低碳源城市污水厂碳源优化利用运行模式研究＊

付国楷，张春玲，喻晓琴，张 智，周 琪

（1.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

低碳源城市污水厂碳源优化利用运行模式研究＊

付国楷1†，张春玲1，喻晓琴1，张 智1，周 琪2

（1.重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400045；2.同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）

采用中试规模试验，利用物质平衡分析方法，追踪碳源在各个季节不同工艺条件下的分配和利用情况，以求掌握控制碳源分配的关键性参数，从而建立基于碳源利用的污水厂优化运行模式.在原水年均COD，NH＋4－N，TN和TP浓度分别为129，25.6，31.5和3.38 mg／L，C／N值和C／P值分别为4.3和39.5的条件下，冬季宜采用倒置A2／O工艺，春季宜选用改良型A2／O工艺，夏季宜选用预缺氧＋倒置A2／O工艺，秋季宜选用低氧／常氧交替的预缺氧＋倒置A2／O工艺，此时出水带走的COD占系统输入总量的26.1%～29.4%，同化COD比例为27.5%～36.2%，直接好氧氧化的COD比例为4%～22.2%，用于反硝化脱氮的COD比例为14.8%～33.6%，用于聚磷菌超量储磷的COD比例为3.05%～6.9%，出水除总磷指标外，可以达到GB 18918－2002一级B标准.碳源分配的优劣可以作为污水厂工艺筛选和参数调整的重要依据.

活性污泥法；污水处理；碳源分配；A2／O工艺；低碳源污水

中国南方一些地区城市污水的有机污染物浓度偏低，而氮、磷浓度相对较高［1］，由于碳源不足而限制了营养盐去除效率的提高［2］.针对城市污水处理厂进水有机物比例偏低的问题，可以通过外加碳源，常用的碳源有甲醇、乙酸、乙酸钠、葡萄糖等［3］；另外通过调节污水厂工艺参数［4］或改良现有工艺［5－6］，能够在一定程度上提高营养盐的去除效率.但是现阶段大多数针对低碳源问题的研究过程和工程实践都将污水处理工艺作为“黑箱”对待，从相对宏观的角度来考察污水厂的整体表现，很少从微观的角度，利用物质平衡的分析方法详细地追踪碳源的具体去向和利用情况，更没有分析工艺调整对碳源分配和利用过程的影响.由此在污水厂工程设计和运行过程中，缺乏精确的指导性参数，无法进行精细化设计和调控.

本文采用中试规模试验，利用物质平衡分析方法，追踪碳源在各个季节不同工艺条件下的分配和利用情况，以求掌握控制碳源分配的关键性参数，从而建立基于碳源利用的污水厂优化运行模式.

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验装置由5部分组成：格栅井、生化反应器、二沉池、鼓风机房和加药系统，如图1所示.

图1 试验装置工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of the test device

生化反应器的Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区、Ⅴ区内同时设置了微孔曝气装置和搅拌装置，可根据工艺需要实现厌氧、缺氧、低氧或好氧等环境状态.原水分别或同时进入这三区，污泥回流进入Ⅰ区，混合液可以回流至Ⅱ区和Ⅲ区.另外设有加药设备，Ⅴ区除了可以充当后曝气池外，还可以作为物化池使用，但在本研究过程中未添加化学除磷混凝剂.

1.2 试验工艺及工况

试验装置具有一池多用、运行灵活的特点，因此在实验室小试和前期试验结果的基础上［1］，进一步优选运行工艺和工况，考察不同季节条件下各工艺碳源分配的情况.

冬季（1月至3月上旬）选用了预缺氧＋A2／O和倒置A2／O 2种工艺，采用了4种运行工况.其中，工况1采用工艺参数为：HRT（水力停留时间）＝10 h，SRT（污泥龄）＝25 d，MLSS（混合液悬浮固体浓度）＝3 125 mg／L，VSS（挥发性固体浓度）／MLSS＝0.56，R（外回流比）＝r（内回流比）＝100%.工况2采用工艺参数为：HRT＝10 h，SRT＝20 d，MLSS＝2 532 mg／L，VSS／MLSS＝0.6，R＝75%，r＝150%.工况3采用工艺参数为：HRT＝10 h，SRT＝20 d，MLSS＝1 705 mg／L，VSS／MLSS＝0.64，R＝100%.工况4采用工艺参数为：HRT＝8 h，SRT＝18 d，MLSS＝2 758 mg／L，VSS／MLSS＝0.62，R＝100%.

