外回流比对双层二沉池水质稳定及节能降耗的影响研究

摘要：外回流比在城镇污水处理厂运行工艺控制中会直接影响厌氧环境、污泥循环、二沉池负荷及电耗等，进而影响出水水质和生产工况稳定性。因此，通过研究不同外回流比与出水水质、二沉池工况及能耗的关系，可以分析其在减污降碳中的效益平衡点。结果表明，较低的外回流比不利于水质稳定，容易导致悬浮物（SS）超标，但可以强化生物除磷，维持低泥位稳定；较高的外回流比可以强化脱氮效果，但会导致好氧段活性污泥浓度（MLSS）降低，增加电耗。

关键词：外回流；双层二沉池；脱氮除磷；节能降耗

引言

“双碳”目标由我国在2020年第七十五届联合国大会上首次提出，并成为社会、经济发展的环保热点与方向。随后，中国环境保护产业协会于2022年发布的《污水处理厂低碳运行评价技术规范》（T/CAEPI 49-2022）[1]将出水指标、设备运行、温室气体直排等纳入到指标体系中。低碳运行、节能降耗已经成为污水处理厂运营的主流方向。另外，地埋式、半地埋式城镇污水处理厂的陆续新建，使得双层平流式沉淀池在可利用占地非常紧张、征地费用非常高、耐冲击要求高的大中型水厂[2]中得到实际运用。但关于双层二沉池的运行经验较少，其节能降耗、抗负荷能力成为城镇污水处理厂运营方迫切需要了解的内容。外回流比作为双层二沉池工艺控制核心，对污泥循环、厌氧环境、二沉池污泥负荷及电耗等指标影响较大。因此，笔者以某设计处理量40万t/d半地埋式城镇中心片污水处理厂为案例，开展外回流比对水质变化、工艺状况及节能降耗影响的相关研究。

1水质现状

某设计处理量40万t/d半地理式城镇中心片污水处理厂的工艺设计为改良A2/O工艺+

双层二沉池+高效沉淀池+纤维转盘滤池+紫外消毒池，工艺流程详见图1。其中，工艺处理流程分为4个系列，每个系列有2座双层二沉池，单组池尺寸72.5m×45.0m×10.0m，每座池分2组，每组分6格沉淀池，每格池体上层水深4.08m，下层水深3.76m，最大表面负荷1.18 m3/m2.h，并配有6台798.6m3/h的外回流泵。处理后出水水质达到国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级A排放标准。该厂于2019年临时提标，出水按照《城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》（DB 33/2169-2018）中表1标准执行。

2检测方法

本研究中的总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、硝酸盐氮（NO3-N）、化学需氧量（CODCr）按照《水和废水监测分析方法》（第四版）中的方法进行测定；悬浮物（SS）按照《水质 悬浮物的测定 重量法》（GB 11901-89）中的方法进行测定；活性污泥浓度（MLSS）采用重量法进行测定。

3工艺设置

试验期间工艺运行情况为瞬时水量控制在13000～19000 m3/h，外回流比根据水量自动调节；溶解氧（DO）控制在厌氧段≤0.2mg/L，缺氧段≤0.4mg/L，好氧末端2.0～2.5mg/L；各组生化段内回流前端1台内回流泵常开，频率40Hz；生化段MLSS控制在4000～4500mg/L，各组剩余污泥排放1500m3/d。

4水质及工况分析

4.1 外回流比对脱氮除磷影响分析

外回流污泥对厌缺氧段的影响主要表现为2点，即①生化段末端出水DO较高，但污泥通过自身呼吸消耗氧气弱化了DO的影响；②该厂外回流污泥的含水率在98.5%～99.5%，可视为外回流主要对水质指标产生影响，其中对NO3-N指标影响最大。姚晓琰等[3]指出活性污泥在缺乏可直接利用碳源时，缺氧池末端和二沉池中的NO3-N会抑制生物释磷作用，同时污泥回流提高了缺氧段MLSS，会进而提升比反硝化速率和内碳源转化率。LEE S H等[4]研究发现回流污泥中存在大量NO3-N，进入厌氧环境后会使反硝化细菌以更快的速度摄取环境中的有机物，间接影响聚磷菌对有机物的摄取。柯水洲等[5]研究发现缺氧环境下反硝化菌和聚磷菌具有较高反应速率，能去除外回流液中的硝态氮，生物释磷作用也很明显。因此，外回流对厌缺氧段脱氮除磷的影响主要在于NO3-N和MLSS变化对菌落环境及数量变化的影响。

4.2 外回流比与出水水质变化关系

统计分析该厂2021年4月、5月、12月的双层二沉池出水数据，分别得到不同外回流比与SS、TN、TP的关系，详见表1。其中，脱氮除磷易受外加碳源影响，因此考虑了试验期间的碳源投加情况，如Ⅰ、Ⅱ系列为乙酸钠间歇投加，间隔为4h，提高CODCr值约为10mg/L；Ⅲ、Ⅳ系列为乙酸钠持续投加，提高CODCr值约为20mg/L。

根据表1分析可知，①当外回流比≤65%时，出水SS容易出现突高情况；外回流比越高，出水SS越低；当外回流比＞65%时，SS值变化幅度趋于稳定。②外回流比在65%～85%期间，脱氮效果变化不明显；当外回流比≥85%时，脱氮效果有一定好转且效果明显。③当外回流比＞65%时，对出水TP变化影响较弱；当外回流比≤65%时，TP处于较低水平，分析原因为低回流比带来的NO3-N会在短时间内被消耗且余量碳源被聚磷菌用于除磷。

