高進水TN濃度條件下A2O工藝C/N調控研究

王希明

(中通環境治理有限公司，北京 100050)

1 概述

A2O工藝生活污水處理廠實現出水水質達標需要開展工藝調控，根據實際進水的水質、水量對生化池各項運行參數開展調控是保障出水穩定達標的關鍵。出水TN指標穩定達標是各污水廠都面臨的一個重要課題，要保障出水TN穩定達標通常需要在A2O生化池開展以下調控內容：1)硝化液回流比調控。根據進水TN濃度和出水TN限值計算所需TN去除率后再計算所需的總回流比，扣減內回流比后即為所需硝化液回流比。2)硝化液回流量調控。根據進水實際流量、理論硝化液回流比計算所需的硝化液回流量。3)調控曝氣量和好氧區溶解氧。保障好氧區曝氣量能夠至少滿足氨氮完全硝化的需求的同時盡可能降低曝氣強度，以降低曝氣能耗。4)缺氧區溶解氧調控。應控制回流硝化液中攜帶的溶解氧，保障缺氧區DO<0.5 mg/L[1]。5)進水C/N調控，在進水C/N數值低、只利用原水中的碳源無法實現TN達標排放的情況下，需要投加外碳源，調控原水C/N。6)其他調控措施。如維持污泥濃度和總泥齡在合理范圍內，維持各池內良好的污泥懸浮狀態和泥水混合狀態等。

污水處理廠常面臨進水TN濃度高導致實際需去除的TN量大、進水有機物濃度過低、出水TN不能穩定達標等情況。此時如果僅依靠原水中有機物無法實現出水TN指標達標，就需要開展C/N調控。在工程調試實踐中，進水C/N調控主要依靠控制外碳源的投加量來實現。C/N調控既要避免投加外碳源量過大造成藥劑浪費、出水COD升高、污泥增殖速率過快等問題，也要避免投加外碳源量過小導致的出水TN無法穩定達標。

在進水水質存在波動的條件下要保障出水TN穩定達標，一方面需要充分利用生化池較長的停留時間具有的緩沖能力，讓生化系統的出水水質變化為漸進式的遞增或遞減，不產生劇烈波動，為開展C/N調控贏得調整外碳源投加量的時間；另一方面需要選擇合適的水質檢測指標和檢測方法，盡量能夠快速出具結果并根據檢測結果及時調整外碳源投加量。

通常意義上的C/N為BOD5/TN，生物脫氮過程BOD5/TN理論值為2.86，考慮到生化處理過程中厭氧區也有一定的有機物去除效率，同時好氧池內也會消耗部分有機物，故一般要求BOD5/TN>4[1]462-463或COD/TN>8[2]，方可基本保障生物脫氮效果和出水TN達標。

BOD5顧名思義為五日生化需氧量，其國標檢測方法需要檢測時間長，結果反饋慢。如果通過檢測原水BOD5數值來調控進水C/N，無法滿足對進水C/N開展快速調控的要求。在調試實踐中只能作為輔助手段，不適宜作為C/N調控過程的主要檢測指標，工程調試實踐中更多的是依靠COD檢測結果開展C/N調控。

COD為化學需氧量，其檢測周期短，分光光度法能夠在2 h～3 h左右快速出具檢測結果，COD快速消解法20 min左右即可出具檢測結果，能很好地滿足C/N調控過程要求快速出具檢測結果的需求。同時由于生活污水的BOD5/COD的比值通常相對固定，一般在0.4～0.65[3]，變化幅度不大，因而以COD作為進水C/N調控的主要控制指標是相對合理和科學的。

實踐中以COD指標為基礎開展的進水C/N調控的實際效果可能隨著地域變化、水質、水量不同而有所變化，因而有必要對此研究方向開展更多的實踐和分析研究。

本次研究所在的污水處理廠在調試期間平均進水TN濃度為80.72 mg/L，出水TN要求為15 mg/L，實際需要去除的TN值平均約為65.72 mg/L，按照BOD5/TN=2.86，則理論需要BOD5的量為187.96 mg/L，若假定原水B/C為0.4，則需要的COD量至少為469.9 mg/L，而該水廠的實際進水COD約為200 mg/L～300 mg/L，碳源不足導致只能依靠投加外碳源來保障出水TN達標排放。在此條件下，既要保障出水TN穩定達標同時降低運營成本，開展進水C/N的調控工作就顯得更加重要。

