低温低C/N下改良Bardenpho工艺与多级AO工艺的比较

鲍任兵,徐 健,杜 敬,刘 赛,陈 鹏,雷培树,汪博飞

(1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北武汉 430010;2.武汉市城市排水发展有限公司,湖北武汉 430070;3.中信清水入江<武汉>投资建设有限公司,湖北武汉 430200;4.中信工程设计建设有限公司,湖北武汉 430014)

随着我国污水处理要求和排放标准的日益提高,对于TN、TP等出水指标的要求也日趋严格。目前改良Bardenpho工艺和多级AO工艺因其脱氮性能好、抗冲击负荷能力强,在现有污水厂的提标改造时,相较新建深度处理单元具有建设投资少、运行成本低等特点,逐渐应用于污水处理厂新建和提标改造工程[1]。改良Bardenpho工艺的反应区设置一般为“厌氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧”,多级AO工艺一般为“厌氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧……”。前者在形式上与两级AO类似,加之目前尚缺乏相关的技术标准和设计规范性文件,在实际工程中改良Bardenpho工艺有时也被称为多级AO工艺,这大大增加了对设计人员的迷惑性。

在处理低C/N污水时,改良Bardenpho工艺和多级AO工艺的相关案例通常采取多点进水[2]、低氧曝气[3]等方式,通过加大进水碳源利用,提升反硝化脱氮效果。然而在冬季低温条件下,低氧曝气往往会造成硝化反应受到抑制,加大了出水氨氮的超标风险[4]。如何在低温低C/N下保证良好的氮、磷去除效果是生化处理的研究难点。本研究通过设置多模式生化处理装置,在水温为9～13 ℃下,分别以改良Bardenpho工艺和多级AO工艺进行不同水量负荷率试验,对比两种工艺的氮、磷去除性能及建设运行成本,并通过工艺原理分析提出两种工艺的设计思路和要点,为后续工程设计标准化提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验装置包括多模式生化池[5]和二沉池。如图1所示,生化池尺寸(长×宽×高)为2.0 m×1.3 m×1.3 m,有效容积为2.6 m3。生化池共分为9个区域,污水依次通过1#～9#区,其中相应反应区内同时设有搅拌器和曝气器,可实现多种工艺的切换运行。装置设有多点进水系统、污泥回流系统、混合液回流系统和曝气系统。

图1 多模式生化池Fig.1 Multi Mode Biochemical Reactor

1.2 工艺流程与设计参数

本试验处理规模为0.15 m3/h,总水力停留时间(HRT)为19.1 h。如图2所示,通过相应反应区的曝气/搅拌切换,分别以改良Bardenpho工艺[图2(a)]和多级AO工艺[图2(b)]运行试验装置。在本试验阶段前期已分别对两种工艺的分段进水比例进行了相关优化试验研究,因此,本阶段采用最佳工况作为本对比试验运行条件。改良Bardenpho工艺运行时,预缺氧+厌氧、缺氧和好氧的HRT分别为2.4、7.0 h和9.7 h,进水分配设定为10%∶45%∶30%∶15%,污泥回流比设为100%,混合液回流比设为200%;多级AO工艺运行时,厌氧、缺氧和好氧的HRT分别为1.2、6.5 h和11.4 h,进水分配设定为30%∶20%∶30%∶20%,污泥回流比设为100%。曝气系统的总气水比设为3∶1。剩余污泥系统的污泥龄为15 d。

图2 试验装置工艺流程Fig.2 Process Flow Chart of Test Device

1.3 试验原水水质及分析

试验原水取自某污水处理厂曝气沉砂池出水。如表1所示,试验进水温度为9～13 ℃,C/N(BOD5/TN)在2.0～2.7,满足低温低C/N的特性。在试验过程中应注重好氧区溶解氧与硝化反应程度,在保证出水氨氮达标的前提下,优化氮、磷去除性能。

