多級AO工藝短程硝化反硝化的啟動與運行調控

鮑任兵,徐 健,張云志,夏 娜,蔡世顏,杜 敬,萬年紅

(1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北武漢 430010;2.武漢市城市排水發展有限公司,湖北武漢 430070)

在我國中部和南部地區,由于存在污水收集率不高、排水管道入滲、雨污混流等問題,污水處理廠普遍存在進水碳氮比(C/N)較低的情況[1-2],導致TN去除率不高,很難達到日益嚴苛的出水TN要求(TN質量濃度≤10 mg/L或8 mg/L)。以一級A為出水標準(TN質量濃度≤15 mg/L)的污水處理廠在提標改造時,通常采用外加碳源或新建深度脫氮單元來實現更低的出水TN;而在用地較為緊張的時候,外加碳源似乎成為了最為簡單的首選方案,但這不可避免地增加了污水處理廠的運行成本,也對日常調控帶來了更大的挑戰[3]。如何響應“碳中和”和“碳達峰”的目標要求,進一步探索更為綠色、節能的污水處理工藝及優化調控策略,成為了當今行業技術發展的新命題。

鑒于兩種工藝在低C/N下的處理優勢,本研究通過將多級AO工藝作為SND的反應主體,并引入微氧曝氣、多點進水[10]等定量優化控制措施,旨在將多段AO單元的中部實現SND反應控制,并利用后段好氧區保證出水氨氮和TN濃度達標,以探究實現多級AO-SND的關鍵觸發條件及調控策略,為今后污水處理廠工程設計及生產運行提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

如圖1所示,本試驗以三級AO為基礎,設有多點進水系統,進水可分別進入生化池的厭氧區、缺氧1區、缺氧2區和缺氧3區,進水分配比可根據需要進行靈活調整。二沉池的回流污泥先進入污泥再生池,經過微曝氣再生后進入厭氧區。

圖1 多級AO工藝流程Fig.1 Process Flow of Multi-Stage AO

1.2 試驗方法

(1)設計參數

本試驗處理規模為0.15 m3/h,主要由生化池和二沉池組成。如圖2所示,本試驗裝置生化池尺寸(長×寬×高)為2.0 m×1.3 m×1.3 m,有效容積為2.6 m3,試驗裝置總水力停留時間(HRT)為19.1 h。生化池共分為7個區域,污水依次通過厭氧區、缺氧1區、好氧1區、缺氧2區、好氧2區、缺氧3區、好氧3區。本試驗裝置各段AO區容積比采用2∶3,HRT依次為1.2、1.2、3.5、2.9、4.4、2.4、3.5 h。二沉池采用中進周出式圓形沉淀池,直徑為0.8 m。

圖2 生化池試驗裝置Fig.2 Test Device of Biochemical Tank

(2)污泥接種

本試驗裝置活性污泥取自廠區生化池內,經一周時間穩定后試驗裝置內污泥濃度達到穩定,沉降性能良好,混合液懸浮固體質量濃度(MLSS)為3 000 mg/L左右。

(3)試驗方案

試驗分為多級AO工藝啟動階段和優化運行階段(SND啟動、進水分配試驗)。

1.3 試驗原水

試驗原水取自某污水處理廠沉砂池出水,水質數據如表1所示。本試驗污水C/N(BOD5/TN)在1.4～1.8,而根據《室外排水設計標準》(GB 50014—2021),C/N(BOD5/TKN)宜大于4,可見進水中的有機碳源嚴重不足,需要重點關注缺氧區反硝化的實現條件,盡量減小好氧區的無效碳源損耗。

表1 試驗原水水質Tab.1 Raw Water Quality in Test

1.4 檢測指標及分析方法

(1)檢測指標

(1)

(3)SND貢獻率分析

(2)

其中:η——SND貢獻率;

ΔCN——進出水TN質量濃度差,mg/L。

2 結果與討論

2.1 多級AO工藝啟動

中試裝置經兩周啟動,出水CODCr、BOD5、SS、TN、氨氮能穩定達到一級A排放標準。其中,出水CODCr和氨氮均能達到地表Ⅳ類水質標準,去除率分別穩定達到80%和90%以上;出水TN質量濃度位于13 mg/L左右,去除率為50%左右;而出水TP質量濃度在啟動末期位于0.5 mg/L左右,還不能穩定達標。本試驗階段進水BOD5質量濃度為53～75 mg/L,BOD5/TN為2.59～2.76,進水碳源不足,導致TN去除率不高。

