基于倒置A2O工艺处理低碳源城市污水强化脱氮综合调控技术研究.doc

基于倒置A2/O工艺处理低碳源污水强化脱氮综合调控技术研究

摘要：重庆市某大型污水处理厂采用倒置A2/O工艺处理低碳源城市污水。针对运行存在的反硝化能力不足，脱氮除磷效果不好和2007年调控技术的缺陷进行了强化脱氮综合调控技术的生产性试验研究。在2008年常温高温季节采取投加垃圾渗滤液（投配率为0.1%）、缩短初沉池HRT为原来的1/3、提高MLSS到4500mg/L、设置好氧第1段为反硝化过渡段及提高回流比等措施后，增加可利用碳源15%以上，出水NH3-N为2.5mg/L，对NH3-N的去除率为90%；出水TN为17 mg/L，对TN的去除率提高至54%，单位电耗减少15%至0.22kW·h。在2008~2009年低温季节采用提高MLSS到6000mg/L，控制好氧区DO在1.2mg/L左右等措施，出水NH3-N为3mg/L，对NH3-N的去除率为88%；出水TN为15.5mg/L，对TN的去除率为62%。
关键字：倒置A2/O工艺；低碳源；强化脱氮；温度；综合调控

我国南方城市人均生活用水量大，其中洗涤、淋浴用水量占80%左右，加之南方城市雨水较多，而且排水系统多为合流制。此外，地下水渗入排水管内，化粪池的不合理设置，使得大部分城市污水浓度较低，CODcr一般为200mg/L，有的甚至更低[1]，难以满足系统高效脱氮对碳源的要求。倒置A2/O工艺具有缺氧段优先得到碳源，污泥回流至缺氧段，缺氧段污泥浓度高，单位池容的反硝化速率明显提高，反硝化作用能够得到有效保证[2~3]，回流的所有污泥全部经历完整的释磷、吸磷过程，系统的除磷效果也更好的特点，使得该工艺已成为三峡库区污水处理厂的典型工艺，应用较多。本文通过对某大型污水处理的倒置A2/O工艺的强化脱氮的综合调控技术的研究，实现低碳源污水处理稳定达标排放，可为我国城市污水处理厂的调控运行提供借鉴。
1.试验场地及方法
试验以重庆市某大型污水处理厂为基地，该厂污水日处理能力为60×104m3/d，雨季135×104m3/d，目前已处于满负荷运行状态，正在进行三期20×104m3/d扩建工程。该厂采用倒置A2/O生物脱氮除磷工艺（见图1），其中初沉池与二沉池均为平流式沉淀池，好氧区由3段廊道构成。

图1 污水处理厂工艺流程
Fig.1 Flow chart of wastewater treatment process
该厂进出水质情况见表1，可知进水水质变化较大，与设计值相差甚远，对于脱氮工艺来说通常要求BOD5/TN>4.0，从上表中可以看出该厂的进水BOD5/TN为2.5左右，属于低碳源污水。
表1 污水处理厂进、出水水质
Tab.1 Designed wastewater quality condition ( mg·L-1)
项目
CODCr
BOD5
SS
TP
NH3-N
TN
设计值
360
180
250
5
35
45
平均值
240
100
320
5.4
26.2
43
注：出水水质执行GB18918-2002标准的一级B标准
初期运行BOD5、CODCr、SS、去除效果较好，均能持续稳定达标。NH3-N出水始终稳定在0.5mg/L左右，去除率达95%以上。但TN、TP出水严重超标，平均去除率仅在37%、40%，反硝化能力相对不足。
通过2007年控制好氧第3段为过渡段，延长反硝化区长度等工艺调控，TN、TP能够满足达标，但存在好氧第3段由于曝气控制不精确，导致在该区域污泥浓度变化较大，影响在线MLSS仪表的准确监测，偶尔还会出现死泥上浮现象，导致出水SS超标。为使得出水能够长期稳定达标，2008年进行了常温高温、低温两种条件下的生产性试验。
