低水量、高TN條件下出水TN快速達標調試研究

王希明

(中通環境治理有限公司, 北京 100050)

污水處理廠出水達標調試需要對原水的水質、水量及其波動情況、污水處理系統的設計參數和設備參數等進行綜合分析后,確定調試思路和措施。調試過程中還需根據進水水質水量的變化,不斷調整曝氣量、回流量、加藥量、污泥濃度等運行控制參數[1]。此外,調試期間還需開展合理數量和頻次的水質檢測工作,獲取重點污染物在生化池內的變化趨勢,并及時調整調試措施。

市政污水處理廠常出現原水C/N較低的情況,這種情況下原水中的有機物量不足,難以滿足反硝化脫氮至排放標準限值的要求。為達到越來越嚴格的地方污染物排放標準中出水TN限值,通常需要在生化池內額外投加外碳源,在缺氧條件下利用反硝化菌以污水中碳源和外碳源為電子供體,以硝酸鹽為電子受體最終反應生產氮氣實現反硝化脫除TN[2-3]。

污水處理廠調試期,還經常面臨水量少、進水TN濃度高導致實際需要脫除TN總量大等難題。同時,行業主管部門對污水處理廠出水穩定達標的要求也越來越高,通常要求新建污水處理廠縮短調試周期,盡快達標實現出水達標排放。為解決以上難題,需要開展更多的調控策略研究。

1 污水處理廠概況及調試條件

1.1 基本情況

魏善莊鎮再生水廠設計處理規模為1.2萬m3/d,位于北京市大興區魏善莊鎮。設計原水為居住區及公共建筑排出的生活污水,污水經處理后一部分作為中水回用于鎮區的廁所馬桶沖水、道路清掃等,其余部分排入大龍河(Ⅴ類水體)。

設計進水化學需氧量(COD)濃度為450mg/L,TN濃度為55mg/L;設計出水限值中COD濃度為30mg/L,出水TN濃度為15mg/L。

設計處理設施為粗格柵及提升泵房+細格柵及旋流沉沙池+A2/O-MBR綜合池+消毒接觸及中水回用水池。剩余污泥采用離心式脫水機脫水至含水率80%后定期外運。其中,生化處理系統共分為兩個系列并聯運行,單系列處理能力6000m3/d。單系列生化池主要設計參數見表1。

表1 生化池設計參數

生化系統設計回流比:缺氧池至厭氧池回流比R1=100%,好氧池至缺氧池回流比R2=300%,膜池至好氧池回流比R3=400%。

1.2 調試前概況

魏善莊鎮再生水廠于2019年9月中旬完成單機調試和清水聯調工作,后由該廠運營人員開始系統調試工作,先后投加含水率為80%的脫水污泥65t(折合池內污泥濃度約3318mg/L)后開始悶曝和換水工作,后連續進水并逐步提高進水負荷。2019年10月,該廠按實際污水量連續進水處理,進水TN濃度約為50～70mg/L,超出了設計進水TN濃度限值且持續偏高,生化系統出水TN濃度一直維持在24～45mg/L,均值約為30mg/L,除TN外其他指標基本達標后,大幅度增加外碳源(25%液體乙酸鈉)投加量后也未能降低出水TN濃度,出水TN達標調試工作進展緩慢。

由于出水TN長時間未能達標,故開展了出水TN快速達標調試工作。

本次TN快速達標調試開始前的進水水量、水質情況見圖1和圖2。10月1日至11月7日進水量平均值為2056.32m3/d。最低值1485.00m3/d,最高值2910.00m3/d。

圖1 本次調試前的進水水量

圖2 本次調試前的進水COD、TN濃度

10月1日至11月7日進水TN濃度平均值為60.50mg/L,最低值為43.15mg/L,最高值為72.00mg/L。進水COD濃度平均值為225.00mg/L,最低值為120.00mg/L,最高值為310.30mg/L。

