拌机，保持原来的回流方式和回流比，变传统工艺为缺氧—好氧(AO)工艺。运行参数见表2。 表2 各种工艺运行参数(平均值) |
| 工 艺 | 气温 (℃) | 回流比 (%) | 水力停留时间 (h) | 泥龄 (d) | 容积负荷 ［kgBOD5/(m3.d)］ | 污泥负荷 ［kgBOD5/(kgMLSS.d)］ | 污泥浓度 (g/L) | SVI (mL/g) |
| 传统工艺 | 17.3 | 106 | 8 | 14.3 | 0.601 | 0.102 | 6.53 | 68.0 |
| AO工艺 | 15.3 | 100 | 8 | 8.2 | 0.738 | 0.133 | 5.79 | 68.5 |
| 连续流 间隙曝气 | 17.4 | 190 | 15 | 11.6 | 0.230 | 0.042 | 6.51 | 49.3 |
与常规意义的AO法不同之处在于，本工艺不设内回流装置，仅设污泥回流系统，工艺流程如图1所示。 |
传统活性污泥工艺运行方式的改进
| 图1 AO法工艺流程图 在运行中采用了两种容积比，缺氧：好氧为1：1或1：3。由表3可见，1：1的情况总氮去除率略高于1:3的情况，但并无明显的优势。缺氧区容积的设定首先应保证系统在COD、BOD5、NH3-N、SS等方面有良好的去除率，故本工艺的1：3容积比是合适的，污泥回流比为80%～100%。 该工艺进水COD、BOD5平均值为543和246 mg/L，出水平均值为47和17 mg/L，去除率分别达到91.3%和93.1%，进水NH3-N为30.2 mg/L，出水为0.5 mg/L，硝化率为98.2%，TN和TP的降解指标见表1。 AO工艺对总氮的去除已大为改善，出水TN在12 mg/L左右，去除率达80%，TP的去除尚未达到较好水平，但相对于进水的9.6 mg/L，出水已有很大程度的降低，如果辅以其他方式的除磷，AO工艺是一种适合于老厂改进的方案。 3 连续流间隙曝气工艺 众所周知，SBR法中间歇曝气的方法有较好的去除氮磷能力。对于按传统活性污泥法设计的污水厂，不可能按SBR法运行。一是不可能间断进水，二是不可能从曝气池出水。因此，保留高浓度活性污泥法运行中已有的经验，只把连续曝气改为分时段曝气，保持正常流量的进出水，就可把这个改进后的工艺称为连续流间隙曝气工艺。 某污水处理厂设计能力27 000 m3/d，实际水量为15 000 m3/d，由于水量负荷低，故减少曝气量，缩短曝气时间，连续运转的鼓风机轮流给两组曝气池充氧，8 h为一周期，运行参数见表2。 在生产性试验的运行期间，进行了三个不同工况的研究，其运行参数和结果见表3。 表3 工况A、B、C运行参数和结果 |
| 参数 | 工况A | 工况B | 工况C | |
| HRT(h) | 14.7 | 10.9 | 9.2 | |
| 曝气时间(h/d) | 12(每次4 h) | 15(每次5 h) | 15(每次5 h) | |
| 非曝气时间(h/d) | 12(每次4 h) | 9(每次3 h) | 9(每次3 h) | |
| MLSS(g/L) | 6.51 | 6.67 | 6.92 | |
| SVI(mL/g) | 49.3 | 46.7 | 45.6 | |
| COD污泥负荷 ［kgCOD/(kgMLSS.d)］ | 0.083 | 0.112 | 0.202 | |
| BOD5污泥负荷 ［kgBOD5/(kgMLSS.d)］ | 0.042 | 0.056 | 0.074 | |
| 气温(℃) | 16.5 | 14.7 | ||
| COD (mg/L) | 进水 | 329.3 | 340.1 | 535.2 |
| 出水 | 47.8 | 38.6 | 49.2 | |
| 去除率 | 85.5% | 88.7% | 90.8% | |
| BOD5 (mg/L) | 进水 | 164.5 | 169.5 | 194.9 |
| 出水 | 14.0 | 13.8 | 15.2 | |
| 去除率 | 91.5% | 91.9% | 92.2% | |
