响应面法优化实际污水厂的除磷过程

韩 微,雷志超,韩蕊敏,张媛媛,彭赵旭



响应面法优化实际污水厂的除磷过程

韩 微,雷志超,韩蕊敏,张媛媛,彭赵旭*

(郑州大学水利与环境学院,河南 郑州 450001)

实际污水厂除磷过程是一系列复杂的生物和化学反应集合,为综合考察各因素对总磷去除的影响,采用响应面法分析了碳氮比(C/N),碳磷比(C/P),有机负荷(F/M)等水质参数,以及排泥量,加药量,外回流比()等工艺参数和除磷表现之间的关系,并根据物料守恒建立了磷含量平衡模型.结果表明,从水质方面,C/N,C/P和F/M的最优范围分别是5.50~7.00,50.00~70.00和0.06~0.08d-1,从运行方面,排泥量,加药量,R的最优范围分别为14.3t/万m3,35~40mg/L和65%~70%.分析建立的磷含量平衡模型,发现各参数对除磷影响程度的强弱依次是C/N,F/M,R,排泥量,C/P和加药量.当C/N和F/M等主要影响因素处于最优范围,且水厂运行状况稳定时,利用该模型能准确预测出水TP浓度.

除磷；响应面法；磷平衡模型；总磷去除率

磷是化工生产、生命活动中非常重要的元素,水体含磷量过多时易引发富营养化现象[1-2].我国污水排放标准已普遍提升到一级A,要求出水总磷(TP)不大于0.5mg/L[3].采取可行方法降低污水中磷含量,是急需解决的问题.实际水厂中除磷主要依靠聚磷菌(PAOs)的生物作用[4],辅以药剂的化学作用[5].除磷过程的影响因素众多,一般来讲,碳氮比(C/N),碳磷比(C/P)越大时TP去除率越大[6];当出水TP在0.5~1.0mg/L时,去除1molTP需投加1.0~2.0mol金属盐[7];当外回流比在70%~80%时,有助于PAOs的富集[8].但是现有研究多集中在实验室规模的单因素考察,实际除磷过程各因素的综合影响还鲜有报道.本文利用响应面法,考察了实际水厂运行中C/N, C/P, F/M,排泥量,加药量,外回流比()与除磷的关系,旨在寻找瓶颈因素.并建立出水TP预测模型,为实际水厂的优化除磷提供理论指导和技术支持.

1 材料与方法

1.1 用水来源和水质

表1 进水水质

某污水处理厂设计规模15´104m3/d,处理当地高新技术开发区,工业园区,县城区内的生活污水,以及部分工业废水(造纸制药).采用水解酸化+二级生化(改良氧化沟)+深度处理,改良氧化沟分为厌氧缺氧和好氧区.设计与实际进水水质如表1所示.可见实际来水的可生化性较差,仅靠生物除磷难以达标排放.为保证出水水质,在深度处理单元中通过投加聚合氯化铝(PAC)来强化除磷.

1.2 研究方法

根据响应面原理[9],采用Box-Behnken法探究C/P,C/N,F/M(本文指COD/TP,COD/TN,COD/MLSS)等水质参数,以及排泥量,加药量,等工艺因素对除磷的影响.每因素设定3个水平,C/P取40.0,85.0, 130.0;C/N取4.00,7.00,10.00;F/M取0.04,0.07,0.11d-1;排泥量(处理每万t污水排放污泥的质量)取4.30,9.30,14.30t/万m3;加药量取39,112,185mg/L;外回流比取45%,60%,75%.分别对水质参数和工艺参数进行考察,具体设计如表2,表3所示[10].根据设计工况,从水厂日报表中选择相似工况的运行数据.每工况数据至少选择三组,取平均值后填入表中相应位置.

表2 水质参数的设计工况及运行数据

表3 工艺参数的设计工况及运行数据

续表3

1.3 检测分析项目

水样采集后用0.45µm微孔滤膜过滤,TP和TN采用离子色谱法测定;COD采用重铬酸钾法测定;MLSS和MLVSS的检测方法采用重量法[11].进水流量依靠接入水厂总管上的流量计读取,出水流量依靠巴氏计量槽的液位读取,排泥总量参照每日地磅显示的数值,除磷药剂投加量根据加药设备上的计量泵显示数值.

TP去除率=100´(TP进-TP出))/TP进

TP去除量=TP进-TP出

2 结果与讨论

2.1 水质对除磷的影响

活性污泥生长需要碳源,生物除磷时C/P一般不宜低于17[12].生物脱氮同样需要碳源,与除磷存在竞争.另外碳源还会影响F/M,改变微生物生长状态.