春季（3月中旬至5月）选用了倒置A2／O、预缺氧＋倒置A2／O、改良型A2／O 3种工艺，采用了3种工况.其中，工况1采用的工艺参数为：HRT＝8 h，SRT＝18 d，MLSS＝2 697 mg／L，VSS／MLSS＝0.65，R＝100%.工况2采用工艺参数为：HRT＝10 h，SRT＝18 d，MLSS＝2 425 mg／L，VSS／MLSS＝0.62，R＝100%.工况3采用工艺参数为：HRT＝10 h，SRT＝18 d，MLSS＝2 387 mg／L，VSS／MLSS＝0.6，R＝50%，r＝150%.

夏季（6月至9月）选用了改良型A2／O和预缺氧＋倒置A2／O 2种工艺，采用了2种工况.其中，工况1采用的参数为：HRT＝8 h，SRT＝15 d， MLSS＝2 160 mg／L，VSS／MLSS＝0.6，R＝75%，r＝100%.工况2采用的参数为：HRT＝8 h，SRT＝15 d，MLSS＝2 041 mg／L，VSS／MLSS＝0.58，VSS／MLSS＝0.6，R＝75%.

秋季（10月至12月）仅选用了预缺氧＋倒置A2／O一种工艺，采用了3种工况.工艺参数为：HRT＝8 h，SRT＝18 d，MLSS＝2 200～2 400 mg／L，VSS／MLSS＝0.6，R＝100%.但是工况1好氧段采用常规溶解氧质量浓度DO＝1.5～2.5 mg／L，工况2采用低溶解氧质量浓度DO＝0.3～0.8 mg／L，工况3交替采用低氧和常氧模式，以期求得相对稳定的短程硝化反硝化过程［7］.

1.3 检测及数据分析方法

1）常规理化指标COD，NH＋4－N，NOx－N，TN，PO34－P，TP，MLSS和MLVSS按国家标准方法进行测定，检测频率为2～3次／周.

2）DO和水温采用WTW Oxi330i型DO测定仪，2次／d，p H值采用WTW p H330i型p H计，2次／d.

3）碳源的分配去向包括出水、同化（细胞合成）、异化（直接氧化）、脱氮、除磷，其中有机物和氮涉及到的化学计量系数采用国际水协（IAWO）的推荐值［8］：同化的COD量采用换算系数1.42（gCOD／g MLVSS）根据排泥量与污泥质量浓度计算，同化的TN量采用换算系数0.087（g TN／gCOD）根据同化COD量计算，反硝化TN量根据进水和出水以及同化量的差值计算，反硝化利用的COD量采用2.86（gCOD／g TN），根据反硝化TN量计算.

4）磷的去除分为2个部分，微生物正常同化量和聚磷菌超量吸磷量.微生物正常同化除磷量根据微生物细胞的经验分子式C60H87O23N12P，可采用2.26%的比例系数根据排泥量估算［8－9］，聚磷菌超量吸磷量根据系统除磷总量与微生物正常同化量的差值计算.Wentzel的研究表明，在活性污泥工艺中，聚磷菌在厌氧区吸收VFAs用以好氧区的生长和储磷，超量吸收1 mg的磷大约需要7～10 mg乙酸，相当于7.5～10.7 mgCOD的VFAs［10－11］，故取平均值9 mgCOD／mgP对超量吸磷消耗的COD进行估算.由于磷酸盐的化学沉淀现象在p H为中性条件的活性污泥系统中不明显［12］，所以忽略了通过化学沉淀积累到污泥中的磷量，认为所有的磷都是通过微生物的同化作用去除的.

5）被直接氧化的COD量根据进水COD总量减去同化COD量、反硝化COD量、超量吸磷COD量和出水COD量计算.

2 试验结果与分析

2.1 原水水质

试验原水来自合流制排水干管的生活污水和少量工业废水，进水COD、总氮、总磷以及C／N值、C／P值和降水量的逐月变化如图2、图3和图4所示.原水BOD5与CODcr的比例关系如图5所示.

图2 原水COD，TN，COD／TN的月变化情况Fig.2 Variations of influent COD，TN and COD／TN

图3 原水COD，TP，COD／TP的月变化情况Fig.3 Variations of influent COD，TP and COD／TP

图4 原水CODcr和降水量变化情况Fig.4 Variations of influent CODcr and rainfall

图5 原水BOD5与CODcr的关系Fig.5 Relationship between BOD5 and CODcr of influent

试验进水呈典型的低碳、高氮磷水质特征，且水质的季节性变化较大.COD的年平均值只有129 mg／L，春、夏季受降雨影响COD值出现低谷，秋、冬季的进水COD值比较平稳；氮、磷质量浓度变化与COD的相似，C／N值和C／P值变化不大，说明污染物浓度变化确由稀释作用所引起；进水平均C／N值和C／P值分别只有4.3和39.5，碳源严重不足.由图5可见，进水BOD5／CODcr约为0.37，进水可生化性一般.

