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污水厂提标改造中A2/O工艺应用发展趋势

时间:2017-05-05 来源:中国给水排水 作者:

随着社会经济发展和环保意识提高,我国城镇污水处理厂排放标准日益严格。在此期间,A2/O工艺因具有出水水质好、结构简单等特点已在我国大中型污水处理厂及再生水厂得到了广泛应用。论文阐述了A2/O工艺针对不同的出水水质指标和进水特性对工艺进行阶段性提标改造的常用技术手段,包括低碳氮比、低温等情况下达到一级A排放标准的技术措施,进一步提高再生水回用水质的A2/O-MBR工艺组合及其深度处理方案等。针对现有A2/O及其改进工艺的不足,未来A2/O工艺的主要发展趋势是基于“能源回收自给”的可持续脱氮除磷,同时存在对氮磷等植物营养物深度去除和内分泌干扰物高效净化的深度处理技术需求。

1、A2/O工艺的应用与挑战

据统计,A2/O及以其为基础的脱氮除磷工艺目前在我国已占据50%以上的市场。截止到2014年1月,北京市已运营的44家万吨级以上污水处理厂中,共有11家污水处理厂采用了A2/O工艺及其改进型工艺,A2/O工艺的处理规模占北京市年污水处理能力的60.5%,其中有4家为10万吨级以上的设计运营规模,如高碑店污水处理厂、小红门污水处理厂、清河污水处理厂等。然而,A2/O工艺自身特点注定了其将面临硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争, 因此难以同时实现碳、氮、磷的高效去除,并满足日益严格的排放限值。

2、基于一级B 达标排放的A2/O工艺的难点与主要技术措施 

2.1基于一级B达标排放的A2/O工艺典型问题

污水处理厂从国标GB18918-2002二级排放标准提升为一级B的难度相对较低,采用A2/O工艺需解决的技术问题也较为明确,一般通过对溶解氧(DO)、混合液回流比(RN)、污泥回流比(R)和水力停留时间(HRT)等各参数优化控制即可达到。

2.2溶解氧(DO)控制

好氧池过高的DO不仅会抑制硝化菌的硝化作用,而且破坏厌氧池和缺氧池的低DO状态;过低的DO会限制硝化菌的生长率,严重影响污水的脱氮效果。缺氧池DO变化可通过抑制硝酸盐还原酶的合成和活性,影响反硝化过程。早期研究者对A2/O工艺各阶段DO的控制总结得出:好氧池DO控制在2.0mg/L左右、缺氧池DO在0.2~0.5mg/L、厌氧池DO在0.2mg/L以内为宜

2.3混合液回流比(RN)和污泥回流比(R)的影响与选择

选择合适的混合液回流比(RN)和污泥回流比(R)对污水脱氮效果至关重要。RN过大时需要高功率的回流泵,增加能耗。反之,当RN较小时,脱氮效率降低。R过小时,厌氧池污泥负荷增加,将影响各段的生化反应效率;R过大则抑制聚磷菌释放磷的效果,降低总磷去除率。李明等人通过对A2/O工艺的研究对比得出,一般R=50%~100%,最低不可低于40%;李银波等人采用A2/O脱氮除磷工艺中试试验表明,RN为200%时系统处理效果最佳。

2.4水力停留时间(HRT)的影响与设定

一般来说,延长HRT时间有利于提高COD去除效果,但对于厌氧池,过长的HRT容易产生污泥膨胀,过短水流速度较大,易导致活性污泥流失;相对于好氧池,过长的HRT则使SRT缩短,影响污泥释磷效果,增加污泥排放量;较短的HRT使污水中硝化过程不充分,不利于脱氮。李永峰等与林琳等人研究结果对比表明,HRT对TN、TP和NH3-N的去除率影响较大,对COD去除率影响相对较小;HRT控制在5~8h时,系统整体功能性较好。

3、针对一级A达标排放的A2/O工艺的难点与主要技术措施 

3.1针对一级A 达标排放的A2/O工艺难点

出水水质进一步从一级B标准提标至一级A标准回用时,COD、TN、氨氮和TP要求均有所提高。在合理C/N比以及非低温环境下,通常采用A2/O工艺进行优化调试能够达到一级A标准要求;但对于C/N比较低或低温环境等不可控问题,仅通过简单工艺调试很难达到一级A水质要求。

3.2低C/N比问题及其技术措施

根据住建部“全国城镇污水处理信息系统”数据显示,我国大部分城镇都面临着C/N比偏低的现象,多数城市污水中C/N比在3~4之间。在采用A2/O工艺处理低C/N值污水时,一般脱氮除磷效率不高,因此较难达到一级A标准。目前常用的解决措施主要从外加碳源和内碳源两方面着手。

①投加碳源:这是一种能够快速有效提高C/N值的最简单办法。为反硝化过程提供足够的碳源(如甲醇、葡萄糖、乙酸钠等)能够有效地提高脱氮效率,但长期投入显然增加污水处理成本。

