A2O工藝在低濃度進水時供氣量簡化方程式的應用

張 舟

(廣州市凈水有限公司石井分公司，廣東 廣州 510450)

0 引言

A2O工藝是一種成熟的污水處理工藝。據統計，目前A2O及其為基礎的脫氮除磷工藝在我國城鎮污水處理廠中的應用已占據50%以上。A2O工藝模型已經可以有效地模擬和預測污水處理廠的工藝運行情況，但由于各方面影響，南方的污水處理廠運營人員在實際運營工藝調節時，面對的是實際進水濃度偏低，遠小于設計時采用的參數，只能憑感覺靠經驗來調控，增加了生產工藝的調控困難，尤其是對供氣量提出了嚴峻的挑戰。

供氣量是工藝調控的關鍵，隨著生化池DO變化，供氣量需要不斷調整。目前，大部分污水廠的供氣量是根據生化池末端DO變化通過人工調整鼓風機導葉。低濃度進水時，當出現DO増高，供氣量過高，會影響反硝化并且浪費電量。運營人員發現DO増高時，憑感覺靠經驗降低供氣量，容易出現供氣量不足導致出水氨氮偏高甚至超標。通過對南方某污水廠工藝的摸索，在原有需氧模型的基礎上，結合污水廠實際，關注了主要影響因素，簡化了低濃度進水時的供氧方程式，引入常數，驗證了該方法的可行性，以期為其他污水廠運行提供參考思路。

1 污水處理廠概況

南方某污水處理廠設計能力為30×104m3/d，預處理單元包括粗細格柵、曝氣沉砂池，污水經預處理后進入A2O處理工藝，最后進入二沉池和深度處理。在進廠總進水口安裝有COD、氨氮和總磷的在線檢測儀器，通過人工設置鼓風機入口導葉調節生化池供氣量。設計的進水水質符合典型生活污水特征[1]，目標出水水質要求嚴于CB18918-2002的一級A標準要求，甚至部分出水指標嚴于CB3838-2002地表水環境質量標準Ⅳ類要求。

2 污水處理廠實際進水情況

在實際運行中，該南方污水廠進水水質低于設計值。尤其是該南方污水廠地處城郊，納污范圍內城中村外來人口較多，進水水質受人口流動變化影響。

比較表1和表2可知，1—8月，實際進水COD為設計值的35%～67%，實際進水氨氮為設計值的40%～86%，實際進水總氮為設計值的46%～86%，該污水廠實際進水濃度相對設計值偏低。尤其是2月份受納污范圍內的春節人口流動變化影響，進水水質較低。

表1 設計進水水質與出水要求

表2 實際月均進水水質

3 供氣方程式

污水廠原設計時考慮的曝氣池需氧量影響因素為：碳化需氧量、硝化需氧量、內源呼吸需氧量和反硝化脫氮產生的氧量。模型方程式如下：

OD=O1+O2+O3-O4

(1)

式中：OD—曝氣池需氧量；O1—碳化需氧量；O2—硝化需氧量；O3—內源呼吸需氧量；O4—反硝化脫氮產生的氧量。

實際運行時，曝氣池需氧量還需考慮細胞合成消耗的氨氮對應需氧量、剩余污泥帶出的BOD對應需氧量和曝氣池出水含氧量，以及曝氣池污泥懸浮所需氧量。需氧模型方程式如下：

OD=O1+O2+O3-O4-O5-O6+O7+O8

(2)

式中：OD—曝氣池需氧量；O1—碳化需氧量；O2—硝化需氧量；O3—內源呼吸需氧量；O4—反硝化脫氮產生的氧量；O5—細胞合成消耗的氨氮對應需氧量；O6—剩余污泥帶出的BOD對應需氧量；O7—曝氣池出水含氧量；O8—污泥懸浮所需氧量。

代入水質數據后，分析(2)式可知，O1與O2兩者之和約是OD的80%，那就據此可知曝氣池需氧量OD主要受碳化需氧量O1和硝化需氧量O2影響。進水水質偏低，需氧量減少。尤其是2月份進水COD 105 mg/L和進水氨氮10.9 mg/L 、進水總氮16 mg/L，進水已經遠偏離了設計負荷，處在較低負荷狀態。根據生化池末端DO變化通過人工設置鼓風機導葉調整供氣量，波動較大，容易造成末端DO過高或過低。

