[doc格式] 分段进水A/O工艺流量分配
与策略研究
分段进水A,O工艺流量分配方法与策略研
究
第3卷第1期
2009年1月
环境工程
ChineseJourna1ofEnvironmenta1En~ineerin
Vo1.3.No.1
Jan.2009
分段进水A/O工艺流量分配方法与策略研究
王伟彭永臻孙亚男王淑莹
(北京工业大学环境与能源工程学院北京市水质科学与水环境恢复重点实验室,北京100124)
摘要分段进水缺氧/好氧(A/O)工艺是一种高效的污水生物脱氮工艺.但原水多点投配给该工艺带来诸多好处
的同时,也为其优化运行带来一定困难.其中,可行的流量分配方法的建立是分段进水工艺发挥其优势并高效运行的瓶颈
问题.提出3种不同的流量分配方法并进行相应的理论分析:(1)采用等负荷流量分配法,其遵循的原则是保证各段硝化
菌负荷相同,以利于硝化菌生长,优先满足系统硝化,最大程度地降低出水氨氮浓度;(2)采用流量分配系数,原则是各缺
氧段进水有机物质恰好可以为上段好氧区产生的硝酸盐氮反硝化
提供充足的电子供体.利用该方法可以充分利用原水中
碳源,发挥缺氧区反硝化潜力,并保证最后一段进水量最少,降低出水
硝酸盐氮含量;(3)末端集中进水,用于暴雨等产生
洪峰流量时,将进水点向系统末端移动,并加大末端进水量,以减+--
沉池固体负荷,避免污泥冲刷流失.3种流量分配
方法的提出,可以应对水厂不同的进水水质和出水要求,增强分段进
水A/O生物脱氮工艺的实际可操作性,提高处理效率,
为目前采用分段进水A/O工艺的污水厂的优化运行管理提供可靠
的理论借鉴.
关键词污水生物脱氮分段进水A/O流量分配
中图分类号X703.1文献标识码A文章编号
l673.9108(2009)01—0089-04
Studyofinfluentflowdistributionmethods
andstrategiesinstep.feedA/0process
WangWeiPengYongzhenSunYananWangShuying
(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironment
alRecoveryEngineering
CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTec
hnology,Beijing100124)
AbstractStep—feedanoxic/oxic(A/O)processisanattractivebiologicalnitr
ogenremovalsystemfor
wastewatertreatment.Thefeedpatternenhancesthenitrogenremovalperformance;however,thefacilityofoper—
ationofthisprocesscouldbenegativelyaffected.Theestablishmentofoptimaldistributionmethodforinfluent
flowisabottleneckproblemofthisprocesstopromisethehighperformanceandputtheadvantageintoplay.
Threemethodsproposedinthispaperforinfluentflowdistributioninclude:(1)equilibriumloadingtonitrifiers.
ItisasensiblemethodthattheF/Mratiofornitrifiersisthesameinthedifferentaerobictanks,whichcanfavor
thegrowthofnitrifiersandpromisethenitrification;(2)theoptimalcoefficientofinfluentflowratedistribution.
Themainideahasbeentolettheinfluentorganicinsomeoftheanoxiczonebedeterminedbythenitratecon—
centrationproducedbytheformerstage.Thesuggestedmethodcouldfullyusetheinfluentcarbonsourceand
denitrificationpotentialofanoxiczoneand,consequently,reducetheinfluentflowoflaststageandgetalower
effluentnitrateconcentration;(3)avoluminousinfluentflowintheendofsystem.Toreducethesolidsloading
tothesettlerandpreventsludgefrombeingwashedout,thefeedingpointismovedawayfromtheinletofthesys-
temtowardsitsendandthefeedingflowinthelaststageisincreasedaccordinglyduringperiodswithhydraulic
peakflows(causede.g.bystormweather).Basedonthedifferentinfluentqualitiesandeffluentstandards,the
suggestedinfluentdistributionmethods,couldimprovetheoperationfeasibilityandenhancenitrogenremoval,as
wellasprovidingthereliabletheoreticalreferenceofoperationandmanagementinstep—feedA/Oprocess.
