UNITANK工藝處理城市生活污水脫氮能力挖潛研究

劉寶峰，蔡碧婧，郭宇平，郭宇浪

(蘇伊士中國水務運營，上海 200070)

UNITANK工藝于1989年發明，是一種在SBR工藝的基礎上發展演變的工藝。UNITANK工藝把SBR系統的時間推流過程與活性污泥法連續系統的空間推流過程合二為一，實現整個系統連續進水和出水。UNITANK工藝集合了SBR和活性污泥系統優點，不僅繼承了SBR工藝的占地節省，運行靈活，一體化程度高等優點，而且還能保證在恒水位、水力負荷恒定下連續流運行[1]。UNITANK工藝脫氮主要通過單個池子運行時間的控制，適當改變曝氣攪拌方式來實現，調節空間有限[2-3]。但是隨著目前污水廠出水TN要求越來越嚴格，UNITANK工藝需要進一步挖潛TN去除能力。本研究通過對某污水廠UNITANK工藝不同運行方式的分析，研究了UNITANK工藝TN進一步降低的技術路線。

1 UNITANK工藝運行概況

本研究在某市政污水處理廠進行，該廠設計規模：300000 m3/d。污水廠處理工藝為：格柵→曝氣沉砂池→UNITANK生物處理池→高效沉淀池→硝化濾池→反硝化濾池→轉盤濾池→液氯消毒。該廠設計水量和水質如表1所示。目前該污水廠處理水量達到設計值，進水各項污染物指標接近設計濃度。

表1 進出水設計值Table 1 Design inlet and outlet

UNITANK生物處理單元分兩座(甲池和乙池)，每座池分六組(1～6#線)，每組由三格池組成，分別為A、B、C三池。其示意圖1所示[4]。在兩邊池(A、C池)中設有微孔曝氣系統、攪拌器，斜管沉淀、固定溢流出水堰和剩余污泥排放口，該二池交替作為曝氣池和沉淀池。中間單元池(B池)只作曝氣池。

圖1 UNITANK工藝示意圖Fig.1 UNITANK process

UNITANK按周期運行，12 h一個周期，時序如表2所示。周期開始時，污水首先進入A池，該池處于曝氣狀態，因上個階段進行沉淀操作，積累了大量活性污泥，且濃度較高。進水與活性污泥混合，污染物被吸附，部分被降解。混合液繼續流入B池，該池連續曝氣，污染物得到進一步的降解，同時在推流過程中，A 池的活性污泥進入中間池，再進入C池，實現污泥在各池的重新分配。最后，混合液進入處于沉淀狀態的C 池，進行泥水分離，處理后的出水通過出水堰排放，剩余污泥由該池排出。在周期開始后10 h開始，污水進入B池，原出水邊池仍處于沉淀出水狀態，A池開始完成曝氣池到沉淀池的轉換，為下一周期出水作準備。下一個周期開始時，污水先進入C池，污水及混合液的流動方向與上一個周期相反。因邊池在曝氣狀態時，出水槽內進滿泥水混合液，所以A池開始的出水不能作為處理后的出水直接排放，需先沖洗排入處理系統，待出水澄清后，方可外排。

2 試驗方法

2.1 試驗過程

本研究試驗了增加周期內反硝化時間和縮短運行周期時間對TN去除效果的影響。試驗過程主要分以下四個階段。

2.1.1 現狀測試

按照原有方式運行，對Unitank反應過程進行現狀測試。摸清現狀運行方式下Unitank在運行周期中，氮的主要指標隨時間的轉化規律。選擇單格池體(乙池4#)進行檢測。

2.1.2 增加周期內反硝化時間

選擇單格池體(乙池4#線)作為測試線，將周期開始時A池進水攪拌時間從原來的1 h延長至2 h，觀察TN出水提升效果，和其他出水指標的穩定性。其他線運行維持不變。

2.1.3 縮短運行周期時間

選擇單格池體(乙池4#線)作為測試線，將一個周期時長從原來12 h改為8 h，每周期A池進水攪拌時間改為2 h。觀察TN出水提升效果和其他出水指標的穩定性。其他線運行維持不變。

