新疆某污水廠冬季出水總氮及氨氮超標的優化調控

趙白恩,王維紅,康增彥

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊 830052;2.中建三局安裝工程有限公司,湖北武漢 430079)

隨著我國經濟技術的快速發展,城鎮水污染問題愈發嚴重,國家因此將水污染防治提高到戰略高度[1]。治理水污染的一個重要舉措就是興建污水處理廠,集中處理,達標排放。新疆地區入冬之后,氣溫驟降,微生物活性降低,生化反應遲緩,出水水質時有波動。本文以新疆某污水廠為例,在其出現出水總氮(TN)、氨氮超標的情況后,通過在線監測數據和相關指標的跟蹤監測,分析問題并提出改進優化措施,穩定運行階段出水氨氮和TN均值分別為5.47 mg/L和11.92 mg/L,實現達標排放。此次主要是對運行參數的優化調控。結果表明,針對運行參數的優化調控,對運行效能有較為顯著的影響,可為該地區相關工程的類似問題提供一定的借鑒和指導。

1 工程概況

新疆某污水處理廠來水主要包括附近工業園區的工業廢水和周邊約7萬人口的生活污水。設計規模為30 000 m3/d;最大時流量為1 775 m3/h,平均時流量為1 250 m3/h,設計時變化系數為1.20。

1.1 設計進出水水質

該污水廠出水執行一級B標準,設計進出水水質如表1所示。

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

1.2 工藝流程

廠區主體工藝采用水解酸化+改進序批式活性污泥法(SBR)處理工藝。污水通過隔油沉砂池,去除表層油污,初步排沙。然后經粗格柵、細格柵過濾掉不溶性雜質,旋流沉砂池進一步排沙。出水進入水解酸化池和改進SBR反應池進行生物處理。剩余污泥排入集泥池,一部分(40%)進入污泥脫水間,一部分(60%)作為回流污泥流入水解酸化池。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

1.3 改進SBR反應池

改進SBR池為A、B、C 3個水力相連通的等容積矩形池,交替進出水,每個周期為好氧曝氣1.5 h,沉淀0.5 h,出水2.0 h,每一階段由自控設備實現4 h自動切換,2個階段共8 h。沉淀池切換成進水好氧池時,池中高濃度剩余污泥與高濃度進水相遇,在時間上形成推流式反應器模式,有助于提高效能。曝氣和沉淀合用一池,不需要內循環污泥回流系統,可以通過調整排泥量和沉降時間調節回流。出水時段可以使沉淀池內的SS繼續下降,出水CODCr濃度逐漸變小,池內由缺氧反應走向厭氧反應,進一步反硝化降低出水的氨氮和TN。每個池均設供氧曝氣設備,邊池A、C既可作曝氣池,也可階段性改變進水方向,切換作為沉淀、出水池,中間B池只作曝氣池。該工藝可在一個反應器中完成有機污染物的生物降解和泥水分離的功能。為了加強厭氧反硝化,還增加了靈活運行的A池作為階段缺氧池。SBR反應池運行如圖2所示。

圖2 SBR反應池運行Fig.2 SBR Reactor Operation

2 問題診斷及分析

2.1 近期進出水水質變化分析

目前,國內污水處理廠大多采用活性污泥及其衍生改良工藝,工藝成熟,成本低且處理效果穩定。但作為生物處理法的一種,其受外界環境因素影響較大。新疆某污水處理廠在進入冬季之后出現了出水氨氮和TN超標的情況。出水TN、氨氮超標對環境的影響是巨大的,是造成水體富營養化的主要推手,也是水體常見有毒有害物質的形成原因[2],必須得到有效的處理。新疆地區近年來發展迅速,工業規模不斷擴大,工業廢水產量與日俱增,污水性質與設計之初已有較大差異。生化處理系統的抗沖擊負荷能力是有限的,進水CODCr、氨氮及TN濃度過高也有可能是引起出水TN、氨氮超標的原因。故對近期的進出水CODCr、氨氮和TN濃度進行分析是必要的。

