分段進(jìn)水多級(jí)A/O 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

陳浩林， 彭軼， 安東， 孫哲， 李朋， 孫事昊， 張婷

（1.北京信通碧水再生水有限公司， 北京 101149； 2.國(guó)投信開(kāi)水環(huán)境投資有限公司， 北京 101101）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化步伐加速推進(jìn)，城市人口數(shù)量急劇增長(zhǎng)， 隨之帶來(lái)城市生活污水和工業(yè)廢水排放量的大量增加。 據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)， 截止2016 年9 月底， 全國(guó)污水處理能力達(dá)1.7 億m3／d。 抽樣調(diào)研全國(guó)19 個(gè)省市自治區(qū)127 座污水廠(chǎng)的結(jié)果可知， 進(jìn)水COD、 BOD5、 TN、 NH3－N的平均質(zhì)量濃度分別為219.97、 81.64、 30.36、 22.83 mg／L［1］， 由此可看出平均進(jìn)水m（BOD5）／m（TN） ＝2.7， 不滿(mǎn)足碳氮比宜大于4 的要求［2］， 故碳源不足。 為保證出水TN 達(dá)標(biāo)排放， 生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)時(shí)不得不外加碳源保障反硝化充分［3］， 進(jìn)而導(dǎo)致污水處理藥耗成本增加。

在工程設(shè)計(jì)時(shí)， 對(duì)生化工藝的選擇需結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)情況選擇高效、 低耗、 合理的工藝， 其中對(duì)于低碳氮比進(jìn)水水質(zhì)， 多級(jí)A／O 工藝［4］可以作為優(yōu)先選擇， 該工藝通過(guò)多點(diǎn)進(jìn)水， 將進(jìn)水中的碳源基質(zhì)充分利用于缺氧段的反硝化， 提高TN 的整體去除率， 相比其他工藝大大節(jié)省碳源投加量； 該工藝各段污泥濃度呈梯度分布， 系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)； 工藝操作靈活， 耐水力沖擊且可防止污泥流失； 工藝自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)即缺氧好氧環(huán)境交替， 無(wú)需內(nèi)回流系統(tǒng)， 節(jié)省系統(tǒng)能耗等。 其中三級(jí)A／O工藝是多級(jí)A／O 工藝最常規(guī)的一種， 工藝計(jì)算作為工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)， 如何在計(jì)算過(guò)程中確定好各種設(shè)計(jì)參數(shù)至關(guān)重要， 如生化池容的大小、 缺好氧池容比、 進(jìn)水分配比、 外回流量等設(shè)計(jì)參數(shù)。

1 池容的設(shè)計(jì)

池容的大小關(guān)系到污染物去除是否充分， 工藝設(shè)計(jì)時(shí)基本根據(jù)HRT 經(jīng)驗(yàn)取值得出池容大小， 經(jīng)驗(yàn)固然重要， 但往往取值過(guò)于保守， 易造成建設(shè)投資過(guò)大， 運(yùn)營(yíng)能源浪費(fèi)， 且后期運(yùn)營(yíng)與設(shè)計(jì)之間形成較大差異， 如運(yùn)行負(fù)荷遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)負(fù)荷， 因此，如何合理優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)值得研究。 通過(guò)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算角度， 假設(shè)： ①將三級(jí)A／O 工藝（圖1）看做是由3 個(gè)A／O 池串聯(lián)而成； ②進(jìn)入系統(tǒng)中的污染物在各級(jí)反應(yīng)中徹底去除無(wú)殘留； ③系統(tǒng)中碳源較充分， 上一級(jí)好氧池中的氨氮完全硝化， 并進(jìn)入下一級(jí)缺氧區(qū)均能充分完成反硝化； ④各級(jí)反應(yīng)池中的pH 值、 堿度適中， DO 充分， 無(wú)毒性有害物質(zhì)存在； ⑤原水中不含硝態(tài)氮， 污泥外回流中不含碳物質(zhì)， 在二沉池中硝態(tài)氮不發(fā)生反硝化反應(yīng)。