2 調試思路與調控措施

通過對前期檢測的進出水水質、水量及變化趨勢及對已開展調試措施及效果、設備運行參數設置等開展分析,確定了后續TN達標調試思路和措施如下。

2.1 控制生化池總曝氣量和好氧池回流點的溶解氧

a.開展生化曝氣鼓風機變頻調控,實現供氣量與處理規模相對匹配。同時開啟未運行系列的曝氣管總閥門釋放冗余曝氣量。

b.調整并控制生化池內各廊道內的溶解氧濃度。維持運行系列好氧池的第一廊道內溶解氧(DO)濃度在2.5～3.5mg/L;維持第二廊道起始段和中段DO濃度在1.5～2.5mg/L,末段DO濃度維持在1mg/L左右;第三廊道起始段(硝化液回流泵安裝位置)只提供維持污泥懸浮所需的曝氣量,盡可能降低硝化液回流點處的溶解氧濃度,第三廊道的中段和后端內DO濃度維持在1.5～2.5mg/L[3]。

2.2 控制回流比

2.2.1 硝化液回流比控制

現場實際安裝硝化液回流泵后未安裝流量計,無法計量硝化液回流流量。其參數為按照滿足滿負荷運行時硝化液回流比為300%,且該回流泵經計算實際所需揚程為0.6～0.8m,設計單位揚程參數取值為1.2m,造成富裕水頭過大。經查閱廠家樣本中的Q-H曲線,如果工頻運行將造成實際輸送水量為需要值的2～3倍,考慮調試時原水量低導致需要的回流量線性降低,10月調試時的實際回流比約為1000%～1500%,造成回流硝化液攜帶大量的溶解氧(DO)進入缺氧池,消耗大量的原水COD和外加碳源,因而必須通過變頻調整設備運行參數將硝化液回流量調整至與進水量匹配、與TN所需去除率匹配的實際需要值。

根據進水TN濃度實測值和出水TN濃度要求,確定所需的理論回流比。計算公式[4]為

式中:η為TN的去除效率,100%;N0為進水TN濃度,mg/L;Ne為出水TN濃度,mg/L;r為混合液回流比,100%。

控制硝化液回流設置的穿墻泵的實際流量與理論回流比的數值基本匹配,調整和驗算公式[5]為

式中:γ為水的容重,kg/L;Q為水泵的輸水量,L/s;H為水泵的總揚程,m,經計算實際需要揚程約為0.6m;N為泵的軸功率,kW;η為水泵的總效率。

2.2.2 缺氧至厭氧的回流比控制

缺氧至厭氧的回流主要為維持厭氧池的污泥濃度,按照近期處理規模100%污泥回流比進行控制,流量控制方法同硝化液回流比控制方法。

2.2.3 膜池至好氧池的回流比控制

膜池至好氧池的回流主要為維持好氧池內的污泥濃度,回流比越大,好氧池和膜池的污泥濃度差越小。調試時此回流泵由于自控原因無法變頻調控,因而按照額定參數運行。

2.3 控制進水流量

a.調試前期采用停止進水、投加外碳源進行閉路循環的方式,將池內混合液中TN濃度降低至10mg/L以下后再恢復進水。

b.池內混合液TN濃度降低至10mg/L以后,按照Q=70m3/h定量進水并至少運行3天,根據出水TN濃度調整外碳源投加量,觀察池內TN變化情況,驗證設定調試參數的有效性。

c.在低進水量階段的系統出水TN基本穩定后,按照實際污水水量進水,并且每日根據前一日的進水流量、出水TN及其變化規律,確定后續的外碳源的投加量和回流量、曝氣量等。

2.4 控制外碳源投加

2.4.1 外碳源投加量控制

調試時采用液體乙酸鈉作為外碳源,經化驗室檢測該外碳源的COD當量為16.7萬mg/L。

計算按原水COD與可去除TN比例為8∶1～6∶1,計算利用原水中有機物可去除的TN的濃度,其余待去除TN的按需利用投加外碳源去除。經查閱數據和文獻資料[6],調試時按照去除1mg/LTN計算需要乙酸鈉5mg/L。調試過程中結合出水TN降低和升高的趨勢,每日調整外碳源的投加量。