① CODCr濃度變化分析

該污水處理廠1月31 d的進出水CODCr變化及去除率如圖3所示。

圖3 進出水CODCr濃度及去除率變化Fig.3 Changes of Influent and Effluent CODCr Concentration and Removal Rate

由圖3可知,日均進水CODCr質量濃度為376～672 mg/L,日進水最大值可達1 402 mg/L。日均出水CODCr質量濃度為28～72 mg/L,均值為46 mg/L,平均去除率為92.3%,達標率為100%。日均出水CODCr波動較大,但處于合理范圍內,出水穩定達標,系統對CODCr的抗沖擊能力較強。

② 氨氮濃度變化分析

該污水處理廠1月31 d的進出水氨氮變化及去除率如圖4所示。

圖4 進出水氨氮濃度及去除率變化Fig.4 Changes of Ammonia Nitrogen Influent and Effluent Concentration and Removal Rate

由圖4可知,日均進水氨氮質量濃度為45～55 mg/L,日進水最大值為69 mg/L。日均出水氨氮在24～30 mg/L,均值為28 mg/L,平均去除率在44 %左右,全月31 d均超標。日均進水氨氮濃度雖然有較大波動,但仍在合理范圍內,出水氨氮濃度趨于平穩,表明出水氨氮濃度超標受低溫(-7～12 ℃)影響較大,是出水氨氮超標的主要影響因素。

③ TN濃度變化分析

該污水處理廠1月31 d的進出水TN變化及去除率如圖5所示。

圖5 進出水TN濃度及去除率變化Fig.5 Changes of Influent and Effluent TN Concentration and Removal Rate

由圖5可知,日均進水TN質量濃度為70～110 mg/L,日進水最大值為188 mg/L,超設計值1.55～2.45倍,波動劇烈。日均出水TN質量濃度在34～46 mg/L,平均去除率在50%左右,全月31 d均超標。顯然,進水TN濃度過大,超過了系統的承受能力,加上低溫影響微生物活性,最終導致出水TN超標嚴重。

綜上,進水TN超過系統設計容量是造成出水TN超標的主要原因,而低溫是導致出水氨氮超標的主要原因。調查發現,近些年來新疆地區發展迅速,工業規模不斷擴大,工業廢水排放量也水漲船高。該污水處理廠設計投運初期至今,進水中工業廢水占比由最初的10%增長至35%,氮負荷較大,又適逢新疆最冷的月份,這才導致出水TN、氨氮超標。生物脫氮主要依靠硝化和反硝化菌。硝化菌多為中溫菌,適宜溫度在30 ℃附近,低溫會降低其活性,延長其世代時間[3]。研究[4-5]顯示,當溫度低于4 ℃時活性污泥中幾乎不存在硝化菌。氨氮的降解主要依靠硝化菌,硝化菌活性被抑制,出水氨氮水平自然就會較高。

2.2 調節酸化池和好氧池脫氮指標跟蹤監測

1月24日對水解酸化池及好氧曝氣池中相關氮指標進行跟蹤檢測,結果如表2所示。

表2 氮指標檢測結果Tab.2 Determination Results of Nitrogen

數據顯示,水解酸化池有機氮向氨氮的轉化率為84.82%,氨化反應進行不徹底,出水氨氮水平較進水有所降低。水解酸化池脫氮主要依靠有機氮的氨化和氨氮的厭氧氨氧化反應去除[6]。因此,水解酸化池中定然發生了厭氧氨氧化反應,但厭氧氨氧化反應需要亞硝酸鹽的參與,水解酸化池本身并不具備產生亞硝酸鹽條件。推測是好氧池回流污泥中攜帶的硝酸鹽在水解酸化池底部進行了不徹底的反硝化反應,產生的亞硝酸鹽與氨氮進行了厭氧氨氧化反應。水解酸化池雖進行了厭氧氨氧化反應,但其氨氮轉化去除率并不高,應與當時較低的溫度有很大關系[7]。進入曝氣池的氨氮質量濃度為36.80 mg/L,出水氨氮質量濃度為27.00 mg/L,去除率僅為26.63%。顯然,受溫度影響,曝氣池中硝化菌活性下降,硝化反應受阻,大量氨氮積累。水解酸化池出水中有機氮有4.60 mg/L,曝氣池過后降至4.18 mg/L,總出水口依然有4.18 mg/L,可見仍需強化水解酸化池脫氮能力。