4 簡化供氣模型方程式

由于進水COD、氨氮的實際值低于設計值，需要根據生物特性進行供氣參數調整。低濃度時，活性污泥微生物增殖處于減衰增殖期或內源呼吸期，微生物菌體的酶系統多未飽和，有機底物降解遵循一級反應，有機底物濃度成為有機底物降解速度的控制因素[2]。

低濃度時，吸附在菌體表面的有機物會被充分攝入菌體細胞內，微生物對有機物的分解代謝反應進行的程度加深，單位BOD降解的需氧量增高。導致設計時有機物分解代謝反應需氧率和內源代謝需氧率與實際情況有差距，而氧的轉移受水溫、氧分壓、氣泡大小、接觸時間等一系列因素影響，其中大部分因素是正常運行期間不宜用人力加以改變的，并且相對占80%的O1和O2，O3、O4、O5、O6、O7、O8在實際運行期間，均屬于時變，原需氧模型方程使用起來過于復雜，部分方程參數只能憑感覺憑經驗。

污水中總氮主要是有機氮和氨氮，而在氨化作用下，在A2O生化池里，無論是在好氧還是厭氧條件下，有機氮化合物很容易就會分解轉化為氨氮。一般在A2O工藝生物處理系統內，氨化作用可以較完全地發生，相比在線進水儀器檢測到的氨氮量，在線進水儀器檢測到的總氮量更加影響硝化需氧量。

因此，可以通過保留關鍵的進水COD濃度參數和進水總氮濃度參數簡化實際供氣量的模型方程式。

通過對1— 8月的經驗數據分析總結，將其他部分影響因素集中表示，引入常數13。對方程式(2)式簡化(3)式，得到

OC=(a+4.6b)×13×Q÷1 000

(3)

式中：OC—供氣量，m3/h；a— 進水COD濃度，mg/L；b—進水總氮濃度，mg/L；13—常數；Q—進水水量，m3/h。

5 實踐運行結果

運營人員通過廠總進水安設的在線監測儀器，每隔2 h讀取1次進水COD和進水總氮數據，然后根據簡化方程計算出所需氣量對鼓風機導葉進行調整供氣。

A2O工藝中主要控制的是好氧段的溶解氧DO，當好氧段溶解氧過高時有可能通過混合液的回流影響缺氧段的溶解氧，造成反硝化的效率降低。通過對缺氧段和好氧段一段時期內的檢測，好氧段的曝氣對缺氧段的溶解氧無明顯影響，缺氧段的溶解氧相對較低并且處于合理的范圍為0.15～0.19 mg/L。目前運行條件下好氧段曝氣的控制對缺氧段的反硝化環境影響不大。經過8個月的運行實踐，得到月度平均數據如表3所示。

表3 月度平均數據

由表3可知，從1—8月，出水氨氮和出水COD基本都處在較低水平，遠低于CB18918-2002的一級A標準要求。其中2月份受進水COD特別低的影響，需氧量較小。大致上出水COD值隨供氣量變化而變化，如圖1所示。

圖1 供氣量與出水COD關系

理論上，先進行碳化，也就是去除COD，然后進行硝化，也就是去除氨氮。根據表3和圖1可知，出水氨氮均在0.5 mg/L以下，出水COD值隨供氣量變化而變化。說明氨氮和COD的耗氧基本已經完全消耗了。而缺氧段的溶解氧相對較低并且處于合理范圍為0.15～0.19 mg/L。據此可知供氣量匹配合適。

在低濃度進水時，有機底物降解遵循一級反應，簡化方程的供氣量只保留占需氧量80%的COD和氨氮，可以滿足COD和氨氮的處理需要，COD去除率為92%以上，氨氮去除率為97%以上，出水滿足目標出水水質要求。

6 結語

實際運行中，在低濃度進水時，簡化需氧量方程式，引入常數13，運營人員根據關鍵參數進水COD和進水總氮來控制供氣量，COD去除率達到92%、氨氮去除率達到97%，可以滿足生產需要，出水穩定達到CB18918-2002的一級A標準要求。