2.常温高温季节强化脱氮综合调控及效果分析
2.1常温高温季节强化脱氮综合调控技术
2.1.1优先利用碳源脱氮与辅助化学除磷
由于氮的性质决定其难以经济的通过化学方法去除，而TP较容易通过化学沉淀去除。故采取优先利用有限的碳源满足TN的生物去除，采取生物脱氮除磷为主，辅助化学除磷的生物-化学协同作用技术。目前每天投加2.4吨左右有效液态聚铁盐除磷剂，在曝气池出水处投加，利用跌水能量充分混合辅助除磷。
2.1.2 碳源的补充与有效利用
（1）缩短初沉池HRT增加系统利用碳源
初沉池在去除原水中的部分悬浮固体的同时，也导致了大量碳源的去除。该厂采取每座初沉池开启6格中的2格的措施，HRT由1.69hr缩短到0.56hr。使进入A2/O池的可利用碳源量得到增加。
（2）外加碳源投加垃圾渗滤液
该厂从2007年起开始投加当地某垃圾填埋场的渗滤液，每天根据进水水质情况，选择性地投加某垃圾填埋场的渗滤液400t，投配率为0.1%（垃圾渗滤液投加量与污水日处理量之比）。同时为了保证均匀的投加到污水中，投加点选择在初沉池进水渠道处。
2.1.3 运行工况调整
（1）延长反硝化段长度（设置好氧——缺氧过渡段）
2008年将好氧——缺氧过渡区调整到好氧第1段，延长反硝化时间，调整段长度根据NH3-N沿程硝化情况试验确定。由于好氧池缺少搅拌器，为了防止第1段污泥的下沉堵塞微孔曝气头和造成污泥老化，通过调整曝气支管的阀门开启度来控制曝气量，使活性污泥处于悬浮状态，同时对第三段内回流区域实施DO控制。
（2）提高系统污泥浓度
该厂的MLVSS/MLSS在0.3~0.45之间，低于一般污水厂的0.7。采用设计的污泥浓度3300mg/L运行，实际的可挥发性污泥浓度（MLVSS）偏低，难以保证系统反硝化菌的量。故系统采用较高的MLSS 4500~5000mg/L。
（3）提高回流比
只有将尽可能多的硝酸盐态氮回流到前置缺氧区，反硝化作用才可以进行，才能够得到较高的氮去除率。研究表明单纯加大污泥回流比单纯加大污水回流的TN去除效果好，故该厂内回流比、外回流比分别调整为200%与100%，其中外回流比的增大幅度大于硝化液回流比。
2.2.结果与分析
2.2.1 倒置A2/O池中碳源有效利用情况
垃圾渗滤液中由于具有较高的含碳量，这使得利用其作为污水处理的补充碳源具有一定的可行性[4]。垃圾渗液浓度波动很大，该厂接受的渗滤液属于早期渗滤液，经过抽样监测CODcr为5000～8000mg/L，NH3-N为400～1000mg/L。渗滤液CODcr/TN为7~15，高于该厂进水中的CODcr/TN值，因此可为城市污水处理补充部分碳源，同时为垃圾填埋场渗滤液处理系统容量不足提供了一个解决方法。当投加量超过一定范围时，垃圾渗滤液中所含重金属、有毒有机物等会对活性污泥造成一定的毒害。该厂在渗滤液投配率为0.1%左右时，生物反应池中活性污泥表现为絮凝体较大，具有良好的吸附和沉降性能[5]。
通过对初沉池进出口处CODcr值的多次监测（监测数据见表2），前3次是每座池子6格全开时CODcr的平均去除率为35%左右，后3次是在关闭其中的4格后，CODcr的平均去除率减少到20%左右，进入生化池中的COD浓度提高了15%。
表2 初沉池缩短停留时间前后进、出水CODcr变化情况
Tab.2 Change of CODcr before and after shorten Primary sedimentation tank HRT
监测次数
初沉池进水CODcr
初沉池出水CODcr
去除率（%）
第一次
260
172
