污水進水低碳氮比的總氮應急處理技改實踐

劉培志，汪 輝

(武漢新天達美環境科技股份有限公司，湖北武漢 430000)

水中的總氮(TN)含量是衡量水質的重要指標之一。城市污水處理廠超標問題頻發，特別是TN超標問題較為突出。該問題如不及時解決，會導致匯水區域水體富營養化，引發赤潮、水華等現象，造成生態環境破壞[1-3]。為保障水環境安全，2017年，生態環境部《關于加快重點行業重點地區的重點排污單位自動監控工作的通知》(環辦環監函〔2017〕61號)要求氮磷排放重點行業的重點排污單位應安裝TN排放自動監測設備并與環保部門聯網，對污水廠TN進行實時監控。TN排放指標的監管要求上了新臺階，這也對污水廠的TN去除提出更嚴格的要求。污水廠相繼提出了針對去除TN的相關技改措施。

某縣生活污水廠于2010年建成投運，設計規模為1.5萬m3/d，承擔著該縣主城區的污水處理任務，采用厭氧-好氧工藝(AO工藝)，污水經過處理后達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18919—2002)一級B標準，進入后續深度處理設施。該廠AO工藝在低水量和低碳氮比(C/N)的情況下，TN難以滿足實時達標[4]。因單獨AO工藝不能滿足TN去除要求[5-6]，本項目在資金缺乏和設備設施簡陋的條件下，通過增加生化系統內硝化液回流、控制反硝化溶解氧和投加碳源的方式，增加TN去除量，及時解除了該廠出水TN超標的危機。

以該污水廠TN技改試驗為例，介紹了試驗過程和實際運行效果，以期為同類項目TN應急處理提供參考。

1 項目背景和運行問題分析

1.1 項目背景

(1)污水廠設計進出水水質

該廠設計規模為1.5萬m3/d，處理工藝按照生活污水設計，設計進出水水質如表1所示。

表1 污水廠設計進出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

(2)工藝流程圖

該廠工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Engineering Flow Sheet

(3)試驗期前進水水質

隨著縣域經濟發展，該污水廠收水范圍內于2014年引進一座發酵酒精廠。該酒精廠生產廢水經自有廢水處理設施處理至納管標準后，排入市政管網，進入該污水廠處理。酒精廢水原本只有1 500 m3/d，因該廠效益較好，生產規模擴大，生產廢水水量增加至6 000 m3/d，導致該縣污水廠進水中酒精廢水占比達40%。酒精廠廢水處理設施排口僅對水量和CODCr進行監控，氨氮、TN等其他指標并未監控。經檢測，酒精廠廢水在CODCr符合納管標準的情況下，極易導致該生活污水處理廠進水氨氮和TN等指標超出設計標準。該生活污水廠無法處理該部分廢水，導致泵站停用一座，水量急劇降低。

受外部因素影響，該污水處理廠自2019年以來水量急劇下降，長期處于5 000 m3/d左右，最低時僅3 200 m3/d。截至試驗前，該廠進水的CODCr嚴重偏低，多數時間處于50 mg/L以內，進水BOD5不足20 mg/L，進水TN質量濃度在20～30 mg/L，嚴重的情況下甚至要超過30 mg/L，超出進水設計值。進水量不足，進水C/N嚴重失調，導致出水TN有超標風險。

(4)試驗期間難點

目前眾多技改試驗均在相對獨立系統中進行，檢測手段充足，數據能夠獲取和檢測。但是該污水廠投運時間達10年，存在大量的內外部缺陷，導致試驗推進困難。一是生化過程在線檢測儀表均報廢，且未更新，改造過程除水質指標可檢測外，水量、風量情況均靠人工判斷；二是污水廠員工整體技術水平較低，本項目需全程跟蹤運行調整情況；三是外部企業排水時間不固定，試驗期間受雨水影響，來水TN相對偏低；四是污水廠來水量較少，生化系統內的停留時間過長導致進出水檢測的相對滯后性；五是4組池體并聯、共用一套配水系統和供氣系統，池體間存在串水現象，導致無法對各影響因素做定量分析，只能進行定性判斷。