3 優化分析及調控

3.1 水解酸化池運行優化

3.1.1 水解酸化池脫氮效能的影響因素

水解酸化池出水氨氮主要來自有機氮氨化和進水氨氮。氨氮的去除一般以同化作用、硝化反硝化作用實現,同化作用去除一般較少,僅在10%左右,且受溶解氧(DO)、水力停留時間等因素限制[8]。水解酸化池中氨氮的降解大部分要靠厭氧氨氧化反應。該反應在一定溫度下,主要受污泥濃度、水力停留時間、污泥齡和DO的影響[9]。優化調控措施也主要圍繞這幾個方面進行。

3.1.2 水解酸化池污泥濃度及沉降性能

現場勘測發現,水解酸化池內污泥層的厚度達到3 m以上,且沒有明顯的泥水分層,池上層污泥部分從排水管出口進入了曝氣池。測得曝氣池出水上清液SS質量濃度為6.6 g/L,基本屬于泥水混合液。可見水解酸化池中、下層污泥濃度較高。實測中、下層污泥平均質量濃度為21 g/L,污泥整體沉降性能差,泥水不能分離。

3.1.3 水解酸化池水力停留時間和DO

根據日均時流量和水解酸化池有效容積,計算出的水力停留時間為2.7～2.9 h,低于設計值(4.6 h)。難降解有機物在池中的水力停留時間不足,厭氧氨氧化和水解酸化反應進行不充分,水解酸化池功能沒有完全發揮。較長的水力停留時間,一方面可促進有機物開環斷鏈促使酸化反應進行更加徹底[10],另一方面,也可為受到低溫抑制的厭氧氨氧化菌提供更長的反應時間,從而進一步降低出水有機氮和氨氮。另外,測得水解酸化池DO質量濃度為0.9 mg/L,含量較高。水解酸化反應和厭氧氨氧化反應都需要較為嚴格的厭氧環境,需降低其DO含量。

3.1.4 水解酸化池優化調控

綜上,水解酸化池優化調控措施有:(1)降低污泥層厚度,將水解酸化池泥層厚度保持在2.5 m左右,澄清后上清液維持在1.2～2.0 m為宜,可有效改善水解池泥水分離的問題;(2)初期先加大污泥排放量,排出老化污泥,同時增加剩余污泥的回流量,保持池內污泥質量濃度在15～20 g/L,再將每日排泥量降至150 t,增加泥齡并維持在6 d左右,改善污泥質量,保證沉降性能;(3)依靠關閉進水閥適度控制進水量,提高前池水位,增加水解酸化池的水力停留時間至4.5 h。同時,將DO質量濃度由0.9 mg/L降至0.5 mg/L以下,保證厭氧環境。理論上水解酸化池氨氮平均去除率可達45%以上,將減少曝氣池的脫氮負荷,提高系統的穩定性。

3.2 曝氣池運行優化

3.2.1 曝氣池污泥性能評價

檢測發現曝氣池中污泥:污泥沉降比(SV30)為77%,MLSS為6 350 mg/L時,污泥體積指數(SVI)為121 mL/g,BOD5為1 690 mg/L,CODCr為6 602 mg/L。顯然,曝氣池污泥的濃度過高,缺乏活性,沉降性一般,且有產生污泥膨脹的可能。觀察發現,污泥形態松散且有部分上浮,表明曝氣池中微生物代謝紊亂,確有膨脹發生。對曝氣池進水進行檢測,發現實際進水的SS濃度過高,且曝氣池中污泥MLSS組成中很大部分是進水帶入的不可降解雜質,可生化性較低,導致雖然混合污泥中含有的有機質較多,但微生物活性和菌群數量卻并不高。此外,進入池中的大量有機質被吸附在菌膠團表面形成包裹層,阻礙了營養物質的輸送,使得微生物活性降低,有機質的降解也不徹底[11]。因此,除了提高曝氣池污泥活性,強化沉淀效果,還需減少曝氣池進水SS濃度。

