多级A/O工艺设计及其在应急污水处理工程中的应用

2024-02-28胡练伟

四川环境 2024年1期

熊超，胡练伟，龙波，王伟

(中建环能科技股份有限公司，成都 610045)

引言

由于城市排水体制和管网设施不完善，污水溢流导致的水污染问题在城市区域仍普遍存在[1]。作为传统污水处理厂建设期内不可替代的过渡措施，应急污水处理工程在控源截污方面发挥了巨大作用。城市应急污水处理项目往往建设周期短、占地面积小、运行年限短，需采用可快速启动、经济可靠的处理工艺和设施，并达到较高的出水标准[2]。

随着国家对于水环境的要求日益严格，污水处理厂出水标准不断提升，现阶段的新(改、扩)建污水处理厂需达到一级A标准，部分地区需要达到Ⅳ类水质标准[3]。为解决高标准排放的问题，选择高效的脱氮除磷工艺是关键。多级A/O工艺可以更加合理地分配有机物负荷，充分利用碳源，提供良好的脱氮环境，因而具有高效的处理效率，近年来在传统污水厂的提标改造中已经逐渐被推广和应用[4]。已有研究主要对多级A/O脱碳及脱氮除磷的效果进行分析，而具体的设计案例及其在应急污水处理工程中的应用却鲜有报道。

资阳市一直在稳步推进河道整治、雨污分流、新建污水处理厂等综合治理工作，但短期内难以迅速完成并发挥作用。本项目为解决资阳市市政污水溢流问题，生化处理采用多级A/O工艺，并进行了工艺设计和数据分析，以期为国内应急污水处理厂的建设提供案例参考。

1 工程概况

1.1 设计水量和水质

本应急污水处理项目占地面积为4928 m2(约7.4亩)，用于处理市政管网溢流的生活污水。项目设计处理规模为5000 m3/d(变化系数1.2，即最大处理能力6000 m3/d)，设计服务年限为2年。经历史数据调研和水样化验数据确定设计进水水质，出水水质执行《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB51∕2311-2016)。项目设计进、出水水质如表1所示。

表1 设计进、出水水质及去除率Tab.1 Design influent quality，effluent quality and removal rate

1.2 主体工艺选择

该项目的进水含有部分工业废水，其CODCr和TN的含量相较于常规生活污水偏高。在进行工艺选择时，充分了考虑本项目的占地面积、污染物去除率、投资成本及建设周期等因素。多级A/O工艺作为高效脱氮除磷工艺，与传统A2O工艺相比，其系统简单，同时对去除CODCr和TN有更好的效果。在深度除磷方面采用磁混凝沉淀工艺，其占地面积比传统高密沉淀池更小，而且对于TP和SS的去除具有高效性[5]。

考虑本次工程为临时应急污水处理工程，选择了建造速度快、建设成本较低的装配式技术进行主体构筑物的快速搭建。装配式技术不仅可满足应急项目对于工期和质量的要求，在项目服务期满后有利于设备拆除和材料回收利用[6]。

1.3 设计工艺流程(图1)

图1 本项目工艺流程图Fig.1 Process flow chart of emergency sewage treatment project

根据本项目的水质特点，采用“预处理+两级A/O+磁混凝沉淀+紫外线消毒”工艺，对各类污染物进行去除。预处理采用粗、细格栅，去除污水中的漂浮物和部分悬浮物；二级处理采用两级A/O工艺，对CODCr、氨氮和TN等污染物进行去除；深度处理采用磁混凝沉淀，进一步降低出水的TP和SS。深度除磷后的出水进入紫外线消毒系统，使粪大肠杆菌指标满足排放要求。

2 多级A/O工艺设计

2.1 多级A/O原理及特点

多级A/O工艺由多个串联A/O组成，污水按一定比例从各个缺氧池进入。二沉池的污泥回流至第一级缺氧池，污泥可在各级A/O之间形成一定的浓度梯度[7]。典型的分段进水多级A/O工艺流程如图2所示。

A：缺氧，O：好氧图2 多级A/O工艺原理图Fig.2 Schematic diagram of multistage A/O process

多级A/O工艺从缺氧段进水，为上一段好氧区的硝化液提供反硝化碳源，理论上无需硝化液回流系统即可实现脱氮功能[8]。多级A/O工艺提供了更适合聚磷菌、硝化菌及反硝化菌生长繁殖的环境，具有污染物处理效果好、建造及运行成本低等优点。

2.2 反应器的级数

多级A/O工艺的反应器级数直接影响到整个系统运行的稳定性和脱氮效率。反应器级数越多，脱氮效率越高，但工艺设计和运营维护也越复杂。反应器级数可参考式(1)或式(2)进行计算[9-10]。

n=log(1-En)/log(1-E)

(1)

