多段多级AO除磷脱氮工艺汇报.ppt

多段多级AO除磷脱氮工艺研究studyonanaerobicmultilevelanoxic oxicnitrogenandphosphorusremovalprocess 主要内容 前言AMAO除磷脱氮工艺发展背景AMAO除磷脱氮工艺流程及基本原理AMAO除磷脱氮工艺主要特点AMAO除磷脱氮工艺设计参数AMAO除磷脱氮工艺工程应用实例结语 前言 多段多级AO AnaerobicMultilevelAnoxic oxic AMAO 除磷脱氮工艺 是一种污水生物处理高效除磷脱氮技术 特别适用于城市污水处理的新建和改造项目 该工艺是由中国市政工程西北设计研究院有限公司研究开发的 它采用分段进水技术将原污水分配到生物池中 使其形成交替的多级缺氧 好氧环境 强化了生物脱氮除磷效果 并在生物池首端设置厌氧区 创造良好的厌氧释磷环境 有效的保证了去除污水中的总磷 1 AMAO除磷脱氮工艺发展背景 国内外目前广泛采用的污水除磷脱氮工艺效果是比较好的 但为达到较高的脱氮效果 必须同时进行污泥回流和加大硝化液的内回流 往往还需要外加碳源和补充碱度 工艺流程较长 占地面积大 基建投资和运行费用高等 这些缺点制约了目前采用的污水除磷脱氮处理工艺的广泛应用 国内外的工艺试验研究和工程应用结果表明 分段进水多级AO工艺具有除磷脱氮效率高 基建投资和运行费用省 运行管理方便等优点 适用于各种规模污水厂的改造和新厂建设 是一种很有发展前途的污水处理新工艺 市政西北院近几年对AMAO工艺的研究和开发做了大量工作 取得了较多成果 于2009年8月向国家知识产权局申请了 多段多级AO除磷脱氮工艺 发明专利和实用新型专利 并于2010年5月26日获得实用新型专利证书 专利号 ZL20169187 2 近两年我院天津分院在云南曲靖市 山东潍坊市 安徽阜阳市 天津宁河县等城市的污水处理厂新建和改造项目中采用AMAO工艺 取得了良好的效果 2 AMAO除磷脱氮工艺流程及基本原理 AMAO除磷脱氮工艺流程图 工艺流程 AMAO工艺采用分段进水技术将原污水分配到生物池中 使其形成交替的多级缺氧 好氧环境 强化了生物脱氮除磷效果 并在生物池首端设置厌氧区 创造良好的厌氧释磷环境 有效的保证了去除污水中的总磷 1 硝化菌和聚磷菌存在着基质竞争和泥龄的矛盾污水除磷脱氮过程中 存在着生物脱氮与生物除磷过程在水力停留时间和污泥龄的相互矛盾 在碳源方面 反硝化菌的增殖很明显与聚磷菌的增殖发生竞争 工艺基本原理 2 培养弱势菌群硝化菌和聚磷菌成为优势菌群 提高活性污泥法除磷脱氮效率的实质就是通过一系列工程技术方法 将弱势菌群硝化菌和聚磷菌培养成为优势菌群 在硝化反硝化过程中 硝化菌与脱碳菌相比是弱势群体 在厌氧区往往同时存在聚磷菌和反硝化菌 这两者中聚磷菌是弱势群体 要提高生物除磷脱氮效果 应提高硝化菌和聚磷菌在活性污泥系统中的比例 改变弱势菌群的现状 3 高污泥浓度 低BOD5及NH4 N浓度 可使硝化菌和聚磷菌成为优势菌群 根据实验数据 当生物反应池中污泥浓度MLSS大于5000mg L后 硝化菌和聚磷菌的比增殖速度加快 这两种菌群在活性污泥总量中的比例增大 从而提高硝化速度和厌氧释磷速度 此外 当生物反应池中BOD5及NH4 N浓度较低时 硝化菌和聚磷菌的比增殖速度加快 这两类菌群在活性污泥总量中的比例增大 从而提高硝化速度和厌氧释磷速度 进而提高脱氮除磷效果 4 AMAO工艺生物池内污泥浓度高 BOD5及NH4 N浓度低 可提高除磷脱氮效果 AMAO除磷脱氮工艺 生物池内形成一个高污泥浓度梯度 在不增加生物池出流MLSS质量浓度情况下 生物池内平均污泥浓度及污泥龄增加 此外 污水分多段进水 使生物池各段处于低营养状态 生物池各段的BOD5 NH4 N处于低浓度状态 因此AMAO除磷脱氮工艺中的硝化菌和聚磷菌比增殖速度加快 在活性污泥总量中的比例增大 从而提高除磷脱氮效果 5 