3.2.2 曝氣池污泥回流和內回流比

系統每日外排的剩余污泥(含水率為98.5%)總量約為246 t/d,其中約60%回流進入水解酸化池,增加水解酸化池的污泥活性和濃度。但其中夾帶的DO一定程度上會影響水解酸化池的厭氧反應。曝氣池與沉淀池的切換過程中,留在沉淀池的剩余污泥相當于二沉池的污泥回流至曝氣池,內回流比為64%,留在沉淀池污泥量約為437 t/d。進水初期,即使進水水質波動較大,但由于污泥回流量較大,曝氣池污泥濃度高,曝氣池的好氧硝化反應也能順利進行,但需控制污泥內回流比。若內回流比太小,活性污泥在沉淀階段的停留時間較長,容易導致污泥上浮;若內回流比太大,會增加曝氣池A段反硝化反應的負擔。

3.2.3 曝氣池污泥參數優化調控

綜上,曝氣池優化調控措施有:(1)需先加大曝氣池污泥排放量,盡快將老化污泥置換掉,改善污泥整體質量;(2)調整MLSS維持在4 000～5 500 mg/L,MLVSS/MLSS在0.78以上,SV30和SVI分別小于42%、96%,抑制污泥膨脹,提高沉降效果;(3)將內回流比控制在50%～60%,防止污泥上浮。

4 優化調控結果及討論

按上述運行參數優化和調控策略,經15 d的調試運行后,水解酸化池泥水分離問題明顯改善,曝氣池出水氨氮和TN濃度顯著下降,菌群增殖速度明顯加快,污泥活性和沉降性能都有提高。穩定運行階段后一個月內出水氨氮和TN濃度變化情況如圖6所示。

圖6 出水氨氮和TN濃度變化Fig.6 Changes of Effluent Concentrations of Ammonia Nitrogen and TN

如圖6所示,出水氨氮和TN質量濃度分別為5.14～7.41 mg/L和9.12～16.91 mg/L,平均值分別為5.47 mg/L和11.92 mg/L。出水氨氮濃度波動較大,整體數值偏高,低溫對硝化反應的影響還在,但經調控優化后氨氮降解持續向好,無超標現象出現。出水整體TN波動較小,但仍處于一個較高的水平。較低的溫度降低了反硝化菌的活性,影響相對于硝化反應較小[12],但仍對反硝化反應有所限制,導致其出水濃度水平相對較高。

從總體上看,按優化參數和調控策略進行調試后,出水氨氮和TN濃度均有大幅降低,超標現象明顯改善,達到了設計出水標準。長遠來看,雖然通過優化調控措施使污水處理廠出水水質達到了設計標準,但出水氨氮和TN波動都較大,水平較高。顯然,現有的處理工藝面對當前現狀有些力不從心,尤其是面對低溫的影響。優化調控舉措核心都是延長微生物在反應池的停留時間,以削弱低溫對其的影響。但這勢必會降低處理負荷,間接增加運行成本,加上愈加嚴格的環保要求,升級改造工程勢在必行。

5 結論

(1)在線數據和相關氮指標的跟蹤監測結果顯示,工業廢水占比提高,進水TN超標,加之較低的溫度導致微生物活性降低,生物脫氮功能受到抑制,是出水氨氮和TN超標的主要原因。此外,水解酸化池氨化反應不徹底,氨氮轉化去除率低也是出水TN、氨氮超標的重要原因。

(2)優化調整后,水解酸化池:水力停留時間為

4.5 h,污泥質量濃度為15～20 g/L,污泥排放量為150 t/d,污泥齡為6 d,DO質量濃度為0.5 mg/L。曝氣池:內回流比為50%～60%,MLSS維持在4 000～5 500 mg/L,MLVSS/MLSS大于0.78,SV30和SVI分別小于42%、96%。優化調整后的出水氨氮和TN均值分別為5.47 mg/L和11.92 mg/L,達到了設計出水標準。可為該地區相關工程的類似問題提供一定的借鑒和指導。