關(guān)于某污水處理廠處理工藝改造及改造后AO工藝強化脫氮的研究

郝 屹

北京市自來水集團(tuán)檀州自來水有限責(zé)任公司 北京 101500

1 工程概況

北京市某郊區(qū)污水處理廠于1991年正式投入運行，一直采用水解酸化+活性污泥法工藝處理該區(qū)域城鎮(zhèn)生活污水及工業(yè)開發(fā)區(qū)部分工業(yè)廢水，設(shè)計日處理能力為4.5萬噸，實際處理量為4萬噸/日。經(jīng)處理后的水直接排入廠區(qū)外河道，用于補充景觀用水。排放水水質(zhì)需達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11-890-2012）中表2 A標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

隨著該區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展，尤其是區(qū)域面積的擴大和工業(yè)企業(yè)數(shù)量的增加，上游污水排放量、污染物濃度升高，以及工業(yè)廢水比例增加、水質(zhì)波動大等原因，該污水處理廠排放水氨氮、總氮指標(biāo)無法達(dá)到排放限值，造成超標(biāo)排放。

針對該廠出水水質(zhì)無法滿足目前北京市環(huán)保排放要求的問題，根據(jù)實地情況（不對工藝構(gòu)筑物進(jìn)行新、改、擴建），提出在控制原水水質(zhì)的條件下，對該廠污水處理工藝進(jìn)行脫氮工藝改造：將污水廠原水解池改造為缺氧段，與現(xiàn)有曝氣池形成 A/O 工藝，通過增加填料和合理配水，在有限的池容下提高系統(tǒng)脫氮能力，使其出水水質(zhì)滿足排放要求。

2 污水廠原處理工藝特點

該污水處理廠設(shè)計污水處理工藝為水解酸化+活性污泥法處理工藝，其中在水解酸化階段，主要是利用水解菌和產(chǎn)酸菌，將大分子或不溶性物質(zhì)水解成低分子的可溶性有機物，將大分子和難降解的有機物降解為小分子有機物，以提高污水的可生化性，為后續(xù)處理創(chuàng)造有利條件。而后續(xù)曝氣池、二沉池和污泥回流構(gòu)成了傳統(tǒng)活性污泥法處理工藝。該工藝能夠大幅去除污水中呈溶解性的有機物，氮、磷去除率低，只能去除細(xì)菌細(xì)胞生理上的需要而攝取的氮、磷數(shù)量，因此難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 AO工藝

AO工藝即缺氧（厭氧）-好氧工藝，根據(jù)A池功能不同可以分為：缺氧-好氧（anoxic/oxic）脫氮工藝和厭氧—好氧（anaerobic/oxic）除磷工藝。該污水處理廠將原處理工藝改造為缺氧-好氧脫氮工藝，工藝流程為：污水經(jīng)過粗、細(xì)格柵和初沉池處理后的預(yù)處理，進(jìn)入A池（缺氧池），硝化液同時回流進(jìn)入A池，此時反硝化菌將硝酸鹽氮經(jīng)反硝化作用生成氮氣，以達(dá)到污水中氮元素的去除。經(jīng)A池處理后的出水進(jìn)入O池（好氧池），O池主要進(jìn)行硝化作用，生成硝酸鹽氮[1]。處理工藝具有污泥回流系統(tǒng)，可使不同的菌群在缺氧好氧交替環(huán)境下生存繁殖，有利于防止污泥膨脹。AO工藝流程圖，如圖1所示。

圖1 AO工藝流程圖

AO工藝受水力停留時間、硝化液回流比、污泥濃度和泥齡等因素影響，相對其他處理工藝來說，AO工藝相對比較簡單。同時，AO工藝具有占地面積小、能耗低、節(jié)省藥劑和管理方便等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)污水處理中。

