響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)際污水廠的除磷過(guò)程

韓 微,雷志超,韓蕊敏,張媛媛,彭趙旭

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響應(yīng)面法優(yōu)化實(shí)際污水廠的除磷過(guò)程

韓 微,雷志超,韓蕊敏,張媛媛,彭趙旭*

(鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450001)

實(shí)際污水廠除磷過(guò)程是一系列復(fù)雜的生物和化學(xué)反應(yīng)集合,為綜合考察各因素對(duì)總磷去除的影響,采用響應(yīng)面法分析了碳氮比(C/N),碳磷比(C/P),有機(jī)負(fù)荷(F/M)等水質(zhì)參數(shù),以及排泥量,加藥量,外回流比()等工藝參數(shù)和除磷表現(xiàn)之間的關(guān)系,并根據(jù)物料守恒建立了磷含量平衡模型.結(jié)果表明,從水質(zhì)方面,C/N,C/P和F/M的最優(yōu)范圍分別是5.50~7.00,50.00~70.00和0.06~0.08d-1,從運(yùn)行方面,排泥量,加藥量,R的最優(yōu)范圍分別為14.3t/萬(wàn)m3,35~40mg/L和65%~70%.分析建立的磷含量平衡模型,發(fā)現(xiàn)各參數(shù)對(duì)除磷影響程度的強(qiáng)弱依次是C/N,F/M,R,排泥量,C/P和加藥量.當(dāng)C/N和F/M等主要影響因素處于最優(yōu)范圍,且水廠運(yùn)行狀況穩(wěn)定時(shí),利用該模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出水TP濃度.

除磷；響應(yīng)面法；磷平衡模型；總磷去除率

磷是化工生產(chǎn)、生命活動(dòng)中非常重要的元素,水體含磷量過(guò)多時(shí)易引發(fā)富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象[1-2].我國(guó)污水排放標(biāo)準(zhǔn)已普遍提升到一級(jí)A,要求出水總磷(TP)不大于0.5mg/L[3].采取可行方法降低污水中磷含量,是急需解決的問(wèn)題.實(shí)際水廠中除磷主要依靠聚磷菌(PAOs)的生物作用[4],輔以藥劑的化學(xué)作用[5].除磷過(guò)程的影響因素眾多,一般來(lái)講,碳氮比(C/N),碳磷比(C/P)越大時(shí)TP去除率越大[6];當(dāng)出水TP在0.5~1.0mg/L時(shí),去除1molTP需投加1.0~2.0mol金屬鹽[7];當(dāng)外回流比在70%~80%時(shí),有助于PAOs的富集[8].但是現(xiàn)有研究多集中在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的單因素考察,實(shí)際除磷過(guò)程各因素的綜合影響還鮮有報(bào)道.本文利用響應(yīng)面法,考察了實(shí)際水廠運(yùn)行中C/N, C/P, F/M,排泥量,加藥量,外回流比()與除磷的關(guān)系,旨在尋找瓶頸因素.并建立出水TP預(yù)測(cè)模型,為實(shí)際水廠的優(yōu)化除磷提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 用水來(lái)源和水質(zhì)

表1 進(jìn)水水質(zhì)

某污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模15′104m3/d,處理當(dāng)?shù)馗咝录夹g(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),工業(yè)園區(qū),縣城區(qū)內(nèi)的生活污水,以及部分工業(yè)廢水(造紙制藥).采用水解酸化+二級(jí)生化(改良氧化溝)+深度處理,改良氧化溝分為厭氧缺氧和好氧區(qū).設(shè)計(jì)與實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)如表1所示.可見(jiàn)實(shí)際來(lái)水的可生化性較差,僅靠生物除磷難以達(dá)標(biāo)排放.為保證出水水質(zhì),在深度處理單元中通過(guò)投加聚合氯化鋁(PAC)來(lái)強(qiáng)化除磷.

1.2 研究方法

根據(jù)響應(yīng)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)等水質(zhì)參數(shù),以及排泥量,加藥量,等工藝因素對(duì)除磷的影響.每因素設(shè)定3個(gè)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(處理每萬(wàn)t污水排放污泥的質(zhì)量)取4.30,9.30,14.30t/萬(wàn)m3;加藥量取39,112,185mg/L;外回流比取45%,60%,75%.分別對(duì)水質(zhì)參數(shù)和工藝參數(shù)進(jìn)行考察,具體設(shè)計(jì)如表2,表3所示[10].根據(jù)設(shè)計(jì)工況,從水廠日?qǐng)?bào)表中選擇相似工況的運(yùn)行數(shù)據(jù).每工況數(shù)據(jù)至少選擇三組,取平均值后填入表中相應(yīng)位置.