AMAO工艺生物池各级好氧区硝化液直接进入下一级反硝化区有利提高除磷脱氮效果 AMAO除磷脱氮工艺 由于采用分段进水 生物池中每一级好氧区进行硝化菌的硝化反应和聚磷菌的生物吸磷反应 产生的硝化液直接进入下一级的反硝化区进行反硝化 这样就无需设硝化液内回流设施 且在反硝化区可以充分利用污水中的有机物作为碳源 一般可以在较低碳源条件下达到较高的反硝化效率 3 AMAO除磷脱氮工艺主要特点 生物池内平均污泥浓度高AMAO除磷脱氮工艺 回流污泥全部进入生物池前端厌氧区 污水分多段进入生物池厌氧区和缺氧区 这样在生物池内形成由高到低的污泥浓度梯度 在不增加生物池出流MLSS的质量浓度下 生物池内平均污泥浓度增加 终沉池的水力负荷和固体负荷均没有变化 使得聚磷菌和硝化菌比增殖速度加快 在活性污泥总量中的比例增大 从而提高除磷脱氮效果 提高出水水质 对AMAO工艺生物池中生物量物料平衡计算可得下列方程式 3 1 3 2 式中 n 进水段数 i 每段进水流量分配比例 r 污泥回流比xr 回流污泥浓度 mg L xi 每段生物池的污泥浓度 mg L xl 原污水污泥浓度 mg L 对常规活性污泥生物池中生物量平衡计算可得下列方程 3 3 式中 x 常规活性污泥法生物池中的污泥浓度假设多段多级AO生物池中各级池容相等 则可得到下列方程式 3 4 式中 x平均 生物池平均污泥浓度 mg L 假设原污水浓度300mg L 回流污泥浓度9000mg L 多段多级AO生物池分段数为4 各段流量分配比均为25 则当回流比分别为50 60 70 80 90 100 时 据方程 3 4 可计算各级污泥浓度值如下表 表中第四级的污泥浓度值与常规活性污泥法生物池中的污泥浓度相等 显然多段多级AO生物池内的平均污泥浓度比常规活性污泥法生物池污泥浓度高很多 两者比值大约为1 25 1 39 生物池各级有机物分布均匀 处于低碳源状态 污水分多段进入生物池的厌氧区和缺氧区 生物池各级有机物分布均匀 BOD5及NH4 N负荷均衡 这种状态能促使硝化菌和聚磷菌比增殖速度加快 处于生长优势 增大这两类菌群在活性污泥总量中的比例 提高脱氮除磷效果 此外 BOD5及NH4 N负荷均衡 一定程度上缩小了供氧速率与好氧速率之间的差距 可降低能耗 各段缺氧区只进入部分原水 反硝化菌优先利用原污水中易降解有机物进行反硝化反应 减少了好氧区异养菌对有机物的竞争 因此可以最大程度的利用原污水中的碳源进行反硝化 尤其适用于碳源不足的城市污水生物处理 脱氮效率高 多段多级AO除磷脱氮工艺 对氮的去除包括两部分 一是由硝化反硝化反应去除的氮 一是通过剩余污泥排放去除的氮 根据物料平衡可得到下列方程式 3 5 式中 Q 进入生物池总流量 m3 d Qs 剩余污泥排放量 m3 d n 通过硝化反硝化氮去除率 Cn1 进入生物池总氮的质量浓度 g m3 Xr 剩余污泥的质量浓度 g m3 A 剩余污泥中的含氮量 g n g ss 脱氮物料平衡图 假设生物池内各级好氧区已完全进行硝化反应 各级缺氧区已完全进行反硝化反应 则生物池出水的氮物料平衡可得下列方程式 3 6 式中 r 污泥回流比 n 生物池最后一段进水流量分配比例 通过剩余污泥排放去除的氮 根据物料平衡可得下列方程式 3 7 式中 s 通过剩余污泥排放氮去除率 将方程式 3 6 3 7 代入 3 5 得 3 8 若生物池各段进水流量分配比例相同 则可得 3 9 式中 n 生物池进水分段数 由方程 3 8 和 3 9 可以看出 多段多级AO除磷脱氮工艺由硝化 反硝化反应去除的脱氮率 与生物池进水段数和污泥回流比呈正相关 与生物池最后一段的进水流量分配比例呈负相关 最后一段进水量比例越少 理论上脱氮率越高 通过计算得四段多级AO除磷脱氮工艺的理论脱氮率可达85 3 而要达到相同的脱氮率 常规单级AO工艺除了70 的污泥回流外 至少还需300 的混合液回流 由此可见 AMAO工艺在脱氮方面具有明显的优势 