AB工艺原理的系统分析沈耀良

第17卷第6期1996年12月环境科学ENVIRONMENTALSCIENCEVol.17,L她c.No.61996AB工艺原理的系统分析’沈耀良李勇(苏州城建环保学院环保系,苏州215008)摘要根据AB工艺的流程及主要特征,系统地分析了该工艺的开放系统原理、反应动力学原理和生物相分隔原理.根据开放系统原理考虑了城市污水输送管道系统中占A段曝气池徽生物量15%一20%徽生物的作用;根据反应动力学原理采用了2个反应器,从而使反应器所需总容积节省38%以上;根据不同微生物的生长特点及其对环境的要求,进行了生物相的分隔,从而使处理效果更为有效和稳定.实践表明,AB工艺可比传统活性污泥法节省工程投资15%一25%,节省占地10%一巧写,节省运转费用15%一25肠.关.们度水处理,AB工艺,原理分析.AB工艺作为一种高效而稳定的新型废水二段生物处理工艺,自80年代初开始在实际工程中得到应用以来,受到国内外研究者和技术人员的普遍重视,并已成为近10年来在废水处理领域中发展较快的城市污水处理工艺.许多国家都相继开展了有关的研究并将其应用于对老厂的工艺改造和新厂的建设.其中建于南斯拉夫的最大AB法污水处理厂处理规模为160万人口当量(按1人口当tBOD56og/d计).近几年来,国内对AB工艺的研究日趋广泛,应用实例也不断增多,并通过引进国外技术或外资建设了数座一定规模的AB法城市污水处理厂l[,幻.研究和实际应用表明,AB工艺在处理效率、污染物去除种类、运行稳定性、工程投资及运转费用等方面均比传统活性污泥法具有一定的优越性,是一种很有前途的废水生物处理技术.1AB工艺流程AB法是二段活性污泥法的一种改进形式,其工艺流程如图1所示.在AB工艺中,整个系统分成负荷截然不同的A段和B段.A段在相当高的负荷下运行,B段负荷较低.A段和B段采用单独回流的方式,在A段和B段曝气池中形成2种特性不同的微生物群落.A段对进水水质水量、pH及毒物等具有很强的适应性,能为其后面的B段创造一个良好的进水条件;B段则属于低负荷活性污泥法,可以以多种不同的方式运行,其曝气池中生长的微生物除菌胶团细菌外,还有相当数量的高级真核类微生物(如原生动物和后生动物等).运行过程中,A段可以以好氧或缺氧的方式进行,并可根据需要确定A段的BODS去除率以利于B段的有效运行.因而,AB工艺还具有运转控制灵活的特点.进水格格姗姗2A.工艺原理的系统分析图1AB法的工艺流程污水的收集、输送系统和污水处理系统是城市污水AB工艺的3大明显特征是:①不设初次沉淀池;②A段和B段的污泥回流系统单独分开,互不相混,③A段和B段分别在负荷相差极为悬殊的情况下运行.这些特征建立在以下的理论基础之上.2.1开放系统原理系统的2个子系统(如图2所示).城市污水一般包括生活污水和工业废水2部分.水质分析表明,城市污水中.江苏省教委和苏州城建环保学院科研资助课题收稿日期:1996一02一14DOI:10.13227/j.hjkx.1996.06.025环境科学17卷含有许多的具有生命力的微生物,这些微生物来自人和动物的排泄物和一些发酵工业排出的废液.人体连续排泄的粪便细菌中约有5%一15%能在好氧或兼氧条件下存活并增殖,不幽沁秀导出活性很强的微生物群落.一般污水排放点到污水处理厂的连接管道(或沟渠)长达几km至几10km,这实际上是一个中间反应器,在此中间反应器中即进行着有机物的分解及微生物的适应、选择和生长繁殖过程.泰安污水处理厂试验中观察到的现象表明a[],污水中存在大量已适应原污水的微生物,这些微生物具有自发絮凝性.当它们进入A段曝气池后,在A段原有菌胶团的诱导促进下很快絮凝在一起,絮凝物的结构与菌胶团类似,絮凝的同时絮凝物与原有的菌胶团结合在一起而成为A段中污泥的组成部分,这些菌胶团具有较强的吸附能力和良好的沉降性能.在传统的活性污泥法中,由于设置了初次沉淀池,使得这部分活性很强的微生物还未能在污水处理系统中发挥作用就被去除了.