Keywordswastewater;biologicalnitrogenremoval;step-feed;A/O;influentflowdistribution
连续流分段进水A/O作为一种高效的污水生
物脱氮工艺,目前已被广泛应用于新建和改,扩建污
水厂.最初将分段进水应用于活性污泥反应系
统是为了减少洪峰流量时二沉池固体负荷,减少污
泥被冲刷的危险.之后,分段进水作为一种过程控
制策略应用于A/O脱氮系统,经过发展而成为一种
基金项目:北京市教委科研基地——科技创新平台项目;高等学校
博士学科点专项科研基金资助项目(20060005002)
收稿日期:2008—05—14;修订日期:2008—07—02
作者简介:王伟(1979,),女,博士研究生,主要从事污水生物处理
研究工作.E—mail:wang—wei2005@emails.bjut.edu.en
通讯联系人,E—mail:pyz@jpu.edu.cn
90环境工程第3卷
无内循环脱氮工艺.分段进水A/O脱氮工艺中,原
水分多点进入反应器,同传统前置反硝化工艺相比,
该工艺无需设置硝化液内回流设施,可以节省内循
环所需能量;缺氧区进水,可充分利用原水中有机碳
源进行反硝化,节省药剂费用;此外,原水分散进入
反应器,可有效避免或降低洪峰流量时污泥被冲刷
的危险.多点进水带来诸多好处的同时,也使
得该工艺的运行变得相对复杂.进水流量分配作为
分段进水A/O工艺最重要的影响因素,其方法的开
发与优化一直都是一个难题.
在分段进水A/O工艺中,原水多点投配,使得
各段好氧区硝化容量不同,分配比不同时,为缺氧区
提供的反硝化供体不同,因此,流量分配比不仅直接
影响系统各段硝化容量的充分利用,也必然影响着
各段缺氧区反硝化效果.此外,污水处理系统的动
态复杂性及硝化,反硝化在某些方面的相互矛盾性,
使得很难通过一种流量分配方式来满足系统在任何
时刻的流量分配均为最优.鉴于上述背景,本研究
针对进水水质,水量及出水要求,提出分段进水A/
O工艺的3种流量分配方法,一是等负荷流量分配
法,根据系统各段硝化容量分配流量,优先保证硝化
效果,用于高负荷时保证系统稳定运行有效方式;二
是采用流量分配系数,根据进水C/N进行流量分
配,目的是充分利用进水碳源,并保证最后一段进水
量最少,该方法是提高脱氮效率乃至深度脱氮的重
要方式;三是流量分配方式——末端集中进水,降低
二沉池的固体负荷,可避免污泥冲刷流失,尤其是合
流制污水厂在暴雨产生洪峰流量时尤其适用.下面
将分别对3种流量分配方法进行详述,并对其应用
条件进行探讨,以期为分段进水A/O工艺的实际应
用提供指导.
1流量分配方法分析
1.1条件假设
分段进水A/O工艺的水量平衡图见图1.图1
是具有n段的分段进水A/O工艺,原水分别在各段
缺氧区进入反应系统,缺氧区发生反硝化反应,进水
为反硝化提供碳源,混合污水进入好氧段进行硝化
反应,硝化后硝酸盐混合液再进入下一段的缺氧区
进行反硝化反应,进水为其提供反硝化碳源.第1
段的缺氧区主要对回流污泥中的硝酸氮进行反硝
化.在对流量分配进行理论分析时,首先假设(1)
原水无硝酸盐和亚硝酸盐;(2)系统硝化,反硝化容
量充足,无氨氮流人二沉池,出水只含有硝酸盐氮,
无亚硝酸盐氮,回流污泥中无氨氮和可生物降解物
质;(3)忽略细胞同化作用消耗的氮;(4)原水碱度
充足;(5)二沉池不发生反硝化反应.
(Q:系统总进水量;r:第段进水与总进水量的比值;r:污泥回流比;S.:原
水COD浓度(mg/L);
A.:原水TKN(总凯氏氮)浓度(mg/L);?:出水硝酸盐氮浓度(mg/L))
图1分段进水A/O工艺物料平衡示意图
Fig.1Massbalancediagramofstep—feedA/Oprocess
1.2流量分配方法讨论
1.2.1采用等负荷流量分配法——保证系统硝化
对于脱氮工艺,硝化是影响系统脱氮效果的重
要因素.分段进水A/O系统中,由于原水分散进入
反应系统,系统各段悬浮固体浓度(MLSS)呈梯度分
布,不同进水流量比导致各段硝化菌的F/M(氨氮/
硝化菌数量)值不同,且当后段好氧区硝化菌F/M
值高于前段硝化菌F/M值时,系统硝化反应将受到
负面影响.在高负荷时,这种负面影响将变得更加
明显.由于污泥浓度沿流程呈递减分布,为保证较
好的硝化效果,进水流量通常呈递减分布.这里假设
系统各段进水比Ql:Q2...?Q_..?Q=r1:r2…:r_..?