1.2 問題分析

(1)污水中氮的去除機理

污水TN主要由氨氮、有機氮、硝態氮、亞硝態氮以及氮氧化合物[7]組成。其中，氨氮主要來源于水中的無機物或者有機氮的分解。生活污水中氮的去除由氨化、硝化、反硝化反應[8-9]組成，以生化去除為主。氮的硝化反應和亞硝化反應是由自養菌在好氧環境下進行，不需要額外提供能量，但是反硝化菌是異養菌，需要在碳源充足的情況下進行。

(2)該廠TN問題原因分析

該廠TN去除困難的原因有以下幾點。

① 處理工藝先天不足。該污水處理廠主要采用厭氧-好氧工藝，以除磷為主，未考慮TN的去除問題，未設置缺氧段，無反硝化場所。厭氧區生物池采用生物濾池模式，好氧區生化池內采用生物接觸濾池工藝，并未設置消化液回流和污泥回流工藝，好氧產生的硝態氮無法有效去除，在出水氨氮達標的情況下，TN削減量較少。

② 汽提回流技改不當。該廠為強化脫氮功能于2018年實施第一次技改。第一次技改內容為采用汽提回流方式，將好氧區末端混合液回流至最后第二級厭氧區，期望將第二級厭氧區技改為缺氧區。第一次技改并未改善系統脫氮功能，原因一方面是缺氧區有效容積較小，池內填料占用部分空間，導致缺氧水力停留時間不足1 h[10]，停留時間遠低于技術規范的缺氧水力停留時間(2～4 h)；另一方面是汽提回流量不足，無法達到技術規范的硝化液回流比(100%～400%)。回流液中帶有大量溶解氧，回流量無法提升和控制。

③ 進水C/N過低。反硝化反應需要碳源參與反應，進水中的碳源不足以滿足反硝化脫氮反應所需的碳源。在厭氧區，聚磷菌與反硝化菌在搶奪碳源中處于優勢地位，更加容易導致無充足碳源用于去除TN。

④ 現場好氧區在線溶解氧儀故障，其他區域未設置無溶解氧或氧化還原電位等檢測設備，風機開啟后無法通過各區溶解氧情況進行供氣量調整，無法控制工藝參數。

⑤ 部分生活污水混有有機氮，但是一般的工藝無法將有機氮進行氨化，此部分TN無法去除。

分析TN去除的機理和該廠TN問題產生的實際情況，可明確該廠在工藝先天不足的情況下，通過改造增加缺氧段的思路是正確的，導致該次技改失敗的原因是汽提回流無法有效控制。同時，結合該廠進水C/N過低情況，本項目針對該廠回流不足、缺氧區停留時間不夠和碳源不足的情況開展改造研究。

2 TN應急處理方案

2.1 硝化液回流系統改造

現有污水處理廠硝化液普遍采用泵或汽提方式實現回流，也有氧化溝采用內回流門方式進行硝化液回流。因該廠非氧化溝工藝，不具備內回流門改造條件。在前期也嘗試汽提回流改造，因回流液含氧量過高和回流量不足問題，不再考慮。本次硝化液回流系統改造采用增加水泵提升的方式實現。

該廠生化池分4條線，2條線為獨立一組。原設計每條線為獨立單元，因工程質量和投運時間久遠，組內2條線間有串水現象。原2018年汽提回流改造在1#線和2#線，本次對另外一組(3#、4#線)進行回流改造(圖2)。

圖2 回流系統改造示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Reflux System Reconstruction

