曝氣沉砂除油池對污水廠脫氮除磷的影響

鄧仁健，張金松，呂 偉，曲志軍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，518055 廣東深圳;2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，411201 湖南湘潭;3.深圳市水務(wù)(集團)有限公司，518030 廣東 深圳)

曝氣沉砂除油池對污水廠脫氮除磷的影響

鄧仁健1，2，張金松1，3，呂 偉3，曲志軍3

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，518055 廣東深圳;2.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，411201 湖南湘潭;3.深圳市水務(wù)(集團)有限公司，518030 廣東 深圳)

為準(zhǔn)確評價曝氣沉砂除油池對城市污水廠脫氮除磷的影響，從水質(zhì)特征、出水污染物濃度、去除效率、活性污泥組成、產(chǎn)泥量、物質(zhì)平衡等角度，全方面考察具有長水力停留時間(大于10 min)的曝氣沉砂除油池預(yù)處理對后續(xù)生物處理工藝的影響，并與旋流沉砂池預(yù)處理進行對比.結(jié)果表明:曝氣沉砂除油池預(yù)處理后，原水碳源損失比較嚴重，減小二級生化處理系統(tǒng)進水的COD與TN比和COD與TP比，不宜在低碳氮比進水的城市污水廠中使用;二級生化處理系統(tǒng)的TN和TP去除率分別下降了5.87%和10.22%;改變系統(tǒng)的活性污泥組成，使活性污泥中TN含量增加，而TP的含量減少.物質(zhì)平衡原理的工藝評價方法也表明曝氣沉砂除油池預(yù)處理會減小二級生化處理可利用碳源.具有長水力停留時間的曝氣沉砂除油池預(yù)處理對城市污水廠脫氮除磷有負面影響.

曝氣沉砂除油池;工藝評價;物質(zhì)平衡;脫氮除磷;城市污水廠

我國南方城市污水具有砂石和油脂含量高的特點，因此，具有洗砂、沉砂、去除油污和浮渣等多功能的曝氣沉砂除油池應(yīng)用較多［1-2］.目前，曝氣沉砂池的研究主要集中在沉砂與洗砂的效果［3-4］、除油［2］、池型［5］及維護運行管理［6］等方面.卞子敏等［7］利用小試實驗研究了曝氣沉砂池對后續(xù)生化處理工藝的影響，認為在曝氣3 min的條件下不會對后續(xù)工藝產(chǎn)生影響，但缺少實際工程檢驗和評價.而具有長曝氣時間(大于10 min)和高氣水比的曝氣沉砂除油池在該方面的研究少見報道.

在實際污水廠中，可以通過考察出水污染物濃度、去除效率和能耗等方法評價預(yù)處理工藝對后續(xù)處理工藝的影響，但是由于重要數(shù)據(jù)難以獲取或缺失、誤差大、水樣代表性差等多方面原因，其評價結(jié)果較片面［8］，同時不利于整個污水廠的工藝優(yōu)化控制和運行管理［9-10］.本文從水質(zhì)特征、出水污染物濃度、去除效率、活性污泥組成和產(chǎn)泥量等方面多角度考察了曝氣沉砂除油池預(yù)處理對后續(xù)處理工藝脫氮除磷的影響，利用物質(zhì)平衡和數(shù)據(jù)調(diào)和技術(shù)［10-11］給予檢驗.以期為曝氣沉砂除油池在城市污水廠的設(shè)計、運行管理等方面提供參考.

1 實驗

1.1 實驗污水廠

研究污水廠的二級處理工藝為7池改良序批式 反 應(yīng) 器 (modified sequencing batch reactor，MSBR)，該工藝原理和運行方式詳見文獻［12］，設(shè)計規(guī)模為 12.0×104m3·d-1.工藝流程如圖 1所示，污水經(jīng)過提升泵站后進入旋流沉砂池(PG)，然后進入MSBR池(1～7單元)，出水消毒后排入附近的水體;MSBR工藝1、3、5和7單元的排渣廢水回流至進水泵房(流量Q1約600～1 000 m3·d-1，污泥質(zhì)量濃度為400～12 000 mg·L-1不等).該污水廠運行兩年后發(fā)現(xiàn)原水中常含有大量砂石和油類物質(zhì)，因此，將旋流沉砂改造成具有除油功能的曝氣沉砂除油池(AGDT)，并關(guān)停旋流沉砂池(PG，圖1虛線部分).曝氣沉砂除油池的設(shè)計規(guī)模為 12.0×104m3·d-1，分兩格，設(shè)計停留時間為11.3 min.