式中，En为BOD5总去除效率；E为每个A/O反应器对BOD5的去除效率；n为A/O反应器的级数。

n=1/[(1-η)/(1+R)]

(2)

式中，η为总氮的去除率；R为第一级缺氧区污泥回流比；

根据式(1)，BOD5去除效率En为96.7%，E可取85%，计算出反应级数为n=1.8；根据式(2)，总TN目标去除率η为80%，R可取100%，计算出反应级数为n=2.5。在工程实际应用中多级A/O多采用2～4级[9]。由于本项目为临时应急项目，宜考虑节省占地和工艺简化。因此，确定本项目多级A/O反应器级数为2级。

2.3 反应器池容和停留时间

多级A/O的池容可通过分别计算各级A/O反应器的容积确定[10-11]，也可通过计算总池容后进行容积分配[9，11]。该项目总池容的计算参考式(3)，各池容的分配比例取T(A1)∶T(O1)∶T(A2)∶T(O2)=1∶1.5∶1.5∶2.3。

(3)

式中，T为总水力停留时间，h；K为反应速率常数，mg/(g·h)；C0为进水有机物浓度，mg/L；Cn为出水有机物浓度，mg/L；

根据式(3)，反应器级数n=2，反应速率常数K一般取0.27 mg/(g·h)，进水有机物浓度为500 mg/L，出水有机物浓度为30 mg/L，计算得总停留时间为T=22.83h。进一步计算出各池停留时间分别为3.65h、5.48h、5.48h和8.22h，各池有效池容分别为761m3、1142m3、1142m3和1712m3。

2.4 流量分配比

在实际工程应用中，有等比例进水和自由比例进水两种形式。进水有机物主要用于反硝化上一段产生的硝态氮，王舜和等[8]研究指出每段的进水量存在如下比例关系：

(4)

式中，a1为第一段进水比例；a2为第二段进水比例；k为反硝化单位硝态氮所需的有机物量，理论计算值为2.86；CTKN为进水凯氏氮浓度，可取CTKN≈CTN，mg/L；CCOD为进水COD浓度，mg/L；

根据式(4)，计算出a2/a1=0.29。因a1+a2=100%，可得a1=77.8%，a2=22.2%。H.Y.C等[12]对两级A/O的工况流量分配比进行实验，发现流量分配比从9∶1变为7∶3时，系统对凯氏氮的去除率提高了12.15%。刘长荣等[10]指出，在计算流量比例时，可设定末段流量比例为30%。因此，该项目在设计时，实际采用的流量分配比为a1∶a2=7∶3。

2.5 污泥回流比

对于两级A/O工艺，常规设计将二沉池中回流污泥回流至系统首端，即第一级缺氧段前端。全系统污泥量守恒，则污泥浓度和回流比存在如下关系：

R×Q×Xr=(1+R)×Q×X

(5)

式中，Xr为回流污泥浓度，mg/L；R为污泥回流比；X为混合液污泥浓度，mg/L；Q为设计进水流量，m3/d。

根据式(5)，混合液污泥浓度X取4000 mg/L，回流污泥浓度Xr取8000 mg/L，计算出污泥回流比为R=100%。王伟等[13]研究表明，分段进水A/O工艺脱氮回流比宜为75%～100%。因此，该项目设计污泥回流比为100%。

2.6 参数校核及物料衡算

2.6.1 脱氮效率

假设硝化产生的硝态氮在随后的缺氧段完全反硝化，则工艺最后出水硝态氮的含量仅与末端进水比例有关。则理论脱氮效率[8]可表示为：

(6)

式中：η为最大理论脱氮效率，mg/L；a2为第二段进水比例；r为污泥回流比。通过式(6)计算出最大理论脱氮效率为85%，大于该工艺段的目标脱氮效率80%，校核通过。

b、退出保护装置中控制回路断线告警H92保护定值。需出新定值单，将 H92 控制回路断线告警由ON改为OFF。此时控制回路断线由位置接点的硬接点信号W135上送后台，保护装置逻辑不再判控制回路断线。

2.6.2 BOD5污泥负荷及脱氮负荷

BOD5污泥负荷及脱氮负荷参考式(7)进行计算。

(7)

式中：Ls为负荷指数；Q为进水流量，m3/d；S0为污染物进水浓度，m3/d；V为反应池容积，m3。

表2 BOD5污泥负荷及脱氮负荷校核表Tab.2 Sludge load and nitrogen removal load of BOD5

由表2可见，第一级A/O的BOD5污泥负荷、脱氮负荷以及第二级A/O的脱氮负荷满足规范要求。第二级A/O的BOD5污泥负荷偏低，可通过调整流量分配或投加碳源进行调节。

2.6.3 理论物料衡算

根据各工艺段的参考去除率，对本项目主要污染指标进行了物料衡算。如表3所示，通过“预处理+两级A/O+磁混凝沉淀+紫外线消毒”工艺进行处理后，可基本满足出水水质达标。

