城市污水處理廠曝氣階段的節能降耗研究

摘要：以天津某污水處理廠A2/O工藝為例，結合現場調查及小試試驗，研究了A2/O工藝中降低供氧能耗的可行性。通過現場調查，考察了現有工藝條件下COD、氨氮、TN、TP和DO的變化規律。結果表明，系統現有工藝中好氧池的DO在2～3mg/L左右，系統對COD、氨氮和TP的去除效果穩定，但對TN的去除效果較差。本研究通過小試試驗，控制曝氣段的DO在1.5mg/L左右，避免過度曝氣造成浪費，同時系統內形成了穩定的同步硝化反硝化（SND），增加約6.6%的TN去除率。

關鍵詞：A2/O工藝 節能降耗 曝氣量 溶解氧 同步硝化反硝化 TN

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0149-02

典型的二級城市污水處理廠電耗中，污水提升占10%～20%，污水生物處理（主要用于曝氣供氧）占50%～70%，污泥處理占10%～25%，三者能耗之和占總直接能耗的70%以上[1]。

因此，節省電耗是污水處理過程節能降耗的一個重點，降低供氧電耗則是最具節能潛力的環節。

曝氣是維持曝氣池內DO濃度的直接手段，通過控制曝氣強度來控制DO濃度。而曝氣池內DO濃度對微生物活動的影響很大，進而影響整個污水處理進程。因此，如何合理地控制曝氣池的DO，在保證出水水質的同時最大限度地降低供氧電耗是污水處理廠節能降耗的重要途徑。

本研究以天津某污水處理廠A2/O工藝為例，通過現場調查分析COD、NH4+-N、TN、TP及DO的沿程變化，并結合小試試驗，研究A2/O工藝中降低供氧能耗的可行性及可操作的方法。

1 試驗部分

1.1 現場調查

該污水處理廠處理能力為54萬m3/d，污水處理采用A2/O工藝。共有2座A2/O生物池，其設計最大處理水量為8.5萬m3/d。單座A2/O生物池為 54.7m×80.7m×6.3m。2座A2/O生物池中的厭氧段為2個廊道容積為5880m3；缺氧段為6個廊道容積為17640m3；好氧段為6個廊道容積為17640m3。A2/O生物池各段參數為：

①厭氧段：理論停留時間為1.78 h；

②缺氧段：池容積為17640 m3；污泥濃度為3.3 g/L；泥齡為10.9 d；

③好氧段：池容積為17640 m3；污泥濃度為3.3 g/L；泥齡為10.9 d；空氣量為 15200 m3/h。

COD采用HACH COD快速測定儀[2]；PO43--P采用鉬銻抗分光光度法[2]；MLSS采用濾紙重量法[2]；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法[2]；TN采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法[2]；DO采用YSI5000型溶解氧儀[2]。

1.2 小試試驗

根據現場調查的結果，通過小試試驗來考察曝氣段通過降低DO來達到節能目的的可行性。小試反應器模擬了現場的A2/O工藝，接種污泥取自此污水處理廠二沉池污泥，采用SBR反應器來運行，有效容積為4.5L，充水比為0.7。本試驗安排一天3個周期，一個周期8h，其中：厭氧1.5h（包括進水5min），缺氧2.5h，好氧3h，沉淀30min，排水20min，閑置10min。SBR系統通過微電腦定時控制器和電磁閥實現進水、攪拌、曝氣、沉降、排水的自動控制。其中主要運行參數與水廠一致，包括：污泥濃度維持在3000mg/L左右，泥齡控制在15d左右；處理的污水與現場曝氣池的進水相同，進水水質為：COD濃度為300～400mg/L，PO43--P濃度為4～5mgP/L，NH4+-N濃度為30～40mgN/L，TN濃度為40～50mgN/L。

為了考察 DO對污水出水水質的影響，通過轉子流量計控制曝氣量，實現在小試反應器運行中3個不同的DO濃度水平。其中一個DO濃度模擬了現場工藝中曝氣段實際采用的DO值；其余兩個DO濃度均不同程度的降低了好氧段的DO值。

2 結果與分析

2.1 污水廠A2/O工藝中COD、NH4+-N、TN和TP的變化規律

通過現場采樣的分析結果表明，該廠的A2/O工藝對COD、NH4+-N和TP有良好的去除效果，其去除率分別為87%～94%、83%～95%和75%～85%，然而脫氮效率即TN去除率只在45%～55%之間，很難進一步提高，見圖1～4。

現場運行結果表明，好氧池溶解氧長期徘徊在2～3mg/L，A2/O對總氮的去除率并不高，一個關鍵因素在于好氧段的溶解氧值偏高。傳統的水處理理論認為，氨氮的去除是通過硝化和反硝化兩個相互獨立的過程實現的。然而，近年來國內外有不少試驗和報道證明有同步硝化反硝化（SND）現象，尤其是有氧條件下的反硝化現象確實存在于各種不同的生物處理系統[3-7]。因此，可以看出控制溶解氧值，是良性運行的一個關鍵要素。如何有效提高A2/O工藝脫氮效率，降低出水氨氮和總氮質量濃度以及系統運行費用，具有重要的意義。在下面的內容中將考察通過采用A2/O工藝小試控制DO水平是否能既減少了曝氣量又提高了氨氮和總氮的去除率。

2.2 小試結果與分析

通過控制曝氣強度使整個曝氣過程中混合液的DO濃度控制在1.0、1.5和2.0 mg/L （誤差±0.2 mg/L）來考察3種DO濃度下COD、NH4+-N、TN和TP濃度變化情況，見表1。

由表1可見，不同DO濃度下，COD和磷酸鹽的去除率變化不明顯，但是氨氮、總氮去除率卻有較大差別。當DO為1.0mg/L時，由于DO濃度過低限制了硝化反應，使用于反硝化的NO3-和NO2-供給不足而成為系統TN去除的限制因素；而當DO為2.0mg/L時，由于DO濃度相對較高，一方面使得氧的穿透能力增強，使活性污泥內部形成的缺氧區較小，反硝化能力較弱，從而降低了系統的SND脫氮能力；DO為1.5mg/L左右時TN去除率最高，達到了56.3%。分析其原因：

在SND過程中，硝化菌和反硝化菌對DO需求不同，存在一個最佳范圍。因此，將DO濃度控制在適當范圍內，使硝化過程與反硝化過程的動力學達到基本平衡，將會得到更加理想的脫氮效果。

3 結論與建議

（1）污水廠生物處理中曝氣階段的供氧電耗是最具節能潛力的環節。通過控制曝氣強度來控制DO濃度，使其在保證出水水質的同時最大限度地降低供氧電耗是污水處理廠節能降耗的重要途徑。

（2）小試結果表明，對A2/O工藝采用較低的曝氣量，將好氧段DO從2～3mg/L降低到1.5mg/L左右，既可以降低曝氣量減少能耗，同時又可促成同步硝化反硝化作用的發生。使TN的去除率提高約6.6%，是一種處理效果更好、更節能的運行方式。

（3）把小試的結果推廣到現場的A2/O工藝，須嚴格控制曝氣段的DO，防止過度曝氣，是節約能耗的一種途徑。

參考文獻

[1] 高旭，龍騰銳，郭勁松.城市污水處理能耗能效研究進展[J].重慶大學學報（自然科學版），2002，25（6）：143-148.

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