曝气沉砂除油池对污水厂脱氮除磷的影响

邓仁健，张金松，吕 伟，曲志军

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院环境科学与工程研究中心，518055 广东深圳;2.湖南科技大学土木工程学院，411201 湖南湘潭;3.深圳市水务(集团)有限公司，518030 广东 深圳)

曝气沉砂除油池对污水厂脱氮除磷的影响

邓仁健1，2，张金松1，3，吕 伟3，曲志军3

(1.哈尔滨工业大学深圳研究生院环境科学与工程研究中心，518055 广东深圳;2.湖南科技大学土木工程学院，411201 湖南湘潭;3.深圳市水务(集团)有限公司，518030 广东 深圳)

为准确评价曝气沉砂除油池对城市污水厂脱氮除磷的影响，从水质特征、出水污染物浓度、去除效率、活性污泥组成、产泥量、物质平衡等角度，全方面考察具有长水力停留时间(大于10 min)的曝气沉砂除油池预处理对后续生物处理工艺的影响，并与旋流沉砂池预处理进行对比.结果表明:曝气沉砂除油池预处理后，原水碳源损失比较严重，减小二级生化处理系统进水的COD与TN比和COD与TP比，不宜在低碳氮比进水的城市污水厂中使用;二级生化处理系统的TN和TP去除率分别下降了5.87%和10.22%;改变系统的活性污泥组成，使活性污泥中TN含量增加，而TP的含量减少.物质平衡原理的工艺评价方法也表明曝气沉砂除油池预处理会减小二级生化处理可利用碳源.具有长水力停留时间的曝气沉砂除油池预处理对城市污水厂脱氮除磷有负面影响.

曝气沉砂除油池;工艺评价;物质平衡;脱氮除磷;城市污水厂

我国南方城市污水具有砂石和油脂含量高的特点，因此，具有洗砂、沉砂、去除油污和浮渣等多功能的曝气沉砂除油池应用较多［1-2］.目前，曝气沉砂池的研究主要集中在沉砂与洗砂的效果［3-4］、除油［2］、池型［5］及维护运行管理［6］等方面.卞子敏等［7］利用小试实验研究了曝气沉砂池对后续生化处理工艺的影响，认为在曝气3 min的条件下不会对后续工艺产生影响，但缺少实际工程检验和评价.而具有长曝气时间(大于10 min)和高气水比的曝气沉砂除油池在该方面的研究少见报道.

在实际污水厂中，可以通过考察出水污染物浓度、去除效率和能耗等方法评价预处理工艺对后续处理工艺的影响，但是由于重要数据难以获取或缺失、误差大、水样代表性差等多方面原因，其评价结果较片面［8］，同时不利于整个污水厂的工艺优化控制和运行管理［9-10］.本文从水质特征、出水污染物浓度、去除效率、活性污泥组成和产泥量等方面多角度考察了曝气沉砂除油池预处理对后续处理工艺脱氮除磷的影响，利用物质平衡和数据调和技术［10-11］给予检验.以期为曝气沉砂除油池在城市污水厂的设计、运行管理等方面提供参考.

1 实验

1.1 实验污水厂

研究污水厂的二级处理工艺为7池改良序批式 反 应 器 (modified sequencing batch reactor，MSBR)，该工艺原理和运行方式详见文献［12］，设计规模为 12.0×104m3·d-1.工艺流程如图 1所示，污水经过提升泵站后进入旋流沉砂池(PG)，然后进入MSBR池(1～7单元)，出水消毒后排入附近的水体;MSBR工艺1、3、5和7单元的排渣废水回流至进水泵房(流量Q1约600～1 000 m3·d-1，污泥质量浓度为400～12 000 mg·L-1不等).该污水厂运行两年后发现原水中常含有大量砂石和油类物质，因此，将旋流沉砂改造成具有除油功能的曝气沉砂除油池(AGDT)，并关停旋流沉砂池(PG，图1虚线部分).曝气沉砂除油池的设计规模为 12.0×104m3·d-1，分两格，设计停留时间为11.3 min.