圖1 三級(jí)A/O 工藝流程Fig. 1 Flow of three-level A/O process

在計(jì)算時(shí)規(guī)避逐步計(jì)算多級(jí)A／O 中各級(jí)之間的關(guān)聯(lián)影響， 總池容以GB 50014—2006《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2016 版）》要求計(jì)算。 其中好氧池總?cè)莘e計(jì)算時(shí)建議選取污泥負(fù)荷法作為設(shè)計(jì)主體思路。結(jié)合多級(jí)A／O 工藝自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知： 系統(tǒng)優(yōu)先利用第一級(jí)進(jìn)水的含碳有機(jī)物作為電子供體為回流至首端的污泥中的硝態(tài)氮在缺氧區(qū)進(jìn)行反硝化；緊接著在好氧區(qū)進(jìn)行氨氮的硝化和含碳有機(jī)物的氧化反應(yīng)， 后續(xù)依次逐級(jí)反應(yīng)。 由規(guī)范中的計(jì)算公式可看出污泥負(fù)荷法計(jì)算出的好氧池只針對(duì)BOD5的去除， 忽略了TN 硝化計(jì)算； 故通過(guò)BOD5負(fù)荷計(jì)算出池容后， 需校核該池容的TN 負(fù)荷率；若TN 負(fù)荷率過(guò)高， 需通過(guò)先確定一個(gè)TN 負(fù)荷率計(jì)算出一個(gè)好氧池容積， 在TN 負(fù)荷率滿(mǎn)足規(guī)范值小于或等于0.05 kg［TN］／（kg［MLSS］·d）的前提條件下， 取2 種負(fù)荷反復(fù)校核計(jì)算出的最大值為好氧池最后的設(shè)計(jì)總計(jì)算容積。

2 各級(jí)池容、 污泥負(fù)荷及進(jìn)水分配比設(shè)計(jì)

多級(jí)A／O 工藝靈活性較強(qiáng)， 其變化的影響因子也較多， 如進(jìn)水碳氮比、 溫度、 MLSS、 DO、 各級(jí)進(jìn)水流量分配、 缺好氧體積比、 污泥回流比等等； 但若在設(shè)計(jì)上完全考慮各變化因子， 其計(jì)算量和難度均較大。 為簡(jiǎn)化計(jì)算， 可抓住各級(jí)進(jìn)水流量分配和各級(jí)缺好氧體積比這2 個(gè)重點(diǎn)。 各級(jí)進(jìn)水流量分配對(duì)系統(tǒng)中各級(jí)污泥濃度具有稀釋作用， 使各級(jí)反應(yīng)池中的污泥濃度呈梯度分布。 生化系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)變化體系， 可通過(guò)靜態(tài)定量的原則進(jìn)行計(jì)算， 即將各級(jí)A／O 池看做一個(gè)完全反應(yīng)池； 在理想狀態(tài)下， 各級(jí)進(jìn)水污染物在各級(jí)充分獨(dú)立反應(yīng)， 互不剩余積累， 各級(jí)之間不發(fā)生負(fù)荷遷移。 缺好氧體積比主要決定上一級(jí)好氧段產(chǎn)生的硝態(tài)氮能否在下一級(jí)缺氧段中完全反硝化， 嚴(yán)格意義上講， 好氧區(qū)的硝態(tài)氮是由該級(jí)的進(jìn)水量所決定的， 故而上一級(jí)的硝態(tài)氮量需與下一級(jí)缺氧段的反硝化能力相當(dāng)方可保障出水TN。 根據(jù)A／O 工藝計(jì)算結(jié)果， 得出缺好氧總體積比為Vn∶VO， 其中Vn為缺氧區(qū)（池）容積， VO為好氧區(qū)（池）容積。 通常分配方案如以下情況。

2.1 等分池容和等進(jìn)水量設(shè)計(jì)

在二沉池回流污泥濃度為XR的條件下， 該分配方式為三級(jí)A／O 池容均相等， 即各級(jí)缺氧池容均為Vn／3， 好氧池容均為VO／3， 且每級(jí)進(jìn)水量均為Q／3。 各級(jí)污泥濃度衡算見(jiàn)圖2 所示。

該分配方式各級(jí)污泥負(fù)荷逐級(jí)遞增， 各級(jí)污泥負(fù)荷Ls比為（1 ＋3R）∶（2 ＋3R）∶（3 ＋3R）， 最后一級(jí)污泥負(fù)荷最高， 約為第Ⅰ級(jí)負(fù)荷的1.5 倍， 且水力負(fù)荷最大， 實(shí)際HRT 最小， 出水TN 無(wú)法保障，出水氨氮存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。 若設(shè)計(jì)負(fù)荷取值偏低， 則第Ⅰ級(jí)污泥負(fù)荷最低， 在低負(fù)荷條件下易發(fā)生污泥膨脹， 間接將第Ⅰ級(jí)變成絲狀菌為優(yōu)勢(shì)菌種的生物選擇器。