在AB工艺中不设初沉池,如果A级中的微生物量以100%计,经测定表明,恒定地由污水管道(或沟渠)系统进入A段的微生物量可达到全部微生物量的15%以上闭.由此可知,AB法污水处理工艺实际上是一个由城市污水收集、管道系统和污水处理系统组成的一个开放性系统.这是AB工艺中不设初次沉淀池的基本出发点.居民区工业区污水收集枯送城市污水处理子系统(I)子系统(一)图2城市污水系统的组成受纳水体2.2反应动力学原理传统的完全混合式活性污泥法处理工艺中,曝气池内的基质浓度、溶解氧含量及生物反应速率等均为定值.其物料恒算关系可表示为如式(l)所示的形式.假定反应器内的基质的降解符合一级动力学反应,且反应过程处于稳定状态(d`/dt一。),则上式可表示为式(2)的形式:Vd(S/dt)一QS。一QS。+rV(l)5.=S。八1+Kt)(2)式中,Q为污水流量(m3/h);V为曝气池容积(m“);0S为进水中基质的浓度(mg/)L;5.为出水中基质的浓度(mg/L);r为基质的降解速率(mg/L·h);t为水力停留时间(h);K为基质降解速率常数(L/h).如果n个相同的反应器串联运行,则各反应器的基质浓度变化规律可表示为式(3),并可得到式(4一7)的表达式:Se(一)~S。(一,)/(1+Kt)(n=1,2,3,…,n)(3)Se(,)=S。/(l+Kt)一(4)v=Q[(s。/se(,))告一i〕/犬(5)V总/(Q/月=n{〔l/(l一,)〕“一,}(6)t=[(5。/s。(.))告一l〕/天(7)式中,V总为n个串联反应器达到一定处理程度时所需的反应器总容积事甲为处理工艺系统的处理效率(%).由上述可知,当n一l时,.即为单个反应器达到一定处理效果时所需的反应器容积;当n大于1时,则为n个反应器串联运行时单个反应器达到一定处理效果时所需的反应器容积.表1所列为在不同处理效率、不同反应器串联数与所需的反应器总容积(设处理规模Q一定).由表1可知,处理率越高,所需反应器的容积就越大;在相同处理率的条件下,随着反应器数n的增加,所需的反应器总容积则随之减小,但当n大于4时,总容积的减小已趋不明显,因而以反应器数小于4为好,而且只有当2个反应器串联运行时,反应器容积的节省最为显著.例如当处理工艺的COD去除率为80%时,反应器由一个改为2个时,总容积可节省38%;改为3表1串联反应器数。、处理效率刀和所需反应器总容积v总间的关系处理效率反应器总容积(以V总/Q·K一’计)/写,一In=Zn=3n=4n=5501.000.820.780。760.75601.501.161.081。041。00702.331.641.471.401。35804.002.482.132.001.90855.673.162.64.2432.31909.004.323.453.122.909519.006.945.134.444.109849.0012.148.046.645.95个时,则其总容积将节省47%.但反应器由2个改为3个时,则处理效率为80%时可再节省容积14%.综合考虑基建和运转费用,由l个反应器改为2个反应器串联运行,可取得明显的环境经济效益.2.3生物相分隔原理污水生物处理过程中,微生物对有机污染物的去除作用是通过初期的快速吸附和生物代谢作用完成的[’].AB法中A段的水力停留时间仅为30min左右,它充分利用了活性污泥的初期吸附作用,但AB工艺中的这种吸附作用及其吸附能力的保持与吸附再生活性污泥6期环境科学83法不同,后者在接触池内进行吸附,在再生曝气池中恢复其吸附能力,其能耗并没有减少.AB工艺中的A段则无再生池,其吸附能力的保持取决于2个因素.其一是污水收集、输送系统中随污水进入A段的微生物源源不断地在A段中得到“活化气其二是由于在A段中的泥龄较短,仅为0.3一0.sd,因而快速增殖的微生物具有很强的吸附和絮凝能力s1[.也就是说在AB工艺中A段内的微生物主要是由活性强、世代期短的生物相组成,这是其在高负荷、短停留时间和短泥龄条件下运行的依据.