33.8
第二次
370
240
35.1
第三次
294
180
38.7
第四次
277
225
18.7
第五次
388
302
22.1
第六次
402
320
20.3
没有选择完全超越初沉池，主要是考虑到该厂的旋流沉砂池对细砂的去除效果不佳。在开启初沉池格数的1/3，既可以补充部分碳源，又可以弥补沉砂池缺陷。
2.2.2 对NH3-N的去除效果
在采取以上措施后，对2008年12个月NH3-N进、出水月平均值进行统计分析，系统对NH3-N的去除率在90%左右。实际进水中NH3-N浓度波动较大，但出水NH3-N浓度基本在2.5mg/L左右，说明在硝化区容积减少的情况下，系统仍然具有很强的抗NH3-N冲击负荷能力。好氧段内的硝化菌在与异养菌的在竞争中成为优势菌，另外MLSS一直维持在4500mg/L左右的高浓度，有大量的硝化菌聚集，为实现高效硝化创造条件。
2.2.3 对TN的去除效果
从TN的去除效果的图2中可以看出，2008年TN平均去除率在54%左右，取得了较好的脱氮效果，出水TN在17mg/L左右，其中年初低温季节脱氮效果较差。
脱氮效果大幅度提高的原因分析如下，通过工艺调整，为系统补充了碳源，有利于激发反硝化菌脱氮潜能。同时工艺中缺氧段置于整个生物反应池的最前端，该厂进水直接进入缺氧区，优先满足了反硝化脱氮对碳源的要求。在较高的活性污泥浓度下，为硝化和反硝化同步进行提供了有利条件[6]。该厂好氧段污泥浓度4500mg/L，DO控制在1.5mg/L，有研究表明[7~8]，在污泥浓度较高的情况下，控制好氧池内DO值在1~3mg/L时，可以观察到好氧

图2 2008年对TN去除效果 图3 2008年单位污水平均电耗
Fig.2 TN removal in system in 2008 Fig.3 The unit electricity consumption of 2008
段内存在明显的同步硝化反硝化现象。从好氧区末端回流区域硝化液中DO值较低，为缺氧脱氮创造了条件，同时由于污泥回流至缺氧段，缺氧段污泥浓度经过检测在5500mg/L左右，较好氧段高出约25%，单位池容的反硝化速率得到明显提高，同时较高的回流比也使更多的硝化液参与反硝化，提高了系统的脱氮效率。
2008年该厂出水SS在4~12mg/L，未发生超标现象，体现了控制好氧第1段的优势。
2.2.5 单位电耗分析
工艺调控后污水厂的平均电耗见图3，单位污水处理电耗与季节存在关系，第一、四季度单位电耗要高于第二、三季度，年平均电耗在0.22kW·h/m3左右，相比于调控前节能约15%，低于我国西南地区平均能耗0.275kW·h/m3 [9]，分析原因是一方面，随着污水配套管网的建成，污水处理量达到设计规模，产生的规模效应使单位电耗减少。有研究表明，单位电耗与实际处理水量成幂指数关系Y=0.34X-0.168，随着实际处理量的增加，单位电耗随之降低，同时当实际处理规模越接近设计规模时，电耗降低速率越快[10]。另一方面，随着对倒置A2/O工艺各项运行参数的规律的掌握，采取调控措施后，通过对DO和进出水NH3-N值在线监测及时调整鼓风机工况，使好氧区曝气量的总体减少，气水比维持在4.5左右。鼓风曝气系统电耗一般占全厂电耗的60%左右，在运行中需要严格控制反应池的曝气量，可以避免能耗的浪费。
3.低温季节强化脱氮综合调控及效果分析
3.1低温季节强化脱氮综合调控技术
该厂低温季节出水TN经常维持在17~19mg/L，每年均出现几次TN超标的问题，在超标情况出现后，系统及时调控仍需3~4天的适应才能恢复正常。通过对近两年的低温季节运行情况的研究，对2008~2009年低温季节条件下的运行参数进行了调整，在常高温条件下采取的措施基础上，针对低温季节提出了以下措施强化脱氮。