圖2 各級(jí)等比進(jìn)水分配及污泥濃度Fig. 2 Equal ratio distribution of influent water and sludge concentrations of different levels

2.2 等進(jìn)水量和等負(fù)荷設(shè)計(jì)

在進(jìn)水分配比和污泥負(fù)荷確定的條件下， 即已知各級(jí)進(jìn)水分配比為1 ∶1 ∶1， 另再根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)取一負(fù)荷推薦值Ls（0.05 ～0.15 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d））， 同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定最后一級(jí)污泥濃度， 通過(guò)這3 個(gè)參數(shù)即可得到第Ⅲ級(jí)的池容。此時(shí)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在根據(jù)第Ⅲ級(jí)污泥濃度反推第Ⅱ級(jí)污泥濃度， 再反算第Ⅰ級(jí)污泥濃度（見(jiàn)圖3）， 求得各級(jí)污泥濃度即可計(jì)算出各級(jí)容積。 累加各級(jí)池容與總池容V總進(jìn)行校核， 通過(guò)調(diào)整污泥負(fù)荷取值最后使兩者的計(jì)算值相一致。

該分配方式得出各級(jí)池容逐級(jí)增大， 各級(jí)池容比為（3R ＋1）∶（3R ＋2）∶（3R ＋3）， 最后一級(jí)相比第Ⅰ級(jí)池容約大1.5 倍， 不難理解最后一級(jí)接納的水量最多， 應(yīng)保證充分的HRT 方可為微生物新陳代謝提供充足時(shí)間。

圖3 通過(guò)第三級(jí)污泥濃度反算前兩級(jí)污泥濃度示意Fig. 3 Sludge concentrations of the first two stages back calculated through the third stage sludge concentration

2.3 等分池容和等負(fù)荷設(shè)計(jì)

此分配方式， 對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算而言與2.1 節(jié)所介紹的等分池容和等進(jìn)水量設(shè)計(jì)計(jì)算分配方式無(wú)差別， 核心在后期運(yùn)營(yíng)掌握進(jìn)水分配比的調(diào)配， 因此要求運(yùn)維對(duì)設(shè)計(jì)的掌握能力較高， 同時(shí)該設(shè)計(jì)方法對(duì)進(jìn)水和污泥負(fù)荷的調(diào)整的彈性域較寬， 會(huì)對(duì)后期運(yùn)行造成模糊的影響。 在各級(jí)等負(fù)荷條件下， 各級(jí)污泥濃度關(guān)系為XI∶XⅡ∶XⅢ＝Q1∶Q2∶Q3， 因此可借助各級(jí)濃度差反饋調(diào)整各級(jí)進(jìn)水分配比。

對(duì)比以上3 種設(shè)計(jì)策略可知： ①等分池容和等進(jìn)水量設(shè)計(jì)的各級(jí)污泥負(fù)荷呈遞增趨勢(shì)， 相比其他2 種設(shè)計(jì)策略的TN 去除率偏低， 出水存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)， 且在工藝設(shè)計(jì)上存在盲區(qū)， 尤其是第Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)負(fù)荷較低時(shí)， 可為絲狀菌提供優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)環(huán)境； ②等進(jìn)水量和等負(fù)荷設(shè)計(jì)中各級(jí)池容呈遞增趨勢(shì)， 可使各級(jí)微生物出力均衡， 保障進(jìn)入各級(jí)反應(yīng)池中污染底物的有效去除； ③等分池容和等負(fù)荷設(shè)計(jì)中各級(jí)污泥濃度與進(jìn)水流量分配呈正相關(guān)， 與等分池容和等進(jìn)水量設(shè)計(jì)無(wú)差別。 以上3 種設(shè)計(jì)方式， 最佳設(shè)計(jì)方法為等進(jìn)水量和等負(fù)荷設(shè)計(jì)， 相比其他2 種方法更合理可行。

3 回流污泥比設(shè)計(jì)