好氧区硝化液直接进入缺氧区 生物池各级好氧区硝化液直接进入下一级缺氧区 不需要设置硝化液内回流设施 仅需50 70 的污泥回流 而对于传统AO工艺 除50 100 污泥回流外 还需200 300 的硝化液内回流 因此简化了工艺流程 节省了动力费用 回流系统能耗降低70 左右 生物池池容小 在保持两者泥龄相同情况下 两种工艺所需生物池池容比较如下 假设原污水中SS浓度忽略不计 污水分4段进入生物池 回流污泥比50 各段流量分配比均为25 回流污泥浓度9000mg l 最后一级生物池可得方程式 3 10 式中 xn 最后一级生物池的MLSS质量浓度 mg lxr 回流污泥质量浓度 mg l 同理 对生物池各级可得出其混合液浓度方程式 3 11 式中 xi 第i级生物池的MLSS质量浓度 mg lQm 流入第m级生物池的污水量 m3 d根据 3 10 3 11 方程计算得的数值见下表 常规除磷脱氮工艺与AMAO工艺生物池池容比较表 由上表可知 AMAO工艺生物池容积仅为常规工艺生物池容积的75 可节省工程投资 节省工程投资降低运行费用 如前所述 AMAO工艺与常规工艺相比 在生物池出水MLSS浓度相同情况下 AMAO工艺的生物池平均MLSS浓度较高 所需生物池容积可减少25 左右 生物池各级好氧区硝化液直接进入下一级缺氧区 不需设置硝化液内回流设施 不仅省去了内回流泵并节省了动力费用 因此AMAO工艺可节省工程投资 并降低运行费用约为回流系统能耗的70 左右 减少碱度物质投加量 AMAO工艺由于硝化反硝化交替进行 在硝化过程中被消耗的碱度 在反硝化过程中可以得到一定程度的补偿 这样在生物处理系统中 碱度不会发生很大的变化 PH值基本上能维持在7 8之间 一般不需要再补充碱度 若需补充碱度则可大大减少碱度物质投加量 减少污泥膨胀 污水处理厂运行中通常发生的污泥膨胀绝大多数为丝状菌污泥膨胀 AMAO工艺缺氧好氧环境交替存在 使其生态环境有利于菌胶团细菌生长 应用生物竞争的机制抑制丝状菌的过度生长和繁殖 将丝状菌控制在合理的范围内 从而减少丝状菌污泥膨胀的发生 有利于实现短程硝化反硝化和同步硝化反硝化 AMAO工艺由于生物池内硝化反硝化交替进行 PH值一般能维持在较高值 7 4 8 3 较高的PH值使亚硝酸盐积累率达到很高 有利于实现短程硝化反硝化 另外 AMAO工艺在同一时间内有多个区域同时发生硝化和反硝化反应 这非常接近于同步硝化反硝化 其特征基本相似于同步硝化反硝化 污水厂升级改造较简单 采用常规的生物处理工艺往往需要增加生物池容积 新征土地等 而采用AMAO工艺 一般不需要增加生物池容积 只需将污水改为分多段进入生物池 部分生物池改为缺氧区 使生物池改造成污水多段进入多级缺氧好氧串联运行 取消内回流系统 适当调整生物池曝气系统 这样使污水厂升级改造比较简单 而且可大大减少升级改造投资 升级改造后 还可减少运行费用 抗冲击负荷能力强 如前所述 AMAO除磷脱氮工艺生物池各级污染物分布均匀处于较低浓度状态 同时处在高污泥浓度下运行 因此提高了生物池对水质水量变化冲击负荷的适应能力 使处理效果稳定 4 AMAO除磷脱氮工艺设计参数 生物池级数生物池级数对污水处理系统运行的稳定性 脱氮效率有着非常重要的作用 生物池级数越多 生物池混合液越趋于完全混合 与传统生物处理工艺相比 在相同生物池容积和二沉池固体负荷情况下 AMAO工艺的处理水量会逐渐增加 但当级数大于5时 其工艺体现的性能优势将不再明显 综合考虑处理效果 经济合理性和操作运行管理 工程设计和应用中以3 5级为宜 我院在2009年 2010年新设计的和升级改造的污水处理厂 如云南曲靖污水处理厂 阜阳市颍东污水处理厂 天津宁河现代产业区污水处理厂 山东潍坊市污水处理厂 山东潍坊市高新区污水处理厂等均采用四级AMAO工艺 对处理规模较小的山东文登市葛家镇污水处理厂 采用三级AMAO工艺 美国ArchieElledge及纽约的Tallman岛污水处理厂采用四级AMAO工艺 