2.4.2 外碳源投加位置調整

施工圖設計外碳源投加于缺氧池(氧化溝池型,設置水下推進器)出水口的上游附近,極易造成碳源未充分利用就隨出水流至好氧池氧化分解,根據池內攪拌循環的混合液流向,調試前將外碳源投加點調整至缺氧池出水口下游1.5m以后的位置,保障外碳源在缺氧池內有足夠的停留和反應時間,減少外碳源投加后可能產生的短流和浪費。

2.5 其他調控措施

2.5.1 水質指標檢測

為及時掌握以上各措施的實際效果,及時發現問題,設定每日上午8時和下午6時對生化池進水點、厭氧池進水點及出水點、缺氧池進水點及出水點、好氧池進水點、好氧池回流點、膜池等8個位置進行取樣檢測COD、氨氮、TN指標。在生化池出水TN基本穩定后,只檢測生化池進出水取樣點的水質。

2.5.2 DO測量措施

為了保證出水COD和氨氮的達標及缺氧池的缺氧環境維持,每日對缺氧池和好氧池內的DO進行測量。其中,缺氧池至少測量進口位置和出口位置不同水深的DO值,判斷缺氧池的缺氧環境是否穩定、缺氧攪拌效果是否良好;好氧池由于分三個廊道,需要對每個廊道前、中、后位置的DO值進行檢測,根據DO檢測值,調整曝氣直管的閥門開度,控制曝氣量。

3 調試效果

3.1 調試前期措施及結果

經計算,現狀生化池容量為4500m3,池內TN每降低10mg/L約需補充液體乙酸鈉1347L,11月7—10日期間雖采取了以上調試措施,但出水TN降低緩慢。為快速降低出水生化池內本底TN濃度,自11月11日起停止進水,連續投加外碳源兩天降低生化池內TN總量和濃度,期間生化系統內各位置的TN濃度檢測值見圖3。

圖3 調試前期TN沿程濃度

a.11月7—10日:每日投加2000L外碳源,觀測到出水TN濃度緩慢地自38.20mg/L降低至30.50mg/L。

經分析,大量投加碳源并未達到預期TN降低水平,由于生化池容量大,加之連續進水導致生化池內待去除的TN總量高,投加碳源不足以同時快速去除本底TN以及進水攜帶的TN,導致出水TN降低緩慢。經分析認為,要實現TN快速達標,必須首先將生化池混合液中約30mg/L的TN濃度降低至10mg/L以下,再恢復進水,方可快速實現出水TN達標。

b.11月11日上午8時開始停止進水,按照1500L/d的量投加外碳源,運行至下午16時取樣檢測結果為缺氧池進水TN濃度為23.05mg/L,缺氧池出水TN濃度為21.05mg/L,膜池的TN濃度約為25.25mg/L。

經分析,由于外碳源累計投加量小、生化池容量大,投加外碳源對生化池內本底TN濃度降低的效果還未完全顯現,生化系統內的TN濃度分布尚不均勻。

c.11月12日上午8時取樣檢測結果為缺氧池進水TN濃度為15.85mg/L,缺氧池出水TN濃度為12.07mg/L,膜池的TN濃度約為16.25mg/L。

經分析,系統經歷24h停止進水,投加外碳源運行后,投加外碳源對生化池池體內TN濃度的降低產生了較明顯的效果,缺氧池出水TN濃度達到12.00mg/L,其他位置的TN濃度已降至16.00mg/L左右,且投加的外碳源總量與理論計算值基本匹配。

d.11月13日上午8時取樣檢測結果為缺氧池進水TN濃度為6.20mg/L;缺氧池出水TN濃度為4.90mg/L,膜池的TN濃度約為9.75mg/L。

經分析,系統經歷48h停止進水、投加外碳源運行后,投加外碳源對系統內TN濃度的降低產生產生了明顯效果,生化池內各位置的TN濃度均降至10.00mg/L以內,降低系統內本底TN濃度的目標已經達到。

e.11月13日后:系統內TN濃度降低至10.00mg/L以下后,開始恢復低水量進水,并利用現有4500m3池容量內低TN濃度的緩沖能力,根據進、出水TN濃度調整外碳源加藥量。

