分点进水脱氮除磷新工艺及其应用.doc

分点进水脱氮除磷新工艺及其应用
李昂，张雁秋，李燕
（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221008）
摘要：分点进水脱氮除磷新工艺（ECOSUNIDE）根据先进的统一动力学理论、动力学负荷理论、污泥浓度优化理论、同步硝化反硝化理论、种群增殖速度的密度控制理论、种群增殖速度的营养工况控制理论等先进理论作为其主要理论基础，具有脱碳、脱氮、除磷效率高，总停留时间短，运行费用较低的显著优点，并已在工程实际中得到成功应用。
关键词：生态优势硝化反硝化；活性污泥；脱氮除磷；
Applications of ECOSUNIDE with High Efficient Nutrient Removal
Li Ang, Zhang Yanqiu, Li Yan
（School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, XuZhou 221008, China）
Abstract: ECOSUNIDE (ecological superior nitrification denitrification), based on advanced theories including uniform dynamic, dynamic loading, sludge concentraion optimization, simultaneous nitrification and denitrification, etc., is characterized by high removal efficiency of COD, BOD, nutrient, short total detention period, low operating cost, etc.. This process has been successfully applied in several engineering practices.
Key words: ecological superior nitrification denitrification；activated sludge；nutrient removal；
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废水中氮、磷含量的增加会引起水体的富营养化。传统化学法或物理化学法进行脱氮、除磷不仅运行费用高，也不适合污水处理量很大的城市。生物脱氮除磷技术由于具有同时脱除C、N、P且处理成本低等优点而得到广泛应用。但脱氮除磷过程中存在的基质竞争和泥龄不同的矛盾使得处理效果相对较差，因此，处理好两者之间的矛盾成为城市污水处理工艺亟待解决的问题。
1．分点进水高效脱氮除磷理论
分点进水高效脱氮除磷新工艺[1]以张雁秋教授自主提出的统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论等为理论依据，创造出特殊工艺条件，提高活性污泥的硝化菌、聚磷菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢、除磷量较少的瓶颈，实现了短时高效脱氮除磷。该工艺具有脱碳、脱氮效率高，总停留时间短，运行费用较低的显著优点。
1.1 统一动力学理论
活性污泥自创始以来，并没有一个是通用的并广泛被接受的动力学方程；Michaelis and Menten提出的一相说与Eckenfeider提出的两相说之间存在着明显矛盾。为解决这一长期悬而未决的的矛盾，张雁秋教授提出一个新的酶动力学方程[1]:
(1)

*国家科技成果重点推广计划（2004EC000132）
*基金项目：中国矿业大学科技基金（0P080307）
此方程从理论上成功解决了废水生物处理反应动力学领域内多种学说不统一的问题。
统一动力学理论揭示了生物因子非线性反应的现象，即生物浓度较高时，反应速度与生物浓度呈非线性关系。
1.2 动力学负荷理论
污水处理厂水处理系统中，定义有许多负荷类型，这些负荷有各自的适用范围。为了更能够从生物自身生长特性反应有机物的动力学降解过程，接近生物处理本质，结合米-门方程，提出了动力学负荷理论及其设计方法[2]：
BOD、NH4+
V
0.4

0.2

0
10 20 30 40 50
图1 在不同BOD及NH4+浓度下的微生物比增值速度V

脱碳（BOD）菌

硝化（NH4+）菌

（2）
（3）
式中，―活性污泥系统动力学负荷；―最大反应速度常数；―反应器内底物对数平均浓度；
―米氏常数，又称半饱和常数；—活性污泥比增殖速度。
根据式（2）及式（3）可以分别计算出脱碳菌类及硝化菌类在不同浓度下的比增殖速度V，并绘图如图1。从图1可以看出，要提高硝化微生物在活性污泥中的比例，造成硝化过程优势，必须使BOD、NH4+浓度不大于图2中两条曲线的交点。

1.3 回流污泥浓度优化理论
X
Xr
X0
0 1 2 3 4 5 6
2

1
6

回流污泥浓度优化理论与传统理论模型相比能更为准确地找出最佳污泥回流比[3]，提高活性污泥法工艺效率。根据曝气池污泥浓度计算公式，提出回流污泥浓度计算模型为：
(克/升)
（4）
r
式中，X为曝气池污泥浓度；r为污泥回流比；Xr为回流污泥浓度；Xm为重力沉降情况下的最高污泥浓度；k为沉降速度常数，与二沉池构造和污泥特性有关；Vr为二沉池污泥区容积；Q为处理水量。
图2 回流比对曝气池污泥浓度及回流污泥浓度的影响
曝气池污泥浓度X及回流污泥浓度Xr随回流比的变化趋势见图2。由图2可以看出：回流比增大，Xr随之逐渐降低，而X则逐渐增高；当回流比趋向于无穷大时，二者趋向于同一数值。
1.4 同步硝化反硝化理论
通过控制曝气池溶解氧浓度，结合分点多段进水，创造有利于同步硝化反硝化的工况，从而降低回流污泥中的溶解氧，以利于厌氧段磷的释放。
2．生态优势硝化反硝化脱氮除磷新工艺在工程实践中的应用
分点进水高效脱氮除磷工艺凭借其优点，已在徐州国祯水务运营有限公司、临沂市污水处理厂、临沂润泽水务有限公司、德州联合润通水务有限公司得到成功应用
2.1 徐州国祯水务运营有限公司
徐州国祯水务运营有限公司（原徐州污水处理厂）污水处理能力16.5万吨/日，主要处理徐州主城区生活污水和部分工业废水，生活污水占70%，工业废水占30%。原水BOD5 80-100mg/L，CODCr150-200mg/，NH3-N 30-35mg/L。改造前采用传统A2/O工艺，流程如图3所示。