表1 试验原水水质Tab.1 Raw Water Quality in Test

1.4 接种污泥及试验方案

(1)污泥接种

试验装置厌氧区、缺氧区和好氧区活性污泥分别取自厂区生化池相应区域。经一周时间稳定运行后,装置内污泥浓度达到稳定,沉降性能良好,混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度为4 000 mg/L左右。

(2)试验方案

试验装置运行稳定后,分别以改良Bardenpho工艺(不加碳源)与多级AO工艺运行12 d,期间分别开展两种工艺的水量冲击负荷试验,进水量设为3.60、4.68 m3/d和5.40 m3/d(100%、130%和150%)。以地表水准Ⅳ类水为出水标准(CODCr质量浓度≤30 mg/L,氨氮质量浓度≤1.5 mg/L,TN质量浓度≤15 mg/L,TP质量浓度≤0.3 mg/L),通过水量变化获得不同HRT下两种工艺的出水水质情况,探究在低温情况(水温为9～13 ℃)下的污染物去除能力,获得满足出水要求下的最低HRT,并进一步对比分析建设和运行成本。

1.5 检测指标及分析方法

中试装置稳定运行后,每日进行进出水水质监测。检测指标包括:CODCr、氨氮、TN、TP、MLSS/混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)等,测试方法参照《水和废水监测分析方法》(第四版)。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除效果对比分析

2.1.1 对CODCr的去除效果分析

如图3所示,在进水CODCr质量浓度为(133.83±11.55)mg/L时,即使进水量增大至150%,多级AO工艺与改良Bardenpho工艺的出水CODCr仍能满足一级A排放标准(出水CODCr质量浓度≤50 mg/L);在进水量为130%下,两者出水CODCr质量浓度均能达到30 mg/L左右,去除率分别为78.80%±0.77%和77.80%±0.91%。可见在低温条件下、总HRT为12.7 h以上时,两种工艺设有缺氧/好氧的快速交替,能有效促进好氧微生物的共代谢作用,促进部分难降解有机物的去除[6],在现状进水条件下均具有CODCr去除优势,相对于传统AAO工艺有很好的氧化有机物的能力和抗冲击负荷能力。

图3 多级AO工艺与改良Bardenpho工艺的CODCr去除效果对比Fig.3 Comparison of CODCr Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.1.2 对氨氮的去除效果分析

两种工艺的氨氮去除效果如图4所示,其去除性能变化整体上与CODCr去除趋势一致,随着进水量的增加,出水氨氮逐渐升高,去除率也逐渐降低。其中,当进水量由130%升高至150%时,去除率均显著降低,说明进水达到150%后,硝化反应已无法有效进行,出现了氨氮穿透。当进水量为130%时,多级AO工艺的出水氨氮质量浓度为(1.10±0.11)mg/L,改良Bardenpho工艺出水氨氮质量浓度为(1.64±0.14)mg/L。可见在冬季低温下,进水氨氮质量浓度为(15.91±2.00)mg/L时,进水量达到130%时,多级AO工艺尚能满足准Ⅳ类出水标准(出水氨氮质量浓度≤1.5 mg/L),而改良Bardenpho工艺无法有效保证出水达标。在本试验中进水量为100%时,两者好氧区总HRT分别为11.4 h和9.7 h。以硝化反应为计算依据,针对该进水环境,为保证出水氨氮质量浓度达到1.5 mg/L以下,多级AO工艺的好氧区总HRT至少需要8.8 h,改良Bardenpho工艺的好氧区总HRT至少需要9.7 h。

图4 多级AO工艺与改良Bardenpho工艺的氨氮去除效果对比Fig.4 Comparison of Ammonia Nitrogen Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.1.3 对TN的去除效果分析