3.2 調試期措施及結果

3.2.1 11月14—18日調試結果

自11月14日起,根據調試思路開展定流量進水調試,主要控制內容和控制要求見表2。

表2 調試控制內容和控制要求

11月14—18日進出水調試效果見表3。

表3 11月14—18日進出水水質 單位:mg/L

經分析:

a.自11月14日起,在外加700L液體乙酸鈉條件下,生化系統出水TN濃度均實現達標。但出水TN濃度自9.87mg/L升高至14.52mg/L,后續應提高乙酸鈉的加藥量,將出水TN濃度穩定在12.00～13.00mg/L,以最大化利用系統的緩沖能力。

b.系統出水COD濃度不能穩定達標,仍有超標風險,11月17日出水COD濃度達到39.21mg/L,經分析后將好氧池至缺氧池回流點后的區域曝氣量提升,維持DO濃度在3.00～5.00mg/L,保障出水COD濃度的穩定。在11月18日檢測結果出水COD濃度降至25.21mg/L,出水COD濃度有較明顯額改善。

3.2.2 11月19日后調試結果

自11月19日起,按照實際原水水量開展調試,根據進水流量計設定值、進出水在線監測數值的變化,每日調整外碳源投加量。調試控制內容和控制要求見表4。

表4 調試控制內容和控制要求

a.開展動態調控后,進水TN濃度平均值升高至79.99mg/L,出水TN濃度平均值為13.73mg/L。出水TN濃度最低為10.99mg/L,最高為15.68mg/L。出水TN濃度多呈現規律性變化。由于原水TN濃度波動較大,此期間出現了4次出水TN濃度略微超標的情況,在增加外碳源投加量后,出水TN濃度恢復達標,達標率達到90.7%,基本達到了調試目標。

b.出水COD濃度穩定達標。11月19日后進水COD濃度逐漸升高,進水平均COD濃度為334.51mg/L,出水COD濃度平均值約20.79mg/L,最高值為28.43mg/L。

c.出水氨氮穩定達標。出水氨氮濃度平均值為0.22mg/L,最高0.39mg/L。11月19日后進、出水各濃度指標見圖4和圖5。

圖4 11月19日后進水各指標濃度

圖5 11月19日后出水各指標濃度

4 結 語

魏善莊鎮再生水廠出水TN快速達標調試實現了既定的調試目標。研究表明,在調試期低污水量條件下,污水在池內的停留時間比設計值成倍延長,相比進水中攜帶進入生化池的TN總量,池內混合液中的本底TN總量更大,快速降低生化池內積存的本底TN濃度是實現TN快速調試目標的關鍵。

根據進、出水TN濃度計算所需的硝化液回流比和實際進水量控制硝化液回流量,是實現出水TN達標的重要措施。在實踐中需要透徹地理解硝化液回流比與硝化液回流量的關系,硝化液回流量選定需要依據實際進水水量調整。

控制曝氣量和控制回流硝化液中的溶解氧濃度以維持缺氧區的缺氧環境及減少碳源的直接氧化、確定合理的外碳源投加點位以促進碳源的有效利用、調試前期控制進水流量以維持系統性能穩定、開展生化池多點位水質檢測掌握池內重點污染物的變化情況等其他措施,均為TN達標調試起到了重要支撐作用。

本研究系統驗證了以上各項調控措施的效果,為類似進水條件的污水處理廠出水TN快速達標調試提供了借鑒。其中,低水量條件下進水污染物總量與生化池內的本底污染物總量之間的關系分析和優先降低生化池內本底TN濃度的方法是本次調試期間獨立思考和分析的結論,期待更多的調試研究人員對此方法和其他調控措施開展更多的驗證研究。

本次調試面臨了一些工程設計原因導致的難題,如硝化液回流泵后未設置流量計,建議設計人員重視硝化液回流量及其他重要流量所需計量儀表的設置,通過設置儀表可以更加直觀地指導調試工作,提升調控的精確度,保障系統運行穩定。