②投加垃圾渗滤液:陈杰明等人对重庆市某大型污水厂投加垃圾渗滤液补充碳源方法进行了研究,当垃圾滤液的投配率为0.1%时,活性污泥不会受到垃圾滤液的毒性干扰,同时可为系统增加约15%的碳源,一方面可以解决垃圾滤料的排放问题,另一方面投入成本低,是一种较经济实用的借鉴。

③增设单元:池年平等人通过在传统A2/O工艺前端增设预缺氧池形成A-A2/O(缺氧—厌氧—缺氧—好氧)工艺得出相较于A2/O工艺脱氮除磷效果有显著的提升;A-A2/O工艺脱氮主要在预缺氧池和缺氧池完成,且两者脱氮量相当,厌氧池则可专注于除磷,是一种克服低C/N比的有效方法。例如,东莞市华骏污水处理厂(5万吨/日)采用A-A2/O工艺,将来自二沉池的回流污泥和10%左右的进水进入反硝化池,消除硝态氮对厌氧池释放磷的不利影响,强化了除磷脱氮效果,出水基本达到一级A标准限值。

④工艺优化:将传统A2/O工艺中厌氧池与缺氧池顺序调换可形成倒置A2/O工艺,通过对倒置A2/O研究,黄理辉、张杰等人发现缺氧段之前能够优先得到碳源,单位容积反硝化能力增强,反硝化效果能够得到有效地保证;同时,回流污泥经过完整的吸磷和释磷过程,除磷效果也较好。广东省佛山市某污水处理厂(20万吨/日)和宁夏石嘴山市第一污水处理厂(6万吨/日)等均采用倒置A2/O工艺对原有工艺进行升级改造和调试,保证了厌氧池的厌氧状态,强化了脱氮除磷效果,确保了出水满足国标一级A排放标准。

⑤分段进水:通过分段进水的形式可有效强化系统对原水中碳源的利用,提高对污染物的去除能力。青岛城阳污水处理厂(5万吨/日)通过分段进水的方式提高系统对原水中碳源的利用率,强化了脱氮除磷能力,并成为中国环保产业协会评出的城市污水处理达一级A标准的示范工程。改良后的生物池出水水质达到一级A 标准基础上,每天可节省电耗约672 kW˙h。

3.3低温问题及其解决措施

目前,低温低碳是我国大部分污水处理厂面临的最棘手的问题。温度对微生物细胞的繁殖、生物种群的组成、活性污泥的絮凝性能、曝气池对氧的利用效率以及水的粘度等都有较大的影响。低温显著降低硝化菌和反硝化菌的活性,严重影响脱氮除磷效果。

针对低温问题,倒置A2/O工艺也可作为缓解手段之一。张智等人]对重庆市鸡冠石污水处理厂的倒置A2/O工艺在低温脱氮除磷效果不稳定的问题进行了研究,表明低温条件下将污泥浓度提高到5500~6000mg/L、好氧池DO控制在1.2mg/L左右时,出水能够达到国标一级A标准。

A2/O-BAF是目前克服低碳氮比下的低温问题最常用工艺之一。通过后置BAF工艺,王建华等人得出A2/O-BAF工艺在低温条件下脱氮除磷能够同时取得良好的效果,不仅出水达到国家一级A标准,而且A2/O段活性污泥的平均SVI 为85.4mL/g,具有良好的沉降性。萧县城北污水处理厂(5万吨/日)于2015年采用水解酸化-A2/O-BAF工艺处理市政污水,强化了脱氮除磷效果,出水满足国标一级A排放标准。

4、针对地表水IV类回用要求的A2/O工艺的典型问题及主要技术措施 

4.1基于地表水IV类回用要求的A2/O工艺面临的挑战

为实现水体污染物减排目标、提高水资源循环利用率、改善河湖水环境质量及恢复水体功能,我国部分典型缺水城市(如北京市)已率先在国标基础上进一步提高对污水排放标准,将排放标准提升至北京市地方标准DB 11/809-2012(接近地表水IV类)。该标准在COD、TN、氨氮和TP等指标更加严格,这对于大部分现有污水处理厂来说,仅通过简单的工艺调整很难达到排放要求。

4.2对于地表水IV类及以上回用要求的A2/O工艺采取的主要措施

一般来说,将污水通过A2/O工艺处理至地表水IV类回用要求时,不仅要具有较高的脱氮除磷水平,还要求具有很高的有机污染物去除性能。在进水满足要求基础上,可采取的总体策略是:一方面,采用现有的二级强化,特别是新型生化强化工艺,尽可能提高二级处理段的脱氮除磷能力;另一方面,需引入深度处理工艺,尤其是以膜技术及其组合工艺为代表的深度回用水处理工艺,可将二级处理出水处理至地表水IV类或以上水质。