如图5所示,进水TN质量浓度为(29.33±2.85)mg/L时,随着进水量的不断提升,TN去除率逐步降低,但在不同的进水量下多级AO工艺的TN去除率均高于改良Bardenpho工艺,可见在不加碳源的情况下,前者有更好的脱氮能力。进水量为100%时,多级AO工艺TN去除率能达到70%左右,出水能实现10 mg/L以下;增大至130%时,TN去除率能达到63%左右,出水TN质量浓度保持在12 mg/L以下;继续增大进水至150%,TN去除率明显大幅下降,为45%左右,出水TN也接近15 mg/L。然而改良Bardenpho工艺在进水量在130%时去除率已下降至60%以下,出水TN已接近15 mg/L,在进水水质波动时有超标风险。在本试验中,多级AO工艺缺氧区总HRT为6.5 h,改良Bardenpho工艺缺氧区总HRT为7.0 h。为满足一级A标准(出水TN质量浓度≤15 mg/L),在该试验条件下,多级AO工艺缺氧区总HRT至少需要4.3 h,改良Bardenpho工艺缺氧区总HRT至少需要5.4 h。可见对于同一个进水条件,达到同样的脱氮效果,多级AO工艺缺氧区总HRT相对改良Bardenpho工艺可减小约20.37%,说明多级AO工艺设置的3段处理单元和多点进水系统能够有效增大进水碳源的充分利用,减小了缺氧区池容要求。

图5 多级AO工艺与改良Bardenpho工艺的TN去除效果对比Fig.5 Comparison of TN Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

如图6所示,随着水量负荷的逐级增加,两种工艺的进出水ΔCODCr/ΔTN均逐渐上升,说明增大水量后脱氮对进水碳源的需求量增加,在低温低进水C/N下降负荷运行能有效保证出水TN达标。另外,多级AO工艺生化反应进出水ΔCODCr/ΔTN在各水量负荷下均低于改良Bardenpho工艺,说明在三级“缺氧-好氧”的溶解氧环境下,去除单位TN所需要的碳源量更低,更有利于脱氮反应,在处理低碳源进水方面具有较大优势。

图6 多级AO工艺与改良Bardenpho工艺ΔCODCr/ΔTN对比Fig.6 Comparison of ΔCODCr/ΔTN between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.1.4 对TP的去除效果分析

多级AO工艺和改良Bardenpho工艺对TP的去除效果如图7所示,两者对TP的去除性能和趋势大致相同。在进水TP质量浓度为(3.42±0.62)mg/L,进水量为100%时,两种工艺均能稳定达到一级A排放标准(出水TP质量浓度≤0.5 mg/L),出水质量浓度接近0.3 mg/L,去除率均达到87%～90%;当进水量达到130%时,两者出水TP质量浓度均超过0.5 mg/L,去除率也都降低至80%左右;继续增大进水量至150%,出水TP迅速升高至1.0 mg/L以上。因此,为保证出水TP稳定达到一级A排放标准甚至接近0.3 mg/L,改良Bardenpho工艺的“预缺氧+厌氧区”或者多级AO工艺的前段“厌氧区+缺氧1区”总HRT应不低于2.4 h。

图7 多级AO工艺与改良Bardenpho工艺的TP去除效果对比Fig.7 Comparison of TP Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

结合两种工艺的出水SS,如图8所示,当进水量为100%时,两种工艺的出水SS均未检出(SS质量浓度为3 mg/L为检测下限);当进水量提高至130%后,出水SS质量浓度增大,但还能保证达到5 mg/L以下;当进水量达到150%时,出水SS质量浓度增大至7～9 mg/L。经计算,3种进水量的条件下,二沉池的表面水力负荷分别为0.30、0.39、0.45 m3/(m2·h)。由于SS中尚存在部分TP,随着进水量的增大,二沉池出水SS升高,也会造成出水TP的升高。

图8 多级AO工艺与改良Bardenpho工艺的SS去除效果对比Fig.8 Comparison of SS Removal Efficiency between Multi Level AO and Modified Bardenpho Processes