3.1.1进一步提高污泥浓度
为了确保安全度过低温期，基于长污泥龄可以保证硝化菌的充分繁殖、高的抗冲击负荷和促进同步硝化反硝化考虑[11]，该厂采取提高MLSS的措施进行了现场试验研究。从2008年11月初起，通过减少剩余污泥泵排泥次数和排泥量，经过半个多月的时间，MLSS控制在5500~6000mg/L，使污泥负荷降至0.04 ~0.05kgBOD5/ (kgMLSS·d)。
3.1.2控制系统DO值
低温条件下污水厂生物系统的正常运行就是充分处理好进水营养物的浓度与微生物对溶解氧的需求的协调问题。考虑该厂低温条件下系统硝化能力较强，由于MLSS的提高，系统中微生物量得到增加，污泥负荷降低，为了提高系统脱氮效果，必定要维持系统的一定生物活性，避免微生物处于内源呼吸阶段。故采取适当降低曝气池中的DO值，控制在1.2mg/L左右，确保活性污泥中微生物的正常生长，同时不造成污泥老化。
3.2结果与分析
表3 调控后2008~2009年低温条件下进出水水质
Tab.3 Influent and Effluent Quality in Low-temperature in 2008~2009 after regulation
指 标
月 份
TN（mg/L）
NH3-N （mg/L）
进水
出水
进水
进水
2008.12
2009.01
2009.02
2009.03
40.0
41.0
39.3
40.0
15.5
15.1
15.4
15.6
23.5
22.8
25.8
30.4
3.0
3.8
2.5
2.0
从表3中可以看出，TN出水能够维持在15.5mg/L左右，基本处于一级A标附近。NH3-N出水在3mg/L左右，比常温高温期有所提高。说明提高污泥浓度能够取得良好的脱氮效果。
分析原因如下，污水反应池中水温要高于当地气温，提高污泥浓度能够更好的维持系统水温，同时控制了好氧段的DO值，适当减少多余的曝气量，可以减少通过气体带入空气中的热量，有利于系统的生化反应的发生。在好氧硝化过程中，由于污泥浓度的提高，从而使系统的污泥龄得到提高，较高的污泥龄是保证生物污泥中的硝化细菌存在的条件。在缺厌氧阶段高污泥浓度会使更多的碳源被消耗，减少碳化阶段的容积，从而提高硝化细菌浓度，硝化速率也得到提高，同时高污泥浓度意味着能够产生更大颗粒的活性污泥，为同程硝化反硝化创造了条件。在反硝化过程中，因此硝化末端较低的溶解氧可以有效的减少硝酸盐回流液中所携带的溶解氧含量，同时高污泥浓度自身内源代谢需氧量也相对较强，可以进一步消耗回流及缺氧段中的溶解氧，提高了反硝化菌利用碳源的反硝化能力。
4、结论
（1）垃圾渗滤液投加比为0.1%时，活性污泥未出现中毒现象，在补充部分碳源的同时为渗滤液的处理提供出路。缩短初沉池HRT为原来的1/3，可以为系统提高可利用的15%的碳源。
（2）常温高温条件下，通过碳源的补充和控制好氧第1段DO值强化反硝化，可以使NH3-N去除率达到90%，TN去除率达到54%，且实现达标排放。采取调控技术后，减少了生物反应池的气水比，系统节约电耗15%。
（3）低温条件下，通过提高污泥浓度到5500~6000mg/L，控制曝气池DO在1.2mg/L左右等措施后，出水TN稳定在15mg/L左右，对TN的去除率达到62%左右。
（4）在低温条件过去后，应及时降低污泥浓度，将工艺调整了常温高温模式运行，避免污泥大量增长。
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