加拿大Lethbridge污水处理厂采用五级AMAO工艺 日本琵琶湖流域东北部净化中心及美国Vancouverwestside污水处理厂采用三级AMAO工艺 生物池各级进水量比例 生物池各级进水流量分配比例应考虑各级缺氧区进水量能够提供将上一级好氧区的硝酸盐完全反硝化所需的碳源 第一级进水量应满足释磷反应和将回流污泥中硝酸盐反硝化所需要的碳源 最后一级进水流量应尽可能小 以保证出水总氮达标 根据进水水质 出水水质 水温及进水量进行流量分配 一般可采用等负荷流量分配法和流量分配系数法 也可根据实验或参考类似工程进行流量分配 等负荷流量分配法 假设AMAO工艺生物池采用四段进水四级AO串联 其水量平衡见下图 r 污泥回流比 回流污泥量 生物池总进水量 r1 r2 r3 r4 第1 2 3 4段进水量与总进水量的比So 进入生物池的COD浓度 mg l Ao 进入生物池总氮浓度 mg l Ne 出水硝酸盐氮浓度 mg l 生物池各级悬浮固体浓度 MLSS 呈梯度分布 为保证硝化反应效果 进水流量一般应呈递减分布 根据生物池内物料平衡 并控制各级好氧区硝化菌的F M值相等 假设原污水中无硝酸盐及亚硝酸盐 生物池出水中只有硝酸盐氮无氨氮及亚硝酸盐氮 回流污泥中无氨氮和可生物降解物质 则可得方程式 由方程 4 1 和 4 2 可以求得进入生物池各段的流量分配比 该流量分配比可以满足生物池各段好氧区硝化菌的F M相同 流量分配系数法 流量分配系数法可以充分利用原污水中的碳源 可提高生物池脱氮效率 并使最后一段进水量最少 先计算原污水进到第一段缺氧区的污水量最小比例 根据生物池内物料平衡 假设第一段缺氧区将硝酸盐完全反硝化 则可得方程式 4 3 式中 转化单位NO3 N成氮气需要消耗的有机物质数量 通常以BOD5或COD来表示 值与原污水水质 污泥停留时间 内源衰减系数及可生物降解有机物比例等有关 当处理的原污水为生活污水时 由实验得 值约为7 0mgCOD mgNO3 No按计算得的r1值进水比例可使回流污泥携带的NO3 N在该缺氧区进行完全反硝化 同理可推出如下方程式 4 4 式中 ri 第i段完全反硝化所需的最小进水量比当原污水COD TKN 此时生物池进水流量按递减分配较好 当原污水COD TKN 此时生物池进水流量按递增分配较好 进入最后一段的TKN浓度和二沉池出水的NO3 N浓度相同 可得如下方程式 4 5 实际运行时 可以按方程 4 3 计算得到的第一段进水量分配比数值来优化污泥回流比等控制参数 该进水量可以将回流污泥中携带的硝酸盐氮完全反硝化去除 各级缺氧区 好氧区容积比 缺氧区和好氧区的容积比对除磷影响不大 对硝化和反硝化效果影响很大 对可生化性较好的污水 A O容积比采用较小值 对可生化性较差的污水 A O容积比采用较大值 污水温度较低 A O容积比采用较小值 污水温度较高 A O容积比采用较大值 缺氧区和好氧区容积比一般为1 1 5 1 2 5 有学者研究表明 在满足硝化和去除有机物要求的前提下 缺氧区和好氧区的容积比增加为1 1 6时 提高了反硝化除磷菌在聚磷菌中的比例 进而提高有机物 氮磷的去除 污泥回流比 AMAO工艺一般情况下可省去内回流 只设置外回流系统 污泥回流至首端厌氧区 污泥回流比大小主要影响生物池污泥浓度 污泥龄以及对总氮 总磷的去除率 选择合适的污泥回流比要兼顾生物池总氮和总磷去除效果 工程测定资料 进水比例为25 25 25 25 的情况下 回流污泥对出水TN的影响 见下表 污泥回流量对总氮去除效果的影响 不同回流比的试验结果统计表 平均值 由上表看出 随着污泥回流比增大 生物处理系统的TN去除率提高 TP去除率却呈现下降趋势 此外 污泥回流比增大 还会增加动力消耗和运行费用 因此 污泥回流比大小只需保证生物池内有足够的污泥浓度 设计和运行控制中 污泥回流比由水质水量 污泥活性等具体情况确定 综合考虑各种因素污泥回流比一般取50 