| NH3-N (mg/L) | 进水 | 20.2 | 21.4 | 20.7 |
| 出水 | 2.9 | 3.5 | 4.1 | |
| 去除率 | 85.6% | 83.6% | 80.2% | |
| TN (mg/L) | 进水 | 36.3 | 37.6 | 39.8 |
| 出水 | 9.7 | 10.8 | 10.2 | |
| 去除率 | 73.3% | 71.3% | 74.4% | |
| 由表3可见，这三个工况的运行情况都很好，用于老厂的改造是完全可行的。出水COD和BOD5与工艺改进前相似，硝化率相似，TN、TP出水浓度大为降低，去除率达到72.5%和74.6%，由于氮、磷的去除消耗了碳源，因而工艺改进前后BOD5、COD的去除机理不同。 活性污泥镜检发现，菌胶团密实，在团状结构中有不透光的核心。钟虫及采盖虫成株茂盛，数量极其多，很难发现游动型的后生动物如轮虫等。污泥指数小、污泥沉降性能好的原因在于：①间隙曝气方式抑制了游动型后生动物的生长，菌胶团密实；②因超越初沉池，入流惰性物质与污泥絮体结合在一起，增加了污泥的体积质量；③保持50%以上的高回流比，污泥新鲜，利于沉降。 当气温下降至4 ℃左右，BOD5、COD的降解几乎没受影响，但硝化水平下降，出水NH3-N上升至7.6 mg/L，去除率下降至68%，总磷的去除率下降至63.2%。 连续流间隙曝气工艺中，曝气时有机物部分被好氧微生物分解利用，部分由兼性微生物作糖元贮存；NH3-N被硝化杆菌最终氧化为NO-3-N；溶解性磷盐被聚磷菌吸收。不曝气时，溶解氧被迅速消耗掉，开始了反硝化，入流带来的有机物以及被贮存的糖元作电子供体在反硝化菌的作用下还原NO-3-N为N2；聚磷菌把低分子有机酸变为贮存在体内的PHB，并释放PO3-4；活性污泥充分发挥其网捕和吸附功能，“过滤”污染物。4 几种工艺氮的去除途径分析 氮的最终去除途径是生成N2或转化入污泥。假设实际消耗的碱度包括入流NH3-N硝化和有机氮氨化再硝化两部分，那么由NH3-N硝化的计算碱度与实际消耗碱度之差可以推算出有机氮硝化消耗的碱度，从而推算出有机氮通过N2和污泥途径去除的量，确定总氮两种去除途径所占比例。各种工艺的计算结果如表4所示。 表4 氮去除分配表 |
| 工艺 | ΔTN(mg/L) 流入-流出 | 有机氮(mg/L) 流入-流出 | 计算耗碱度 (mg/L,CaCO3计) | 实际耗碱度 (mg/L) | N2途径 (mg/L) | 污泥途径 (mg/L) | N2/ΔTN | 污泥途径/ΔTN |
| 传统 工艺 | 29.0 | 22.0 | 163.0 | 215.0 | 21.6 | 7.4 | 74.5% | 25.5% |
| AO 工艺 | 47.7 | 25.5 | 136.4 | 196.0 | 37.9 | 8.8 | 79.4% | 18.4% |
| 连续 流间 隙曝 气 | 26.7 | 13.3 | 79.1 | 83.5 | 13.8 | 12.1 | 51.7% | 45.3% |
| 连续流间隙曝气工艺通过污泥途径去除的氮最多，因而该工艺脱氮对BOD5/TN的要求最低。5 结论 ① 传统活性污泥法经过较为简单的工艺改进后，具备了良好的生物除磷脱氮功能。 ② 工艺改进后，可节省部分用于曝气的费用，但要求曝气系统有更好的供氧能力，即供氧速率高。 ③ 由于城市污水中可被利用的有机物在保证脱氮(反硝化)之后所剩无几，若要确保出水总磷小于1 mg/L，有必要增加辅助除磷措施，如在进二沉池前加药剂等。 ④ 连续流间隙曝气工艺由污泥途径去除的氮远高于AO工艺，故间隙曝气工艺的脱氮对有机物依赖性更小。■ 作者单位：黄甦(南通市环境保护局，江苏 南通 226006) 刘瑾(同济大学 建筑设计研究院，上海 200092) 电话：(0513)5506565 参考文献： ［1］Schonberger R. Wat Sci Tech, 1990,22(7.8):45-51. |
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