2.2 運行優化試驗

(1)SND啟動

圖3 各反應區DO濃度變化Fig.3 Dissolved Oxygen Change in Each Reaction Area

圖4 各反應段污泥濃度變化Fig.4 Variation of Sludge Concentration in Each Reaction Section

(2)進水分配試驗

進水分配比是多級AO工藝的重要運行參數,其調整將對生化反應產生較大影響,并直接影響出水水質。本試驗多級AO工藝共設置有4個進水點:厭氧區、缺氧1區、缺氧2區和缺氧3區。為探究進水分配比對多級AO工藝的出水水質影響,本試驗將進水分配比設為40%∶20%∶20%∶20%(工況1)(與初始階段一致)、30%∶20%∶30%∶20%(工況2)、30%∶10%∶30%∶30%(工況3)。

本試驗期間水溫由啟動階段的19 ℃左右逐漸降低至15 ℃以下,MLSS在5 000 mg/L左右。如圖5所示,各項污染物指標均保持了較好的去除效果,其中,出水CODCr和氨氮顯著能穩定達到地表水Ⅳ類標準;TN去除率由50.42%提高至57.17%,TP去除率由84.10%提高至91.22%,均能達到優于一級A排放標準。

圖5 各進水分配下主要污染物去除性能Fig.5 Removal Performance of Main Pollutants under Each Influent Distribution

圖6 各運行工況出水氮成分變化Fig.6 Variation of Nitrogen Composition in Effluent under Various Operation Conditions

2.3 SND過程分析與優化調控

圖7 工況2和工況3下各反應區氮組分濃度變化Fig.7 Variation of Nitrogen Component Concentration in Each Reaction Area in Working Condition 2 and 3

然而,工況3下出水TN去除率較低,整體反硝化程度不足。進一步對工況3情況下的各反應區CODCr、氨氮和DO進行檢測,發現好氧2區內CODCr和氨氮質量濃度分別為27 mg/L和0.3 mg/L左右,而出水卻較差,好氧2區和好氧3區內DO質量濃度分別為2.2 mg/L和2.5 mg/L,說明好氧2區內有機物氧化和硝化反應較完全,而好氧3區由于進水比例增大,氧化反應不夠充分。通過調整閥門進一步優化曝氣量控制,將好氧2區內DO質量濃度控制在1.0～1.5 mg/L,將好氧3區內DO質量濃度控制在2.8～3.0 mg/L,出水TN去除率提高至60%左右。

在保證出水CODCr和氨氮高去除率的基礎上,工況3下氣水比為3.5∶1,相較于啟動階段(4∶1)所需的曝氣量減小了12.5%左右。如表2所示,工況2和3運行條件實現了在更低的BOD5/TN進水條件下較高的TN去除率。ΔBOD5/ΔTN反映在去除相同TN情況下的有機碳源需求量,通過計算工況3相較于啟動階段,可節省碳源量為20%左右,也即在相同的進水水質條件下,采用工況3運行可提升約27%的TN去除率。

表2 各工況下進水碳源及TN去除性能對比Tab.2 Comparison of Influent Carbon Source and TN Removal Performance in Each Working Condition

3 結論

(1)為強化多級AO工藝的脫氮性能,在水溫位于14 ℃以上時,可采用微氧環境運行,使好氧1區和好氧2區DO質量濃度位于1.5 mg/L左右,好氧3區DO質量濃度位于2.0 mg/L左右,并盡量降低厭氧和缺氧區DO;增大MLSS,使好氧3區MLSS增大到4 000 mg/L以上;增設污泥再生區,控制低溶氧曝氣(DO質量濃度=0.2～0.5 mg/L),增強污泥活性。

(2)在進水BOD5/TN為2.59～2.76下,多級AO工藝通過多點進水方式可有效提高TN和TP去除性能。在水溫為14 ℃、進水TN質量濃度為25 mg/L左右下,進水分配比設為30%∶20%∶30%∶20%時,TN去除率最高;對于TP的去除情況,隨著第一段AAO的進水分配比的減小,去除率略有下降,但總體上去除率較為穩定,控制第一段AAO進水分配比為50%～60%的條件下,出水TP質量濃度能穩定達到0.3 mg/L左右。

(3)當水溫低于15 ℃時,可通過提高pH值達到7.5以上,MLSS為4 000～5 000 mg/L,實現多級AO工藝的SND快速啟動;當水溫低于12 ℃時,在低溫條件下微氧條件運行有氨氮超標風險,不適宜采用SND方式運行。

(4)進水分配比為30%∶10%∶30%∶30%,好氧2區內DO質量濃度控制在1.0～1.5 mg/L,將好氧3區內DO質量濃度控制在2.8～3.0 mg/L,實現了較高的SND反應發生,占全部脫氮量的23%左右,降低了12.5%的曝氣量和20%的碳源需求,能有效降低運行成本,實現水質進一步提升。