表2 水質(zhì)參數(shù)的設(shè)計(jì)工況及運(yùn)行數(shù)據(jù)

表3 工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)工況及運(yùn)行數(shù)據(jù)

續(xù)表3

1.3 檢測(cè)分析項(xiàng)目

水樣采集后用0.45μm微孔濾膜過(guò)濾,TP和TN采用離子色譜法測(cè)定;COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定;MLSS和MLVSS的檢測(cè)方法采用重量法[11].進(jìn)水流量依靠接入水廠總管上的流量計(jì)讀取,出水流量依靠巴氏計(jì)量槽的液位讀取,排泥總量參照每日地磅顯示的數(shù)值,除磷藥劑投加量根據(jù)加藥設(shè)備上的計(jì)量泵顯示數(shù)值.

TP去除率=100′(TP進(jìn)-TP出))/TP進(jìn)

TP去除量=TP進(jìn)-TP出

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)對(duì)除磷的影響

活性污泥生長(zhǎng)需要碳源,生物除磷時(shí)C/P一般不宜低于17[12].生物脫氮同樣需要碳源,與除磷存在競(jìng)爭(zhēng).另外碳源還會(huì)影響F/M,改變微生物生長(zhǎng)狀態(tài).

由圖1可見(jiàn),C/N偏低時(shí)(TN濃度高),提高C/N有助于強(qiáng)化除磷.當(dāng)C/N為5.50~7.00時(shí)除磷效果最優(yōu),C/N過(guò)高(TN濃度低)對(duì)除磷不利,這是因?yàn)榈蔷哿拙L(zhǎng)必需的元素.C/P偏低時(shí)(碳源濃度低),增加C/P會(huì)強(qiáng)化除磷,C/P在70左右時(shí)除磷效果最佳.C/P偏高時(shí)(碳源濃度高)除磷出現(xiàn)惡化.因?yàn)楦咛荚喘h(huán)境下,生活習(xí)性和聚磷菌相似的聚糖菌同樣吸收有機(jī)物,卻不涉及磷的轉(zhuǎn)移[13].F/M對(duì)除磷的影響較為復(fù)雜,從去除率角度看越高越好,但是高F/M時(shí)除磷更多依靠同化作用.從除磷量角度看高F/M時(shí)生物量偏低,并且容易滋生聚糖菌,對(duì)生物除磷是不利的.

圖1 水質(zhì)對(duì)TP去除量(率)的影響

(a)碳氮比;(b)碳磷比;(c)有機(jī)負(fù)荷比

由此得知C/N,C/P,F/M都需控制在合理水平.張淼等[14]發(fā)現(xiàn)C/N在4~5時(shí),除磷較好.一般缺乏碳源是水廠面臨的主要問(wèn)題.為了補(bǔ)充碳源,常投加外碳源.比如水解酸化剩余污泥產(chǎn)生小分子脂肪酸,或者購(gòu)買乙酸鈉,葡萄糖等.本水廠并未投加碳源, C/N, C/P, F/M分別在5.50~7.00, 50.00~70.00和0.06~ 0.08d-1時(shí)比較有助于除磷.

2.2 工藝參數(shù)對(duì)除磷的影響

通過(guò)調(diào)節(jié)排泥量,加藥量,外回流比等工藝參數(shù),同樣可以改變除磷的效果.李子富等[15]發(fā)現(xiàn),PAC投加量在60mg/L時(shí),除磷效果最好.