(1) 在3#、4#線好氧區尾部各加設一臺回流量為150 m3/h的潛污泵(品牌藍深，口徑為150 mm，揚程為4 m，功率為4 kW)，設計回流比為100%，滿足技術規范關于回流比為100%～400%的要求，敷設管徑為150 mm的硬聚氯乙烯(UPVC)硝化液回流管至厭氧前端，將厭氧區改造為缺氧區(TP在預處理段通過加藥去除，不考慮厭氧生化除磷)，延長缺氧停留時間。2020年8月20日完成該硝化回流系統的安裝。

(2) 進水水量少，回流比過高，無法使系統內形成缺氧環境。本項目于8月21日對回流管道進行改造，每條線的回流管增加2個閥門，分別至缺氧區、好氧區。通過將多余的回流量轉移至好氧區，控制缺氧區回流量和溶解氧。

2.2 溶解氧控制

好氧區溶解氧質量濃度長期在4 mg/L以上，溶解氧過高，保持設定回流量的情況下，會破壞缺氧區缺氧環境，抑制反硝化反應，降低反硝化效果。

整個生化系統共用一套供氣系統，各風機變頻器老化，無風量檢測裝置，調節功能差。8月21日開始調整風機為間歇運行模式，通過降低好氧池溶解氧，以降低整個系統溶解氧，使得缺氧區的溶解氧控制在0.5 mg/L以內。

經對好氧區、缺氧區溶解氧經行反復檢測，風機運行時間從常開調整到為開5 h停3 h，可滿足缺氧區缺氧環境為2 h左右的要求，即符合技術規范關于停留時間為2～4 h的規定，又不影響出水CODCr和氨氮等水質指標。

2.3 乙酸鈉投加

(1) 乙酸鈉實際當量

本次技改試驗采購凈含量為58%乙酸鈉。根據相關資料，乙酸鈉作為外部碳源的CODCr當量參考值為0.68 kg CODCr/kg。理論計算，該批次乙酸鈉當量為0.391 kg CODCr/kg。經試驗檢測，乙酸鈉CODCr當量為0.407 kg CODCr/kg，與理論值接近，數據有效。

(2) 乙酸鈉投加量計算

按照外部碳源投加量建議，計算方法如式(1)。

Cm=5N

(1)

其中：Cm——必須投加的外部投加碳源量(以CODCr計)，mg/L；

N——需要外部碳源去除的TN量，mg/L。

本次按去除10 mg/L TN暫估乙酸鈉投加量，因池體串水和碳源利用率影響，實際TN去除量并未到理論計算值。

(3)對照組與試驗組

對照組：生產線中的1#線和4#線，未進行乙酸鈉投加，按照正常生產進行。

試驗組：2#線于8月20日開始投加乙酸鈉，投加量為125 mg/L，8月24日停止投加；3#線于8月24日開始投加乙酸鈉，投加量為166 mg/L。

3 結果與討論

技改期間，本項目采用哈希手持式溶解氧儀對各生產線缺氧區溶解氧進行實時監測，采用《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》(HJ 636—2012)對各生產線進出水TN進行了檢測。

(1) 碳源的影響

8月20日，2#線開始投加碳源，2#線出水TN明顯降低，去除量明顯增加。8月24日，2#線停止投加碳源，2#線出水TN開始回升，去除量降低。8月24日，3#線開始投加碳源，3#線出水TN開始降低。可以看到投加碳源之后TN的去除量有不同程度的增長，與碳源的投加量成同向增長關系，停止投加后，TN去除量明顯下降(圖3)。

圖3 TN與碳源的關系Fig.3 Relationship between TN and Carbon Source

參照組內的TN去除效果內對比：1#線未投加碳源，2#線8月20日—24日投加碳源。可以看到碳源投加前，兩組TN的去除量基本相同；2#線投加碳源后，TN去除量明顯高于1#線；2#線停止投加碳源后，TN去除量明顯降低，2 d后恢復至1#線TN去除效果(圖4)。

圖4 TN與碳源的關系Fig.4 Relationship between TN and Carbon Source

技改組內的TN去除效果內對比：4#線未投加碳源，3#線8月24日開始投加碳源。可以看到碳源投加前，2組TN的去除量基本相同；3#線投加碳源后，該線TN去除量明顯高于4#線(圖5)。

