A/O曝氣池低負(fù)荷條件下污水處理廠脫氮工藝的優(yōu)化

黎艷葵

（宜昌市夷陵區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站, 湖北 宜昌 443100）

0 引言

隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇，環(huán)保部門對(duì)污水處理廠的出水TN指標(biāo)考核更加頻繁和嚴(yán)格，如何確保TN穩(wěn)定達(dá)標(biāo)成了污水處理廠運(yùn)行的一個(gè)瓶頸。生物脫氮是水處理行業(yè)最常用的方法，但該方法受各種條件的制約很多，目前污水處理廠多數(shù)脫氮效果不佳的主要原因是有機(jī)碳源不足，使得出水TN不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，這已成為多數(shù)污水處理廠迫切需要解決的問(wèn)題，生物脫氮過(guò)程中，反硝化條件、碳源是關(guān)鍵的影響因素。以某工業(yè)園區(qū)污水處理廠為例，按現(xiàn)有工藝運(yùn)行條件，針對(duì)碳源嚴(yán)重不足問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決辦法，生物脫氮效果明顯提高，保證了該廠出水TN指標(biāo)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

1 污水處理廠概況

工業(yè)園區(qū)污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模5.0萬(wàn)m3/d，2009年12月一期投入運(yùn)行，一期規(guī)模2.5萬(wàn)m3/d,主要收集生物制藥、電廠和機(jī)械等各企業(yè)的工業(yè)廢水和少量的生活污水，服務(wù)面積約15 km2。該廠采用以水解（酸化）+改良A/A/O工藝 +加藥絮凝為主體的處理工藝，出水達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，2015年提標(biāo)擴(kuò)建工程完成，污水處理總規(guī)模5.0萬(wàn)m3/d，提標(biāo)擴(kuò)建后的采用以水解（酸化）沉淀池 +A/O曝氣池工藝+高效沉淀池+精密過(guò)濾+兩級(jí)臭氧催化氧化EM（電磁反應(yīng)）為主體的處理工藝，工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 污水處理工藝流程

A/O曝氣池是一種前置反硝化工藝，初沉池出水連續(xù)進(jìn)入缺氧池，進(jìn)行反硝化微生物細(xì)胞合成，硝態(tài)氮含量下降，再進(jìn)好氧池，NH4-N濃度快速下降，NO3-N濃度不斷上升，最后將好氧池的混合液和沉淀池的回流污泥同時(shí)回流至缺氧區(qū)完成脫氮。

1.1 進(jìn)水水質(zhì)情況

污水處理廠自運(yùn)行以來(lái)，進(jìn)水BOD5質(zhì)量濃度約20 mg/L，與設(shè)計(jì)相差較大，進(jìn)水的COD與設(shè)計(jì)值相近，ρ(BOD5)/ρ(COD)約為 0.1，低于 0.3，生化性很差，其它水質(zhì)指標(biāo)設(shè)計(jì)值和實(shí)際值偏差較小，具體見(jiàn)表1。

表1 污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)

1.2 主要構(gòu)筑物設(shè)計(jì)工藝參數(shù)

（1）水解酸化沉淀池

共2座單座直徑32.0 m，H=6.3 m，鋼筋砼結(jié)構(gòu)，停留時(shí)間3.8 h，污泥質(zhì)量濃度6~8 g/L。

（2）A/O 曝氣池

共2座，分2格，平面尺寸65.0 m ×32.5m，H=6.8 m，鋼筋砼結(jié)構(gòu)。曝氣池內(nèi)分為生物缺氧區(qū)、好氧區(qū)，總?cè)莘e12 400 m3,其中生物缺氧區(qū)容積2 600 m3，好氧區(qū)容積8 200 m3。總水力停留時(shí)間11.64 h，其中缺氧區(qū)為2.4 h，好氧區(qū)為7.74 h。采用缺氧區(qū)設(shè)攪拌器混合，好氧區(qū)域采用微孔曝氣盤充氧。

設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)：污泥質(zhì)量濃度4 g/L、污泥負(fù)荷0.13 kg/(kg·d)、泥齡 20 d，每 kg BOD5需 2.1 kg O2，V（CO2）∶V（水）為 1∶5.25、活性污泥回流比 100%，內(nèi)回流比300%。

