侧流磷回收强化主流污水脱氮除磷工艺
编者按：模拟预测与试验验证相结合，对侧流磷回收强化主流污水脱氮除磷工艺之效果进行验证。模拟预测与试验结果均显示，进水低碳源生活污水（BOD5/TN=3.2，COD/TN=4.8，COD/TP=48.9）情况下，采用厌氧池上清液侧流磷沉淀/回收可以使得出水氮、磷达标（TP≤0.5 mg P/L、TN≤15 mg N/L）。研究结果表明，侧流磷回收可以相对提高主流生物脱氮除磷所需C/N、C/P比，从而强化低碳源污水脱氮除磷效果，与向水中外加碳源具有异曲同工之妙。模拟预测与试验验证几乎一致的结果表明，数学模拟技术完全可以取代传统试验，对工艺运行问题进行问题诊断并提出优化策略。本文发表于《环境工程学报》（2013年1月）。
文章亮点
01、侧流磷回收技术：通过厌氧池上清液侧流磷回收可以提高C/N、C/P比，从而强化主流工艺脱氮除磷效果。
02、模拟与试验结合：数学模拟可能取代传统试验，准确预测工艺运行效果，并优化工艺运行。
03、变外加碳源为侧流化学除磷：外加碳源为从分子（COD）上提高COD/N、COD/P比，而侧流磷沉淀则是通过减少分母（P）来到达相同目的。这样做的好处是，减少药剂投加费用，同时可以回收磷。
01、引言
在同步脱氮除磷工艺（如，A2/O、UCT）中的厌氧池内实施侧流磷回收，可相对增加后续生物脱氮除磷所需的C/N、C/P比，继而达到强化脱氮除磷效果的目的。这种技术措施不仅可以增加污水碳源，而且可将“磷去除”转变为“磷回收”，从而缓解磷资源短缺的紧张局面。为验证这一效果，本研究利用数学模拟技术与试验技术的结合，采用真实低碳源生活污水（BOD5/TKN=3.2，COD/TKN=4.8，COD/TP=48.9），对生物脱氮除磷工艺厌氧池上清液侧流磷回收并强化后续生物脱氮除磷效果进行模拟与试验。利用校正并验证后的工艺数学模型分别以厌氧上清液侧流比为10%、20%、30%和40%进行模拟预测，然后通过试验予以实际验证。
02、模拟与试验方法
2.1 工艺流程与参数
模拟与试验对象为一个中试规模生物营养物去除（BNR）工艺（450 L/d），其流程如图1所示。当实施化学磷沉淀/回收时，通过计量蠕动泵按比例抽取厌氧上清液（QS）至化学沉淀单元（图1虚线部分），磷沉淀后的上清液被蠕动泵再送返接触池，以进行后续生物除磷过程。BNR工艺运行主要控制参数为：进水（Qin）=455 L/d、内回流QA）=921 L/d、内回流B（QB）=1 250 L/d、外回流（QRAS）=412 L/d、污泥排放（Qw）=9.98 L/d、溶解氧（DOR5）=2.5~3 mg/L、温度（T）=15~26 ℃、污泥龄（SRT）=32.5 d、污泥浓度（MLSSR1）=1 610 mg/L、污泥浓度（MLSSR5）=2 090 mg/L、回流污泥浓度MLSSRAS=4 870 mg/L、MLVSSR5/MLSSR5=0.76。
图1 中试规模BNR工艺流程
2.2 数学模拟方法
利用嵌入TUD联合模型的AQUASIM2.0软件平台对上述BNR工艺首先进行运行工况的模拟预测。模型参数首先采用缺省值，并参照BNR工艺模型参数校正与验证方法对其进行分析、校正；再经不同试验工况进行验证。随后，利用校验成功的模型对工艺工况进行实时预测，并与后续试验结果进行吻合性对比。
2.3 试验方法与运行条件
试验采用真实污水（组分如表1所示）；当污泥浓度达到2 100 mg /L（SS/VSS=0.76）后，维持SRT=32.5 d。模拟预测与试验结果均显示，工艺在该进水条件下稳定运行后，出水氮、磷浓度均不能达到一级A标准（TP≤0.5 mg P/L、TN≤15 mg N/L）。对此，开始实施厌氧上清液侧流化学磷回收（逐渐采用10%、20%、30%和40%侧流比），并寻求保证出水达标排放情况下的最佳侧流比。其中，投加NaOH调节pH至10后便可自发形成磷的沉淀混合物。
