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     我國(guó)和日本污水處理廠A2/O工藝的流程基本一致，該工藝的設(shè)計(jì)水平直接影響處理效果，尤其是脫氮效果。對(duì)兩國(guó)原水水質(zhì)情況和排放標(biāo)準(zhǔn)做了比較，分析了兩國(guó)A2/O工藝各功能區(qū)的設(shè)計(jì)方法、各設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置和取值，日本許多設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置和取值比我國(guó)嚴(yán)謹(jǐn)，預(yù)期的處理效果較好，但日本設(shè)計(jì)方法較保守，設(shè)計(jì)出的生化池容積較大，會(huì)增加基建投資和后期運(yùn)行費(fèi)用。A2/O工藝在我國(guó)和日本都有著較為廣泛的應(yīng)用。污水處理廠的工藝設(shè)計(jì)水平直接影響著基建投資、運(yùn)行費(fèi)用以及污水處理效果和出水水質(zhì)。本文對(duì)兩國(guó)A2/O工藝的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較。

1 水質(zhì)情況

1.1 兩國(guó)原水水質(zhì)對(duì)比

目前，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠原水水質(zhì)的主要問題有：由于城鎮(zhèn)工業(yè)廢水偷排情況較多加之很多城市尚未取消化糞池，造成污水處理廠原水碳源不足，原水NH3—N、TN濃度較高，城市污水處理廠多數(shù)時(shí)候存在原水總氮濃度超過50mg/L的情況。一般認(rèn)為，在污水生物脫氮過程中，如果碳氮比(BOD5/TN)>4，即可認(rèn)為污水中有足夠的碳源供反硝化菌進(jìn)行反硝化脫氮。而我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠普遍呈現(xiàn)低碳源特性，太湖流域的城鎮(zhèn)污水處理廠BOD5/TN一般為3.3左右，最低僅0.96。日本的生活污水處理事業(yè)分為公共下水道事業(yè)、農(nóng)村村落污水處理事業(yè)以及凈化槽事業(yè)。公用下水道事業(yè)為城市污水處理廠及管網(wǎng)建設(shè)。農(nóng)村村落污水處理事業(yè)和凈化槽事業(yè)分別為村落生活污水集中處理單元和住戶的分散型生活污水處理單元。目前，日本城鎮(zhèn)農(nóng)村住戶凈化槽已達(dá)到一定的覆蓋率。由于政府對(duì)工業(yè)廢水排放的監(jiān)管很嚴(yán)，幾乎沒有工業(yè)廢水偷排，此外兩國(guó)生活習(xí)慣和飲食結(jié)構(gòu)不同，故日本污水處理廠原水NH3—N、TN濃度較我國(guó)低，碳氮比較高，碳源較充足。在東京，具有代表性的有明污水處理廠進(jìn)水BOD5/TN>4的情況居多，進(jìn)水總氮濃度平均為36mg/L。

1.2 兩國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

我國(guó)近幾年新建及升級(jí)改造的污水處理廠大多執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。日本在1958年公布了新的《下水道法》，且一直沿用至今，20世紀(jì)下半葉，日本東京灣、伊勢(shì)灣和瀨戶內(nèi)海等封閉性水域富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象極嚴(yán)重，曾多次發(fā)生赤潮。日本除執(zhí)行對(duì)排入公共水域的全國(guó)統(tǒng)一排放標(biāo)準(zhǔn)外，自70年代以后，針對(duì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行中出現(xiàn)不能充分保護(hù)生活環(huán)境的地區(qū)，規(guī)定了更為嚴(yán)格的地方排放標(biāo)準(zhǔn)，以代替同款全國(guó)統(tǒng)一排放標(biāo)準(zhǔn)。以東京灣為例，兩國(guó)污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)見表1。

2 A2/O工藝設(shè)計(jì)對(duì)比

2.1 工藝流程中國(guó)和日本的A2/O工藝流程基本是一致的。即原污水經(jīng)過預(yù)處理系統(tǒng)后，依次進(jìn)入生化池的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)，好氧區(qū)末端混合液按一定的回流比回流至缺氧區(qū)前端。