2.1.4 效果驗證

更換單格池體(Unitank 乙池3#線)作為測試線，將一個周期時長從原來12 h改為8 h，每周期A池進水攪拌時間改為2 h。觀察TN出水提升效果和其他出水指標的穩定性。其他線運行維持不變。

2.2 采樣檢測點和檢測指標

為了進行現狀全過程分析，在運行周期不同時間段采樣，進行了相關水質指標分析，如表3所示。

表3 全過程分析采樣點和檢測指標Table 3 Sampling point and time for overall analysis

A、B、C三池的采樣點如圖2所示。

圖2 A、B、C三池的采樣點Fig.2 Sampling point of A, B, C tank

3 結果分析

3.1 第一階段：現狀測試

本階段監測了一個運行周期內A、B、C池的氨氮、TN、硝酸鹽、MLSS、DO隨著時間的變化情況。

對A、B、C三池的氨氮、TN、硝酸鹽在一個周期內隨時間變化如圖3、圖4、圖5所示。從圖3～圖5中可以看出在A池中周期開始的一個小時硝酸鹽和TN明顯下降，反硝化效果明顯。在B池中周期開始的一個小時和周期結束時的2 h，硝酸鹽略有下降，由一定的反硝化效果。C池基本沒有反硝化效果。以前的研究[5-6]中也有類似報道。

圖3 現有運行條件下A池氨氮、TN、硝酸鹽 在一個周期內隨時間變化Fig.3 Ammonia, TN, and nitrate variation within one operation cycle of A tank

圖4 現有運行條件下B池氨氮、TN、硝酸鹽 在一個周期內隨時間變化Fig.4 Ammonia, TN, and nitrate variation within one operation cycle of B tank

圖5 現有運行條件下C池氨氮、TN、硝酸鹽在 一個周期內隨時間變化Fig.5 Ammonia, TN, and nitrate variation within one operation cycle of C tank

在本階段還檢測了A池和B池的MLSS的在一個周期內的變化(圖6)和B池出水的DO在一個周期內的變化(圖7)。本研究結果顯示的趨勢在以前的研究[5,7]中也有類似報道。

根據以上結果，分析UNITANK工藝反硝化脫氮的兩個主要路徑：

(1)A池周期開始時的1 h為進水攪拌階段，而且污泥濃度較高，在進水中的碳源可以與池內硝酸鹽進行缺氧反硝化，可以實現較快的硝酸鹽去除。

(2)B池雖然一直在曝氣，從B池中DO監測來看，周期剛開始時B池DO較低，可以形成部分反硝化環境。周期結束前的2 h，B池開始進水，DO開始下降，進水帶來的BOD和B池本身較高的硝酸鹽可以進行部分反硝化。

圖6 A池和B池的MLSS的在一個周期內的變化Fig.6 MLSS variation of one operation cycle of A and B tank

圖7 B池出水的DO在一個周期內的變化Fig.7 DO variation of one operation cycle for B tank outlet

3.2 第二階段：周期內增加反硝化時間的TN去除效果

第二階段對UNITANK 乙池4#線進行一個運行周期內的功能時段進行微調，A池進水攪拌時間從原來的1 h延長至2 h。一個周期時序如表4所示。

表4 第二階段對UNITANK 乙池4#線試驗的周期時序Table 4 Adjusted operation cycle for UNITANK Lane 2 Line 4 in second step

此調整進行了23天，有11天進行了水質數據檢測。乙池4#出水氨氮穩定在1.33～2.14 mg/L。

第二階段和第一階段A池硝酸鹽變化如圖8所示。因本階段的測試時進水氨氮濃度較第一階段有所上升，周期開始時硝酸鹽濃度上升，無法直接比較。圖中將第二階段的硝酸鹽變化曲線按照第一階段的起始值向下平移，再進行比較。從實驗結果看，通過延長反硝化時間至2 h，(1)每周期A池進水反硝化結束時，硝酸鹽濃度比原來可以降低約2.4 mg/L；(2)理論計算：每天硝酸鹽去除量可以增加261 kg/d，總出水硝酸鹽可多去除約0.87 mg/L。