由圖2可見(jiàn),加藥量35~40mg/L時(shí)效果最優(yōu),偏高或偏低都不理想.因?yàn)榛瘜W(xué)除磷是結(jié)晶,絮凝,吸附等多重效應(yīng)的作用[16].無(wú)論生物法還是化學(xué)法,除磷都是通過(guò)排泥實(shí)現(xiàn)的,排泥量越大效果越好,TP去除率和去除量都印證了這一規(guī)律.但是過(guò)高會(huì)增加運(yùn)維成本,也不利于硝化菌生長(zhǎng),本水廠上限值在14.3t/萬(wàn)m3左右.聚磷菌生長(zhǎng)需要厭氧好氧交替的環(huán)境,理論上R為100%時(shí)最有助于聚磷菌生長(zhǎng).但是高R條件帶入的硝酸鹽和溶解氧會(huì)嚴(yán)重破壞厭氧環(huán)境,影響PAOs放磷[17-18].權(quán)衡各影響因素,R在65~70%時(shí)是比較合適的.

圖2 工藝參數(shù)對(duì)總磷去除量(率)的影響

(a)外回流比;(b)排泥量;(c)加藥量

加藥量、排泥量、都需合理控制.當(dāng)生物除磷能夠達(dá)標(biāo)時(shí),不用開(kāi)啟化學(xué)除磷.排泥量需根據(jù)脫泥設(shè)備,污泥齡等因素決定.為了兼顧脫氮,污泥齡一般不宜低于8d.高時(shí)要維持厭氧環(huán)境,可在不影響硝化的前提下盡量降低溶解氧.對(duì)于本水廠加藥量和分別在35~40mg/L和65%~70%是有助于除磷的.

2.3 多因素除磷的響應(yīng)面分析

對(duì)TP去除率(量)與C/P,C/N,F/M進(jìn)行響應(yīng)面分析,得到最優(yōu)工況如表4所示,結(jié)合實(shí)際確定最優(yōu)參數(shù)為:C/N=8.5,C/P=72,F/M= 0.11d-1.在水廠日?qǐng)?bào)表中,核對(duì)相似條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù),TP去除率為83%,與響應(yīng)面預(yù)測(cè)值85.17%接近,出水TP為0.38mg/L.

表4 響應(yīng)面法優(yōu)化分析結(jié)果

對(duì)TP去除率(量)與加藥量,排泥量,進(jìn)行響應(yīng)面分析,得到最優(yōu)工況.結(jié)合實(shí)際確定最優(yōu)參數(shù)為:加藥量= 40mg/L,排泥量=14.3t/萬(wàn)m3,=75%.在水廠日?qǐng)?bào)表中,核對(duì)相似條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù),TP去除率為90%,與預(yù)測(cè)值90.36%接近,出水TP為0.40mg/L.

2.4 磷含量平衡模型的建立

為了明晰各因素對(duì)除磷過(guò)程的影響權(quán)重,建立磷含量平衡模型.

2.4.1 建立假設(shè)條件 (1)微生物濃度和有機(jī)底物濃度不隨時(shí)間變化,系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定;(2)微生物濃度和有機(jī)底物濃度不隨空間變化,系統(tǒng)完全混合;(3)反應(yīng)過(guò)程中供氧充分;(4)參數(shù)設(shè)定:通過(guò)查找設(shè)計(jì)手冊(cè)并結(jié)合其他人的相關(guān)研究[19-20],得知碳氮磷比應(yīng)在一個(gè)范圍.結(jié)合本水廠實(shí)際情況,確定生物脫氮時(shí)C/N為3.8:1;生物除磷時(shí)C/P為100:1;根據(jù)污水廠實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù),脫水污泥密度大約為1.145×106mg/L,含水率為82%左右.

2.4.2 磷含量平衡方程:分析系統(tǒng)磷轉(zhuǎn)化途徑,磷的來(lái)源只有進(jìn)水,磷的去處有排水,以及剩余污泥.根據(jù)轉(zhuǎn)移途徑(圖3所示),建立磷的物料平衡方程:

(4)

式中:V為反應(yīng)池體積,m3;Qi為進(jìn)水流量,m3/d; Qe為出水流量,m3/d; Si為進(jìn)水TP濃度,mg/L; Se為出水TP濃度,mg/L; m無(wú)為化學(xué)除磷的質(zhì)量,g/d; m有為生物除磷的質(zhì)量g/d; SCOD為進(jìn)水COD濃度,mg/L;C/P為進(jìn)水碳磷比;m為排泥量,t/萬(wàn)m3; R為外回流比,%; SCOD'為出水COD濃度,mg/L;K為加藥量,mg/L;F/M為有機(jī)負(fù)荷,d-1.