此外,A段的运行方式可以根据具体运行要求加以调整.当A段以兼氧的方式运行时,由于供氧不足,这种高活性的微生物为了满足自身的代谢能量的需求,被迫对那些在好氧条件下不易分解的有机物进行初步的分解,使其转化为易降解的有机物从而在后续的B段中易于被去除.由此可知,保持A段的短泥龄对有机物的吸附作用的发挥是非常重要的.但需注意在实际运行操作中,应及时排泥(A段的剩余污泥产量较大,约占整个处理系统的和%左右.)AB法中B段的生物相与A段中的明显不同,主要由世代期长、较高等的真核微生物组成.但其生物相不是固定不变的,它将根据具体的工艺设计而有所变化.如若考虑对污水的除氮脱磷问题,则水力停留时间及污泥龄都将延长,此时B段中的原生动物和后生动物的比例将会提高.综上所述,AB法工艺根据系统工程的基本理论,省去了传统污水生物处理工艺中的初次沉淀池,使A段成为一个不断由外界补充具有高度活性的微生物的开放性动态系统;从生物反应动力学的角度出发,采用了经济合理的2段处理工艺流程;根据微生物的生长、繁殖规律及其对有机基质的代谢关系,使2段的污泥回流轰统分开而保证处理过程中生物相的稳定性·所有这些使得AB工艺比传统活性污泥法具有更高、更稳定的处理效果,基建和运转费用大大节省s[,`〕.如我国某地拟建设一座日处理能力为20000m3d/的城市污水处理厂,在达到同样处理水平的前提下,采用AB法可比采用传统一段传节省投资15.72%、节省占地13·74%、节省运转费用16.8%(不含污泥消化产生的收益.)[〕.3我国应用AB工艺中应注意的问题我国城市污水的水质与欧洲国家有较大的差别,主要表现在BODS的差异方面.对欧洲24座AB法城市污水处理厂进水oBD。的统计表明,其浓度在300mgL/以上的占50%左右,而我国城市污水的BODS绝大多数在150一250mg/L之间,遇雨季或在夏季则更低.因而为满足B段实现有效的脱氮作用,须控制A段的BOsD去除率在适当的范围内而不宜过高,这样势必使A段的有机物去除以微生物的快速吸附作用为主,从而必须严格控制A段剩余污泥的排放.其次,随着对处理出水中氮、磷要求的日趋严格,污水的生物脱氮除磷将在我国的城市污水处理工艺中逐步加以考虑.AB工艺作为一种兼有脱氮除磷功能的处理技术,具有良好的应用前景.但如何根据国内的污水水质情况合理地控制脱氮所需的BODS/N比值,是AB工艺应用中须注意的问题.笔者认为,由于目前国内污水厂的操作管理水平尚不高,因而宜对不同的废水通过试验确定BODS/N的比值,同时宜将此值控制在偏保守的范围内(如)5).要指出的是,AB工艺的除磷脱氮作用是通过B段在一定操作方式(如AZ/0)下工作而实现的,若B段按常规的方式运行则其除磷脱氮效果是有限的.目前,奥地利已提出了一种称之为ARMONT的改进AB工艺(图3)川.这种改进工艺通过A段和B段中污泥的交叉回流(交叉回流量为进水量的3%左右,如图中循环I和I),分别给A段和B段接种硝化和反硝化菌,并创造生物除磷所需的同种污泥分别经历厌氧和好氧的条件,从而实现有效的除磷脱氮作用,同时又不破坏整个系统的生物相分隔.我国也应开展这方面的研究一「作.1一一.A段一一一十一一一一B段—州,朴一`,A段曝气池中沉池B段曝气池二沉池山古进2卜【一~,.一目-~,「-.----门r-es,山习、A段污泥回流循环IB段污泥回流剩余污泥循环I剩余污泥图3ADMONT工艺流程第三,我国城市污水中工业废水所占比重较大,排入城市下水道之前的预处理合格率较低,水质复杂,所含难降解物质多,因而宜将A段控制在缺氧条件下运行以充分利用管道系统中已适应缺氧或厌氧环境的接种微生物,利于改善A段出水中的BOsD/COD比,从而保证整个系统的处理效能及运行稳定性.参考文献l范文漪.给水排水,2995,i,(i):262陈锦焕.给水排水,2995,21(6):s3郑兴灿.中国给水排水,1989,5(6):404Antheun