通常說的C/N是根據原水水質指標檢測結果表征該原水生物脫氮特征的實踐經驗性數值。由于計算簡單因而得到了廣泛的使用，但因為原水中有機物并非全部用于反硝化，同時也并非所有的TN都需要完全去除，為了便于更加準確的表征有機物去除與TN去除的關系，后續按照以下兩種定義分別對調控過程數據開展分析和研究：

1)C/N：投加外碳源后的總有機物濃度與進水TN濃度的比值，此處有機物濃度以COD濃度作為計算依據。

2)C/NR：投加外碳源后的總有機物濃度與實際需去除TN濃度的比值，此處有機物濃度以COD濃度作為計算依據。

國內北方地區城鎮生活污水的主要水質指標：COD一般為200 mg/L～400 mg/L，TN約為40 mg/L～60 mg/L，以COD計量的C/N約為3～5。而出水水質中TN指標根據設計出水水質標準有一定差異，GB 18918中的一級B標準出水TN限值為20 mg/L，一級A標準出水TN限值為15 mg/L，北京市地方污染物排放標準中B標準為15 mg/L，A標準為10 mg/L。設計進出水TN差值為實際需要去除的TN濃度，需要去除的TN濃度絕對數值的大小對進水C/N調控的影響非常大，例如：進水COD=300 mg/L，TN=60 mg/L，出水TN要求分別為20 mg/L，10 mg/L的條件下，理論上需要去除的TN濃度分別為40 mg/L，50 mg/L，雖然以COD計的進水C/N都等于5，但是其達標難度相差很大。根據經驗，額外去除10 mg TN/L需要投加的外碳源量約需30 mg BOD5/L～50 mg BOD5/L，同時需要更大的缺氧池池容來維持反硝化脫氮所需的停留時間。

故C/NR相比C/N能夠更準確的反映達到不同出水標準中TN限值時，實際待去除TN濃度對應綜合需要的有機物濃度的關系，考慮到C/N在日常使用較多且數據獲取更加直接，所以在研究過程中對以上兩種比值都開展了計算分析。

開展C/N調控主要是通過投加外碳源實現，選擇經濟合理的外碳源就顯得尤為重要。污水處理廠常用的外碳源有甲醇、乙醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉、復合高效碳源等[4]，其中，甲醇、乙醇、乙酸會帶來防爆風險，較少采用，淀粉、葡萄糖由于碳鏈過長導致利用速率低，也相對較少選用。乙酸鈉是經實踐檢驗效果穩定、性能優良的外碳源，是現在多數污水處理廠外碳源投加的選擇。乙酸鈉的BOD5當量為0.52 g BOD5/g乙酸鈉，COD當量為0.78 g COD/g乙酸鈉。

由于外碳源產品質量良莠不齊，在經歷配置、運輸、儲存等過程后其實際的有機物當量數值會產生變化，建議污水處理廠在開展C/N調控前，應檢測該批次產品的實際COD當量，以保障投加外碳源的量滿足實際需求。

2 調控過程與效果

2.1 研究對象的基本情況

開展研究的污水處理廠生化處理單元采用A2/O工藝，設計處理能力為1.2萬m3/d，分為兩個系列并聯運行，單系列設計處理規模為6 000 m3/d。

設計原水水質和出水水質如表1所示。

表1 設計進出水水質表

設計處理工藝流程如圖1所示。

管線收集的生活污水首先進入廠區粗格柵及提升泵站，去除20 mm以上的懸浮物后利用提升泵提升至細格柵及旋流沉砂池，細格柵用于去除5 mm以上的懸浮物，沉砂池用于去除原水中的細小砂粒，出水重力進入A2O-MBR綜合池，先經過膜格柵過濾截留1 mm以上的纖維、顆粒等后進入A2O生化池進行生化反應，在厭氧區釋放磷和吸收VFA轉化為PHB，在缺氧區利用原水碳源和外加碳源對回流硝化液中的硝酸鹽進行反硝化脫氮，好氧區完成有機物氧化、好氧吸磷以及氨氮的硝化反應，在膜池完成泥水分離和污泥回流。膜產水泵將產水輸送至消毒接觸及中水回用水池，投加次氯酸鈉消毒后，根據中水回用需求進行回用，多余產水溢流排放至大龍河。

