污水處理多級AO工藝配水比例算法的改進

劉海山，王 拓，王繼苗

（1.青島雙元水務有限公司，山東 青島 266109；2.天津市政工程設計研究總院有限公司，天津 300392）

分段進水多級AO工藝[1～2]是AO活性污泥法的變形工藝，具有脫氮效率高、所需池容小、建設投資和運行費用低等特點。目前國內已運行有若干座采用多級AO工藝的污水處理廠，但多級AO工藝的計算目前并沒有統一的方法。王舜和等[3]和劉長榮等[4]介紹了該工藝特點并在一定理論分析基礎上提出了采用泥齡法計算，但設置了前提條件。此前提是理想狀態，在實際工程中幾乎不可能出現；所以如何確定每分段中硝態氮未能進行反硝化的比例，成為工藝調試中確定進水分配比例的難點。

本文對目前報導的計算方法提出了改進并基于青島市城陽區污水處理廠三期工程的實際運行調試數據，對改進后的計算方法進行驗證。

1 傳統計算方法

分段進水多級AO工藝由多個串聯AO組成[5]，回流污泥從首端進入，而污水則按一定比例從每個A段進入，為反硝化提供碳源。理想狀態下系統將發生如下反應：A1段進入的污水（Q1）為回流污泥中的硝態氮提供碳源，剩余的BOD5在O1段去除，氨氮氧化成硝態氮；O1段出水與A2段進入的污水（Q2）混合，反硝化O1段產生的硝態氮，A2段剩余的BOD5在O2段去除，氨氮繼續完全氧化；依次類推，至最后一段An時，進入的污水（Qn）為反硝化提供碳源，Qn中的剩余BOD5在好氧段被去除，氨氮則被氧化為硝態氮后直接排放至二沉池。見圖1。

圖1 分段進水多級AO工藝原理

主要計算公式為

式中：V多為多級AO總池容，m3；α1……αn為各段進水比例；r為污泥回流比；Q為進水量，m3；θc為總污泥齡；Y為污泥產率系數；So為進水BOD5濃度，mg/L；Se為出水BOD5濃度，mg/L；XR為回流污泥濃度，mg/L。

2 計算方法的改進

上述公式在推導上無任何問題，但公式推導的前提是：前一段硝化產生的硝態氮在隨后的缺氧段完全反硝化，假設所有步驟反應完全，則工藝最后出水硝態氮的含量僅與末端進水比例有關。在實際工程中該前提無法實現；另外，每段的泥齡、產泥系數也不是完全相同的固定值。在實際工程中：前一段硝化產生的硝態氮在隨后的缺氧段發生反硝化，但并不完全，部分尚未反硝化的硝態氮進入下一個好氧段。這部分尚未反硝化的硝態氮的量可根據進水水質情況人為確定，但不能超過最終設計出水水質中的總氮。

設進水水質中總氮和BOD5的濃度分別為N0、S0，假設出水中不含BOD5，則

第一段缺氧區進水硝態氮濃度N1=（α1Nj+rNc）/（r+α1）；BOD5濃度S1=α1S0/（r+α1）。

式中：Nc為出水硝態氮濃度，mg/L；Nj為進水硝態氮濃度，mg/L。

根據反硝化比例關系S1=k（N1-Nk）。

式中：k為反硝化速率；Nk為本段未反硝化掉的硝態氮濃度，mg/L。

第一段缺氧區將回流污泥中除Nk外的硝態氮全部反硝化，第一段進水中的BOD5剛好完全用于反硝化；而第一段好氧區將進水的TKN全部氧化為硝態氮，其數量為α1N0，與第二段進水混合。