圖5 TN與碳源的關系Fig.5 Relationship between TN and Carbon Source

(2) 溶解氧的影響

4#線未投加外部碳源，只進行回流改造和溶解氧控制。

8月21日風機間歇運行，開5 h停3 h，以控制好氧區溶解氧來調整整個系統的溶解氧。但是8月24日前，4#線缺氧區的溶解氧較高，不能形成缺氧環境，反硝化作用很弱，TN的去除量較低。8月24日后嚴格控制缺氧溶解氧在0.5 mg/L以內，TN的去除率顯著(圖6)。

圖6 TN與溶解氧的關系Fig.6 Relationship between TN and DO

(3) 風機運行參數的影響

風機采用間歇運行模式，一方面可有效降低能耗，另一方面可在低溶解氧的情況下，增大硝化液回流比例，有利于TN的去除。

8月21日風機間歇運行后，在對好氧區的溶解氧合理控制下，風機運行時間減少，仍可滿足出水CODCr和氨氮達標(圖7)。

圖7 風機調整對出水CODCr和氨氮的影響Fig.7 Effect of Fan Adjustment on Effluent CODCr and Ammonia Nitrogen

(4) 效果跟蹤

本項目對生產線3#線和4#線進行相應的硝化液回流改造，制定了風機調度和碳源投加方案，將改造后的1個月作為鞏固期，統計了該期間碳源消耗和進出水情況(圖8)。

圖8 鞏固期碳源投加量和進出水數據Fig.8 Data of Carbon Source Dosage and Influent and Effluent during the Consolidation Period

本項目在硝化液回流改造完成后，在鞏固期內按照風機調度方案控制系統各區溶解氧。按照碳源投加方案，結合進出水水質在線監測指標指導碳源投加。對鞏固期數據進行追蹤記錄，通過生化系統內硝化液回流改造、控制反硝化溶解氧和投加碳源方式，明顯增加污水廠生化系統TN去除量。同時，通過風機啟停時間的控制，鞏固期內該廠電費較上一年同期降低19.7%。雖然碳源投加導致藥劑費增長，但因間歇投加，藥劑費用增長較低；鞏固期內電費和藥劑費較上一年同期增長約10%，在該廠可承受資金范圍內。

4 結論

改造試驗期間，外部企業廢水并未排水，且受雨水影響，雨水進入污水處理廠，廠區進水TN較低，出水TN有較明顯的下降。在改造后的一年多時間里，污水廠在進水TN超過設計值的情況下，均能保持達標穩定運行。為了滿足地方監管要求，在后續一級A提標改造工程尚未完成期間，原系統可將出水TN指標穩定在一級A排放標準內，為工程建設爭取了時間，為地方節能減排做出了突出貢獻。

(1) 老舊污水廠在工藝存在缺陷、現場條件有限、資金短缺的情況下，通過增加硝化液回流、控制溶解氧和投加碳源的措施，可有效提高生化系統TN去除率，增加TN去除效果。這些措施也可用于其他城鎮生活污水廠突發TN超標時的應急調整。

(2) 嚴格控制風機的運行參數，不僅有利于系統溶解氧的控制，而且有利于節省能耗。但是污水處理廠低CODCr濃度進水情況下，要發揮生化系統的脫氮作用，需要投加大量的碳源，將增加大量的藥劑費和人力成本。

(3) 因現場條件受限，本次試驗時間較短，且廠區的進水量、水質都不太穩定，池體內部缺陷等問題，數據相對太少，需要后續的跟進試驗。

(4) 建議污水處理設施設計或運行過程中，重視管網建設運營，做好截污和雨污分流，加強工業廢水監管。污水處理廠適當增設過程監控儀表，一方面便于工藝參數精準調控，做好節能降耗；另一方面可及時發現異常，并采取應對措施。