設(shè)C/P為1,排泥量為2,加藥量為3,C/N為4,外回流比為5,有機(jī)負(fù)荷F/M為6,當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)(即d/d0),得到式(5).

2.4.3 磷含量平衡模型的驗(yàn)證 采用水廠實(shí)際數(shù)據(jù),帶入所建模型進(jìn)行出水TP預(yù)測(cè),把預(yù)測(cè)值和實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比(圖4).利用spss軟件得到相關(guān)系數(shù)2為0.9411,相關(guān)性良好.分別對(duì)6個(gè)自變量求導(dǎo),結(jié)果如表5所示.可見(jiàn)每個(gè)參數(shù)的影響受多方面制約.以水廠設(shè)計(jì)平均值為例,即i=e=15′104m3/d,COD=350mg/L,COD=40mg/L,i=2.5mg/L. MLSS= 4000mg/L.加藥量,排泥量和分別取40mg/L,14.3t/萬(wàn)m3,75%,得到6個(gè)斜率.由大到小依次是C/N,F/ M,,排泥量,C/P和加藥量.相比于工藝因素,水質(zhì)因素影響更大,尤其是C/N和F/M.C/N之所以重要,是因?yàn)樵谔荚蠢梅矫婷摰瘸讖?qiáng)勢(shì).當(dāng)來(lái)水碳源有限時(shí)優(yōu)先被反硝化菌利用.

圖4 模擬值和實(shí)際值對(duì)比

F/M與生長(zhǎng)速率,菌群組成等有關(guān),直接決定聚磷菌的活性.排泥量的影響沒(méi)有F/M大,因?yàn)樗鼉H能改變F/M中的MLSS.當(dāng)MLSS很高時(shí),即使增加排泥量F/M仍然很低.加藥量影響最弱,因?yàn)榛瘜W(xué)除磷只是輔助手段.

對(duì)于出水磷的模擬值與實(shí)際值相差較大的點(diǎn),主要原因是C/N,F/M等關(guān)鍵參數(shù)不在最優(yōu)范圍內(nèi).每個(gè)參數(shù)都有最優(yōu)范圍,在該范圍內(nèi)TP去除率(量)變化幅度較小,不在時(shí)則非常顯著.因此本模型的適用條件為: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,加藥量在35~40mg/L,該范圍內(nèi)其指導(dǎo)性較強(qiáng).排泥量在兼顧設(shè)備和脫氮前提下越大越好,本水廠是14.3t/萬(wàn)m3.實(shí)際使用時(shí)滿足主要影響因素在最優(yōu)范圍即可,對(duì)于加藥量等次要因素,在0~120mg/L內(nèi)波動(dòng)都不會(huì)導(dǎo)致模擬值失真.當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí),預(yù)測(cè)值偏差較大,建議在之后的研究中,把處理流程分成若干單元,以各單元為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)各單元系統(tǒng)地耦合來(lái)考察整體的運(yùn)行情況.

表5 出水總磷模型求導(dǎo)結(jié)果

3 結(jié)論

3.1 水質(zhì)參數(shù)和工藝參數(shù)均對(duì)除磷有較大影響.考察單因素時(shí),最優(yōu)的C/N,C/P,F/M分別是5.50~7.00, 50.00~70.00和0.06~0.08d-1,最優(yōu)的加藥量和外回流比分別35~40mg/L和65%~70%.排泥量在兼顧脫泥設(shè)備和脫氮的前提下越大越好.

3.2 通過(guò)響應(yīng)面法分析,從水質(zhì)方面,C/N=8.50, C/P=72.00,F/M=0.11d-1時(shí)最有助于除磷;從工藝方面,加藥量=40mg/L,排泥量=14.3t/萬(wàn)m3,外回流比= 75%時(shí)最有助于除磷.

3.3 建立磷含量平衡模型并考察了多因素對(duì)除磷的綜合影響,影響力大小依次是C/N,F/M,R,排泥量, C/P和加藥量.當(dāng)主要影響因素處于最優(yōu)范圍時(shí),模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際檢測(cè)值具有很高的相關(guān)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

韓 微(1995-),女,內(nèi)蒙古赤峰人,鄭州大學(xué)碩士研究生,主要研究生態(tài)法水環(huán)境修復(fù).

2018-01-19

高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17A560029);國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2015ZX07204-002-004)

* 責(zé)任作者, 講師, pzx@zzu.edu.cn