①A2/O-MBR及其改进工艺

虽然A2/O工艺具有良好的脱氮除磷效果,但其脱氮效率很难进一步提高。为此,Adam等一批学者提出了将A2/O与MBR相结合(A2/O-MBR工艺)的污水处理方式,不仅出水水质效果好、污染物指标去除率高,而且实现了HRT与SRT之间相互独立,很好地解决了传统活性污泥法同步脱氮除磷时两者所需污泥龄不同的矛盾,不足是膜污染将导致维护运行成本也相应提高。为积极响应北京市政府“污水治理三年行动方案”(2013-2015年),北京市肖家河污水处理厂(8万吨/日)由A2/O升级改造至A2/O-MBR工艺,改造后出水水质由国标一级A标准提高到北京市地标B标准,主要指标满足地表IV类水体标准。在升级改造过程中,该厂表现出诸多亮点,如占地面积小、污水处理无间断、扩建不扩地、节能型MBR技术、紫外加臭氧氧化技术等。

为提高A2/O工艺的脱氮除磷能力,可在一级A提标改造的基础上进一步形成倒置A2/O-MBR和A2/O-A-MBR等组合工艺。张健君等人对倒置A2/O-MBR中试表明,该系统具有高效的生物除磷效果,主要由于倒置A2/O段理想的释磷环境和MBR段膜分离对胶体形态磷的截留作用;董良飞等在A2/O基础上开展了A2/O-A-MBR工艺处理低碳源城市污水的中试研究,经过60天的调试运行,出水已基本达到地表水IV类的回用要求,进一步提高了脱氮除磷的水平。

②A2/O-MBR+膜分离工艺

在A2/O-MBR组合工艺及其改进工艺的基础上,进一步引入膜分离单元作为再生回用的三级处理单元,可以实现污水资源化高效回用。根据深度处理膜单元自身的特点,可将二级处理出水处理至地表水IV类或以上水质。北京市翠湖再生水厂(1.3万吨/日)在传统A2/O工艺基础上增加前置或后置缺氧池,并与MBR相结合,已使得水质可以达到出水达到地表水IV类标准;进一步将其中的0.7万吨/日的MBR出水采用超低压反渗透(DFRO)膜处理,出水水质标准提升至满足国标(GB3838-2002)的地表水Ⅲ类标准,可回灌地下水或用于工业循环用水,同时亦满足翠湖国家湿地公园补水需求。

③ A2/O-MBR+人工湿地工艺

对于氮磷等部分指标偶尔超标的A2/O-MBR工艺,可后续采用潜流人工湿地,发挥植物根系吸收和富氧作用、基质填料截留及微生物的分解作用,进一步去除氮磷等植物营养物,可有效保障A2/O-MBR工艺出水达到地表水IV类限值。

4.3基于再生水厂提标改造A2/O工艺未来发展趋势

截止目前,A2/O及其改进工艺已在我国的大中型污水处理厂中广泛应用并对生态环境保护产生了积极的作用。然而,我国的污水处理工艺首要目标是“去除污染物”而不是“回收能源”,造成了A2/O工艺和国内其他污水处理工艺类似,在实际应用中仍然表现出能耗高、能源自给率低和出水需深度处理等特点。随着污水处理厂的进一步发展,以实现“工艺能耗最小化”、“消化产能最大化”和“能源回收自给最大化”的可持续脱氮除磷将是A2/O工艺未来发展的主要趋势。这就要求未来污水处理厂除了做好节能降耗优化和水资源可持续循环利用以外,还需要集中消化水解污泥、最大程度回收有用资源和提高污水处理厂能源自给率,甚至包括在有适度外源有机废物协同处理的情况下,尽可能做到能源零能耗。

在生态友好性方面,未来污水处理厂应具有感官舒适、建筑和谐、环境互通、环境友好等方面的特征。然而,现有工艺在污水资源化利用进程中仍然难以在实际运行中实现对氮磷等植物营养物的深度去除需求和对环境众多内分泌干扰物的高效净化功能,攻关研发针对此类需求的前瞻性工艺将可能是提高污水处理厂出水生态友好性的主要发展方向。

​5、总结与展望

①针对不同排放水质指标和不同污水特性的污水处理厂升级改造,A2/O工艺出水水质稳定、脱氮除磷效果好、COD去除率高,一般能达到国标一级B或者一级A排放要求,是目前大中型污水处理厂应用最广泛的污水处理工艺。

②A2/O工艺难以通过简单的系统优化达到出水水质接近国标地表水IV类限值标准,A2/O-MBR组合工艺则以其独特的优势在此需求上具有良好的实际工程效果,因此将在污水处理厂改造过程中具有较好的推广潜势。

③A2/O-MBR工艺在提标改造中具有出水水质效果好、升级改造容易等诸多优势,但同时也存在着一些需注意的问题(如维护要求严、运行成本高等),因而存在后续改进完善的空间。

④A2/O及其改进工艺当前表现出能耗水平高、能源自给率低和出水需深度处理等不足,基于“能源回收自给”的A2/O可持续脱氮除磷、植物营养物深度去除和内分泌干扰物高效净化等是其未来发展的主要趋势和方向。


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