2.2 建设及运行成本对比分析

2.2.1 建设成本分析

根据以上研究,在出水要求准Ⅳ类标准下,两种工艺各反应区的HRT如表2所示,多级AO工艺在缺氧区和好氧区需要的HRT均低于改良Bardenpho工艺,即多级AO工艺可节省总占地面积约11.43%。

表2 满足排放标准要求下改良Bardenpho工艺与多级AO工艺各反应区最低HRTTab.2 Minimum HRT in Each Reaction Zone of Modified Bardenpho and Multilevel AO Processes under the Discharge Standard Requirements

但在试验过程中发现,与改良Bardenpho工艺相比,多级AO工艺由于分区较多,溶解氧调节较为困难,特别对于小流量试验装置,多点进水的分配上无法做到精确调整,需要在实际工程设计中考虑分配调节及精确曝气系统下,才能发挥最大的处理优势和潜能,达到低碳节能的目的,但这也会增加一部分建设投资。另外,针对现有污水处理厂的提标改造,可通过将常规AAO工艺的好氧区分隔出后置AO单元,改造为改良Bardenpho工艺,改造成本低,适用于大部分污水处理厂;多级AO工艺由于各反应区的HRT较为平均,不太适用于现有污水厂的提标改造。

2.2.2 运行成本分析

在本试验过程中,两种工艺均未投加碳源及其他药剂,因此,仅存在电费成本。生化池用电设备主要有进水泵、混合液回流泵、污泥回流泵、曝气风机、搅拌器等,改良Bardenpho工艺与多级AO工艺在生化池运行中主体设备大致相同,但在进水条件好的情况下多级AO工艺通常不开启混合液回流。在本试验中改良Bardenpho工艺运行,开机设备总装机功率为1.0 kW;多级AO工艺为0.79 kW,在以准Ⅳ类为出水标准的要求下可节省约20%的运行电耗。另外,在实际污水处理厂运行成本中,曝气电耗占比通常达到50%以上[7],因此,在保证出水水质达标的前提下降低曝气量可达到节能效果。根据试验运行情况,多级AO工艺工况下降低16%的曝气量仍能保证出水水质达标,而改良Bardenpho工艺出水无法稳定达标。多级AO工艺有利于进水碳源的有效利用,使反硝化过程消耗更多的CODCr,可减小好氧区对氧气的需求量,因此,可适当降低曝气量,有更好的节能效果。

3 工艺原理及设计要点对比分析

3.1 工艺原理

改良Bardenpho工艺和多级AO工艺虽然从形式上类似,但在污染物处理功能分区上存在较大不同。现阶段的改良Bardenpho工艺是由传统Bardenpho工艺与AAO工艺相结合产生的。针对AAO工艺存在的脱氮性能有限,无法应对现阶段污水处理厂进水水质浓度低、C/N低、无机SS浓度高的处理难题,采取在AAO工艺后段增设单独的反硝化功能AO单元并投加碳源,实现了出水TN去除率的大幅提升。因此,其混合液回流也是由第一段好氧区回流至缺氧区,为其反硝化提供硝酸盐;后段AO单元不存在回流,但设有碳源投加点,以应对进水碳源不足及出水TN要求严格的情况。大部分污染物已在前一段的AAO工艺中去除,后一段仅能需要去除少部分的TN,因此,在设计时通常后段AO单元HRT较小。经过本试验研究,为节省外碳源投加,减少药剂成本,可采用多点进水方式,充分利用进水中的有机碳源。

多级AO工艺是由多组缺氧/好氧单元相连接而成,通常采用三级AO形式,与改良Bardenpho工艺相区别的是其设计理念是前一段好氧硝化产生的硝酸盐进入后一段缺氧区进行反硝化,因此,一般不需要混合液回流。由于改良Bardenpho工艺后段仅需要承担小部分的TN去除,应分配较多的进水至前段AAO工艺,而后段AO单元需要的进水比较小;而多级AO工艺缺氧段较多,且需要反硝化上一段好氧产生的硝酸盐,因此,需要向各缺氧区分配近乎等量的进水以提供反硝化碳源。各AO段均要承担有机物、氨氮和TN的去除,因此各段AO在功能上没有很大的侧重点。