按出水一级（B）计算，传统改造方案需投资6000万元；同时，16.5万吨/日规模减少至10万吨/日运行。应用分点进水脱氮除磷新工艺进行改造后（新工艺流程如图4所示），在投资仅为1000万元并多处理1362.40万吨污水的情况下，污水处理出水从二级提高到一级（B），一般情况下出水水质为：CODCr 35-45mg/L，BOD5 5-108mg/L，NH3-N 0-5mg/L，TN 10-20mg/L，TP 0.5-0.8mg/L，SS 15-20mg/L，稳定优于污水处理厂一级（B）排放标准。实施改造五年来，该厂运行稳定，克服了污泥膨胀及二沉池飘泥问题，从根本上解决了下游水体奎河的污染问题，并增收节支总额13719.36万元。。

2.2 临沂市污水处理厂
临沂市污水处理厂设计规模10万吨/日，改造前采用氧化沟工艺（流程图如图5所示），排水水质仅达到《城镇污水处理厂排放标准》（GB18918-2002）二级标准：CODCr 65-75mg/L， BOD5 15-20mg/L，NH3-N 15-20mg/L。

利用新工艺进行改造（新工艺流程如图6所示），可多处理1818.00万吨污水，不仅未增加动力费用，反而通过停止内回流节省了推进器的能耗，与其他工艺相比运行费用节约20%以上，新工艺投资300万元，节约投资2700万元，增收节支总额3972.60万元。该厂排水水质达到《城镇污水处理厂排放标准》（GB18918-2002）一级（B）标准，一些主要指标达到一级（A）标准。实际出水水质为：CODCr 40-50mg/L，BOD5 5-10mg/L，NH3-N 0-3mg/L，TP 0.5-0.8mg/L，SS 15-20mg/L。

2.3 临沂润泽水务有限公司
临沂润泽水务有限公司设计规模为5万m3/d，CODCr 350-500mg/L，BOD5 150-200mg/L，SS 100-200mg/L，NH3-N 30-45mg/L。改造前，该公司采用生物滤池+生物接触氧化工艺（工艺流程如图7所示），出水仅达到《污水综合排放标准》（GB8978—1996）表4二级标准；氨氮的去除更无法满足，近两年来出水氨氮浓度一般在20-25mg/L。

项目实施后（工艺改造流程如图8所示），在改造投资仅为321.9万元的情况下，该污水处理厂多处理360.00万吨污水，新工艺投资800万元，当年节约工程投资3200万元，增收节支总额3416.00万元，排水水质（要求）达到《城镇污水处理厂排放标准》（GB18918-2002）一级（B）标准。实际出水为：CODCr 35-45mg/L，BOD5 5-10mg/L，NH3-N 0-3mg/L，TP 0.5-0.8mg/L， TN 10-15mg/L，SS 15-20mg/L。
2.4 德州联合润通水务有限公司
该污水处理厂设计规模为10万m3/d，CODCr 500mg/L，BOD5≤200mg/L，SS≤100mg/L，NH3-N 40mg/L。采用氧化沟处理工艺（工艺流程如图9所示），但难以达到《城镇污水处理厂排放标准》（GB18918-2002）一级（B）标准。

按出水一级（A）计算，传统改造方案需投资5000万元。新工艺投资2000万元，可节约投资3000万元。目前，该公司已采用新工艺完成2.5万吨/日的工程改造（工艺改造流程如图10所示），工艺改造后的出水水质除总磷外均达到《城镇污水处理厂排放标准》（GB18918-2002）一级（A）标准。出水水质为：CODCr 30-44mg/L，BOD5 5-10mg/L，NH3-N 0-3mg/L，TN 10-15mg/L，TP 0.5-0.8mg/L，SS 5-10mg/L。
3. 结语
（1）高污泥浓度对硝化、释磷有利；控制动力学负荷可以控制硝化微生物与脱碳微生物之间的营养竞争关系，造成低底物浓度环境，进一步促进硝化；依据回流比影响回流污泥浓度及系统内底物浓度理论，通过计算机寻优找出最佳回流比；通过控制溶解氧浓度实现同步硝化反硝化。
（2）通过实验以及工程实际应用，该工艺表现出良好的脱碳、脱氮效率，总停留时间短，运行费用较低等显著优点；在工艺改造中较传统活性污泥法如A2/O工艺、氧化沟工艺、生物滤池工艺等在多方面呈现出明显优势，工程投资、运行成本可分别节约20%左右，污泥产泥量减少20%左右。
（3）该工艺随污水水质的不同而变换相关工艺参数，具有很大的灵活性，抗负荷能力强。因此，进一步提高新工艺设计规范化程度，形成针对改造工艺和新建工艺不同的设计方法将成为研究重点。

参考文献
[1]张雁秋，张连信.一个新的生物化学动力学基本方程[J].中国矿业大学学报.1994,23(4):84-87
[2] Zhang Y Q, Xu A T, Li G. Research on dynamics design for activated sludge system [J]. Journal of China University of Mining &Technology, 2002,12 (2):148-151.
[3] 王小文，张雁秋.水污染控制工程[M].北京:煤炭工业出版社.2002.08:204-216
作者简介：
李昂，女，江苏徐州，中国矿业大学在读博士；
研究方向：水污染控制工程；
联系方式：13852040795；
Email：hellen556@；
通信地址：徐州中国矿业大学环境与测绘学院221008