4 改造前后處理工藝情況

4.1 改造前

污水經(jīng)過格柵去除粗大物后由水泵提升至水力篩， 水力篩去除大塊懸浮物，為以后污泥和污水的處理運輸創(chuàng)造良好的條件。格柵和水力篩截留下來的垃圾外運至垃圾場。污水流經(jīng)沉砂池去除污水中的砂，截留的砂經(jīng)干化后外運。經(jīng)沉砂池后的污水進(jìn)入水解池，在其中去除有機物和懸浮物及進(jìn)行水解處理。經(jīng)水解處理后的污水，進(jìn)入曝氣池進(jìn)行好氧處理，再經(jīng)二沉池沉淀后上清液外排。

該污水處理廠建廠時間較早，各項出水指標(biāo)分別是按照《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》 （GB 8978-1988）和《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978-1996）設(shè)計，采用水解—好氧生物處理工藝，該工藝能大幅去除污水中呈膠體態(tài)、溶解態(tài)的有機污染物，使經(jīng)處理后的外排水 CODcr、BOD5和SS 達(dá)標(biāo)，但對污水中氮的去除率很低，外排水氨氮部分超標(biāo)。

4.2 改造后

該污水處理廠經(jīng)改造后，形成 A/O 工藝。即上游來水通過提升泵房進(jìn)入沉砂池，沉砂池出水部分進(jìn)入一期缺氧池（由一期水解池改造），部分進(jìn)入二期缺氧池（由二期水解池改造）。缺氧池出水進(jìn)入后續(xù)曝氣池，經(jīng)處理后進(jìn)入二沉池并最終將上清液外排。由于進(jìn)水 COD 及氨氮高，為了保障出水效果，在 A 池及 O 池均投加高效填料，增加污泥濃度。

5 A/O工藝實際運行脫氮效果研究

該工程于2016年底完成，改造后進(jìn)行了一段時間的調(diào)試，現(xiàn)主要對2017年3月中至2018年1月底近十個月運行過程中，系統(tǒng)對NH4+-N、TN的去除效果進(jìn)行簡要分析和研究。

5.1 對NH4+-N去除效果分析

圖2 AO段對NH4+-N去除效果

圖2為系統(tǒng)AO段對NH4+-N的去除效果，可知，AO段進(jìn)水N H4+-N 濃度范圍為8 ～4 0 m g/L，平均濃度為23.26 mg/L。經(jīng)AO段處理后，二沉池出水NH4+-N濃度范圍為0.095～1.86 mg/L，平均濃度為0.331 mg/L。AO工藝對NH4+-N的去除率為91.01～99.55%，平均去除率為98.56%。

AO工藝中O池（好氧池）中生存有大量的硝化菌群，經(jīng)過硝化作用將氨氮硝化為硝酸鹽氮，實現(xiàn)了污水中氨氮的去除。好氧池采用微孔底曝曝氣方式，溶解氧量控制在3～5 mg/L。AO段對氨氮的去除效率較高，二沉池出水氨氮含量遠(yuǎn)低于國家一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 對TN的去除效果分析

圖3 系統(tǒng)對TN去除效果

圖3為系統(tǒng)對TN的去除效果，可知在該時期內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)水TN濃度范圍為54.1～141.7 mg/L，平均濃度為77.26 mg/L。經(jīng)處理后，外排水TN濃度為5.2～35.62 mg/L，平均濃度為19.01 mg/L。工藝對TN的平均去除率為75.53%。其中，4月中旬至10月底期間，系統(tǒng)水溫絕大多數(shù)位于20 ℃以上，活性污泥微生物活性較好。此階段處理后外排水TN平均濃度為14.68 mg/L，低于國家一級A標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 外加碳源強化脫氮的研究

5.3.1 外加碳源的研究

針對城鎮(zhèn)污水處理廠工藝系統(tǒng)中碳氮比普遍較低導(dǎo)致傳統(tǒng)生物脫氮工藝不能達(dá)標(biāo)的問題，進(jìn)行外加碳源投加強化脫氮效果的研究具有重大意義。在不大幅度改變傳統(tǒng)工藝設(shè)施的前提下，通過投加碳源方式能夠有效提高系統(tǒng)脫氮能力，快速完成污水處理廠提標(biāo)改造工作。