生化池排出的剩余污泥進入貯泥池，采用離心式脫水機進行污泥脫水后，產出的80%含水率污泥定期外運至大興區污泥處置中心。

根據生化池的尺寸和設計計算書，生化池設計參數見表2。

表2 生化池設計參數表

2.2 外碳源投加量估算方法

根據工程調試經驗和文獻資料[5]，去除1 mg/L TN約需要乙酸鈉5 mg/L～6 mg/L(折合COD約3.9 mg/L～4.68 mg/L≈BOD5約2.6 mg/L～3.12 mg/L)，估算需投加的20%液體乙酸鈉(16.7萬mg COD/L)的體積。

本項目調試過程中乙酸鈉的用量估算如下：以1 000 m3/d處理規模、去除1 mg/L TN為例，理論計算所需的20%乙酸鈉(16.7萬mg COD/L)體積約為23.35 L/d～28.02 L/d。

2.3 C/N調控數據與出水TN

調試初期未投加外碳源時，該污水處理廠出水TN平均約34.9 mg/L，不投加外碳源無法實現出水TN達標。在開展C/N調控過程中，按照以上計算方法投加了液體乙酸鈉開展了C/N調控。每日根據檢測進水TN數值，調整每日的理論投加量，基本實現了出水TN穩定達標。C/N調控過程中水質檢測結果及外碳源投加量見表3。

C/N調控期間的水質數據統計分析如下：

1)平均進水量為1 706 m3/d，最大值為2 426 m3/d，最小值為1 179 m3/d；其中平均進水量約為設計運行系列處理能力的28.43%，屬于低水量負荷工況。

2)進水COD最低值為256.98 mg/L，最高值為378.40 mg/L，平均值為339.39 mg/L，滿足設計進水水質的要求。

3)進水TN平均值為80.72 mg/L，最低值為72.50 mg/L，最高值為91.00 mg/L，嚴重超過設計進水水質的要求。

表3 C/N調控數據表

4)出水TN平均值為13.72 mg/L，最低10.99 mg/L，最高15.68 mg/L，基本實現了出水TN穩定達標。

3 C/N調控數據分析

以進水COD和投加外碳源的COD當量之和作為分子，分別以原水TN檢測結果和實際去除TN濃度作為分母，可以得到前述定義的C/N，C/NR的數值，分別繪圖如圖2，圖3所示。

維持出水TN基本穩定達標的條件下，投加外碳源后的總COD和進水TN的比值最高值為6.98，最低值為4.76，平均值為5.90。

維持出水TN基本穩定達標的條件下，投加外碳源后的總COD和實際去除TN量的比值最高值為8.4，最低值為5.62，平均值為7.10。

根據圖2,圖3中的數據，C/N調控分析結論如下：

1)在維持C/N平均值為5.90，C/NR平均值為7.10時，系統出水基本能夠保障達標。

2)C/N數值較小是因為進水TN的數值包含了未去除的出水TN，導致分母數值變大。

3)C/NR數值比相較C/N大，反映了進水及投加外碳源后的總COD與去除TN之間的實際關系，而這種綜合因素作用下的實踐值能夠更加貼合工程實際情況。

4)考慮到原水水質波動以及生化池池容較大具備一定的緩沖能力，建議實際開展C/N調控時，將調控數值控制在平均值至最高值范圍內，即將C/N控制在5.9～6.98,C/NR控制在7.1～8.4。

4 結論

1)基于COD能夠快速出具檢測結果的特點，采用了以COD作為控制指標的C/N調控措施，通過調控生化池內的各項運行參數及投加適量的外碳源，實現了出水水質TN基本穩定達標的調試效果。2)由于投加的外碳源并不能保障100%用于反硝化脫氮，以進水及投加外碳源的總COD與進水TN的比值為調控控制指標時，建議將C/N控制在5.9～6.98。3)以投加外碳源后的總COD與需要去除的TN的比值開展調控時，根據研究中檢測數據分析，建議將C/NR控制在7.1～8.4。4)由于投加外碳源的實際反硝化利用效率、原水水質的B/C均會對以COD為計算指標的C/N調控效果產生影響，建議調試實踐時首先將生化系統的硝化液回流量、溶解氧等調控至合理范圍后，再根據C/N,C/NR調控值的范圍計算外碳源投加量，并根據實際出水TN數值及變化趨勢適時調整外碳源投加量。