表3 本项目物料衡算表Tab.3 Material balance sheet of this project

3 多级A/O构筑物及其布置

3.1 主要构筑物及设备清单

两级A/O工艺段的构筑物均采用拼装罐结构，罐体底部做筏板基础，具体构筑物及设备参数如下：

(1)一级A/O反应池1座，采用同心圆布置，内圈(缺氧池)尺寸为φ13.28×6.00 m，外圈(好氧池)尺寸为φ20.99×6.00 m，有效水深5.5m。缺氧池内设置潜水推流器2台，N=3.0kW；好氧池内设置潜水推流器2台，N=4.0kW；内回流泵采用1台管式推流泵，流量Q=416m3/h，扬程H=1.0m，N=4.0kW；配套罗茨风机1台，Q=21.92m3/min，P=63.7kpa，N=45kW；好氧池内布置微孔曝气器，φ260mm，ABS+EPDM材料，604套。

(2)二级A/O反应池1座，采用同心圆布置，内圈(缺氧池)尺寸为φ16.26×6.00 m，外圈(好氧池)尺寸为φ25.71×6.00 m，有效水深5.5m。缺氧池内设置潜水推流器2台，N=3.0kW；好氧池内设置潜水推流器2台，N=4.0kW；内回流泵采用1台管道推流泵，流量Q=416m3/h，扬程H=1.0m，N=4.0kW；配套罗茨风机1台，Q=28.35m3/min，P=63.7kpa，N=55kW；好氧池内布置微孔曝气器，φ260mm，ABS+EPDM材料，900套。

(3)二沉池1座，尺寸为φ17.42×4.00 m，有效水深3.5m。配半桥式刮泥机1台，线速度v=1.0m/min，N=0.37kW；污泥回流泵2台，Q=300m3/h，H=7.0m，N=11kW。

3.2 多级A/O内部结构布置(图3)

一级A/O反应器和二级A/O反应器均为拼装罐形式，通过高强度螺栓进行罐体连接。拼装罐体具有很好的装配性能，既有利于本项目构筑物的快速搭建，也利于项目结束后拆卸到其他项目上使用。各级缺氧池和好氧池为同心圆布置(外圈为好氧池，内圈为缺氧池)，以减小系统占地面积。一级缺氧池和二级缺氧池的通过进水总管分点进水，二级缺氧池对应的进水分管上设置进水阀和电磁流量计，以灵活调整进水流量分配比。

污水进入缺氧池后，通过潜水推流器实现污水内圈环流。缺氧池污水再经下部过水孔进入好氧池，并在好氧池(外圈)形成环流。如此依次经历缺氧/好氧、缺氧/好氧的环境，充分进行硝化和反硝化过程后通过二沉池进行泥水分离。

图3 多级A/O工艺平面布置图(以一级A/O为例)Fig.3 Layout plan of multistage A/O process (with one-stage A/O process as an example)

3.3 多级A/O与巴颠甫工艺的切换

传统的两级A/O工艺不能充分利用第一段的缺氧池功能，为进一步提高脱氮效率，可设置硝化液回流[10]。本项目在两级缺氧池罐壁进行开孔，通过布置管式推流装置实现内回流，即实施形式如图4所示。

图4 本项目多级A/O实现形式Fig.4 Flow chart of multistage A/O process of this project

即当两级硝化液回流关闭时，该工艺可作为两级A/O工艺运行；当第二级缺氧池进水关闭，且第二级缺氧池硝化液回流关闭时，改工艺可作为传统巴颠甫(Bardenpho)工艺运行。该项目在实际运行期间，采用的分段进水(进水比例为7∶3)，开启两级硝化液回流的形式。本项目运行期间可灵活调整进水分配比例，并且切换工艺的运行方式，以较好的适应水量和水质的变化。

4 运行效果及成本分析

4.1 建设效果

该项目从设计到施工完成全线通水仅80天，实际建设效果如图5所示。两级A/O系统、磁混凝系统和污泥浓缩池采用预制装配式安装，风机房、脱泥间、配电房、机修间及综合楼采用轻钢结构。各构筑物均进行了外喷漆防护，厂区内的道路布置合理，绿化感官效果较好。

图5 本项目建设效果图Fig.5 Rendering of this project

4.2 水质分析

对2022年9月～2023年3月的水质进行了连续监测，监测结果表5所示，出水指标稳定达到了《四川省岷江、沱江流域水污染物排放标准》(DB51∕2311-2016)，CODCr、TP和TN的去除率分别为96.6%、97.6%和87.2%。其中的TN去除率高于理论脱氮效率(85%)，表明设置好氧池硝化液回流，使两级A/O工艺对的TN去除能力得到了强化。