第二段缺氧區進水硝態氮濃度N2=（α1N0+M1Nk）/（r+α1+α2），其中M1=α1/（α1+α2）；BOD5濃度S2=α2S0/（r+α1+α2）。

根據反硝化比例關系S2=k（N2-Nk），則

依次類推，第n段缺氧區進水硝態氮濃度Nn=(αn-1N0+M(n-1)Nk)/（r+α1+α2+……+αn），M(n-1)≈1；BOD5濃度Sn=αn S0/（r+α1+α2+……+αn）；Sn=k（Nn-Nk）；αn=k[αn-1N0-(r+1-M(n-1))Nk]/S0，由于M(n-1)≈1，則αn=k(αn-1N0-rNk)/S0。

出水硝態氮濃度為末端進水的TKN及前段未反硝化的硝酸鹽氮，表示為Nc=（αnN0+M(n-1)Nk）/（r+α1+α2+……+αn）=（αnN0+M(n-1)Nk）/（r+1）≈（αnN0+Nk）/（r+1）。

將Nc代入α1=kr（Nc-Nk）/S可以看出，第一段進水比例與出水比例、污泥回流比例、進水硝態氮濃度及第一段出水總氮濃度有關。

3 在實際運行中的應用

3.1 工程概況

青島市城陽區污水處理廠三期項目處理規模5×104m3/d，其中二級處理采用四級AO工藝。設計進水水質見表1。

表1 設計進出水水質mg/L

3.2 生物池進水比例調試

3.2.1 設計進水比例

首先根據設計給出的配水比例，采用了2.5∶2.5∶2.5∶2.5四段等比例進水調試，經過連續5 d較為穩定的調試過程，生物池各段AO水質見表2和表3。

表2 根據設計進水比例調試的進水水質mg/L

表3 根據設計進水比例調試的出水水質mg/L

續表3mg/L

由表3可以看出：第一段、第二段硝化反應充足，反硝化反應不足，導致前期硝態氮大量積累；第三段、第四段硝化反應不足，氨氮濃度逐漸提高，前期積累的硝態氮量較大，反硝化效果不明顯。通過分析，第一段、第二段進水量不足，進水中BOD5含量不足以支撐反硝化的充分進行，第三段、第四段進水量過剩，導致硝化反應不充分，最終出現的結果為氨氮和總氮均無法滿足出水要求。

3.2.2 傳統算法進水比例

根據傳統算法的計算結果，進水比例為4∶3∶2∶1，經過連續5 d較為穩定的調試過程，生物池各段AO水質見表4和表5。

表4 傳統算法進水比例調試的進水水質mg/L

表5 傳統算法進水比例調試的出水水質mg/L

續表5mg/L

由表5可以看出：第一段、第二段硝化反應不充分，產生的硝態氮過少，導致污水中總氮大量以氨氮形式存在，反硝化未能起到良好作用；因前期積累大量的氨氮在第三段、第四段無法完全去除，反硝化效果減弱。

造成這種現象的主要原因是：第一段、第二段進水量過高，氨氮無法被完全硝化，反硝化能夠去除的硝態氮減少，進水中BOD5未完全被利用就在好氧段進行了分解，導致能量的浪費；前期積累的大量氨氮在第三段、第四段無法完全被轉化為硝態氮，同時進水量過少，導致反硝化所需能量不夠，抑制了反硝化的進行，最終出現的結果為總氮無法滿足出水要求。

3.2.3 優化算法進水比例

根據改進算法的計算結果，進水比例為3∶3∶2∶2，經過連續5 d較為穩定的調試過程，生物池各段AO水質見表6和表7。

表6 改進算法進水比例調試的進水水質mg/L

由表7可以看出：第一段到第四段硝化反應、反硝化反應均較為充足，出水水質明顯優于前兩次試驗。進水中的氨氮得到有效分解，反硝化過程較為充分地利用了進水中的BOD5，反硝化效果較為理想，最終出水水質能夠較為穩定的滿足生產要求。

表7 改進算法進水比例調試出水水質

4 結論

以青島市城陽區污水處理廠三期工程實際進水水質為依據，應用改進后的算法進行計算，得出各段進水比例建議值。通過實際運行結果驗證，該算法貼合實際，能夠較好地指導污水處理廠運行，也可以為其他采用多級AO工藝的污水處理廠提供計算及運行借鑒。