圖1 工藝流程圖

1.2 實驗方法

實驗分兩個階段，第一階段為5～6月，污水廠按照“旋流沉砂池+MSBR工藝”運行(簡稱第一階段，Run 1);7月曝氣沉砂除油池開始運行，一個月后基本穩(wěn)定，第二階段實驗開始，時間為8～9月，污水廠按照“曝氣沉砂除油池+MSBR工藝”運行(簡稱第二階段，Run 2).實驗開始前一個月及期間污水廠的工藝運行參數(shù)盡可能保持恒定.根據(jù)文獻［10］提出的物質(zhì)平衡方法及數(shù)據(jù)調(diào)和技術(shù)對進水、出水、排泥量等相關(guān)數(shù)據(jù)進行了收集整理.

1.3 分析方法

在考慮進水流量和設(shè)計停留時間的基礎(chǔ)上，每隔3～5 d取旋流沉砂池和曝氣沉砂除油池前后的瞬時水樣測定COD、溶解性COD(SCOD)、TN、TP、SS、含沙量和含油量;每天取進出水24 h混合樣測定 SS、COD、TN、NH+4-N和TP等指標(biāo);每兩天取MSBR工藝好氧池的瞬時污泥樣測定SVI30、MLSS、MLVSS;每兩天取脫水后的污泥樣測定含水率和VSS;取5月12日、5月28日、6月10日、6月18日、8月12日、8月20日、9月5日和9月22日(均為晴天)的剩余污泥脫水后24 h污泥混合樣測定TN、TP、COD和MLVSS.以上分析均按照國家標(biāo)準(zhǔn)［13］進行，相關(guān)的進水量、出水量、排泥量、回流量、曝氣量等數(shù)據(jù)均取自在線儀表.

1.4 物質(zhì)平衡計算方法

1.4.1 磷平衡計算方法

進出水的TP平衡采用式(1)計算:

式中:Minf，TP，Mgtr，TP，Meff，TP，Mwas，TP分別為進水、沉砂池去除、出水排放及污泥排放的TP量，其中Mwas，TP=fP× ρMLVSS× Vwas，fP為剩余污泥中磷的質(zhì)量分數(shù)，g·g-1;Vwas為剩余污泥排放的體積.

1.4.2 氮平衡計算方法

進出水的TN平衡采用式(2)計算:

式 中:Minf，TN，Mgtr，TN，Meff，TN，Mwas，TN、Mdenit，TN分 別為進水、沉砂池去除、出水排放、污泥排放及反硝化的TN量，其中Mwas，TN=fN× ρMLVSS× Vwas，fN為剩余污泥中氮的質(zhì)量分數(shù)，g·g-1.

1.4.3 COD 平衡計算方法

進出水的COD平衡采用式(3)計算:

2 結(jié)果及討論

2.1 曝氣沉砂除油池的沉砂除油效率

曝氣沉砂除油池的沉砂效率與氣水比、池型、水力停留時間等因素有關(guān)［4］.污水廠實際處理量在 5.0 萬～8.5 萬 m3·d-1，曝氣沉砂除油池曝氣時間在 16.0 ～ 27.1 min，氣水比為 0.15.第二階段，該池的沉砂率、沉砂有機物質(zhì)量分數(shù)和油脂去除率分別為 (85.9± 8.8)%、(1.6± 1.5)% 和(71.7±35.5)%(表 1)，可見該工藝的沉砂、洗砂效果良好，其沉砂效率遠高于現(xiàn)代曝氣沉砂池至少去除75%粒徑大于等于0.15 mm砂的設(shè)計要求［1］;同時，除砂率與處理水量有較好的負相關(guān)性(R2=0.69，相關(guān)數(shù)據(jù)未給出).但除油效果不穩(wěn)定，可能與實驗期間進水中油脂含量不高及波動較大有關(guān).

表1 曝氣沉砂除油池的沉砂、洗砂和除油效果 %

2.2 對二級生化處理進水水質(zhì)的影響

進水水質(zhì)特征會影響生化處理系統(tǒng)的處理效果［8］.實驗期間，不同沉砂池預(yù)處理前后水質(zhì)特征及變化見表2.第一階段預(yù)處理后水質(zhì)特征未發(fā)生明顯變化;但第二階段預(yù)處理后，COD由236.5減小至205.8 mg·L-1，去除率為 13.0%，SCOD 去除率高達24.2%(可認為是RSCOD)，COD與TN比和COD與 TP比分別由10.0和 65.7減小至8.9和60.4，水質(zhì)特征發(fā)生了較明顯的變化，碳源損失較長，高于文獻［7］的結(jié)果.原因可能是:① 曝氣時間(16.0～27.1 min)較長;② 該工藝存在大量的浮渣及污泥脫水上清液回流(圖1中Qp)，使曝氣沉砂除油池異養(yǎng)菌濃度較高;③ 曝氣沉砂除油池中DO濃度較高.可見，曝氣沉砂除油池不宜在低碳氮比進水的城市污水廠中使用.但COD與TN比和COD與TP比仍較高(8.9和60.4，表2)，碳源充足，該預(yù)處理是否會對系統(tǒng)的脫氮除磷產(chǎn)生影響，有待從其他方面進一步分析論證.當(dāng)氣水比在0.10～0.20時，曝氣沉砂除油池曝氣溝和除油溝的DO分別在1.0～3.5和0.8～1.7 mg·L-1變 化， 出 口 處 DO 在0.5～1.0 mg·L-1，二級生化處理厭氧池進水口DO 低于 0.2 mg·L-1(0.08～ 0.13 mg·L-1).可見，曝氣沉砂除油池的DO未對厭氧池的厭氧環(huán)境產(chǎn)生明顯影響.