2.2 設(shè)計(jì)方法中國(guó)A2/O工藝的設(shè)計(jì)方法以《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014—2006)為依據(jù)。日本A2/O工藝的設(shè)計(jì)方法以公益社團(tuán)法人日本下水道協(xié)會(huì)主編的《下水道設(shè)施設(shè)計(jì)指南與解說》以及地方共同下水道事業(yè)團(tuán)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

2.2.1 厭氧區(qū)設(shè)計(jì)

中國(guó)和日本厭氧區(qū)的設(shè)計(jì)方法是一致的：即根據(jù)要去除的總磷負(fù)荷確定厭氧區(qū)的水力停留時(shí)間，以此HRT參數(shù)計(jì)算厭氧區(qū)的容積，即VA=(HRT×Q)/24。兩國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范中厭氧區(qū)HRT的取值范圍均為1～2h。由表1可見，兩國(guó)污水處理廠出水總磷的排放標(biāo)準(zhǔn)為<0.5mg/L。如原水總磷濃度較高，僅依靠生物除磷，出水TP難以維持穩(wěn)定<0.5mg/L，還得添加PAC等化學(xué)藥劑輔助除磷。

2.2.2 缺氧區(qū)設(shè)計(jì)

(1)中國(guó)的設(shè)計(jì)方法。按中國(guó)的規(guī)范，缺氧區(qū)的容積Vn采用反硝化動(dòng)力學(xué)中的反硝化速率Kde為主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算。即：

脫氮速率Kde與混合液回流比、進(jìn)水水質(zhì)、溫度和污泥中反硝化菌的比例等因素有關(guān)。混合液回流比越大，帶入的缺氧池的DO越多，Kde取值越低;一般混合液回流比為100%～300%。進(jìn)水有機(jī)物濃度高且較易生物降解時(shí)，Kde取高值。Kde隨溫度的變化可用式(3)進(jìn)行修正。

在設(shè)計(jì)中，由于原水水質(zhì)情況有波動(dòng)和差異，實(shí)際Kde的變化也很大，且因Kde取值不同會(huì)使計(jì)算所得缺氧區(qū)容積差異很大。通常Kde取經(jīng)驗(yàn)值0.06～0.07kgNO-3—N/(kgMLSS˙d).然而，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠普遍存在原水中供反硝化的碳源不足的情況，實(shí)際反硝化速率沒那么高。這就造成了Kde的實(shí)際值與經(jīng)驗(yàn)值的差異，如果差異較大，采用經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)的缺氧區(qū)可能達(dá)不到預(yù)期的脫氮效果。

(2)日本的設(shè)計(jì)方法。與中國(guó)的方法不同，日本的規(guī)范確定缺氧區(qū)容積時(shí)不是直接根據(jù)反硝化速率Kde計(jì)算，而是先以BOD污泥負(fù)荷為主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算出缺氧區(qū)+好氧區(qū)的總?cè)莘eV(厭氧區(qū)不包括在內(nèi))，即：

總?cè)莘eV算出后，再用總?cè)莘eV減去好氧區(qū)的容積Vo，得出缺氧區(qū)容積Vn。一般混合液回流比為100%～300%。初步算出的缺氧區(qū)容積Vn還不能被確定，還得利用此容積Vn反算出缺氧區(qū)的脫氮速率。再將此脫氮速率與設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的脫氮速率進(jìn)行比較，如妥當(dāng)則此缺氧區(qū)容積Vn可行。如不妥當(dāng)將需要重新修正LS，對(duì)缺氧區(qū)+好氧區(qū)的總?cè)莘eV進(jìn)行再計(jì)算。直至此脫氮速率與規(guī)定的脫氮速率基本一致，此缺氧區(qū)的容積Vn才能被確定。日本設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的脫氮速率是以污水處理廠實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)出的脫氮速率與LS的線性關(guān)系———缺氧區(qū)脫氮速率與BOD5污泥負(fù)荷呈正相關(guān)來計(jì)算的。