由图1可见,C/N偏低时(TN浓度高),提高C/N有助于强化除磷.当C/N为5.50~7.00时除磷效果最优,C/N过高(TN浓度低)对除磷不利,这是因为氮是聚磷菌生长必需的元素.C/P偏低时(碳源浓度低),增加C/P会强化除磷,C/P在70左右时除磷效果最佳.C/P偏高时(碳源浓度高)除磷出现恶化.因为高碳源环境下,生活习性和聚磷菌相似的聚糖菌同样吸收有机物,却不涉及磷的转移[13].F/M对除磷的影响较为复杂,从去除率角度看越高越好,但是高F/M时除磷更多依靠同化作用.从除磷量角度看高F/M时生物量偏低,并且容易滋生聚糖菌,对生物除磷是不利的.

图1 水质对TP去除量(率)的影响

(a)碳氮比;(b)碳磷比;(c)有机负荷比

由此得知C/N,C/P,F/M都需控制在合理水平.张淼等[14]发现C/N在4~5时,除磷较好.一般缺乏碳源是水厂面临的主要问题.为了补充碳源,常投加外碳源.比如水解酸化剩余污泥产生小分子脂肪酸,或者购买乙酸钠,葡萄糖等.本水厂并未投加碳源, C/N, C/P, F/M分别在5.50~7.00, 50.00~70.00和0.06~ 0.08d-1时比较有助于除磷.

2.2 工艺参数对除磷的影响

通过调节排泥量,加药量,外回流比等工艺参数,同样可以改变除磷的效果.李子富等[15]发现,PAC投加量在60mg/L时,除磷效果最好.

由图2可见,加药量35~40mg/L时效果最优,偏高或偏低都不理想.因为化学除磷是结晶,絮凝,吸附等多重效应的作用[16].无论生物法还是化学法,除磷都是通过排泥实现的,排泥量越大效果越好,TP去除率和去除量都印证了这一规律.但是过高会增加运维成本,也不利于硝化菌生长,本水厂上限值在14.3t/万m3左右.聚磷菌生长需要厌氧好氧交替的环境,理论上R为100%时最有助于聚磷菌生长.但是高R条件带入的硝酸盐和溶解氧会严重破坏厌氧环境,影响PAOs放磷[17-18].权衡各影响因素,R在65~70%时是比较合适的.

图2 工艺参数对总磷去除量(率)的影响

(a)外回流比;(b)排泥量;(c)加药量

加药量、排泥量、都需合理控制.当生物除磷能够达标时,不用开启化学除磷.排泥量需根据脱泥设备,污泥龄等因素决定.为了兼顾脱氮,污泥龄一般不宜低于8d.高时要维持厌氧环境,可在不影响硝化的前提下尽量降低溶解氧.对于本水厂加药量和分别在35~40mg/L和65%~70%是有助于除磷的.

2.3 多因素除磷的响应面分析

对TP去除率(量)与C/P,C/N,F/M进行响应面分析,得到最优工况如表4所示,结合实际确定最优参数为:C/N=8.5,C/P=72,F/M= 0.11d-1.在水厂日报表中,核对相似条件下的运行数据,TP去除率为83%,与响应面预测值85.17%接近,出水TP为0.38mg/L.

表4 响应面法优化分析结果

对TP去除率(量)与加药量,排泥量,进行响应面分析,得到最优工况.结合实际确定最优参数为:加药量= 40mg/L,排泥量=14.3t/万m3,=75%.在水厂日报表中,核对相似条件下的运行数据,TP去除率为90%,与预测值90.36%接近,出水TP为0.40mg/L.

2.4 磷含量平衡模型的建立

为了明晰各因素对除磷过程的影响权重,建立磷含量平衡模型.

2.4.1 建立假设条件 (1)微生物浓度和有机底物浓度不随时间变化,系统状态稳定;(2)微生物浓度和有机底物浓度不随空间变化,系统完全混合;(3)反应过程中供氧充分;(4)参数设定:通过查找设计手册并结合其他人的相关研究[19-20],得知碳氮磷比应在一个范围.结合本水厂实际情况,确定生物脱氮时C/N为3.8:1;生物除磷时C/P为100:1;根据污水厂实际测量数据,脱水污泥密度大约为1.145×106mg/L,含水率为82%左右.

2.4.2 磷含量平衡方程:分析系统磷转化途径,磷的来源只有进水,磷的去处有排水,以及剩余污泥.根据转移途径(图3所示),建立磷的物料平衡方程:

(4)

式中:V为反应池体积,m3;Qi为进水流量,m3/d; Qe为出水流量,m3/d; Si为进水TP浓度,mg/L; Se为出水TP浓度,mg/L; m无为化学除磷的质量,g/d; m有为生物除磷的质量g/d; SCOD为进水COD浓度,mg/L;C/P为进水碳磷比;m为排泥量,t/万m3; R为外回流比,%; SCOD'为出水COD浓度,mg/L;K为加药量,mg/L;F/M为有机负荷,d-1.