（3）二沉池

共4座，單座直徑30 m，H=4.4 m，回流比100%，設(shè)計(jì)表面負(fù)荷1.0m3/（m2·h），沉淀時(shí)間2.0h。

（4）催化臭氧池

臭氧池1座，長(zhǎng)41 m，寬34.1 m，有效水深8 m，停留時(shí)間120 min，臭氧質(zhì)量濃度38 mg/L。

2 脫氮效果影響因素

廢水中的氮主要以有機(jī)氮、NH4-N、亞硝酸鹽氮和NO3-N這4種形式存在，生物脫氮是在微生物的作用下，將有機(jī)氮和NH4-N轉(zhuǎn)化為N2和NxO氣體的過(guò)程，其中包括硝化和反硝化2個(gè)過(guò)程。

在滿足微生物反應(yīng)機(jī)理的條件下，硝化菌和反硝化菌發(fā)揮了重要作用，影響污水處理脫氮的因素很多，反硝化細(xì)菌很好地發(fā)揮作用需要適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件。

（1）硝化反應(yīng)必須徹底，水中的TKN基本經(jīng)硝化細(xì)菌作用在好氧條件下轉(zhuǎn)變成硝態(tài)氮。

（2）DO在缺氧構(gòu)筑物內(nèi)，反硝化脫氮最佳DO質(zhì)量濃度在0.5 mg/L以下。

（3）營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的量是影響生物脫氮的重要因素，反硝化廢水中有足夠的碳源，一般廢水中ρ（BOD5）/ρ（TKN）大于4，生物脫氮效果較好。

（4）溫度最佳控制在20~35℃,30℃時(shí)反硝化速率最快。

（5）pH值偏堿性。pH值在7.0~8.0,pH值是7.5時(shí)反硝化速率最快。

3 污水處理廠的運(yùn)行現(xiàn)狀和解決問(wèn)題辦法

3.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

該污水處理廠運(yùn)行過(guò)程中，進(jìn)水水質(zhì)相對(duì)較為穩(wěn)定，出水TN指標(biāo)無(wú)法達(dá)標(biāo)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為100~150 mg/L，BOD5質(zhì)量濃度約10~20 mg/L，而進(jìn)水TN質(zhì)量濃度平均為45 mg/L（其中NO3-N質(zhì)量濃度20 mg/L），進(jìn)水碳氮比不足1，屬于嚴(yán)重缺少碳源；因進(jìn)水負(fù)荷低，DO難于控制，缺氧區(qū)DO高，脫氮沒(méi)有缺氧條件，對(duì)出水TN濃度達(dá)標(biāo)排放造成了極大困難，出水TN幾乎沒(méi)有去除率。為了保證出水TN濃度的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，必須外加大量碳源、改善缺氧環(huán)境等因素強(qiáng)化脫氮效果。

3.2 問(wèn)題解決方法

3.2.1 合理調(diào)控DO

合理控制DO質(zhì)量濃度在0.5 mg/L以下，目前內(nèi)回流比300%，外回流比100%，缺氧區(qū)DO質(zhì)量濃度達(dá)到1.2 mg/L，沒(méi)有缺氧條件。經(jīng)多方原因分析，因進(jìn)水COD，NH4-N值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，耗氧速率慢，曝氣池出水DO質(zhì)量濃度高達(dá)5.2 mg/L，回流液回流攜帶到缺氧區(qū)的DO多，導(dǎo)致缺氧區(qū)DO高，為確保缺氧區(qū)的脫氮效果，保證缺氧區(qū)DO質(zhì)量濃度在0.5 mg/L以下，合理調(diào)整工藝參數(shù)，降低外回流比至50%，內(nèi)回流比200%，曝氣池連續(xù)曝氣改為間歇曝氣，風(fēng)機(jī)開(kāi)3 h停1 h，污泥質(zhì)量濃度由3 500 mg/L調(diào)整為5 500 mg/L，污泥齡控制在18 d左右。通過(guò)一系列工藝調(diào)整，缺氧區(qū)的DO質(zhì)量濃度穩(wěn)定在0.3 mg/L左右。