r,各好氧段硝化菌数量为,,…M,且
各段好氧区体积相等,污泥回流比为r(回流污泥量
/系统总进水量),由系统物质平衡,可得第n段硝
化菌数量与第1段的比值为:
第1期王伟等:分段进水A/O工艺流量分配方法与策略研究91
MN(r+r1),,一
MN1一(r+r1+…=r…+r)
一
个简单可行的控制方式就是保持各段好氧区
硝化菌的F/M值相等,因此,有方程(2)成立,
r1
2,3…n)
r+1+…+…+r)
(2)
这样,有n一1个方程成立,
并有,
r1+…+r…+r=1(3)
因r为已知,由方程(2)和(3),可以求出系统
流量分配比,此流量分配比可以满足各段好氧区硝
化菌F/M相同.采用等负荷流量分配法分配流量
时,为降低系统出水硝酸盐氮浓度,可以提高第1,2
段进水量,使第1,2段硝化菌的F/M增高,这样,即
使第1,2段不能硝化完全,剩余的氨氮可以在后续
好氧段硝化去除,不会影响系统整体硝化容量的充
分利用.但是,这样分配的结果可能造成第1,2段
缺氧区碳源浪费.若末段好氧区硝化菌F/M值高
于第1,2段,虽然某些情况下可以更加充分地利用
原水中的碳源,但当原水负荷较高时,会导致出水氨
氮浓度增加.此外,低负荷时,若前段进水量较小,
硝酸盐氮产生量不足,使得硝酸盐成为后段缺氧区
反硝化的限制因素,提高后段进水流量也不再有意
义.分段进水流量比显然影响着系统各段硝化,反
硝化容量的充分利用.采用等负荷流量分配方法,
可以优化系统硝化过程,但很难同时兼顾反硝化过
程,若需对反硝化过程进行优化,还需考虑进水C/N
和进水负荷等因素.
1.2.2采用流量分配系数——充分利用原水碳源
设第1段缺氧区的TKN,NO;一N和COD浓度
分别为A,J7,r,和S,由系统质量平衡,有下式成立:
=.?
=
?’
s==s.?.【o)
第1段缺氧区恰好完全反硝化的条件可由下式
描述:
S=aN(7)
方程(7)中仅是常数,它
示单位NO3-一N转化
成氮气需要消耗的有机物质量,通常以BOD来表
示,但BOD的测定通常需要较长的时间.为便
于将该分配方法应用于流量分配的实时控制,本文
均以COD表示(mgCOD/mgNO;一N).这个比值可
通过实验来确定,其与系统固体停留时间(SRT),内
源衰减系数及可生物降解生物体比例有关,并与进
水水质有关.本研究在处理实际生活污水的实验
中,得出Ot值为7mgCOD/mgNO3-?N.
将方程(5)和(6)中?和s表达式代入方程
(7),可以得到下式:
r=rN(8)
方程(8)定义的是原水投加到第1段缺氧区最
小比例.按此比例分配进水使得该缺氧区进行完全
反硝化,完全去除回流污泥携带来的NO3-一N.
在好氧区,原水中的TKN完全硝化变成NO;一
N.因此,第1段出水的NO3一N浓度与第1段进水
的TKN浓度(即A)相同.进入第2段缺氧区后,
由于第2段进入的原水(T2Q)的稀释作用,第2段缺
氧区NO3--N浓度(N)可由如下物质平衡方程表
示:
=
箬=A.r1+r2+rr1+r2+r
第2段缺氧区反硝化需要的电子供体由进入第
2段缺氧区的原水来提供.由于第2段进水的稀释
作用,第2段缺氧区首端的COD可以通过调整s.