表1 BNR 工艺主要进水组分
03、结果与讨论
3.1 模拟预测
3.1.1 对COD去除的效果
如图2所示，随着侧流比的增加，出水CODt和各反应器中CODs浓度基本没有变化，分别保持在29 mg/L及23 mg/L左右，COD总去除率稳定在86%以上。模拟预测表明，系统内各反应器中COD降解和总去除率并不会受侧流比所影响。
图2 侧流比对COD去除效果模拟预测结果
3.1.2 对生物脱氮的影响
如图2可知，侧流比对沿程NO3--N影响较大，仅10%便可使出水从16 mg N/L降低至13 mg N/L；进一步增加时沿程NO3--N还会降低，但幅度变缓，至40%时，出水NO3--N仅降至11. 2 mg N/L。NO3--N随测流比增加而下降归结于两方面的原因：一是侧流磷沉淀中有部分NH4+-N形成了鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O），从而使得后续参与硝化的NH4+-N量相应减少；二是通过侧流磷回收相应的提高了污水的C/N比，使得反硝化作用更为充分。
此外，沿程NH4+-N浓度没有增加趋势且出水NH4+-N最高时仅为2 mg/L。这表明，系统硝化性能较好，另一方面，亦说明随侧流比增加更多NH4+-N进入侧流被沉淀而有所减少。受NO3--N与NH4+-N随侧流比变化综合影响，沿程TN亦有明显变化，当侧流比为20%时，出水TN已从15.8 mg N/L降低到14.9 mg N/L，刚好可以满足一级A排放标准。
图3 侧流比对生物脱氮效果模拟预测结果
3.1.3 对生物除磷的影响
图4显示，随侧流比升高，沿程及出水PO43-浓度显著下降；当侧流比为40%时，出水PO43-浓度从没有侧流磷沉淀时的2.6 mg P/L降至0.3mg P/L，出水TP浓度则降至0.5 mg P/L，满足理一级A排放标准。这可归因于侧流磷沉淀回收了大部分的磷负荷，减轻了后续污水处理负担，此外，相对提高污水的C/P，使生物除磷作用得以加强。
模拟预测显示，具有适当的侧流比，通过磷沉淀/回收的方式的确可以强化生物脱氮除磷的效果。
图4 侧流比对生物除磷效果模拟预测结果
3.2 试验验证
在模拟预测的基础上，通过试验分别验证了侧流比对有机物与生物脱氮除磷效果的影响，验证结果总结如下。
3.2.1 对COD去除的效果
图5显示，随着侧流比的增加，出水总COD和各反应器中溶解性COD浓度基本没有变化，分别保持在30 mg/L及22 mg/L左右，与模拟预测结果几近一致。
图5 侧流比对COD去除试验验证结果
3.2.2 对生物脱氮的影响
由图6可知，NO3--N沿程及出水变化趋势与数值范围也几乎与模拟预测结果一致；当侧流比为40%时，出水NO3--N从15.4 mg N/L降至11.3 mg N/L。
NH4+-N沿程及出水浓度也稳如预测趋势与范围。同理，沿程与出水TN浓度变化亦与模拟预测情况一致；在20%侧流比情况下，出水TN浓度从16.3 mg N/L降低到了14.5 mg N/L。
图6 侧流比对生物脱氮效果试验验证结果
3.2.3 对生物除磷的影响
由图7可知，随侧流比升高，沿程与出水中PO43-浓度逐渐下降；当侧流比为40%时，出水PO43-浓度从2.7 mg P/L下降到0.3 mg P/L，出水TP浓度为达到0.5 mg P/L。
图7 侧流比对生物除磷效果试验验证结果
04、结论
模拟预测与试验验证均表明，厌氧池上清液侧流磷沉淀/回收完全可以起到相对提高主流生物脱氮除磷所需C/N、C/P的作用，从而强化低碳源污水生物脱氮除磷效果。模拟预测与试验验证几乎一致的结果表明，数学模拟技术完全可以取代传统试验，对工艺运行问题进行准确预测并提出优化运行策略。模拟替代试验的技术升级可以大大节约/节省人力、物力、财力和时间投入。