3.2.2 選擇合適、經(jīng)濟(jì)外加碳源

反硝化碳源添加量:去除1 kg TN消耗2.86 kg COD，常用碳源當(dāng)量：碳源當(dāng)量1 kg葡萄糖相當(dāng)于1.1 kg COD；碳源當(dāng)量1 kg甲醇相當(dāng)于1.5 kg COD；碳源當(dāng)量1 kg乙酸鈉 相當(dāng)于0.58 kg COD；目前脫氮使用的外部碳源主要有甲醇、乙酸鈉和葡萄糖等。在選擇碳源時(shí)必須綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全、便利程度等因素。上述3種碳源中，甲醇最經(jīng)濟(jì)，但屬于易燃、易爆的危險(xiǎn)化學(xué)藥品，因該廠在安全措施不到位，沒(méi)有經(jīng)過(guò)安全消防專項(xiàng)驗(yàn)收，不適用于甲醇；投加乙酸鈉也比較有效，但同重量乙酸鈉和葡萄糖的COD值相差較大，通過(guò)性價(jià)比分析，葡萄糖更為經(jīng)濟(jì)。綜合考慮，暫定投加葡萄糖更適合于該污水廠。具體模式見(jiàn)圖2。

圖2 脫氮A/O模式

4 生產(chǎn)運(yùn)行質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)分析

4.1 運(yùn)行質(zhì)量

以2016年1~12月生產(chǎn)運(yùn)行質(zhì)量為例，進(jìn)水水質(zhì)和水量較為穩(wěn)定，進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為40mg/L,為確保出水TN指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，內(nèi)控質(zhì)量濃度為14mg/L，需要去除TN質(zhì)量濃度26mg/L,每天按5萬(wàn)m3計(jì)，共計(jì)除去TN 1 300 kg，理論需要3 718 kg COD，低溫下(試驗(yàn)溫度15.0℃左右）實(shí)際投加的外加碳源量要比理論上投加碳源量要大40%。故滿足反硝化脫氮需外加5 205.2 kg COD，葡萄糖碳源投加量約4 732 kg/d。故確定最低碳氮比為4∶1來(lái)滿足脫氮對(duì)碳源的基本要求。

為確保出水TN濃度達(dá)標(biāo)，將葡萄糖配制成15%溶液連續(xù)投加，并且每天在生物池進(jìn)水口通過(guò)計(jì)量泵投加葡萄糖溶液，根據(jù)目前的運(yùn)行狀況，投加葡萄糖5 t/d的情況下，該污水處理廠出水TN濃度均能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 TN檢測(cè)結(jié)果mg·L-1

4.2 經(jīng)濟(jì)分析

以2016年上半年以每月為例對(duì)投加碳源措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。2016年上半年182d共投加葡萄糖約910t，按 3 000元/t計(jì)，總費(fèi)用 273萬(wàn)元；2016年上半年處理水量為910萬(wàn)m3,污水處理脫氮單位成本增加了約0.3元/m3。高額的脫氮費(fèi)用造成了該廠運(yùn)行成本壓力很大，為了降低運(yùn)行成本，除了通過(guò)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、積極優(yōu)化工藝外，污水廠一直都在積極尋求各種可用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為葡萄糖的替代物，并在進(jìn)行消防安全評(píng)估和安全應(yīng)急預(yù)評(píng)價(jià)由葡萄糖改為甲醇，這樣，甲醇的COD當(dāng)量值高，價(jià)格是葡萄糖價(jià)格的一半，單位成本降低了約0.2元/m3，碳源投加量大、持續(xù)必須在安全、消防措施到位的前提下使用甲醇。

5 結(jié)論

（1）該污水處理廠在運(yùn)行過(guò)程中為確保出水TN濃度達(dá)標(biāo)，調(diào)整運(yùn)行模式外，投加葡萄糖作為碳源。運(yùn)行結(jié)果表明，通過(guò)工藝優(yōu)化、強(qiáng)化脫氮措施有效保證出水TN濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（2）改善廠區(qū)安全條件，添加碳源葡萄糖更換為甲醇，脫氮費(fèi)用大幅度降低，建議使用碳源多、連續(xù)投加的水廠，建議在完善安全措施的前提下使用優(yōu)質(zhì)碳源甲醇。

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