污水处理多级AO工艺配水比例算法的改进

2022-01-05刘海山王继苗

天津建设科技 2021年6期

刘海山，王拓，王继苗

（1.青岛双元水务有限公司，山东青岛 266109；2.天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392）

分段进水多级AO工艺[1～2]是AO活性污泥法的变形工艺，具有脱氮效率高、所需池容小、建设投资和运行费用低等特点。目前国内已运行有若干座采用多级AO工艺的污水处理厂，但多级AO工艺的计算目前并没有统一的方法。王舜和等[3]和刘长荣等[4]介绍了该工艺特点并在一定理论分析基础上提出了采用泥龄法计算，但设置了前提条件。此前提是理想状态，在实际工程中几乎不可能出现；所以如何确定每分段中硝态氮未能进行反硝化的比例，成为工艺调试中确定进水分配比例的难点。

本文对目前报导的计算方法提出了改进并基于青岛市城阳区污水处理厂三期工程的实际运行调试数据，对改进后的计算方法进行验证。

1 传统计算方法

分段进水多级AO工艺由多个串联AO组成[5]，回流污泥从首端进入，而污水则按一定比例从每个A段进入，为反硝化提供碳源。理想状态下系统将发生如下反应：A1段进入的污水（Q1）为回流污泥中的硝态氮提供碳源，剩余的BOD5在O1段去除，氨氮氧化成硝态氮；O1段出水与A2段进入的污水（Q2）混合，反硝化O1段产生的硝态氮，A2段剩余的BOD5在O2段去除，氨氮继续完全氧化；依次类推，至最后一段An时，进入的污水（Qn）为反硝化提供碳源，Qn中的剩余BOD5在好氧段被去除，氨氮则被氧化为硝态氮后直接排放至二沉池。见图1。

图1 分段进水多级AO工艺原理

主要计算公式为

式中：V多为多级AO总池容，m3；α1……αn为各段进水比例；r为污泥回流比；Q为进水量，m3；θc为总污泥龄；Y为污泥产率系数；So为进水BOD5浓度，mg/L；Se为出水BOD5浓度，mg/L；XR为回流污泥浓度，mg/L。

2 计算方法的改进

上述公式在推导上无任何问题，但公式推导的前提是：前一段硝化产生的硝态氮在随后的缺氧段完全反硝化，假设所有步骤反应完全，则工艺最后出水硝态氮的含量仅与末端进水比例有关。在实际工程中该前提无法实现；另外，每段的泥龄、产泥系数也不是完全相同的固定值。在实际工程中：前一段硝化产生的硝态氮在随后的缺氧段发生反硝化，但并不完全，部分尚未反硝化的硝态氮进入下一个好氧段。这部分尚未反硝化的硝态氮的量可根据进水水质情况人为确定，但不能超过最终设计出水水质中的总氮。

设进水水质中总氮和BOD5的浓度分别为N0、S0，假设出水中不含BOD5，则

第一段缺氧区进水硝态氮浓度N1=（α1Nj+rNc）/（r+α1）；BOD5浓度S1=α1S0/（r+α1）。

式中：Nc为出水硝态氮浓度，mg/L；Nj为进水硝态氮浓度，mg/L。

根据反硝化比例关系S1=k（N1-Nk）。

式中：k为反硝化速率；Nk为本段未反硝化掉的硝态氮浓度，mg/L。

第一段缺氧区将回流污泥中除Nk外的硝态氮全部反硝化，第一段进水中的BOD5刚好完全用于反硝化；而第一段好氧区将进水的TKN全部氧化为硝态氮，其数量为α1N0，与第二段进水混合。

第二段缺氧区进水硝态氮浓度N2=（α1N0+M1Nk）/（r+α1+α2），其中M1=α1/（α1+α2）；BOD5浓度S2=α2S0/（r+α1+α2）。

根据反硝化比例关系S2=k（N2-Nk），则

依次类推，第n段缺氧区进水硝态氮浓度Nn=(αn-1N0+M(n-1)Nk)/（r+α1+α2+……+αn），M(n-1)≈1；BOD5浓度Sn=αn S0/（r+α1+α2+……+αn）；Sn=k（Nn-Nk）；αn=k[αn-1N0-(r+1-M(n-1))Nk]/S0，由于M(n-1)≈1，则αn=k(αn-1N0-rNk)/S0。

出水硝态氮浓度为末端进水的TKN及前段未反硝化的硝酸盐氮，表示为Nc=（αnN0+M(n-1)Nk）/（r+α1+α2+……+αn）=（αnN0+M(n-1)Nk）/（r+1）≈（αnN0+Nk）/（r+1）。

将Nc代入α1=kr（Nc-Nk）/S可以看出，第一段进水比例与出水比例、污泥回流比例、进水硝态氮浓度及第一段出水总氮浓度有关。

3 在实际运行中的应用

3.1 工程概况

青岛市城阳区污水处理厂三期项目处理规模5×104m3/d，其中二级处理采用四级AO工艺。设计进水水质见表1。

表1 设计进出水水质mg/L

3.2 生物池进水比例调试

3.2.1 设计进水比例

首先根据设计给出的配水比例，采用了2.5∶2.5∶2.5∶2.5四段等比例进水调试，经过连续5 d较为稳定的调试过程，生物池各段AO水质见表2和表3。

表2 根据设计进水比例调试的进水水质mg/L

表3 根据设计进水比例调试的出水水质mg/L

续表3mg/L

由表3可以看出：第一段、第二段硝化反应充足，反硝化反应不足，导致前期硝态氮大量积累；第三段、第四段硝化反应不足，氨氮浓度逐渐提高，前期积累的硝态氮量较大，反硝化效果不明显。通过分析，第一段、第二段进水量不足，进水中BOD5含量不足以支撑反硝化的充分进行，第三段、第四段进水量过剩，导致硝化反应不充分，最终出现的结果为氨氮和总氮均无法满足出水要求。

3.2.2 传统算法进水比例

根据传统算法的计算结果，进水比例为4∶3∶2∶1，经过连续5 d较为稳定的调试过程，生物池各段AO水质见表4和表5。

表4 传统算法进水比例调试的进水水质mg/L

表5 传统算法进水比例调试的出水水质mg/L

续表5mg/L

由表5可以看出：第一段、第二段硝化反应不充分，产生的硝态氮过少，导致污水中总氮大量以氨氮形式存在，反硝化未能起到良好作用；因前期积累大量的氨氮在第三段、第四段无法完全去除，反硝化效果减弱。

造成这种现象的主要原因是：第一段、第二段进水量过高，氨氮无法被完全硝化，反硝化能够去除的硝态氮减少，进水中BOD5未完全被利用就在好氧段进行了分解，导致能量的浪费；前期积累的大量氨氮在第三段、第四段无法完全被转化为硝态氮，同时进水量过少，导致反硝化所需能量不够，抑制了反硝化的进行，最终出现的结果为总氮无法满足出水要求。

3.2.3 优化算法进水比例

根据改进算法的计算结果，进水比例为3∶3∶2∶2，经过连续5 d较为稳定的调试过程，生物池各段AO水质见表6和表7。