由于日本下水TN的排放標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)于中國(guó)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，且政府對(duì)環(huán)境的監(jiān)管比中國(guó)嚴(yán)，所以其脫氮效果的要求很高，《下水道設(shè)施設(shè)計(jì)指南與解說》中對(duì)A2/O工藝缺氧區(qū)的設(shè)計(jì)很謹(jǐn)慎，預(yù)期的脫氮效果比中國(guó)好。

2.2.3 好氧區(qū)設(shè)計(jì)

(1)中國(guó)的設(shè)計(jì)方法。按中國(guó)的規(guī)范，先根據(jù)硝化動(dòng)力學(xué)計(jì)算出硝化所需的泥齡。即：

由于自養(yǎng)型硝化菌比異養(yǎng)型反硝化菌的比生長(zhǎng)速率小得多，如果沒有足夠長(zhǎng)的泥齡，硝化菌會(huì)從系統(tǒng)中流失。為保證硝化反應(yīng)，泥齡必須>1/μ，且通常A2/O工藝泥齡應(yīng)>10d。由于μ為純種培養(yǎng)試驗(yàn)得到的硝化菌比生長(zhǎng)速率，為了在環(huán)境條件不利于硝化菌生長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)中仍有硝化菌，故引入了安全系數(shù)F，一般取1.5～3。

設(shè)計(jì)中安全系數(shù)F和氨氮濃度的取值范圍變化幅度大，且取值不同會(huì)使計(jì)算所得的泥齡差異很大。水溫按12℃計(jì)算，如果F取值較小，計(jì)算所得的泥齡<10d，不能滿足硝化的需要。由于實(shí)際工程設(shè)計(jì)中F和Na較難取值，我國(guó)許多設(shè)計(jì)單位應(yīng)用國(guó)外的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(如德國(guó)的ATV標(biāo)準(zhǔn))，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況對(duì)以上設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修正，才能較好地吻合實(shí)際工程運(yùn)行參數(shù)。再計(jì)算出好氧區(qū)容積Vo，即：

中國(guó)的規(guī)范設(shè)計(jì)好氧區(qū)是基于硝化所需泥齡和BOD5的降解。而BOD5降解的產(chǎn)泥系數(shù)Yt取值范圍變化幅度很大，宜根據(jù)試驗(yàn)資料確定，但設(shè)計(jì)中往往取的是經(jīng)驗(yàn)值。污泥產(chǎn)率系數(shù)本來的含義是一定量BOD5降解后產(chǎn)生的SS。由于是有機(jī)物降解產(chǎn)物，這里的SS應(yīng)該是VSS，即揮發(fā)性懸浮固體。但污水中還有相當(dāng)數(shù)量的無機(jī)懸浮固體和難降解有機(jī)懸浮固體，它們并未被微生物降解，而是原封不動(dòng)地沉積到污泥中，結(jié)果產(chǎn)生的SS將大于真正由BOD5降解產(chǎn)生的VSS，因此實(shí)際污泥產(chǎn)率往往大于經(jīng)驗(yàn)值。BOD5降解產(chǎn)泥計(jì)算參數(shù)的設(shè)置有一定局限性。

(2)日本的設(shè)計(jì)方法。按日本的規(guī)范，同樣也要先計(jì)算出硝化所必須的泥齡。但泥齡的計(jì)算方法與中國(guó)不同，不是根據(jù)硝化動(dòng)力學(xué)計(jì)算，而是以水溫為基礎(chǔ)并考慮進(jìn)水TN的負(fù)荷變動(dòng)來計(jì)算的，即：

日本的規(guī)范中泥齡的計(jì)算方法是根據(jù)總氮負(fù)荷率的變化和總氮中氨氮和有機(jī)氮的硝化結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的，不涉及污水具體水質(zhì)環(huán)境條件變化。因系數(shù)的取值不同計(jì)算所得泥齡差異較小，且最小泥齡也>11d，滿足硝化的需要。由此可見，日本在對(duì)泥齡的計(jì)算方法比中國(guó)嚴(yán)謹(jǐn)保守。再計(jì)算好氧區(qū)的容積Vo，即：