對(duì)于連續(xù)流脫氮工藝， 常規(guī)設(shè)計(jì)將二沉池中回流污泥回流至系統(tǒng)首端， 即第Ⅰ級(jí)缺氧段前端。 回流MLSS 一般為系統(tǒng)平均MLSS 的2 ～3 倍， 回流比大小直接影響到系統(tǒng)MLSS 和TN 的去除率。 通過(guò)以上設(shè)計(jì)計(jì)算推導(dǎo)可看出， 污泥的負(fù)荷、 池容比與回流比緊緊相關(guān)， 在設(shè)計(jì)時(shí)回流比的選取至關(guān)重要。 從系統(tǒng)污泥角度來(lái)看， 回流比過(guò)小， 回流MLSS 較高， 直接拉高第Ⅰ級(jí)好氧段MLSS， 必然增加第Ⅰ級(jí)好氧段的溶解氧需求量［5］， 即使有足夠的硝化菌數(shù)量， 但曝氣供氧能力不足將會(huì)導(dǎo)致氨氮未充分硝化依次積累進(jìn)入下一級(jí)反應(yīng)區(qū)， 前兩級(jí)累積的氨氮對(duì)第Ⅲ級(jí)O 池造成高氨氮負(fù)荷， 出水氨氮壓力過(guò)大。 若增大回流比， 一方面將影響二沉池污泥沉降， 泥水分離不徹底； 另一方面增大能耗，增加處理成本； 同時(shí)， 還會(huì)影響剩余污泥的排放，常規(guī)設(shè)計(jì)將回流污泥管與剩余污泥管均布置在二沉池的儲(chǔ)泥池中， 即回流MLSS 與剩余排放污泥的MLSS 相等， 回流比過(guò)大造成剩余污泥MLSS 偏低，進(jìn)而影響脫泥機(jī)效率、 脫泥加藥量、 脫泥過(guò)濾液等。 王偉等［5］指出對(duì)于分段進(jìn)水A／O 工藝生物脫氮最佳回流比為0.75。

從工程設(shè)計(jì)角度， 回流比取值與生化池各級(jí)池容有較大關(guān)聯(lián)。 以等進(jìn)水量和等負(fù)荷設(shè)計(jì)條件為例，若回流比取值100%， 則各級(jí)池容比為1 ∶1.25 ∶1.5；若回流比取值75%， 則各級(jí)池容比為1 ∶1.3 ∶1.6； 若回流比取值50%， 則各級(jí)池容比為1 ∶1.4 ∶1.8； 可見(jiàn)第Ⅱ級(jí)、 第Ⅲ級(jí)池容隨回流比降低而增大。 分析不同水力工況條件， 在回流比為100% 時(shí)， 第Ⅲ級(jí)池容相比第I 級(jí)池容大50%， 而處理水量比第Ⅰ級(jí)多達(dá)66%； 第Ⅲ級(jí)池容相比第Ⅱ級(jí)池容大20%，而處理水量比第Ⅱ級(jí)多達(dá)34%； 同理可知， 在回流比為75% 時(shí)， 第Ⅲ級(jí)池容相比第I 級(jí)池容大60%， 第Ⅲ級(jí)池容相比第Ⅱ級(jí)池容大23%； 在回流比50% 時(shí)， 第Ⅲ級(jí)池容相比第Ⅰ級(jí)池容大80%，第Ⅲ級(jí)池容相比第Ⅱ級(jí)池容大29%； 回流比越小，第Ⅰ級(jí)的水力停留時(shí)間越短， 第Ⅲ級(jí)的水力停留時(shí)間較長(zhǎng)， 難以保證第Ⅰ級(jí)脫氮， 易造成氨氮或硝態(tài)氮的富集， 導(dǎo)致后續(xù)各級(jí)脫氮反應(yīng)壓力上升。 綜合考慮微生物的生長(zhǎng)屬性、 運(yùn)行條件和基建投資， 工藝設(shè)計(jì)時(shí)折中取值回流比為0.75。

4 分段進(jìn)水三級(jí)A／O 工藝工程設(shè)計(jì)

北方某城鎮(zhèn)再生水廠(chǎng)處理水量為180 000 m3／d，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)要求見(jiàn)表1。 該再生水廠(chǎng)擬采用分段進(jìn)水三級(jí)A／O 工藝處理污水， 根據(jù)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算， 其中生化池分成4 個(gè)系列。

表1 再生水廠(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)Tab. 1 Design influent and effluent water quality of reclaimed water plant