表2 原水及沉砂池處理后的水質(zhì)特征

2.3 對出水水質(zhì)和去除率的影響

圖2和表3給出了兩個階段各污染物的進出水質(zhì)量濃度和去除效率.兩個運行階段出水SS、COD及去除率沒有明顯區(qū)別.在 TN(24.7與23.6 mg·L-1)和 TP(3.2 與 3.6 mg·L-1)進水質(zhì)量濃度相近的條件下，第二階段出水TN比第一階段高0.99 mg·L-1，TN 去除率減小了5.96%(表3);第二階段出水 TP比第一階段高0.42 mg·L-1，TP 去除率減小了 10.50%(表 3).由于污水廠第一和第二階段的主要工藝參數(shù)(污泥回流比、污泥齡和DO等)相近，可推測脫氮除磷效率下降與曝氣沉砂除油池運行有關(guān)，這與文獻［7］的結(jié)論不同，可能是本研究的曝氣時間長且排渣回流流量大等原因.

圖2 不同運行條件下系統(tǒng)各污染物去除效率

表3 第一階段和第二階段水廠出水水質(zhì)和污染物去除效率

2.4 對污泥特性組成的影響

表4給出了兩個階段污泥組成成分及特征值.污泥樣品均取自好氧池，假設(shè)污泥完全被礦化和磷酸鹽均被生物質(zhì)吸收，MLSS在兩個實驗階段存在差別不會對評價結(jié)果產(chǎn)生影響［8］.表4中各指標(biāo)實測值均在典型值范圍內(nèi)［11，14］，代表性較高.兩個實驗階段污泥齡接近且穩(wěn)定，MLVSS與MLSS比分別為0.35和0.41，說明曝氣沉砂除油池會減小二級處理工藝的無機負荷，SVI從29上升到44也可證實該觀點.與第一階段相比，第二階段的COD與MLVSS 比(1.36 到 1.38)和 TN 與 COD 比(0.085到0.090)均升高，而 TP與 COD比卻減小了(0.038到0.036)，表明曝氣沉砂除油池預(yù)處理后會改變水質(zhì)組成，進而影響系統(tǒng)的活性污泥組成(表4):TN含量增加，而TP的含量減少，這種改變在活性污泥數(shù)學(xué)1號模型［14-15］和文獻［15］得到了證實，但是否會影響活性污泥的活性和微生物種群結(jié)構(gòu)分布有待進一步研究.