圖8 第二階段A池硝酸鹽變化Fig.8 Nitrate variation of A tank in second step

3.3 第三階段：縮短周期運行時間的TN去除效果

對Unitank乙池4#線進一步調整了運行周期：將一個周期時長從原來12 h改為8 h，每周期A池進水攪拌時間改為2 h。一個周期時序如表5所示。

表5 第二階段對Unitank 乙池4#線試驗的周期時序Table 5 Adjusted operation cycle for UNITANK Lane 2 Line 4 in thrid step

此調整進行了36天，有28天進行了水質數據檢測。乙池4#出水氨氮穩定在出水標準以下，比第二階段略有升高(24 h混樣為1.2～3.7 mg/L，平均值為2.4 mg/L)。

第三階段和第一階段A池硝酸鹽變化反硝化效果如圖9所示，從實驗結果分析，(1)每周期A池進水反硝化結束時，硝酸鹽濃度比未調整前降低1.6 mg/L。理論計算：每天硝酸鹽去除量可以增加175 kg/d，相當于總出水多去除0.6 mg/L硝酸鹽；(2)增加一個周期的A池反硝化過程，如圖9中所示，一天內原有2個反硝化過程(黑邊白底圈)變成3個反硝化周期(灰色圈)。理論計算：增加硝酸鹽去除522 kg/d，相當于總出水多去除1.7 mg/L硝酸鹽。

圖9 第三階段A池硝酸鹽變化Fig.9 Nitrate variation of A tank in third step

另外，此階段進行了調試線(乙池4#線)與未調試的參比線(乙池3#)TN去除量的比較。選擇乙池3#線作為參比線是因乙池總進水是從3#和4#池中間進水，乙池3#和4#的水力條件相對類似，進水水量和水質基本類似。圖10展示了調試過程的30天時間內調試線和參比線出水TN的情況，可以看出調整了工序的乙池4#出水TN比未調整的乙池3#的出水TN低1.4 mg/L。

圖10 第三階段調試線和參比線出水TN比較Fig.10 Outlet TN comparison between adjusted and non-adjusted lines in third step

3.4 第四階段：效果驗證

為了驗證第三階段的TN運行效果能否穩定重現，對Unitank 乙池3#線和4#線進行運行模式互換，乙池3#線作為調試線，乙池4#線作為參比線。此調整持續了26天，有13天水質數據檢測。

圖11 第四階段調試線和參比線出水TN比較Fig.11 Outlet TN comparison between adjusted and non-adjusted lines in fourth step

試驗結果如圖11所示，乙池3#和4#運行模式互換后，調試線出水TN比參比線低1.3 mg/L，與第三階段結果(1.4 mg/L)接近，說明此運行模式的效果在其他線有復制性。

4 結 論

根據以上試驗，本研究結論為：

(1)UNITANK工藝反硝化去除總氮主要依靠周期開始的一個小時A池中進水攪拌快速反硝化和在B池中周期開始的一個小時和周期結束時的兩個小時的部分反硝化。

(2)UNITANK運行周期A池進水攪拌時間從原來的1 h延長至2 h，可以提升TN去除量約0.87 mg/L。同時出水氨氮穩定在1～2 mg/L。

(3)UNITANK運行周期從原來的12 h改為8 h，A池進水攪拌時間從原來的1 h延長至2 h，出水TN可以降低約1.3～1.4 mg/L。同時出水氨氮穩定在3～5 mg/L。

(4)通過UNITANK工藝調整，利用原水的碳源，TN多去除1.3～1.4 mg/L，可以減輕該廠后端的反硝化濾池去除壓力，也能節省反硝化濾池的碳源投加費用。如1.3 mg/L TN需要在反硝化濾池去除，需要投加1.3×4=5.2 mg/L COD，相當于6.7 mg/L純乙酸鈉。如采用20%液體乙酸鈉，藥劑采購費用為1500 RMB/t，乙酸鈉碳源投加費用為0.05 RMB/m3。對該廠乙酸鈉投加費用可以節省約五百萬人民幣。