图1 工艺流程图

1.2 实验方法

实验分两个阶段，第一阶段为5～6月，污水厂按照“旋流沉砂池+MSBR工艺”运行(简称第一阶段，Run 1);7月曝气沉砂除油池开始运行，一个月后基本稳定，第二阶段实验开始，时间为8～9月，污水厂按照“曝气沉砂除油池+MSBR工艺”运行(简称第二阶段，Run 2).实验开始前一个月及期间污水厂的工艺运行参数尽可能保持恒定.根据文献［10］提出的物质平衡方法及数据调和技术对进水、出水、排泥量等相关数据进行了收集整理.

1.3 分析方法

在考虑进水流量和设计停留时间的基础上，每隔3～5 d取旋流沉砂池和曝气沉砂除油池前后的瞬时水样测定COD、溶解性COD(SCOD)、TN、TP、SS、含沙量和含油量;每天取进出水24 h混合样测定 SS、COD、TN、NH+4-N和TP等指标;每两天取MSBR工艺好氧池的瞬时污泥样测定SVI30、MLSS、MLVSS;每两天取脱水后的污泥样测定含水率和VSS;取5月12日、5月28日、6月10日、6月18日、8月12日、8月20日、9月5日和9月22日(均为晴天)的剩余污泥脱水后24 h污泥混合样测定TN、TP、COD和MLVSS.以上分析均按照国家标准［13］进行，相关的进水量、出水量、排泥量、回流量、曝气量等数据均取自在线仪表.

1.4 物质平衡计算方法

1.4.1 磷平衡计算方法

进出水的TP平衡采用式(1)计算:

式中:Minf，TP，Mgtr，TP，Meff，TP，Mwas，TP分别为进水、沉砂池去除、出水排放及污泥排放的TP量，其中Mwas，TP=fP× ρMLVSS× Vwas，fP为剩余污泥中磷的质量分数，g·g-1;Vwas为剩余污泥排放的体积.

1.4.2 氮平衡计算方法

进出水的TN平衡采用式(2)计算:

式 中:Minf，TN，Mgtr，TN，Meff，TN，Mwas，TN、Mdenit，TN分 别为进水、沉砂池去除、出水排放、污泥排放及反硝化的TN量，其中Mwas，TN=fN× ρMLVSS× Vwas，fN为剩余污泥中氮的质量分数，g·g-1.

1.4.3 COD 平衡计算方法

进出水的COD平衡采用式(3)计算:

2 结果及讨论

2.1 曝气沉砂除油池的沉砂除油效率

曝气沉砂除油池的沉砂效率与气水比、池型、水力停留时间等因素有关［4］.污水厂实际处理量在 5.0 万～8.5 万 m3·d-1，曝气沉砂除油池曝气时间在 16.0 ～ 27.1 min，气水比为 0.15.第二阶段，该池的沉砂率、沉砂有机物质量分数和油脂去除率分别为 (85.9± 8.8)%、(1.6± 1.5)% 和(71.7±35.5)%(表 1)，可见该工艺的沉砂、洗砂效果良好，其沉砂效率远高于现代曝气沉砂池至少去除75%粒径大于等于0.15 mm砂的设计要求［1］;同时，除砂率与处理水量有较好的负相关性(R2=0.69，相关数据未给出).但除油效果不稳定，可能与实验期间进水中油脂含量不高及波动较大有关.

表1 曝气沉砂除油池的沉砂、洗砂和除油效果 %

2.2 对二级生化处理进水水质的影响

进水水质特征会影响生化处理系统的处理效果［8］.实验期间，不同沉砂池预处理前后水质特征及变化见表2.第一阶段预处理后水质特征未发生明显变化;但第二阶段预处理后，COD由236.5减小至205.8 mg·L-1，去除率为 13.0%，SCOD 去除率高达24.2%(可认为是RSCOD)，COD与TN比和COD与 TP比分别由10.0和 65.7减小至8.9和60.4，水质特征发生了较明显的变化，碳源损失较长，高于文献［7］的结果.原因可能是:① 曝气时间(16.0～27.1 min)较长;② 该工艺存在大量的浮渣及污泥脱水上清液回流(图1中Qp)，使曝气沉砂除油池异养菌浓度较高;③ 曝气沉砂除油池中DO浓度较高.可见，曝气沉砂除油池不宜在低碳氮比进水的城市污水厂中使用.但COD与TN比和COD与TP比仍较高(8.9和60.4，表2)，碳源充足，该预处理是否会对系统的脱氮除磷产生影响，有待从其他方面进一步分析论证.当气水比在0.10～0.20时，曝气沉砂除油池曝气沟和除油沟的DO分别在1.0～3.5和0.8～1.7 mg·L-1变 化， 出 口 处 DO 在0.5～1.0 mg·L-1，二级生化处理厌氧池进水口DO 低于 0.2 mg·L-1(0.08～ 0.13 mg·L-1).可见，曝气沉砂除油池的DO未对厌氧池的厌氧环境产生明显影响.