2.2 出水水质

不同季节各工况条件下对污染物的去除效果如图6～图9所示.冬季阶段的4种工况均能取得较高的有机物去除率，出水COD均能稳定在50 mg／L以下；出水SS在13.2～16.6 mg／L，各工况下污泥性状均保持稳定；工况1和工况3出水TN能够稳定达到一级B标准，工况2和工况4出水TN略有超标；工况3的硝化效率最高，工况1次之，工况2最低；冬季4种工况出水TP浓度均超标，工况2和工况3的TP去除率相对较高，达到48%左右，工况1最低，仅有27.2%.

春季阶段的3种工况出水COD均保持稳定；出水SS在12～14.1 mg／L；受进水C／N值下降的影响，3种工况TN去除率均较低，在20%～28%之间；随着气温的回升，3种工况均有较高的硝化效率，达到76%～85%；3种工况出水TP仍然超标，工况2 TP去除率最低，仅有36.9%，工况3最高，为51.2%.

夏季阶段2种工况出水COD和SS与春季相似，均保持稳定.工况1 TN去除率为45.8%，出水能够达到一级A标准，工况2 TN去除率为37.6%，出水都能达到一级B标准；2种工况的出水NH＋4－N均能稳定在5 mg／L以下；但对TP的去除率均不高，分别为38%和40%.

秋季虽然仅采用了一种工艺，但是随着DO浓度的调整，污染物去除效率和污泥性状有所不同.在工况1的常氧条件下，COD，SS，TN，NH＋4－N和TP去除率分别为75.4%，83.2%，50.5%，93.1%和29%；在工况2的低氧条件下，TN去除率可提升至68.8%，出水NO－2－N的浓度稳定在7 mg／L，获得了稳定的短程硝化反硝化效果，同时TP去除率略有提升，达到29.8%，但是也出现严重的污泥膨胀，SVI值最高达到264 m L／g；工况3通过低氧／常氧交替运行，将SVI值控制在100～130 m L／g，出水NO－2－N能够稳定在6.4 mg／L，TN去除率仍然达到64.3%，TP去除率提升至38.4%.

图6 冬季各工况平均出水水质Fig.6 Quality of influent and effluence of different conditions in winter

图7 春季各工况平均出水水质Fig.7 Quality of influent and effluence of different conditions in spring

图8 夏季各工况平均出水水质Fig.8 Quality of influent and effluence of different conditions in dry／mizzle weather in summer

图9 秋季各工况平均出水水质Fig.9 Quality of influent and effluence of different conditions in autumn

2.3 碳源分配和利用情况

根据检测所得数据和各项工艺参数，以冬季碳源分配估算为例，计算过程及方法见表1，其他季节各工况的计算方法相同，碳源分配比例分别如图10～图13所示.

冬季阶段4种工况出水COD所占的比例基本相当，大约为20%～25%，故这部分COD可认为是进水有机物中的难降解部分.比较而言，工况3（增加好氧段停留时间的倒置A2／O）条件下碳源的利用最为充分，被直接氧化的COD仅有13.4%；用于脱氮和除磷的COD分配比较合理，同化的COD所占比例较高，也有利于磷的同化去除.工况1条件下用于脱氮的COD所占比例过高，影响了磷的去除.

工况2条件下碳源分配也比较合理，但是用于脱氮的COD所占比例略低，氮的去除不够理想.工况4条件下直接氧化的COD比例过高，碳源没有得到充分利用.

表1 冬季时段不同模式下的碳源分配估算Tab.1 COD distribution in different processes in winter period

图10 冬季时段不同模式下的碳源分配Fig.10 COD distribution in different processes in winter

图11 春季时段不同模式下的碳源分配Fig.11 COD distribution in different processes in spring

图12 夏季时段不同模式下的碳源分配Fig.12 COD distribution in different processes in dry／mizzle weather in summer

图13 秋季时段不同模式下的碳源分配Fig.13 COD distribution in different processes in autumn

春季时段3种工况条件下出水COD所占比例与冬季时段相同，约为20%～25%.比较而言，工况3（改良型A2／O）条件下碳源利用率较高，被直接氧化的COD仅有18.1%；用于脱氮除磷的COD分配较为合理，出水水质最好，是春季时段值得推荐的工艺.而工况1被氧化的COD比例较高，碳源浪费严重，工况2用于除磷的COD太低，导致磷的去除不够理想.值得注意的是工况3较高的同化COD比例也有利于磷的去除.