设C/P为1,排泥量为2,加药量为3,C/N为4,外回流比为5,有机负荷F/M为6,当系统处于稳定状态时(即d/d0),得到式(5).

2.4.3 磷含量平衡模型的验证 采用水厂实际数据,带入所建模型进行出水TP预测,把预测值和实际值进行对比(图4).利用spss软件得到相关系数2为0.9411,相关性良好.分别对6个自变量求导,结果如表5所示.可见每个参数的影响受多方面制约.以水厂设计平均值为例,即i=e=15´104m3/d,COD=350mg/L,COD=40mg/L,i=2.5mg/L. MLSS= 4000mg/L.加药量,排泥量和分别取40mg/L,14.3t/万m3,75%,得到6个斜率.由大到小依次是C/N,F/ M,,排泥量,C/P和加药量.相比于工艺因素,水质因素影响更大,尤其是C/N和F/M.C/N之所以重要,是因为在碳源利用方面脱氮比除磷强势.当来水碳源有限时优先被反硝化菌利用.

图4 模拟值和实际值对比

F/M与生长速率,菌群组成等有关,直接决定聚磷菌的活性.排泥量的影响没有F/M大,因为它仅能改变F/M中的MLSS.当MLSS很高时,即使增加排泥量F/M仍然很低.加药量影响最弱,因为化学除磷只是辅助手段.

对于出水磷的模拟值与实际值相差较大的点,主要原因是C/N,F/M等关键参数不在最优范围内.每个参数都有最优范围,在该范围内TP去除率(量)变化幅度较小,不在时则非常显著.因此本模型的适用条件为:C/N在5.50~7.00,F/M在0.06~0.08d-1,在65%~ 70%,C/P在50.00~70.00,加药量在35~40mg/L,该范围内其指导性较强.排泥量在兼顾设备和脱氮前提下越大越好,本水厂是14.3t/万m3.实际使用时满足主要影响因素在最优范围即可,对于加药量等次要因素,在0~120mg/L内波动都不会导致模拟值失真.当系统不稳定时,预测值偏差较大,建议在之后的研究中,把处理流程分成若干单元,以各单元为研究对象,通过对各单元系统地耦合来考察整体的运行情况.

表5 出水总磷模型求导结果

3 结论

3.1 水质参数和工艺参数均对除磷有较大影响.考察单因素时,最优的C/N,C/P,F/M分别是5.50~7.00, 50.00~70.00和0.06~0.08d-1,最优的加药量和外回流比分别35~40mg/L和65%~70%.排泥量在兼顾脱泥设备和脱氮的前提下越大越好.

3.2 通过响应面法分析,从水质方面,C/N=8.50, C/P=72.00,F/M=0.11d-1时最有助于除磷;从工艺方面,加药量=40mg/L,排泥量=14.3t/万m3,外回流比= 75%时最有助于除磷.

3.3 建立磷含量平衡模型并考察了多因素对除磷的综合影响,影响力大小依次是C/N,F/M,R,排泥量, C/P和加药量.当主要影响因素处于最优范围时,模型预测值与实际检测值具有很高的相关性.

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Phosphorus removal process optimization of wastewater treatment plant by response surface methodology.

HAN Wei, LEI Zhi-chao, HAN Rui-min, ZHANG Yuan-yuan, PENG Zhao-xu*

(College of Water Conservancy & Environmental Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)., 2018,38(8)：2968~2973

The phosphorus removal is a series complex biological and chemical reactions in actual wastewater treatment plant (WWTP). In order to analyze the effects of various factors on total phosphorus (TP) removal, response surface methodology (RSM) was used. The water quality parameters such as carbon/nitrogen ratio (C/N), carbon/phosphorus ratio (C/P), organic load ratio (F/M), and process parameters such as sludge discharge amount (m), agent dosage and external reflow ratio () were all investigated. Phosphorus balance model was also established according to the material conservation. The results showed the optimal ranges of C/N, C/P and F/M were 5.50~7.00, 50.00~70.00 and 0.06~0.08d-1, respectively. From operation aspect, the optimal ranges of m, agent dosage and R were 14.3t/104m3, 35~40mg/L and 65%~70%, respectively. Through analyzing phosphorus balance model, it was found influence degree on phosphorus removal was C/N, F/M, R, m, C/P and agent dosage from largest to smallest. When the main influence factors such as C/N and F/M were in optimal ranges, and WWTP was stable, the model could predict the effluent TP concentration precisely.

phosphorus removal；response surface methodology；phosphorus balance model；TP removal rate

X703

A

1000-6923(2018)08-2968-06

韩 微(1995-),女,内蒙古赤峰人,郑州大学硕士研究生,主要研究生态法水环境修复.

2018-01-19

高等学校重点科研项目(17A560029);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2015ZX07204-002-004)

* 责任作者, 讲师, pzx@zzu.edu.cn