来计算,则:
5=—_S0(10)
第2段缺氧区恰好完全反硝化必须有下式成
立:
S2=aN:(11)
将方程(9)和(10)代入方程式(11),得到如下
关系:
r2=Otrl(12)
方程(12)给出的流量比是满足第2段缺氧区
反硝化完全所需要的最小流量比.以此类推,根据
水量平衡,任意第i段的COD和NO3--N浓度可以
用原水的Js.和A.来表示,如下式所示:
s?S.(3)’r1+…+r.
+r’
?lA.()’r1+r,+…+r+r”
第i段恰好完全反硝化所需的最小进水比可由
下式表示:
=
/10
一
】(i=2,3,…)(15riotri2n)’一1,j,…L
利用上式,可以满足各段进入的原水恰好可以
提供充足的电子供体将上一段好氧区产生的硝酸盐
氮反硝化,并使得最后一段进水最少,出水硝酸盐氮
浓度最低.
92环境工程第3卷
此外,系统各段流量分配比满足方程(3)所描
述的关系,因此,由方程(15)和(3)可以组成方程
组,进而解出各段流量分配比的数值.
对同一进水水质,当各段缺氧区进水提供的电
子供体恰好可以将上一段产生的硝酸盐氮反硝化去
除时,这里O/?为定值,—则为定值,此处定义
0r
n一1
=?=
6,并称8.为最优流量分配系数.
当进水COD/TKN?O/,8?1,流量沿系统流程递减
分布;当COD/TKN<ot时,8>1,流量沿流程方向
递增分布.
但由上述分析和关系式可以看出,计算所得的
流量分配比却不能保证第1段进水将回流污泥中的
硝酸盐氮完全反硝化,或者第1段的进水量最少.
由二沉池出水的NO;一N浓度(N)和进入最后
一
段(第n段)的TKN浓度相同,可得方程(16):
?eA.(6)
方程(16)代入方程(8)得到方程(17),
r,nL?
方程(17)是第1段进水完全将回流污泥中携
带的硝酸盐氮反硝化去除所需的最小流量比,实际
运行时,可以参考方程(17)计算得到的第1段流量
分配比数值来优化污泥回流比等控制
.
1.2.3末端集中进水——防止污泥中刷流失
水厂的实际运行中,经常遇到暴雨等极端天气,
对合流制排水系统,生物法污水处理厂会面临污泥
冲刷流失的危险.分段进水工艺最初被提出来时,
就是为了应对水厂突然增加的水力负荷,采用分流
方式,降低二沉池固体负荷,防止污泥冲刷流失.当
其逐渐演变成具有脱氮功能的处理工艺时,这一功
能仍然很重要.因为脱氮工艺中的硝化菌是需长泥
龄生长的菌种,其对系统脱氮起着至关重要的作用,
若发生污泥冲刷流失,系统硝化功能会降低,且不易
恢复.早在1984年,就有人提出多点进水工艺控制
二沉池固体负荷的方法,该方法需测定进入二沉
池的污泥初始沉淀速率(ISV)(沉淀池容量可以定
义为ISV(m/d)×沉淀池截面积),该方法手动调节
进水点的位置,当沉淀池的额定容量小于进入沉淀
池的实际固体量时,分段进水点的位置向系统末端
移动一次,直到进水点移动到系统最末端,这种方法
是基于对进水点位置的调整进行的.事实上,为了
降低进入沉淀池的负荷,还可以通过测定进水量,污
泥沉淀性能,或者通过污泥层高度来控制各段进水
流量比.当判定存在污泥流失危险时,可以加大系
统末端进水量,并使进水点位置尽可能接近系统
末端.
2结语
流量分配是分段进水生物脱氮工艺稳定,高效
运行的关键.本研究提出3种流量分配方法,并对
其进行理论探讨.其中等负荷流量分配方法,可以
保证系统硝化效果,给硝化菌提供良好的生长环境,
适用于高氨氮进水负荷,保证出水氨氮达标;而最优
流量分配系数,可以优化对进水碳源的利用,尤其适
用于高进水C/N的污水,其不仅可以充分利用原水
中的碳源,还可以使得最后一段进水量最少,降低出
水TN浓度;第3种方法是末端集中进水的方法,这
种方法主要用于应对突然加大的水力负荷,防止污
泥冲刷流失.此3种流量分配方法,可以作为分段
进水A/O工艺设计,运行和实时控制的依据,以应
对不同的进水水质,并保证系统连续满足出水要求.
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