表2 原水及沉砂池处理后的水质特征

2.3 对出水水质和去除率的影响

图2和表3给出了两个阶段各污染物的进出水质量浓度和去除效率.两个运行阶段出水SS、COD及去除率没有明显区别.在 TN(24.7与23.6 mg·L-1)和 TP(3.2 与 3.6 mg·L-1)进水质量浓度相近的条件下，第二阶段出水TN比第一阶段高0.99 mg·L-1，TN 去除率减小了5.96%(表3);第二阶段出水 TP比第一阶段高0.42 mg·L-1，TP 去除率减小了 10.50%(表 3).由于污水厂第一和第二阶段的主要工艺参数(污泥回流比、污泥龄和DO等)相近，可推测脱氮除磷效率下降与曝气沉砂除油池运行有关，这与文献［7］的结论不同，可能是本研究的曝气时间长且排渣回流流量大等原因.

图2 不同运行条件下系统各污染物去除效率

表3 第一阶段和第二阶段水厂出水水质和污染物去除效率

2.4 对污泥特性组成的影响

表4给出了两个阶段污泥组成成分及特征值.污泥样品均取自好氧池，假设污泥完全被矿化和磷酸盐均被生物质吸收，MLSS在两个实验阶段存在差别不会对评价结果产生影响［8］.表4中各指标实测值均在典型值范围内［11，14］，代表性较高.两个实验阶段污泥龄接近且稳定，MLVSS与MLSS比分别为0.35和0.41，说明曝气沉砂除油池会减小二级处理工艺的无机负荷，SVI从29上升到44也可证实该观点.与第一阶段相比，第二阶段的COD与MLVSS 比(1.36 到 1.38)和 TN 与 COD 比(0.085到0.090)均升高，而 TP与 COD比却减小了(0.038到0.036)，表明曝气沉砂除油池预处理后会改变水质组成，进而影响系统的活性污泥组成(表4):TN含量增加，而TP的含量减少，这种改变在活性污泥数学1号模型［14-15］和文献［15］得到了证实，但是否会影响活性污泥的活性和微生物种群结构分布有待进一步研究.

表4 第一阶段和第二阶段活性污泥的组成及比例

2.5 基于物质平衡的影响评价

根据式(1)～(3)对第一、二阶段污水厂进出水的COD、TP和TN进行了物质平衡分析，结果见表5.COD平衡结果表明:两个阶段COD被氧化去除率分别为 41.93%和 37.83%，而文献［8，11］分别为11%和26%，说明后置反硝化碳源不足是MSBR工艺(“A/O+SBR”运行模式)脱氮效率低的原因之一，与王闯等［16］的研究结论相同;但曝气沉砂除油池会比旋流沉砂池多去除9.5%的COD，使系统的产泥量比第一阶段减少了6.8%;该工艺氧化有机物需氧量也高于其他工艺;第二阶段比第一阶段用于反硝化的COD降低了4.21%(表5)，使系统的脱氮效率下降.TN平衡也证明了该观点:由于用于反硝化的COD减小了4.21%，第二阶段反硝化效率下降了10.02%，但更多的TN(3.85%)通过污泥排放得到去除，TN去除率降低了 5.87%(表 5).由于进水中RSCOD在曝气沉砂池中被过多氧化，剩余污泥中磷的质量浓度减少了7.6 mg·L-1(表4)，在第二阶段比第一阶段有效排泥量只减少了5.5%情况下(相关统计数据未给出)，TP去除率却下降了10.22%.上述平衡分析表明，曝气沉砂除油池预处理后TN和TP去除效率分别下降了5.87%和10.22%，与 2.3 节评价结果(5.96%和 10.50%)有微小的差别，由于物质平衡的评价方法对数据进行调和，其结果更可靠和全面［8］.此外，曝气沉砂除油池预处理减小了二级生化处理可利用碳源，进而影响处理系统的脱氮除磷效率，因此，设计和运行过程中如何减小碳源损失是必须考虑的问题.本研究中，较长的曝气时间(16.0～27.1 min)、高DO及大量的排渣回流等原因综合使该污水厂的曝气沉砂除油池相当于一个具有曝气功能的初沉池，大量研究［17-19］表明初沉池对城市污水厂的脱氮除磷是有负面影响，这与本文的研究结论吻合.为了减小曝气沉砂除油池发生生化反应，该污水厂需要加强MSBR工艺1、3、5和7单元的排渣回流管理;在今后的曝气沉砂除油池的设计中应慎重选择设计水力停留时间.