此外，通过对出水TN、TP的情况进行分析，发现外回流比≤65%时适用强化除磷，外回流比≥85%时适用强化脱氮。这与马兴冠等[6]的研究结果（出水COD浓度和TP浓度变化不明显，但TN浓度降幅可达到33.22％）相似。

4.3 外回流比对工况的影响

4.3.1 外回流比对MLSS的影响变化

根据守恒定律，当污泥回收率为100%时，回流量决定了回流污泥的MLSS。在实际运行过程中，不同的外回流比会影响污泥在双层二沉池的停留时间，进而对生化段MLSS产生影响。通过调整不同的外回流比，获得实际运行情况下MLSS变化情况，详见图2。

根据图2分析可知，当外回流比在65%～85%时，生化段MLSS变化不大；当外回流比≥85%时，MLSS会出现较大幅度下降，相对外回流比65%～80%区间下降比例为7.0%。

4.3.2 外回流比对二沉池泥位的影响

对该厂2021年12月份的外回流比及Ⅰ系列双层二沉池1～6#泥位计（品牌为HACH）数据进行比较，统计结果见表2。

根据表2分析可知，当外回流比在75%以上，二沉池泥位整体波动较为稳定，视为污泥沉降区稳定；当外回流比在65%～75%，自身泥位低于2.6m的双层二沉池波动较大，不利于低泥位稳定。

4.3.3 外回流比对二沉池配电间电耗的影响

该厂二沉池配电间耗电量包括外回流泵、二沉池刮泥机等设备的电耗，同时1#二沉池配电间电表统计为Ⅰ、Ⅱ系列生化的二沉池用电合计。因此，采用2021年4月、5月、12月的Ⅰ、Ⅱ系列生化池日均外回流比及日均有用功电耗进行分析比较，详见图2。根据图2分析可知，当回流比从65%逐渐升到90%，Ⅰ、Ⅱ系列生化池日均有用功电量从3000kWh逐步上升到6000kWh，这期间污水处理厂日均处理污水量约为32万t，单位电耗变化区间为0.0188～0.0375kWh/m3。

蒋富海等[7]指出，在污水处理量为10万t/d的污水处理厂中，TN去除率±10%幅度对应的碳排放量为±792t·CO2/a，而单位电耗0.05kWh/m3对应的碳排放量为±945t·CO2/a。由此推知，污水处理量为32万t/d的污水处理厂中，TN去除率±12%幅度对应的碳排放量与单位电耗0.0156kWh/m3对应的碳排放量相当。

5对水质、工况与节能降耗的影响分析

在双层二沉池的运行过程中选择合适的外回流比不仅可以强化脱氮或除磷效果，还有利于出水SS及二沉池泥位的稳定。同时，较低的外回流比可节约电单耗，降低污水处理厂碳排放等指标。因此，在对双层二沉池外回流比的控制上应综合考虑其对水质、工况、节能降耗的影响。

5.1 外回流比对水质的影响

外回流比＜65%时，出水SS容易出现突高情况，在没有深度处理设施的情况下存在环保隐患；外回流比＞85%有利于强化脱氮效果；外回流比＜65%有利于强化除磷效果。

5.2 外回流比对工况的影响

外回流比＞85%会导致生化段MLSS出现大幅度下降，进而减少反硝化菌和硝化菌的总数，影响硝化反硝化效果；外回流比＜75%会影响泥位低于2.6m的泥层稳定性。

5.3 外回流比对节能降耗的影响

当外回流比从90%降至65%，日均有用功电量降低了50%。以污水处理厂32万t/d处理量时的碳排放为例，其外回流比从90%下降至65%后，电单耗减少的碳排放量与总氮去除率14.42%时的碳排放量相当。

结语

综上所述，基于对双层二沉池出水达标、稳定运行和降低电耗的考虑，应控制外回流比在65%～75%的区间。一方面可确保稳定的出水水质和工况；另一方面可尽量降低电耗，节约生产成本，减少污水处理厂的碳排放量。

参考文献

[1] T/CAEPI 49-2022，污水处理厂低碳运行评价技术规范[S].

[2]刘恒，韩丽，王娟，等.地下式污水厂矩形二沉池常用类型的分析及选择[J].天津科技，2021，48（08）：11-12，15.

[3]姚晓琰，李凌云，薛晓飞，等.污泥双回流-AOA中试系统处理低C/N城镇污水的脱氮除磷性能[J].环境工程学报，2023，17（08）：2524-2533.

[4] LEE S H，KO J H，KIM JR，etal.Identification op the adverse effectofnitrate on the phosphate release rate and dimprovement of EBPR process models[J].Water Scienceamp;Technology，2006，53（4-5）：115-123.

[5]柯水洲，胡祥，马晶伟，等.多段改良A2/O脱氮除磷工艺生产运行优化[J].中国给水排水，2023，39（17）：74-80.

[6]马兴冠，王志毅，贾澍，等.基于极限学习机的AAO工艺回流比优化研究[J].给水排水，2021，57（S2）：479-483.

[7]蒋富海，王琴，张显忠，等.城镇污水处理厂碳排放核算及减碳案例分析[J].给水排水，2023，59（02）：42-49.

作者简介

林元昆（1987—），男，汉族，浙江苍南人，工程师，学士，研究方向为水污染治理。

加工编辑：王玥

收稿日期：2024-02-20