3.2 工艺设计

目前改良Bardenpho工艺的工程设计尚无相关标准规范,在现阶段设计时,前AAO段通常按照进出水水质要求进行设计,后一组AO单元仅进行强化脱氮,故其HRT较短。如图9所示,该工艺在碳氮比(BOD5∶TKN)小于4的情况能发挥脱氮潜能,因此,后段AO单元的设计应参考进水的C/N,收集现有污水厂在现状工艺下的出水水质,经过理论模拟计算(通常根据现有缺氧池体积和进水TN浓度,并依据《室外排水设计标准》进行反算出水TN浓度)常规AAO工艺对TN的去除效果,以确定后续缺氧区的HRT及碳源投加量。后段AO单元承担着额外的反硝化和氧化剩余碳源的功能,因此,通常占地比常规AAO工艺更大。

图9 改良Bardenpho工艺设计思路Fig.9 Design Idea of Modified Bardenpho Process

对于多级AO工艺,应从多段分配处理的角度进行设计。根据本试验研究,反应池内的污泥浓度在三段AO区中有逐渐降低的趋势,经过多级回流可保持各反应区内污泥浓度趋于平衡。如图10所示,多级AO工艺生化池进行工程设计时,应以单个AO段为研究对象,按照进入各段的有机物和氨氮的量及该区域的污泥浓度进行好氧区HRT计算,通常与进水分配比相一致。各段缺氧区需要对前一段的好氧反应产生的硝酸盐进行反硝化,因此,需按照进入各段的硝酸盐浓度及污泥浓度进行缺氧区HRT计算。可见,多级AO工艺的多点进水分配比至关重要,其影响着各段的好氧区与缺氧区容积。目前,多级AO工艺在工程设计中通常采用HRT相等的3段AO区,其设计进水分配也大致相等,在后期运行中可根据进水水质进行微量调控运行。在本试验中由于考虑两种工艺的调整,3段AO区HRT比为31%∶38%∶31%。多级AO工艺在设计过程中各段AO区同时进行碳、氮的去除,且需保持较高的污泥浓度,因此,占地较其他工艺较小。

图10 多级AO工艺设计思路Fig.10 Design Idea of Multilevel AO Process

4 结论

(1)改良Bardenpho工艺与多级AO工艺的主要区别在于反应功能区的设置段数、进水分配、池容分配、混合液回流设置、溶解氧控制等方面。两者最大区别是反应顺序不同,改良Bardenpho工艺是以前段为主体,通过硝化液回流进行反硝化的“前反硝化后硝化”的方式,并依靠后段强化脱氮效果;多级AO工艺是主要依靠多点进水加大了进水碳源的充分利用,并按照“前硝化后反硝化”的模式脱氮。

(2)池容分配上,在出水要求准Ⅳ类标准下,多级AO工艺在缺氧区和好氧区需要的HRT均低于改良Bardenpho工艺,可节省总占地面积约11.43%;在准Ⅳ类为出水标准的要求下,采用多级AO工艺可节省约20%的运行电耗。

(3)多级AO工艺由于分区较多,溶解氧调节较为困难,加之多点进水的分配上无法做到精确调整,需要在实际工程设计中考虑分配调节及精确曝气系统下,才能发挥最大的处理优势和潜能,达到低碳节能的目的。

(4)针对现有污水处理厂的提标改造,可通过将常规AAO工艺的好氧区分隔出后置AO单元,改造为改良Bardenpho工艺,改造成本低,适用于大部分污水处理厂;多级AO工艺由于各反应区的HRT较为平均,不太适用于现有污水厂的提标改造。