5.3.2 乙酸鈉強化脫氮試驗研究

該污水處理廠進(jìn)水COD為400-550mg/L，進(jìn)水TN為60-150mg/L，COD/TN小于7，不滿足反硝化需要，故采用外加乙酸鈉溶液為碳源的方式，以達(dá)到促進(jìn)缺氧池的反硝化作用，實現(xiàn)系統(tǒng)強化脫氮目的。

（1）投加量計算[2]

外加碳源投加點設(shè)置在A池（缺氧池）進(jìn)水口處，投加量折算后為26mgCOD/L。

碳源投加量計算：Cm=5N

其中：Cm為必須投加的外部碳源量（以COD計），mg/L ;5為反硝化1kg硝態(tài)氮需要外部碳源量（以COD計）;N為需要用外部碳源反硝化去除的氮量，mg/L。

以本工程為例，工藝日處理量40000m3/d，出水TN20mg/L，TN標(biāo)準(zhǔn)排放濃度15 mg/L。

N=20-15=5 mg/L

Cm=5N=5*5=25 mg/L

碳源日投加量=25mg/L × 40000m3/d=1t

選用乙酸鈉為外加碳源，其COD當(dāng)量為0.68kgCOD/kg，乙酸鈉量為：1*0.68=0.68t/d

購置乙酸鈉濃度為30%，日投加量為0.68/0.3A=2.27t

（2）外加碳源對脫氨效果的影響

圖4 加藥前后NO3--N的去除量

由圖4可知，未投加碳源時，缺氧池對NO3--N的去除量均值為3.06mg/L；投加碳源后，對NO3--N的去除量均值為8.07mg/L。因此，在投加25 mgCOD/L的乙酸鈉作碳源后，缺氧池對NO3--N的去除量增加了5.01mg/L，提升了163.73%。缺氧池投加碳源，提高了反硝化能力，系統(tǒng)脫氮能力有所提升，為系統(tǒng)出水能夠達(dá)標(biāo)排放的有力支撐。

5.4 污泥回流對脫氮的影響

反硝化過程是指在微生物作用下將水體中的氮素轉(zhuǎn)化為氮氣去除的過程，因此，反硝化作用是污水脫氮的關(guān)鍵步驟。為了強化工藝系統(tǒng)的脫氮能力，需要將二沉池硝化液回流至缺氧池，并通過調(diào)節(jié)回流量（比）來強化缺氧池的反硝化能力。

圖5 水解反硝化段對NO3--N去除效果

由圖5可知，工藝進(jìn)水NO3--N均值為2.39 mg/L，二沉池回流液中NO3--N濃度均值為21.76 mg/L。各階段回流比折算后，缺氧池進(jìn)水NO3--N濃度均值為12.77 mg/L。經(jīng)缺氧池反硝化處理后，缺氧池出水中NO3--N濃度均值為1.52 mg/L，本工藝段對NO3--N的去除率平均可達(dá)87.91%。

圖6 不同回流比下NO3--N的去除效率

通過分段調(diào)節(jié)二沉池出水（硝化液）對水解池回流的比例，可以不斷強化缺氧池的反硝化能力。由圖6可知，本試驗段一共分為四段，回流比分別設(shè)定為75%、100%、120%和150%。回流比為75%、100%、120%和150%時，缺氧池對硝態(tài)氮的去除效率均值分別對應(yīng)37.18 g/h、40.08 g/h、44.17 g/h和66.6 g/h。分析得出，隨著回流比的增加，缺氧池對硝態(tài)氮的去除效率逐漸增強，系統(tǒng)脫氮能力得到提升。經(jīng)過一段時間的觀察發(fā)現(xiàn)，在該過程中，反硝化能力也受到溫度和污泥濃度的影響。

6 結(jié)論

該污水處理廠經(jīng)過脫氮工藝改造后，在進(jìn)水污染物不嚴(yán)重超標(biāo)的情況下，通過外加碳源、調(diào)整回流比等手段，工藝系統(tǒng)對氨氮、總氮的去除效果明顯提升，在4月至10月溫度相對較高的時期，出廠水基本達(dá)標(biāo)排放，達(dá)到了工藝升級提標(biāo)改造的目的。