4.1 總池容的確定

（1） 缺氧池容積。 假設(shè)A／O 工藝中好氧池平均MLSS 為4 500 mg／L， 污泥回流比R 為0.75， 則回流污泥的MLSS 約為10 500 mg／L。 在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)忽略回流污泥中攜帶的含碳有機(jī)物濃度。 受A／O 工藝結(jié)構(gòu)的限制， 好氧末端無(wú)反硝化條件， 故回流污泥中攜帶一部分NOX--N， 在設(shè)計(jì)時(shí)回流污泥中的TN（以NOX--N 計(jì)）取值10 mg／L。 同時(shí)需注意考慮混合液回流對(duì)進(jìn)入缺氧池各污染物濃度的稀釋影響， 規(guī)范推薦混合液回流比取值為100% ～400%， 本計(jì)算取值為200%。 根據(jù)GB 50014—2006（2016 版）公式（6.6.18-1）計(jì)算缺氧段容積（對(duì)于含硝態(tài)氮的工業(yè)廢水， 為規(guī)避進(jìn)水硝態(tài)氮過(guò)高的影響，可將公式中的總凱氏氮濃度以TN 濃度計(jì)）， 式中y取值0.5， 污泥總產(chǎn)率系數(shù)Yt取值0.6 kg［MLSS］／kg［BOD5］， Kde（20）取值0.038 kg［NO3--N］／（kg［MLSS］·d）， 計(jì)算出每一系列缺氧池總池容為15 000 m3，HRT 為8.0 h。

（2） 好氧池容積。 好氧池容積根據(jù)污泥負(fù)荷法進(jìn)行計(jì)算， 先結(jié)合規(guī)范取設(shè)計(jì)污泥負(fù)荷Ls＝0.08 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）， 計(jì)算出每一系列好氧池容為6 700 m3； 再通過(guò)TN 負(fù)荷校核， 規(guī)范要求TN 負(fù)荷≤0.05 kg［TN］／（kg［MLSS］·d）， 滿(mǎn)足要求。 但在實(shí)際工程應(yīng)用中， 應(yīng)有足夠的硝化時(shí)間滿(mǎn)足脫氮要求， 且受實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)的影響［6-7］， 需謹(jǐn)慎取值， 故取TN 負(fù)荷為0.02 kg［TN］／（kg［MLSS］·d）計(jì)算得出每一系列好氧池容為15 500 m3， HRT 為8.2 h。

經(jīng)計(jì)算得出： 一個(gè)系列A／O 池的總有效容積為30 500 m3， 總HRT 為16.2 h， 缺氧池、 好氧池的池容比約為1 ∶1。

4.2 各級(jí)池容的確定

各級(jí)池容按照等進(jìn)水比和等負(fù)荷分配， 外回流污泥比取值為0.75（設(shè)備選取100%）， 各級(jí)進(jìn)水分配比為1 ∶1 ∶1， 則各級(jí)池容比為1 ∶1.3 ∶1.6， 即第Ⅰ級(jí)池容為7 800 m3， 第Ⅱ級(jí)池容為10 120 m3， 第Ⅲ級(jí)池容為12 500 m3； 各級(jí)好氧池污泥負(fù)荷Ls＝0.11 kg［BOD5］／（kg［MLSS］·d）。

5 結(jié)語(yǔ)

分段進(jìn)水多級(jí)A／O 工藝作為高效低耗生物脫氮工藝， 近幾年多用于新建、 改擴(kuò)建再生水廠(chǎng)案例中。 因工藝自身的優(yōu)勢(shì)可使各級(jí)污泥濃度呈梯度分布， 污泥儲(chǔ)量較大， 原水碳源利用率和脫氮效率較高， 但該工藝的計(jì)算往往受經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際情況的限制。 多級(jí)A／O 工藝的靈活性較強(qiáng)， 進(jìn)水比、 回流污泥比、 碳氮比、 DO 等影響因子較多， 難以在設(shè)計(jì)中逐個(gè)控制并參與計(jì)算， 通過(guò)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算角度，將動(dòng)態(tài)過(guò)程靜態(tài)化作為設(shè)計(jì)計(jì)算的突破口， 抓住關(guān)鍵點(diǎn)即進(jìn)水分配比和污泥負(fù)荷進(jìn)行常規(guī)計(jì)算。 設(shè)計(jì)定性控制與運(yùn)行操控不一致， 如各級(jí)進(jìn)水比的調(diào)節(jié)， 可通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行分配， 建議未來(lái)多級(jí)A／O 工藝在設(shè)計(jì)之初考慮在各缺氧段進(jìn)水前端引入智能流量監(jiān)測(cè)儀器， 便于后期運(yùn)行對(duì)工藝調(diào)整。