在夏季时段改良型A2／O工艺和预缺氧＋倒置A2／O工艺的碳源分配情况基本相似，出水COD占系统输入COD总量的26%左右.从碳源分配的角度来看，改良型A2／O工艺和预缺氧＋倒置A2／O工艺均适宜于夏季时段采用，两者对污染物的去除效率没有明显优劣之分，但是，由于取消了内回流，预缺氧＋倒置A2／O工艺的能耗远远低于改良型A2／O工艺，而且使用的设备更少，操作更加简洁明了，所以在夏季时段推荐采用预缺氧＋倒置A2／O工艺.

秋季阶段的影响碳源分配的主要因素为DO浓度，相比较而言工况3（低氧／常氧交替的预缺氧＋倒置A2／O）的碳源分配最好，工况1次之，工况2条件下的碳源分配最差.另外，即使工况2条件下用于脱氮的COD所占比例为27.3%，略低于其他2种工况（34.7%和33.6%），但是其总氮去除效率最高.由此可见，通过实现短程硝化反硝化，可以利用相对较少的碳源达到更高的脱氮效率，对于碳源受限的城市污水处理来说具有重要意义.

3 结 论

1）中国南方许多城市污水处理厂存在碳源受限以及进水水质水量波动的双重不利影响，设计时可以采用灵活多变的反应器形式，以实现不同季节条件下的工艺切换和参数调整，从而达到有限碳源充分利用的目的.

2）在低碳源污水厂工艺选择和运行模式调整时，碳源的合理分配和有效利用可以作为重要的评价依据，碳源利用最好的工艺也必然表现出更加优良的出水水质.

3）在本试验的进水水质和气候条件下，春季宜采用改良型A2／O工艺运行，夏季宜采用预缺氧＋倒置A2／O工艺，秋季宜采用低氧／常氧交替运行的倒置A2／O工艺，冬季宜采用倒置A2／O工艺，在此调控模式下，当全年进水平均COD／TN值仅为4.3时，也能够实现除总磷外的所有污染物指标达到一级B标准.

4）在碳源受限条件下即使采用上述优化运行模式，也很难同时获得较高的脱氮和除磷效率，建议在充分利用碳源的同时，优先保障脱氮所需的碳源，适当分配除磷碳源，最终通过外加混凝剂实现出水达标.

5）本试验优选的工艺均为A2／O工艺及其变型，未涉及氧化沟、SBR等其他工艺，可以采用相同研究方法并结合数学模型对其进一步探索.

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Research on the Optimum Operation Strategy for Deficient Carbon Source Urban Sewage Treatment Plants

FU Guo-kai1†，ZHANG Chun-ling1，YU Xiao-qin1，ZHANG Zhi1，ZHOU Qi2

（1.Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region＇s Eco-Environment，Ministry of Education，Chongqing Univ，
Chongqing 400045，China； 2.State Key Lab of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji Univ，Shanghai 200092，China）

Analytical methods based on mass balance were adopted in the experiment to trace the carbon source distributed and utilized in a pilot scale system.The key parameters of carbon source distribution were investigated and the optimum operation strategy for urban sewage treatment plants was built.In the conditons that the influent concentration of the COD，NH＋4－N，TN and TP were 129 mg／L，25.6 mg／L，31.5 mg／L and 3.38 mg／L，respectively，and the C／N and C／P value were 4.3 and 39.5，inverted A2／O process was recommended in winter period，enhanced A2／O process was recommended in spring period，pre-anoxic inverted A2／O process was recommended in summer period and alternating oxygen concentration inverted A2／O process was appropriate in autumn period.In this case，the ratio of effluent COD to influnent COD was 26.1%～29.4%，the ratio of assimilating COD was 27.5%～36.2%，the ratio of directly oxidating COD was 4%～22.2%，the ratio of denitrificating COD was 14.8%～33.6%，and the ratio of COD utilizing for removal was 3.05%～6.9%.The effluent of the pilot scale reactor could reach the standard of grade B，classⅠin Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant（GB 18918－2002）apart from the concentration of phosphorus.The rationalization of carbon source utilization should be an important rule for the design and adjustment of wastewater treatment plants.

activated sludge process；wastewater treatment；mass balance；A2／O process；deficient car-bon resource

X703.1

A

1674-2974（2012）08-0061-06＊

2011-08-01

国家“十一五”科技重大专项（2009ZX07315－002－03）

付国楷（1979—），男，湖南湘潭人，重庆大学讲师，博士

†通讯联系人，E-mail：fuguokai＠163.com