表4 第一階段和第二階段活性污泥的組成及比例

2.5 基于物質(zhì)平衡的影響評價

根據(jù)式(1)～(3)對第一、二階段污水廠進出水的COD、TP和TN進行了物質(zhì)平衡分析，結(jié)果見表5.COD平衡結(jié)果表明:兩個階段COD被氧化去除率分別為 41.93%和 37.83%，而文獻［8，11］分別為11%和26%，說明后置反硝化碳源不足是MSBR工藝(“A/O+SBR”運行模式)脫氮效率低的原因之一，與王闖等［16］的研究結(jié)論相同;但曝氣沉砂除油池會比旋流沉砂池多去除9.5%的COD，使系統(tǒng)的產(chǎn)泥量比第一階段減少了6.8%;該工藝氧化有機物需氧量也高于其他工藝;第二階段比第一階段用于反硝化的COD降低了4.21%(表5)，使系統(tǒng)的脫氮效率下降.TN平衡也證明了該觀點:由于用于反硝化的COD減小了4.21%，第二階段反硝化效率下降了10.02%，但更多的TN(3.85%)通過污泥排放得到去除，TN去除率降低了 5.87%(表 5).由于進水中RSCOD在曝氣沉砂池中被過多氧化，剩余污泥中磷的質(zhì)量濃度減少了7.6 mg·L-1(表4)，在第二階段比第一階段有效排泥量只減少了5.5%情況下(相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)未給出)，TP去除率卻下降了10.22%.上述平衡分析表明，曝氣沉砂除油池預(yù)處理后TN和TP去除效率分別下降了5.87%和10.22%，與 2.3 節(jié)評價結(jié)果(5.96%和 10.50%)有微小的差別，由于物質(zhì)平衡的評價方法對數(shù)據(jù)進行調(diào)和，其結(jié)果更可靠和全面［8］.此外，曝氣沉砂除油池預(yù)處理減小了二級生化處理可利用碳源，進而影響處理系統(tǒng)的脫氮除磷效率，因此，設(shè)計和運行過程中如何減小碳源損失是必須考慮的問題.本研究中，較長的曝氣時間(16.0～27.1 min)、高DO及大量的排渣回流等原因綜合使該污水廠的曝氣沉砂除油池相當(dāng)于一個具有曝氣功能的初沉池，大量研究［17-19］表明初沉池對城市污水廠的脫氮除磷是有負面影響，這與本文的研究結(jié)論吻合.為了減小曝氣沉砂除油池發(fā)生生化反應(yīng)，該污水廠需要加強MSBR工藝1、3、5和7單元的排渣回流管理;在今后的曝氣沉砂除油池的設(shè)計中應(yīng)慎重選擇設(shè)計水力停留時間.

表5 不同預(yù)處理條件下COD、TN和TP物質(zhì)平衡計算

3 結(jié) 論

1)曝氣沉砂除油池預(yù)處理會造成碳源損失嚴重，且會減小二級生化進水COD與TN比和COD與TP比，不宜在低碳氮比進水的城市污水廠中使用;當(dāng)氣水比為0.10～0.20時，曝氣沉砂除油池預(yù)處理未對厭氧池的厭氧環(huán)境產(chǎn)生明顯影響.

2)在水力停留時間為 16.0～27.1 min 時，曝氣沉砂除油池預(yù)處理不會影響系統(tǒng)的COD、SS去除率，但TN和TP去除率分別下降了5.87%和10.22%，對后續(xù)生化處理的脫氮除磷有一定影響.

3)較長的水力停留時，經(jīng)曝氣沉砂除油池預(yù)處理后，會改變系統(tǒng)的活性污泥組成，使活性污泥中TN含量增加，TP含量減少，但是否會影響活性污泥的活性和微生物種群結(jié)構(gòu)分布有待進一步研究.

4)在本研究條件下，物質(zhì)平衡結(jié)果表明，曝氣沉砂除油池預(yù)處理減小了二級生化處理可利用碳源，進而影響處理系統(tǒng)的脫氮除磷效率，設(shè)計和運行過程中如何減小碳源損失是必須考慮的問題.

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The effect of aerated grit and degreasing tank on full-scale WWTP nutrient and phosphorous removal performance

DENG Renjian1，2，ZHANG Jinsong1，3，Lü Wei3，QU Zhijun3

(1.Environmental Science and Engineering Research Center，Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School，518055 Shenzhen，Guangdong，China;2.School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，411201 Xiangtan，Hunan，China;3.Shenzhen Water(Group)Co.Ltd.，518030 Shenzhen，Guangdong，China)

To evaluate the effect of aerated grit and degreasing tank(AGDT)with long hydraulic retention time(＞10 min)on nutrient and phosphorous removal performance at municipal wastewater treatment plant(WWTP)，influent characteristics，effluent quality，removal efficiencies，activated sludge characteristics and composition，as well as performance assessment based on mass balance evaluation，were investigated in a fullscale WWTP.The experimental results showed that:Compared with Pista grid pre-treatment，AGDT pretreatment was unsuitable to be used in WWTP with low C/N rate wastewater because it consumed more carbon source and led to decrease of effluent COD/TN/TP rates;The total nitrogen(TN)removal efficiency and total phosphorus(TP)removal efficiency decreased 5.87%and 10.22%;The activated sludge characteristics and composition were changed with TN content increased and TP content reduced;Mass balance evaluation approach also showed that the available carbon source was decreased in secondary biochemical treatment after AGDT pre-treatment.Therefore，the effect of AGDT with long hydraulic retention time(＞10 min)on fullscale WWTP nutrient and phosphorous removal performance was negative.

aerated grit and degreasing tank(AGDT);process assessment;mass balance;nitrogen and phosphorus removal;municipal wastewater treatment plant

X703.1

A

0367-6234(2014)02-0049-06

2012-12-26.

深圳水務(wù)(集團)有限公司自選課題;深圳市人居環(huán)境委員會課題.

鄧仁健(1980—)，男，博士研究生，講師;

張金松(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

張金松，zhangjinsong@waterchina.com.

(編輯 劉 彤)