70 污泥回流泵能力按80 污泥回流比选用 溶解氧 DO 浓度 AMAO工艺中的溶解氧 DO 涉及各级好氧区中的DO浓度 及从好氧区到缺氧区携带的DO浓度 对四段四级AMAO工艺在进水流量分配等比例的情况下 进入缺氧区的DO对反硝化反应的影响见下表 进入缺氧区DO对TN去除的影响单位 mg L 试验发现 好氧区DO浓度下降 并未使COD和TP的去除率降低 但总氮的去除率发生明显变化 当好氧区浓度控制在2 0mg L左右 同步硝化反硝化几乎没有发生 平均TN去除率仅为70 当好氧区DO浓度控制在1 2mg L时 TN去除率提高到75 2 出现较低程度的同步硝化反硝化现象 当好氧区DO浓度下降到0 6mg L 平均TN去除率提高到87 综合各种因素 AMAO工艺中DO浓度建议采用值如下 最后一级好氧区的DO浓度控制在1 4 1 8mg L 其余各级好氧区的DO浓度控制在0 5 1 0mg L 从好氧区末端进入缺氧区的DO浓度控制在0 2 0 3mg L 生物池内污泥浓度 AMAO工艺其生物池内形成由高到低的污泥浓度梯度 池内平均污泥浓度比常规活性污泥法工艺高 使得聚磷菌和硝化菌比增殖速度加快 数量增多 在活性污泥总量中的比例增大 从而提高除磷脱氮效果 提高出水水质 要提高生物池MLSS 就要增大污泥回流量 综合考虑各种因素污泥回流比一般取50 70 合理确定生物池内MLSS是提高除磷脱氮效果 保证生物处理系统正常运行的重要数据 本文提出以下方法确定MLSS 以生物池出水MLSS控制在3500mg L 4500mg L 污泥回流比取50 70 根据二次沉淀池表面水力负荷和排泥浓度 使二沉池固体负荷小于等于150kg m2d 一般按小于140kg m2d控制 化学物质投加点 对AMAO工艺当进水BOD5 TKN 3时 需外加碳源 一般采用投加甲醇或其他化学物质 四段四级AMAO工艺等比例进水情况下对不同投加点的碳源进行测试比较 控制出水TN 5mg L 结果如下表 碳源投加点对投加量的影响 从上表可知 综合考虑碳源投加点选在最后一段为最佳方案 此外 AMAO工艺如需要投加碱度可直接投加至回流污泥或首段厌氧池中 污泥泥龄 SRT 脱氮和除磷对泥龄的要求是相反的 脱氮要求较长泥龄 除磷却要求较短泥龄 同时需要除磷脱氮的生物处理系统中 最小泥龄须优先考虑硝化菌而非反硝化除磷菌 在常温下聚磷菌的最小泥龄小于硝化菌的最小泥龄 但可将两者的最小泥龄视为相同 室外排水设计规范 规定污泥龄应取10 20d 通常建议污泥龄取12 16d 5 AMAO除磷脱氮工艺工程应用实例 国外工程应用实例迄今为止 美国 日本 加拿大 新加坡 新西兰和欧洲等国家 已经在污水处理厂中广泛采用AMAO工艺 下表中列举几个工程的污水厂处理能力及运行效果 由表可知 AMAO工艺脱氮除磷效率明显高于传统A2 O工艺 国外AMAO工艺工程应用实例 国内工程应用实例 近几年我国已建成和正在建设的 包括新建和改造 很多座污水处理厂均采用多段多级AO除磷脱氮工艺 国内工程实例 西安邓家村污水处理厂 已完成4 104m3 d规模的工程验证 并已通过鉴定 天津纪庄子污水处理厂 已完成10 104m3 d规模的工程验证 并已通过鉴定 45 104m3 d规模的改造工程正在施工 即将完工投产运行 天津市东郊污水处理厂 32 104m3 d规模的改造工程正在施工 即将完工投产运行 云南曲靖污水处理厂 原工艺为AB法 改造为多段多级AO除磷脱氮工艺 污水厂规模8 104m3 d 已建成投产运行 出水水质达到设计水质标准 山东潍坊市污水处理厂 规模10 104m3 d 原工艺为奥贝尔氧化沟 改造为多段多级AO除磷脱氮工艺 已建成投产运行 出水水质达到设计水质标准 山东潍坊市高新区污水处理厂 规模5 104m3 d 原为A O脱氮工艺 改造为多段多级AO除磷脱氮工艺 已建成投产运行 出水水质达到设设计水质标准 安徽阜阳市颍东污水处理厂 规模3