好氧區(qū)的設(shè)計(jì)同樣是基于硝化所需泥齡。除此之外，與中國(guó)的規(guī)范略有不同，日本的規(guī)范對(duì)BOD5降解產(chǎn)泥的計(jì)算參數(shù)設(shè)置更為嚴(yán)謹(jǐn)。事實(shí)上污水中含有的污染物質(zhì)是復(fù)雜多樣的，分為易降解和難降解、可溶性和不可溶性等，真正降解的BOD5僅為可溶性BOD5降解后產(chǎn)生的VSS。但原水中還有相當(dāng)數(shù)量的SS和惰性有機(jī)物，它們并未被微生物降解，而是原封不動(dòng)地沉積到污泥中，結(jié)果產(chǎn)生的污泥將大于可溶性BOD5降解產(chǎn)生的VSS，在不設(shè)初沉池的工藝中更是如比，污水中不同的水質(zhì)組分對(duì)生物處理反應(yīng)影響很大。故日本規(guī)范中，BOD5的降解產(chǎn)泥僅用可溶性BOD5來計(jì)算，并考慮了原水中SS產(chǎn)的泥，相應(yīng)污泥產(chǎn)率系數(shù)b取值較高，為0.9～1kgMLSS/kgSS。而我國(guó)計(jì)算剩余污泥產(chǎn)量用的SS污泥產(chǎn)率系數(shù)取值較低，為0.5～0.7kgMLSS/kgSS。其次，隨著處理程度提高，有機(jī)物降解越徹底，微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，衰減也越多，產(chǎn)生的剩余污泥量也會(huì)減少，計(jì)算中引入了活性污泥內(nèi)源呼吸污泥減量系數(shù)。綜上所述，相對(duì)于中國(guó)的計(jì)算方法，日本對(duì)好氧區(qū)容積的計(jì)算方法較嚴(yán)謹(jǐn)穩(wěn)妥。

3 設(shè)計(jì)舉例

以中國(guó)南方某城市污水處理廠設(shè)計(jì)為例，該污水處理廠無初沉池，采用A2/O工藝，處理規(guī)模為10萬m3/d。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)：BOD5200mg/L，SS 240mg/L，氨氮35mg/L，TN 45mg/L，TP 4mg/L。設(shè)計(jì)水溫12℃。分別按中國(guó)方法和日本方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)比見表2。

由表2可見，由于中國(guó)和日本厭氧區(qū)的設(shè)計(jì)方法是一致的，根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)水TP 4mg/L，設(shè)計(jì)厭氧區(qū)水力停留時(shí)間為1.5h。生物反應(yīng)池中MLSS濃度均設(shè)為4g/L。按日本規(guī)范設(shè)計(jì)的缺氧區(qū)和好氧區(qū)HRT明顯比按中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)的長(zhǎng)，且BOD5污泥負(fù)荷低。原因有：

(1)按日本的規(guī)范，即使參數(shù)取值最小，計(jì)算所得泥齡最短也有11.5d;按中國(guó)的規(guī)范計(jì)算所得泥齡較短。

(2)按日本的規(guī)范計(jì)算好氧區(qū)引入了原水SS濃度和SS污泥轉(zhuǎn)換率，且SS濃度的取值對(duì)好氧區(qū)容積Vo的影響很大，按日本的規(guī)范充分考慮了不設(shè)初沉池惰性固體沉積在生化池的污泥產(chǎn)量較大，SS污泥產(chǎn)率系數(shù)取值也比中國(guó)高。故按日本規(guī)范設(shè)計(jì)的好氧區(qū)容積比中國(guó)大，水力停留時(shí)間也較長(zhǎng)。