表5 不同预处理条件下COD、TN和TP物质平衡计算

3 结 论

1)曝气沉砂除油池预处理会造成碳源损失严重，且会减小二级生化进水COD与TN比和COD与TP比，不宜在低碳氮比进水的城市污水厂中使用;当气水比为0.10～0.20时，曝气沉砂除油池预处理未对厌氧池的厌氧环境产生明显影响.

2)在水力停留时间为 16.0～27.1 min 时，曝气沉砂除油池预处理不会影响系统的COD、SS去除率，但TN和TP去除率分别下降了5.87%和10.22%，对后续生化处理的脱氮除磷有一定影响.

3)较长的水力停留时，经曝气沉砂除油池预处理后，会改变系统的活性污泥组成，使活性污泥中TN含量增加，TP含量减少，但是否会影响活性污泥的活性和微生物种群结构分布有待进一步研究.

4)在本研究条件下，物质平衡结果表明，曝气沉砂除油池预处理减小了二级生化处理可利用碳源，进而影响处理系统的脱氮除磷效率，设计和运行过程中如何减小碳源损失是必须考虑的问题.

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The effect of aerated grit and degreasing tank on full-scale WWTP nutrient and phosphorous removal performance

DENG Renjian1，2，ZHANG Jinsong1，3，LÜ Wei3，QU Zhijun3

(1.Environmental Science and Engineering Research Center，Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China;2.School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，411201 Xiangtan，Hunan，China;3.Shenzhen Water(Group)Co.Ltd.，518030 Shenzhen，Guangdong，China)

To evaluate the effect of aerated grit and degreasing tank(AGDT)with long hydraulic retention time(＞10 min)on nutrient and phosphorous removal performance at municipal wastewater treatment plant(WWTP)，influent characteristics，effluent quality，removal efficiencies，activated sludge characteristics and composition，as well as performance assessment based on mass balance evaluation，were investigated in a fullscale WWTP.The experimental results showed that:Compared with Pista grid pre-treatment，AGDT pretreatment was unsuitable to be used in WWTP with low C/N rate wastewater because it consumed more carbon source and led to decrease of effluent COD/TN/TP rates;The total nitrogen(TN)removal efficiency and total phosphorus(TP)removal efficiency decreased 5.87%and 10.22%;The activated sludge characteristics and composition were changed with TN content increased and TP content reduced;Mass balance evaluation approach also showed that the available carbon source was decreased in secondary biochemical treatment after AGDT pre-treatment.Therefore，the effect of AGDT with long hydraulic retention time(＞10 min)on fullscale WWTP nutrient and phosphorous removal performance was negative.

aerated grit and degreasing tank(AGDT);process assessment;mass balance;nitrogen and phosphorus removal;municipal wastewater treatment plant

X703.1

A

0367-6234(2014)02-0049-06

2012-12-26.

深圳水务(集团)有限公司自选课题;深圳市人居环境委员会课题.

邓仁健(1980—)，男，博士研究生，讲师;

张金松(1963—)，男，教授，博士生导师.

张金松，zhangjinsong@waterchina.com.

(编辑 刘 彤)