(3)不同于中國(guó)的方法，日本設(shè)計(jì)缺氧區(qū)容積的方法為根據(jù)BOD5污泥負(fù)荷LS計(jì)算出好氧區(qū)+缺氧區(qū)的總?cè)莘eV(厭氧區(qū)不包括在內(nèi))，再減去好氧區(qū)的容積Vo，才能得到缺氧區(qū)的容積Vn，并還要用與BOD5污泥負(fù)荷LS相關(guān)的脫氮速率(即反硝化速率)去校核缺氧區(qū)容積計(jì)算的妥當(dāng)性，經(jīng)反復(fù)修正后才能確定缺氧區(qū)的容積Vn。要取得理想的脫氮效果，缺氧反硝化反應(yīng)需較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間，最終確定的缺氧區(qū)容積較大。

(4)由于好氧區(qū)容積Vo較大，如果BOD5污泥負(fù)荷LS取值較高，計(jì)算所得的好氧區(qū)+缺氧區(qū)總?cè)莘eV就較小，則缺氧區(qū)容積Vn也較小，不能滿足脫氮的需要。故經(jīng)重新修正BOD5污泥負(fù)荷LS要取較小的值，才能保證缺氧區(qū)容積設(shè)計(jì)的穩(wěn)妥性。

4 工程案例比較

以成都市某污水處理廠和東京市有明污水處理廠為例進(jìn)行比較，對(duì)比情況見表3。

由表3可見，東京市有明污水處理廠生化池缺氧區(qū)的停留時(shí)間明顯更長(zhǎng)，如此設(shè)計(jì)處理效果基本能滿足日本排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其是TN排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于生化池總停留時(shí)間長(zhǎng)，容積大，有明污水處理廠生化池有效水深達(dá)11.5m，這樣在同等池容下可節(jié)省一部分占地面積，緩解緊張的土地資源。

5 結(jié)論和建議

(1)相比中國(guó)的規(guī)范，按日本規(guī)范設(shè)計(jì)的A2/O工藝，在泥齡的計(jì)算上較保守，對(duì)缺氧區(qū)脫氮速率的確認(rèn)和好氧區(qū)產(chǎn)泥的計(jì)算較嚴(yán)謹(jǐn)，許多參數(shù)的取值范圍變化幅度不大，較穩(wěn)妥。設(shè)計(jì)的缺氧區(qū)和好氧區(qū)的水力停留時(shí)間比中國(guó)長(zhǎng)，污泥負(fù)荷低，泥齡較長(zhǎng)，加之日本原水碳源狀況比中國(guó)好，污水處理廠處理效果基本能滿足日本比中國(guó)更嚴(yán)格水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)，尤其是TN排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。但日本的設(shè)計(jì)方法較保守，設(shè)計(jì)的生化池容積較大，會(huì)增加基建投資和后期運(yùn)行費(fèi)用。

(2)按中國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范，一些參數(shù)取值范圍變化幅度大。如計(jì)算泥齡的參數(shù)，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中較難取值，需應(yīng)用國(guó)外的設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修正。一些設(shè)計(jì)參數(shù)的確定完全依靠經(jīng)驗(yàn)：如脫氮速率Kde，實(shí)際脫氮速率比經(jīng)驗(yàn)值偏低;如污泥的產(chǎn)率系數(shù)Yt的取值未考慮惰性有機(jī)物和無機(jī)物的產(chǎn)泥，Yt取值偏小。雖然設(shè)計(jì)出的生化處理效果大體能滿足我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)的需要，但也暴露出一些不足：當(dāng)遇到原水碳源不足，原水TN濃度高于設(shè)計(jì)濃度時(shí)，生化系統(tǒng)可能達(dá)不到預(yù)期的脫氮效果。

(3)日本A2/O工藝的設(shè)計(jì)方法對(duì)我國(guó)有一定的借鑒意義?？梢越梃b日本的設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)合其他國(guó)家的設(shè)計(jì)規(guī)范和我國(guó)的實(shí)際情況對(duì)泥齡、污泥產(chǎn)率系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/span>

 

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